ОСНАСТКА ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КРЫЛА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Область техники.
Полезная модель относится к авиационной и космической технике и касается конструкции оснастки для изготовления крыла летательного аппарата. Полезная модель предназначено к использованию при выполнении крыла летательного аппарата из полимерного композиционного материала (ПКМ) на основе волокнистого наполнителя из химических органических и неорганических волокон (например, стекловолокна, углеродные волокна, базальтовые волокна)
За последние десятилетия значительно возросло использование полимерных композиционных материалов (ПКМ) на основе высокопрочного искусственно волокна для изготовления конструкций летательных аппаратов. Снижение массы, получаемое благодаря использованию ПКМ вместо металлических материалов, стало одним из основных факторов, обусловивших их использование. Полимерные композиционные материалы обладают высокими удельными статическими и динамическими характеристиками, сочетающимися с высокой коррозионной стойкостью. Низкая скорость распространения трещин (в том числе усталостных), высокая вязкость разрушения, ударо- и вибропрочность позволяют применить ПКМ, в том числе при изготовлении крыла летательных аппаратов.
Уровень техники
Известна оснастка для изготовления крыла летательного аппарата из полимерного композиционного материала включающая форму, состоящую из верхней и нижней частей, скрепляемых одна с другой с образованием единой герметичной формообразующей полости, в которой производится формование крыла летательного аппарата, и формообразующие элементы. Формообразующие элементы выполнены и размещены внутри указанной полости оснастки в соответствии с конфигурацией крыла и включают центральной дорн и расположенные по обе стороны от него периферийные дорны. Центральный дорн выполнен в соответствии с кессоном крыла. Один из периферийных дорнов определяет конфигурацию носка крыла и второй периферийный дорн - конфигурацию хвостовой части крыла. Дорн носка крыла образован двумя стенками, выполненными в соответствии с поверхностью обшивок крыла в зоне носка крыла, и третьей стенкой, охватывающей с зазором дорн кессона. Дорн хвостовой части крыла образован двумя стенками, выполненными в соответствии с поверхностями обшивок крыла в зоне хвостовика крыла и третьей стенкой, охватывающей с зазором дорн кессона. Таким образом, периферийные дорны выполнены на основе треугольников и имеют угловые участки (острые углы) в зонах соединения сторон. Дорны размещены в охватывающих их эластичных оболочках и имеют каналы, выходящие на наружную поверхность дорнов и сообщающиеся со средством подачи избыточного давления на растягивание эластичных оболочек, (см. RU 2030336 C1). Помимо указанных элементов в оснастке использованы цулаги, которые должны способствовать оказанию равномерного давления на слои препрега. Однако значительное количество цулаг и их сложная форма усложняют конструкцию оснастки, технологию ее изготовления и процесс ее сборки. Использование секций цулаг, охватывающих протяженные поверхности слоев препрега, не позволяют обеспечить равномерное уплотнение слоев в наименее доступных угловых участках волокнистого наполнителя.
Раскрытие полезной модели
Задачей полезной модели является разработка конструкции оснастки, в которой может быть обеспечено формование крыла летательного аппарата необходимой геометрии из полимерного композиционного материала с использованием предварительно пропитанного полимерным связующим волокнистого наполнителя - препрега.
Технический результат, достигаемый при реализации заявляемой полезной модели, заключается в повышении качества готового изделия за счет обеспечения необходимого и равномерного уплотнения формообразующих слоев заготовки изделия в угловых участках заготовки с упрощением при этом конструкции оснастки и ее обслуживания (сборки и демонтажа).
Для достижения указанного технического результата предлагается оснастка для изготовления крыла летательного аппарата из полимерного композиционного материала включающая форму, состоящую из верхней и нижней полуформ (частей), с внутренними формообразующими поверхностями, соответствующими наружным поверхностям обшивок крыла, и формообразующие элементов. Полуформы соединены (скреплены) одна с другой с образованием замкнутой герметичной формообразующей полости. Формообразующие элементы выполнены и размещены внутри формообразующей полости оснастки в соответствии с конфигурацией крыла. Указанные элементы включают центральной дорн, выполненный в соответствии с кессоном крыла (далее дорн кессона) и расположенные по обе стороны от него периферийные дорны, определяющие соответственно конфигурацию носка крыла (далее дорн носка крыла) и хвостовой части крыла (далее дорн хвостовой части крыла). Дорн носка крыла образован двумя стенками, поверхности которых выполнены в соответствии с наружной поверхностью обшивок крыла в зоне его носка, и стенкой, охватывающей с зазором центральный дорн кессона. Дорн хвостовой части крыла образован двумя стенками, поверхности которых выполнены в соответствии с наружной поверхностью обшивок крыла в зоне его хвостовой части, и стенкой, охватывающей с зазором центральный дорн кессона. Дорны размещены в охватывающих их эластичных оболочках и имеют каналы и сообщающиеся с ними и выходящие на наружную поверхность дорнов отверстия. Имеется средство подачи избыточного давления в каналы дорнов на растягивание эластичных оболочек. Участки эластичных оболочек периферийных дорнов, расположенные в зонах углов между стенками этих дорнов, армированы с внутренней стороны оболочек уголковым профилем, охватывающим угловые части дорнов по всей длине.
