ГЕРМЕТИЧЕСКИЙ ШПАНГОУТ ДЛЯ ФЮЗЕЛЯЖА ВОЗДУШНОГО СУДНА
SEALED FRAME FOR AIRCRAFT FUSELAGE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к герметическому шпангоуту для фюзеляжа воздушного судна.
Уровень техники
Герметический шпангоут является частью внутренней структуры фюзеляжа воздушного судна и используется для обеспечения герметичности, например, в хвостовом отсеке воздушного судна. Этот шпангоут в общем случае состоит из жестких оболочек, например, одинарной или двойной кривизны, изготовленных из металла или композитного материала, часто с усилениями - так называемыми ребрами жесткости.
Существующие конструктивные решения герметического шпангоута имеют следующие главные недостатки: увеличение веса конструкции, необходимое для предотвращения потери статической устойчивости; трудоемкость процессов изготовления - как металлической конструкции, так и конструкции из композитных материалов; применение дорогостоящих материалов и/или процессов, а также затруднительность технического обслуживания соседних с герметическим шпангоутом структур.
В отношении увеличения веса главной структурной проблемой является потеря статической устойчивости, вызываемая сдвиговыми и сжимающими усилиями. Такого рода потери устойчивости возникают при боковых маневрах под нагрузками, связанными с высокими крутящими моментами (высокие сдвиговые напряжения), и при отрицательных градиентах давления (высокие сжимающие напряжения), например, в связи с быстрой потерей воздушным судном высоты. По этим причинам оказывается необходимым увеличивать толщину оболочки жесткого герметического шпангоута, а для экономии веса бывает нужно использовать радиальные или периферические ребра жесткости.
Трудоемкость изготовления, связанная с наличием ребер жесткости и двойной кривизной вышеупомянутых герметических шпангоутов, приводит к тому, что процесс изготовления является очень сложной и дорогой процедурой.
В случаях применения дорогих материалов и/или процессов часто предпочитают использовать композитные материалы, так как они позволяют экономить вес, а получение формы с двойной кривизной не требует большого количества заклепок, необходимых в аналогичной металлической конструкции. Такие материалы, равно как и связанные с ними процессы изготовления, дороги, особенно в случае применения ребер жесткости из многослойного композита.
Что касается затруднительности технического обслуживания и соответствующей потери пространства из-за кривизны применяемых герметических шпангоутов, то применение их затрудняет доступ к структурам, расположенным за герметическим шпангоутом, и затрудняет очистку зоны крепления этого шпангоута к соответствующей раме.
В документе ЕР 0217117 А1 описан изогнутый герметический шпангоут, снабженный предохранительным поддерживающим узлом, выполненным из ленточной сетки. Ленты крепятся к шпангоуту после закрепления последнего.
Существует потребность в снижении веса, времени и стоимости изготовления, а также обеспечении более простой процедуры техобслуживания герметического шпангоута.
В соответствии с вышеизложенным задачей настоящего изобретения является создание такого герметического шпангоута для фюзеляжа воздушного судна, который позволил бы устранить или уменьшить вышеуказанные недостатки.
Раскрытие изобретения
В соответствии с настоящим изобретением эта задача решается предложением для фюзеляжа воздушного судна герметического шпангоута, включающего главную часть шпангоута, имеющую в ненагруженном состоянии по существу плоскую форму, и раму, поддерживающую главную часть шпангоута и соединяющую ее с фюзеляжем, причем главная часть шпангоута включает воздухонепроницаемую структуру, содержащую сетчатый элемент.
Таким образом, снижается вес шпангоута и упрощается техобслуживание структур и систем, находящихся в задней части фюзеляжа, так как в ненагруженном состоянии герметический шпангоут имеет плоскую форму. Экономия веса может составить приблизительно 14-18%. Кроме того, благодаря снижению количества деталей и тому факту, что уже не требуется использование ребер жесткости, снижается время изготовления. Снижается и стоимость изготовления благодаря тому, что используются более дешевые материалы, чем при изготовлении известных из уровня техники герметических шпангоутов, а также благодаря тому, что, в сравнении с использованием композитных материалов, не требуется технологических циклов отверждения.
