WING AND TAIL SURFACES STRUCTURE FOR AIRCRAFT

Abstract: 1. Supporting member for aircraft wing and tail units, having a substructure (1) which is formed from spar webs extending towards each other in the shape of a V, and which comprises an integral, plastically deformed metal sheet (2) for fixing the skin of the member, characterised in that the integral sheet member forming the substructure (1) is deformed superplastically, and in that the metal sheet (2) forming the substructure forms any desired number of spar webs (5) extending towards each other in the shape of a V, which webs at the same time extend in a corrugated form in their depth.

Description: Unterstruktur für Trag- und Leitwerke von Flugzeugen Die Erfindung betrifft eine Unterstruktur für Trag- und Leitwerke von Flugzeugen und darauf befestigten Beplankungen. Aus der Praxis sind konventionelle Konstruktionen und Lösungen hinreichend bekannt, bei welchen zum Bau von dünnen Uberschall- Trag- und Leitwerken sowohl Vielholmals auch Sandwichbauweisen mit und ohne CFK-Werkstoffen verwendet werden. Zum Beispiel verwendet der.US-Flugzeugbau beim Flugzeug AV-8B einen CFK-Flügel mit zahlreichen CFK-Einzelholmen, deren Stege gewellt sind. Auch das Leitwerk des Rockwell Flugzeugs B-l ist mit derartigen gewellten Holmen versehen, wobei ursprünglich die aus Aluminium bestehenden Stege und Flansche miteinander verschweisst und später aber auch aus einem CFK-Werkstoff gefertigt wurden. Beim Jäger F-16 wurde das Höhenleitwerk zunächst als CFK-Sandwich Konstruktion mit einem Aluminium-Wabenkern ausgeführt. Dagegen wurde bei der Folgeversion F-16C ein CFK-Höhenleitwerk mit einer V-Holm-Unterstruktur vorgesehen. Verfahren nach dem superplastlschen Umformen fanden bei keiner dieser Konstruktionen Anwendung. Es wurde aber bereits vorgeschlagen, eine derartige V-Holm-Unterstruktur aus Faserverbundwerkstoffen (mit Lang- oder Kurzfasern) herzustellen. Nachteilig bei der Vielholm-Bauweise ist die aufwendige und kostenintensive Fertigung infolge der Vielzahl von Einzelteilen. Sandwich-Konstruktionen sind störanfällig und schlecht auf Schäden zu prüfen, sarmneln häufig Wasser im Kern an und sind schwierig zu reparieren. Aufgabe der Erfindung ist es, eine Unterstruktur aus einem Stück zu schaffen, die sehr beulfest, leicht und kostensparend sowie mit guter Inspizierbarkeit herstellt werden kann. Zur Lösung der gestellten Aufgabe sind die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen. Der Vorteil der Erfindung besteht insbesondere darin, dass durch Vernietung oder Verschraubung der Unterstruktur mit der Beplankung eine zuverlässige Verbindung dieser Bauteile gewährleistet wird. Die Herstellen der Unterstruktur aus einem Blech durch superplastische Umformung ist kostensparend, und in der Fertigung ist eine einfache und eindeutige Qualitätssicherung gewährleistet. Die so gefertigten Trag- und Leitwerke sind gut zu inspizieren, zu prüfen und relativ einfach zu reparieren. Wesentliche Massennachteile, z.B. gegenüber der Sandwichbauweise, sind nicht vorhanden. Abstufungen in der Beplankung sind einfach vorzunehmen. Ein Ausgleich von geringen Toleranzen, die zwischen Unterstruktur und Beplankung entstehen können, ist durch Ausfüllen (Shimmen) mit einem Zwischenmaterial (z.B. Einlagen, Pasten u.a.) leicht vorzunehmen. Ferner ist das Volumen (Kammern) des Trag- oder Leitwerkes für eine Verlegung von Leitungen/Kabeln oder für die Unterbringung von Kraftstoff nutzbar. Eine Ansammlung von Wasser oder Feuchtigkeit im Inneren der Trag- oder Leitwerke, wie sie beispielsweise bei der Sandwichbauweise häufig vorkommt, kann durch Ablauf- und Belüftungslöcher ausgeschlossen werden. Die gesamte V- und wellenförmige Unterstruktur wird aus einem geeigneten hochfesten Metallblech durch die an sich bekannte superplastische Umformung hergestellt. Dabei wird das ebene Blech bei hoher Temperatur und unter Druck eines inerten Gases in eine Stahlform