Полезная модель иллюстрируется чертежами, где:
На фиг. 1 изображена предлагаемая оснастка в поперечном разрезе;
На фиг. 2 - фрагмент А на фиг. 1;
На фиг. 3 - контур поперечного сечения крыла летательного аппарата
Оснастка содержит форму, состоящую из верхней 1 и нижней 2 полуформ (частей) с формообразующими полостями. Полуформы 1 и 2 соединены (скреплены) одна с другой с образованием, внутри формы, из указанных полостей полуформ единой замкнутой герметичной формообразующей полости 3, в которой производится формование изделия - крыла летательного аппарата. Поверхности 4 и 5, ограничивающие формообразующие полости верхней 1 и нижней 2 полуформ, являются формообразующими поверхностями, конфигурация которых соответствует наружным поверхностям обшивок крыла летательного аппарата. Таким образом, полость 3 соответствует форме и параметрам крыла летательного аппарата.
Составной частью оснастки являются три формообразующих элемента, которые имеют одинаковую длину и различаются формой поперечного сечения: центральный дорн 6 кессона крыла, выполненный в соответствии с кессоном 7 крыла, и расположенные по обе стороны от центрального дорна 6 периферийный дорн 8 носка крыла, определяющий конфигурацию носка 9 крыла, и периферийный дорн 10 хвостовой части крыла, определяющий конфигурацию хвостовой части 11 крыла. Форма поперечного сечения каждого из периферийных дорнов выполнена на основе треугольника).
Дорн 6 имеет форму цилиндрического стержня, подобно наиболее распространенной форме кессона крыла. Дорн 8 носка крыла ограничен двумя боковыми стенками 12 и 13 и стенкой 14 основания. Поверхности стенок 12 и 13 дорна 8 соответствуют поверхностям обшивок крыла в зоне носка крыла. Поверхность стенки 14 основания дорна 8 выполнена дугообразно вогнутой. Дорн 10 хвостовой части крыла, ограничен двумя боковыми стенками 15 и 16 и стенкой 17 основания. Поверхности стенок 15 и 16 дорна 10 соответствуют поверхностям обшивок крыла в зоне хвостовой части крыла. Поверхность стенки 17 основания дорна выполнена дугообразно вогнутой.
Как можно видеть из фиг. 1, поверхности боковых стенок 12 и 13 дорна 8 образуют с поверхностью стенки 14 основания острые углы 18 и 19. Аналогично, поверхности боковых стенок 15 и 16 дорна 10 образуют с поверхностью стенки 17 основания острые углы 20 и 21, и, в соответствии с геометрией крыла, поверхности стенок 15, 16 образуют острый угол 22 между собой.
Дорны 6, 8 и 10 проходят по всей длине формообразующей полости 3.Размещение дорнов 6, 8 и 10 в полости 3 обеспечивается таким образом, что дорны 8 и 10 располагаются по разные стороны от центрального дорна 6. Поверхности стенок 14 и 17 оснований дорнов 8 и 10 охватывают дорн 6 с его диаметрально противоположных сторон с образованием между поверхностями стенок 14, 17 и поверхностью дорна 6 зазора 23. Радиусы вогнутых поверхностей стенок 14, 17 выбраны с учетом радиуса окружности поперечного сечения дорна 6 таким образом, что величина зазора между поверхностями стенок 14, 17 и цилиндрической поверхностью дорна 6 одинакова.
Каждый из дорнов снаружи охвачен эластичной оболочкой, пригнанной по форме соответствующего дорна: для дорна 6 - оболочка 24, для дорна 8 - оболочка 25, для дорна 10 - оболочка 26. Оболочки 24, 25, 26 охватывают дорны таким образом, что каждый дорн оказывается герметично замкнутым внутри своей оболочки. В качестве оболочки, в которую заключен дорн, используют пленку, обладающую свойствами эластичной мембраны, которая, по определению, представляет собой гибкую тонкую пленку, обладающую упругостью при приведении ее внешними силами в состояние натяжения. Преимущественно, в качестве оболочки используют пленку из силикона (силиконовой резины) или наиритовой резины.