Благодаря упругости герметического шпангоута согласно настоящему изобретению в этом шпангоуте под действием как положительных, так и отрицательных градиентов давления возникают только растягивающие напряжения; это обеспечивает то особое преимущество, что у таких герметических шпангоутов невозможна потеря структурной устойчивости.
Дальнейшие обеспечивающие преимущества характеристики и особенности настоящего изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.
В первом варианте осуществления настоящего изобретения указанный сетчатый элемент предпочтительно включает связующие элементы, которые особенно предпочтительно представляют собой плетеные связи, образующие ткань.
Этот первый вариант обладает особым преимуществом, так как указанная ткань выполняется воздухонепроницаемой. По этой причине плетеные связи предпочтительно изготавливаются из ароматического полиамида. Плетение связей выполняется воздухонепроницаемым для того, чтобы не требовалось ни пропитки смолой или аналогичным веществом, ни циклов отверждения указанной смолы; в результате это приводит к снижению времени и стоимости изготовления.
Во втором варианте осуществления настоящего изобретения указанные связующие элементы являются ленточными связями, проходящими в радиальном направлении, составляющими по меньшей мере один первый слой и один второй слой и, соответственно, образующими по меньшей мере два удерживающих слоя для уплотнительного элемента, заключенного между удерживающими слоями, причем уплотнительный элемент представляет собой мембрану из термопластика. Такая структура в ненагруженном состоянии остается плоской.
В одном из предпочтительных вариантов настоящего изобретения внутренние концы ленточных связующих элементов соединены по меньшей мере с одной центральной лентой, а другие их концы соединены по меньшей мере с одной периферической лентой, причем уплотнительный элемент соединен с по меньшей мере одной периферической лентой. Таким образом создается упругий герметический шпангоут, не теряющий структурной устойчивости. Ребер жесткости в нем не требуется, что приводит к снижению времени и стоимости изготовления.
Рама изготавливается из металлического и/или композитного материала, предпочтительно из алюминия, возможно из алюминия марки 7150.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение описывается на примерах со ссылками на прилагаемые нижеследующие схематические чертежи:
Фиг.1 представляет в аксонометрической проекции схематическое покомпонентное изображение с разнесением в пространстве деталей первого варианта осуществления настоящего изобретения;
Фиг.2 показывает вид собранного шпангоута, соответствующего фиг.1: вид изнутри (фиг.2а) и вид снаружи (фиг.2b);
Фиг.3 показывает увеличенный схематический разрез предпочтительного примера крепления шпангоута согласно первому варианту, показанному на фиг.1, к фюзеляжу воздушного судна;
Фиг.4 представляет увеличенное изображение ткани с отверстием;
Фиг.5 показывает стандартную ткань;
Фиг.6 представляет в аксонометрической проекции схематическое покомпонентное изображение с разнесением в пространстве деталей второго варианта осуществления настоящего изобретения;
Фиг.7 представляет вид спереди (фиг.7а) и вид сзади (фиг.7b) сборки варианта осуществления настоящего изобретения, изображенного на фиг.6;
Фиг.8 представляет вид главной части шпангоута по второму варианту осуществления настоящего изобретения согласно фиг.6;
Фиг.9 показывает увеличенный схематический разрез предпочтительного примера крепления шпангоута согласно второму варианту, показанному на фиг.6, к фюзеляжу воздушного судна.
На фигурах одними и теми же номерами обозначены элементы с идентичными или аналогичными функциями, если не указано иное.
Осуществление изобретения
На фиг.1 представлено в аксонометрической проекции схематическое покомпонентное изображение с разнесением в пространстве деталей первого варианта осуществления настоящего изобретения. На фиг.1 изображен герметический шпангоут 1, имеющий продольную ось 17. В этом варианте шпангоут 1 имеет круглую или овальную форму и включает раму 2 и главную часть 3 шпангоута. Главная часть 3 шпангоута включает сетчатый элемент 5, образованный плетеной тканью 11 и периферическим ободом 12.
Слева от рамы 2 находится непоказанная внутренняя часть воздушного судна, обозначенная буквой А. Буквой В обозначена непоказанная наружная от шпангоута, например, задняя хвостовая часть воздушного судна.