gedrückt. Die Stahl form enthält die V-förmige Anordnung sowie die Wellung der Stege und berücksichtigt die erforderlichen Beplankungsdicken. Die somit gewonnene integrale Unterstruktur wird anschliessend an beiden Seiten durch Vernietung oder Verschraubung mit den Beplankungen (z.B. aus CFK) zu einem tragenden Bauteil zusammengefügt; z.B. mit Vorder- und Hinterholm zum Seitenleitwerk-Hauptkasten. Ein Ausführungsbeispiel ist folgend beschrieben und durch Skizzen erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine V-Holm-Unterstruktur im Prinzip (Ausschnitt), Figur 2 einen Ausschnitt-Kasten aus einem Seitenleitwerk gemäss Figur 5, Figur 3 eine fertig bearbeitete V-Holm-Unterstruktur gemäss Figur 1, Figur 4 einen fertigen Seitenleitwerk-Ausschnittkasten gemäss Figur 2, Figur 5 ein Seitenleitwerk mit V-Holm-Unterstruktur. Aus Figur 1 ist der prinzipielle Aufbau und die Form einer aus einem hochfesten Aluminium-Blech V- und wellenförmig verformten integralen Unterstruktur 1 (auch Figuren 3 und 4) ersichtlich. Bei einem in einer Stahlform (in der Figur nicht gezeigt) so verformten Blech 2, weisen die von flanschartig ausgebildeten Erhebungen 3 zu ebenso ausgebildeten Vertiefungen 4 verlaufenden gewellten Schubstege 5 eine V-Form auf und bilden so durch Fortsetzung in Tiefenrichtung die sogenannte V-Holm-Unterstruktur. Die Erhebungen 3 und Vertiefungen 4 weisen, entsprechend der Wellung 6, ebene und zueinander parallele Flächen als Anschlussflansch 7 für die Befestigung der Beplankungen 8 (Figuren 2 und 4) auf, welche mit Bohrungen 9 versehen sind. Die V- und wellenförmig verlaufenden Schubstege 5 übernehmen dabei auf der gesamten Spannweite eines Tragoder Leitwerkes sowohl die Holmfunktion als auch die Funktion einer durchlaufenden "Fachwerkrippe", wodurch eine gute Aussteifung des Holmkastens erzielt wird. Es erübrigen sich damit quer zur Hauptbeanspruchungsrichtung liegende Nietreihen oder entsprechende Verstärkungen an den Beplankungen. Die von den Schubstegen 5 gebildeten Kammern 10 (Figuren 2 und 4) lassen sich von den Stirnseiten eines Hauptkastens her relativ gut inspizieren. Gegen Beulen müssen die relativ dünnen Schubstege 5 versteift werden, was durch die Wellung 6 des Bleches 2 erzielt wird. Derartig gewellte Schubstege 5 sind aus dem Flugzeug- und Leichtbau an sich bekannt. Problematisch war hierbei jedoch der Übergang der gewellten Schubsteqe zum Anschlussflansch. Durch die erfindungsgemässe Unterstruktur und ihrer Formgebung durch superplastische Umformung nur eines Bleches ergeben sich nunmehr neue und wesentlich bessere konstruktive Möglichkeiten. Aus Figur 2 ist ein Ausschnitt-Kasten 12 für ein Seitenleitwerk (Figur 5) als Musterbox in seitlicher und in der Ansicht von oben ersichtlich. Die integrale Unterstruktur 1 (Figuren 1, 3 und 4) ist hier zu beiden Seiten mit Beplankungen 8 versehen, welche mit den in den Erhebungen 3 und Vertiefungen 4 von den Schubstegen 5 gebildeten Anschlussflanschen 7 vernietet oder verschraubt sind 11. Die von den Schubstegen 5 und den Beplankungen 8 gebildeten Kammern 10 zeigt die seitliche Ansicht oben. Die Anschlussflansche 7 der Unterstruktur 1 sind mit Verstärkungen 12 versehen, um örtlich die Festigkeit für Vernietung oder Verschraubung 11 zu erhöhen. Diese Verstärkungen 12 können entweder dadurch erzeugt oder hergestellt werden, dass die Gesamtfläche der Unterstruktur mit Ausnahme der Bereiche der Anschlussflansche chemisch abgetragen wird, oder dass die Anschlussflansche 7 mit streifenartigen Ein- oder Auflagen 13 durch Hartlöten oder Diffusionsschweissen verbunden werden. In Figur 3 ist eine fertig bearbeitete integrale Unterstruktur 1 (Figuren 1, 2 und 4) dargestellt, woraus die Schubstege 5 mit Wellung 6, die Erhebungen 3 und Vertiefungen 4, sowie die dort von diesen gebildeten Anschlussflansche 7 ersichtlich sind. Schliesslich ist, wie in Figur 2 beschrieben., aus Figur 4 ein fertig montierter