В дорнах 6, 8 и 10 предусмотрены каналы 27. Каналы 27 с одной стороны сообщены с источником подачи в каналы воздуха или инертного газа под избыточным давлением, а с другой стороны выходят на наружные поверхности дорнов 6, 8, 10.
Участки эластичных оболочек 25, 26 периферийных дорнов 8, 10 в зоне охвата концевых участков дорнов 8, 10 с острыми углами 18, 19, 20, 21, 22 армированы с внутренней стороны уплотняющими элементами 28, оформляющими внутренний контур изделия. Элементы 28 выполнены в виде (из) остроугольного уголкового (V-образного) профиля из тонкого упругого металла, имеющего хорошую адгезию к материалу эластичной оболочки.
Элементы 28 проходят по всей длине дорнов 8, 10. Предпочтительно, элементы 28 закреплены на внутренней поверхности оболочек 25, 26 клеевым соединением. Угол между пластинами профиля элементов 28 соответствует углу остроконечных участков дорнов 8, 10 (углы 18, 19, 20, 21, 22), и элементы 28 охватывают указанные участки при сборке оснастки.
Оснастка используется следующим образом.
Предварительно изготавливают формообразующие дорны 6, 8 и 10 из жесткого материала (преимущественно, металла), придавая им форму соответственно кессона 7, носка 9 и хвостовой части 11 крыла. Наружные поверхности дорнов 8, 10 выполняют по форме наружной поверхности обшивок крыла в носочной и хвостовой частях. При изготовлении дорнов 6, 8,10 в них формируют сквозные каналы 27, выходящие на наружную поверхность дорнов.
Дорны 6, 8, 10 помещают в оболочки 24, 25, 26 из эластичного материала, обеспечивая их герметичность внутри оболочек.
Для дорна 6 на поверхности оболочки 24, охватывающей дорн, устанавливают и фиксируют слои 29 препрега из пропитанного полимерным связующим композиционного материала (предпочтительно, из углеткани), покрывая всю поверхность оболочки. Таким образом, получают сборки дорнов, готовые к использованию в процессе формования.
При поднятой в нерабочее положение верхней полуформы 1 на внутреннюю поверхность нижней полуформы 2 укладывают нижние слои 30 препрега из пропитанного полимерным связующим композиционного материала (предпочтительно, из углеткани), формируя таким образом нижнюю обшивку крыла необходимой толщины. На выложенные слои последовательно устанавливают и фиксируют ранее подготовленные сборки дорнов: сборку дорна 8 носка крыла, сборку центрального дорна 6, сборку дорна 10 хвостовика крыла. При укладке, сборки дорнов 6, 8, 10 позиционируют таким образом, чтобы вогнутые поверхности стенок 14 и 17 сборок дорнов 8 и 10 примыкали к поверхности сборки цилиндрического дорна 6.
Выкладывают на поверхности сборок дорнов 6, 8, 10 необходимое количество верхних слоев 31 препрега, формируя верхнюю обшивку крыла необходимой толщины. Скрепляют между собой верхнюю 1 и нижнюю 2 полуформы, обеспечивая герметичность формообразующей полости 3.
Создают избыточное давление воздуха или инертного газа (подаваемого через сквозные каналы 27 в дорнах) в эластичных оболочках. Под действием давления со стороны эластичных оболочек на слои препрега происходит необходимое равномерное уплотнение слоев по всему объему. При этом, благодаря армированию оболочек 25, 26 уголковыми профилями в зоне охвата оболочками острых углов 18, 19, 20, 21, 22 дорнов 8, 10, обеспечивается необходимое давление уголковых профилей (уплотняющие элементы 28), смещаемых при раздувании оболочек, на участки слоев препрега, находящиеся в труднодоступных угловых (остроугольных) зонах, и достигается требуемое уплотнение слоев препрега.
Подготовленную таким образом форму помещают в автоклав. Осуществляют формование изделия, при котором создается давление до 6 атм, необходимое для того, чтобы связующее равномерно пропитало волокно, и производится нагрев оснастки с заложенным в ней технологическим пакетом до заданной температуры, обеспечивающей достижение требуемой при формовании величины вязкости полимерного связующего. Извлечение из оснастки полученного, в результате формования, отвержденного изделия производят после охлаждения оснастки до температуры не более 50°C. Из извлеченного из оснастки изделия удаляют сборки дорнов. После этого отформованное изделие подвергается необходимой механической обработке и проведению контроля качества.