Рама 2 служит опорой главной части 3 шпангоута, которая крепится к раме 2, как показано на фиг.2 и, в увеличенном виде, на разрезе фиг.3. На фиг.2 схематично показан вид собранного шпангоута 1 с внутренней стороны А (вверху) и с наружной стороны В (внизу). Как видно из фиг.2, ткань 11 крепится к раме 2 с наружной стороны В; крепление показано на фиг.3.
На фиг.3 представлен увеличенный схематический разрез предпочтительного примера крепления шпангоута согласно первому варианту, показанному на фиг.1, к фюзеляжу 10 воздушного судна. В этом примере рама 2 имеет прямоугольное сечение, но она может иметь и другое сечение и может представлять собой полый алюминиевый профиль, предпочтительно из алюминия марки 7150. Ткань 11 крепится к раме 2 по поверхности рамы, обращенной к наружной стороне В, и по внешней периферической поверхности, обращенной к фюзеляжу 10. Рама 2 крепится к фюзеляжу 10 первыми фиксирующими элементами 15, например заклепками. Этими заклепками 15 может осуществляться, например, и крепление ткани 11. Для крепления ткани 11 могут применяться разработанные далее и/или иные способы, например, использующие соответствующие клеи или аналогичные материалы.
Как видно из фиг.3, герметический шпангоут 1 в ненагруженном состоянии представляет собой плоский элемент. Это обеспечивает его значительное преимущество, так как облегчается доступ в зоны, прилегающие к шпангоуту 1, и их техобслуживание.
Ткань 11 предпочтительно изготавливается из плетеных связующих элементов 6, как показано в увеличенном виде на фиг.4. Эти связи 6 имеют специальную волнистую форму, обеспечивающую воздухонепроницаемость структуры. Таким образом, под нагрузкой ткань 11 будет выдерживать только растягивающие напряжения, например, когда со стороны А (см. фиг.3) действует давление салона. В условиях как положительных, так и отрицательных градиентов давления на ткань 11 будут действовать только растягивающие напряжения.
Кроме того, на фиг.4 показано отверстие 14 с так называемым полюсным плетением 13 ткани 11. Такой тип отверстий может быть использован для герметичных проходов, например, при необходимости, для коридоров. Наилучшее исполнение этой конструкции может быть определено расчетом шпангоута методом конечных элементов.
На фиг.5 показана стандартная ткань 11 для круглого шпангоута. В альтернативном варианте осуществления изобретения ткань 11 может включать более чем один слой плетеных связей 6. Эти слои могут представлять собой слои стандартной ткани, уложенные в квазиортотропной последовательности. Благодаря воздухонепроницаемой структуре ткани не требуется применения смолы или аналогичных веществ. В результате значительно снижается количество элементов конструкции и время ее изготовления.
Ткань 11 может быть изготовлена из волокон ароматического полиамида, известных также под названием арамидных волокон. Это нетоксичный материал, обладающий прекрасной огнестойкостью. Даже пробитый небольшой частицей (например, пулей), он сохраняет свою функциональную воздухонепроницаемость.
В примерах, изображенных на фиг.1-5, диаметр конструкции составляет приблизительно 4 м.
На фиг.6 представлено в аксонометрической проекции схематическое покомпонентное изображение с разнесением в пространстве деталей второго варианта осуществления настоящего изобретения.
Изображен герметический шпангоут 1, имеющий продольную ось 17. В этом примере шпангоут 1 имеет круглую или овальную форму и включает раму 2 и главную часть 3 шпангоута. Главная часть 3 шпангоута включает сетчатые элементы 5' и 5”, образованные ленточными элементами связи 6', 6”.
Слева от рамы 2 находится непоказанная внутренняя часть воздушного судна, обозначенная буквой А. Буквой В обозначена непоказанная наружная от шпангоута, например, задняя хвостовая часть воздушного судна.
Рама 2 служит опорой главной части 3 шпангоута, которая крепится к раме 2, как показано на фиг.9, аналогичной фиг.3.
Связи 6' сетчатого элемента 5' расположены таким образом, что они идут радиально, по меньшей мере, в один первый слой и один второй слой и, соответственно, образуют, по меньшей мере, два удерживающих слоя для уплотнительного элемента 4, расположенного между указанными удерживающими слоями.