Seitenleitwerk-Ausschnittkasten 14 ersichtlich. Aus der seitlich und schräg von oben gezeigten Ansicht sind die von der Beplankung 8 und der integralen Unterstruktur 1 und deren Vernietung oder Verschraubung 11 gebildeten Kammern 10 gut zu erkennen. Das die Unterstruktur 1 bildende Metallblech 2 kann im Kammerbereich mit Durchbrüchen 15 versehen sein, um einzelne Kammern 10 miteinander zu verbinden (Kraftstoff). Die Figur 5 zeigt den Entwurf eines Seitenleitwerkes 15 mit einer V-Holm-Unterstruktur 1, bei welcher die Holmstege 5 in Spannweitenrichtung orientiert sind. Die auf diese Weise hergestellten Trag- und Leitwerke sind im Innern dieser Kammern 10 (in der Figur links) einfach auf Schäden zu inspizieren und es können eventuell notwendige Reparaturen unkompliziert vorgenommen werden. Bei der Fertigung kann ein Ausgleich der Toleranzen zwischen der integralen Unterstruktur 1 und den Beplankungen 8'an den Anschlussflanschen 7 (Figuren 3 und 4) durch Ausfüllen (Shimmen) mit Einlagen oder einer nach Einbringen sich verhärtenden Paste vorgenommen werden.

Claims: Patentansprüche: 1. Unterstruktur für Trag- und Leitwerke von Flugzeugen und darauf befestigten Beplankungen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass sie aus einem integralen superplastisch verformten Metallblech (2) besteht und dass darauf die Beplankungen (8) befestigt sind. 2. Unterstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallblech (2) beliebig viele V-förmig zu einander verlaufende Holmstege (5) bildet, die zu gleich in ihrer Tiefe wellenförmig verlaufen. 3. Unterstruktur nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallblech (2) an den V förmig zueinander verlaufenden Holmstegen (5) zuein ander parallele Auflage- und Verbindungsflächen auf weist. 4. Unterstruktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflage- und Verbindungsflächen als Anschluss flansche (7) ausgebildet sind. 5. Unterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, dass die Anschlussflansche (7) die zueinander verlaufenden Holmstege (5) integral miteinander verbinden. 6. Unterstruktur nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beplankungen (8) auf die Anschlussflansche (7) genietet oder geschraubt sind. 7. Unterstruktur nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Dickenänderungen der Beplankungen (8) durch entsprechende Abstufungen in den Anschluss flanschen (7) berücksichtigt sind. 8. Unterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, da durch gekennzeichnet, dass die Anschlussflansche (7) mit Verstärkungen (12) versehen sind. 9. Unterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da durch gekennzeichnet, dass die Verstärkungen (12) durch chemisches Abtragen der Holmstege (5) erzeugt sind. 10. Unterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da durch gekennzeichnet, dass die Verstärkungen (12) streifenförmige Ein- oder Auflagen (13) sind und mit den Anschlussflanschen (7) durch Hartlöten miteinander verbunden sind. 11. Unterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da durch gekennzeichnet, dass die Ein- oder Auflagen (13) mit den Anschlussflanschen (7) durch Diffusions schweissen miteinander verbunden sind. 12. Unterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da durch gekennzeichnet, dass das Metallblech (2) zur Verbindung einzelner durch seine V-förmige Ausgestal tung gebildeten Kammern (10) mit Durchbrüchen (15) versehen ist. 13. Unterstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da durch gekennzeichnet, dass die Beplankungen (8) aus einem Metall- oder Faserverbundwerkstoff bestehen. 14. Unterstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Metallblech (2) mit den Beplankungen (8) durch Kleben, Hartlöten oder Diffusionsschweissen verbunden ist.

Inventors: JOHST, EBERHARD, DIPL.-ING., SAHM, KARL-FRIEDRICH, DR.RER.NAT.
Applicants: DORNIER GMBH
Application year: 1986
Main classification: B64C1
IPC codes: B64C3, B64C1