Связи 6' первого удерживающего слоя с наружной стороны В соединены внутренними концами 7 с круговой центральной лентой 8, как видно из фиг.7. Другие концы связей 6' соединены с периферической лентой 9. Эти соединения могут быть выполнены сшивкой или аналогичным способом.
Как видно из фиг.8, количество связей 6” второго удерживающего слоя с внутренней стороны А предпочтительно меньше, чем количество связей 6' первого удерживающего слоя, в меру возможной нагрузки, которую им придется нести. Эти связи 6” соединяются вместе в центральной зоне, а другими своими концами соединены с периферической лентой 9, а также с уплотнительным элементом 4.
В соответствии с этим предпочтительным вариантом осуществления изобретения уплотнительный элемент 4 изготовлен из термопластичной мембраны, которая в ненагруженном состоянии остается плоской, а в нагруженном состоянии удерживается связями 6', 6” удерживающих слоев. Эти связи 6', 6” нагружаются только растягивающими напряжениями в обоих случаях - как положительных, так и отрицательных градиентов давления.
Периферическая лента 9, связи 6', 6” и соединенный с ними уплотнительный элемент 4 крепятся к фюзеляжу 10 при посредстве рамы 2, например, как показано на фиг.9. Как видно из фиг.9, уплотнительный элемент 4 и связи 6', 6” крепятся к раме 2 вторыми фиксирующими элементами 16, например заклепками. Могут применяться также разработанные далее и/или иные способы крепления.
Во втором варианте осуществления настоящего изобретения используется, например, 250 связей 6' и 4 связи 6”. Они образуют плоский шпангоут.
В отношении размеров конструкций в приведенных примерах нужно заметить следующее: размеры каждой из частей были определены для круглого фюзеляжа с диаметром около 4 м. Для оценки устойчивости шпангоута была использована аналитическая модель связей 6, 6', 6” на основе уравнения цепной линии. В качестве расчетной нагрузки брался максимальный позитивный градиент давления на предельном уровне (2ΔР=1,234 бар), что дает наиболее критическую величину. Все полученные результаты в отношении напряжений и деформаций оказались совместимы с механическими свойствами выбранных материалов притом, что полученные высокие частоты первых двух мод рамы обеспечивают ее устойчивость на предельном уровне.
Результаты этой проверки дали максимальное смещение главной части 3 шпангоута в первом варианте осуществления около 196 мм, а во втором варианте - около 453 мм.
Настоящее изобретение устраняет вышеуказанные недостатки известных конструкций следующим образом. Герметический шпангоут 1, 1' - это плоский элемент уменьшенной площади в сравнении со шпангоутами с одинарной или двойной кривизной. Герметический шпангоут 1, 1' имеет уменьшенную толщину и не нуждается в каких-либо ребрах жесткости. Его не может выпучить, так как он представляет собой мембрану, в которой действуют только растягивающие напряжения. Благодаря этому снижается вес конструкции и уменьшаются проблемы, связанные с ее изготовлением.
Кроме того, герметический шпангоут 1, 1' не требует дорогостоящих циклов отверждения, благодаря чему снижается время его изготовления. В сравнении с известными конструкциями снижается и расход материала. Преимуществами конструкции согласно изобретению являются уменьшенная толщина, отсутствие ребер жесткости, уменьшение времени и стоимости изготовления.
Само собой разумеется, что в описанных выше вариантах осуществления настоящего изобретения возможны модификации.
Например, ткань 11 может быть пропитана соответствующим материалом для достижения особо высокого уровня воздухонепроницаемости.
Герметический шпангоут 1, 1' может иметь не круглую или овальную, а другую форму.
Связи 6, 6', 6” могут быть изготовлены из материалов, имеющих характеристики указанных материалов или более высокие.
Перечень обозначений для ссылок
1
герметический шпангоут
2
рама
3
главная часть шпангоута
4
уплотнительный элемент
5, 5', 5”
сетчатый элемент
6, 6', 6”
связующий элемент
7
внутренние концы
8
центральная лента
9
периферическая лента
10
фюзеляж
11
ткань
12
обод
13
полюсное плетение
14
отверстие
15
первый фиксирующий элемент
16
второй фиксирующий элемент
17
продольная ось
А
внутри
В
снаружи