НЕСУЩЕЕ И СТОЙКОЕ К ПОВРЕЖДЕНИЮ МНОГОСЛОЙНОЕ ОКНО САМОЛЕТА
CARRYING AND DAMAGE TOLERANT MULTILAYER WINDOW OF AIRCRAFT

Настоящее изобретение относится к окну для транспортного средства, в частности для самолета. В настоящее время традиционные окна самолета обычно имеют оконную раму, внутреннее и наружное оконные стекла, уплотнения, фиксирующий элемент (также называемый "фиксатор") и соединительные элементы для подсоединения окна к самолету. В этом отношении внутреннее и наружное оконные стекла вместе с уплотнением образуют так называемый оконный набор. Во время полета наружное оконное стекло, интегрированное в оконный набор, выдерживает только те нагрузки, которые происходят из-за перепада давлений между салоном самолета и окружающей средой. Все остальные нагрузки, которые имеют место, например, в конструкции фюзеляжа, проводятся вокруг оконного отверстия, помимо прочего, оконной рамой, которая укрепляет оконное отверстие.
Традиционно, окна самолета обычно изготавливают безопасным способом, чтобы в случае неисправности наружного оконного стекла во время полета из-за передачи нагрузок давление в салоне можно поддерживать за счет внутреннего оконного стекла, таким образом обеспечивая безопасную посадку самолета.
Кроме фактической герметизации оконного набора от окружающей среды уплотнение традиционного окна самолета также обеспечивает соединение и позиционирование оконного набора в оконной раме. Кроме того, уплотнение обеспечивает точное расстояние между внутренним и наружным оконными стеклами.
Для получения визуального совершенной модели стыка на наружной стороне самолета оконный набор должен быть установлен исключительно точно. Фиксирующий элемент удерживает оконный набор в оконной раме так, что она не может выпасть как во время сборки, так и в случае перепада давления в направлении салона.
Традиционные окна для транспортного средства и самолета, которые описаны выше, имеют ряд недостатков. С одной стороны, размер окна ограничен его формой и напряжениями, вызываемыми на оконной раме. Кроме того, производство оконных стекол традиционными способами армирования является дорогостоящим. Помимо этого, материал окна уменьшается под воздействием тепла, стареет с образованием волосных трещин и чувствителен к химическим воздействиям (например, спирта). Большое количество элементов означает сложности при сборке из-за тщательного обращения с оконным набором, требуемого точного позиционирования в оконной раме и большого количества соединительных элементов.
Цель изобретения заключается в том, чтобы уменьшить или устранить вышеуказанные недостатки. Конкретная цель изобретения заключается в том, чтобы предложить окно для самолета, которое не только может быть собрано точно и легко, но и выполнено стойким к повреждению и способно выдерживать все конструктивные нагрузки, имеющие место в области окна.
Эта цель достигается окном для транспортного средства, имеющим прозрачный, стойкий к повреждению элемент стекла, выполненный из композитного материала, причем упомянутый элемент стекла способен выдерживать конструктивные нагрузки. Особенность окна согласно изобретению заключается в том, что окно является полностью несущим. Из-за несущей конфигурации окна, например, при использовании в самолете можно получить существенную экономию по массе в сравнении с традиционными окнами самолета, которая является результатом отсутствия оконной рамы и фиксирующего элемента.
Композитный материал предпочтительно включает волокна и материал матрицы, причем волокна и материал матрицы прозрачные и имеют в сущности одинаковый коэффициент преломления. Использование одинакового коэффициента преломления означает, что композитный материал имеет оптически постоянные характеристики и, следовательно, волокна в сущности невидимы. Одновременно с характеристиками прозрачности, необходимыми для окна, окно согласно изобретению имеет механические характеристики волокнистого композитного материала, придающего окну очень высокую прочность и адаптируемую жесткость. Это также приводит к уменьшению массы, поскольку окно способно выдерживать не только нагрузки из-за перепада давлений между салоном транспортного средства и окружающей средой, но и конструктивные нагрузки, имеющие место вокруг окна. Следовательно, оконная рама, направляющая такие нагрузки вокруг окна, становится ненужной. Помимо этого, другие преимущества в смысле массы и стоимости обеспечиваются стойкостью окна согласно изобретению к повреждениям, поскольку несущие характеристики могут обеспечивать безопасную эксплуатацию самолета даже в том случае, если окно повреждено.
Кроме того, окно согласно изобретению может быть свободно конфигурировано по размеру и форме благодаря его стойкой к повреждению и несущей конструкции. Используемый материал также более стоек к старению и, таким образом, требует меньше технического обслуживания. В заключение из-за меньшей общей высоты, поскольку второе (внутреннее) оконное стекло отсутствует, пассажир получает больше места для плеч.
Также высокое качество наружной поверхности транспортного средства может быть достигнуто при значительно меньших расходах в сравнении с использованием традиционных окон, поскольку оконная рама и уплотнения, которые потенциально могут выступать над поверхностью и нарушать ее гладкость, отсутствуют. Цель изобретения также достигается способом производства окна транспортного средства, которое имеет вышеуказанные признаки.
Далее изобретение будет подробно описано со ссылками на чертежи и на примере вариантов осуществления окна самолета. Одинаковые детали на чертежах обозначены одинаковыми ссылочными номерами.
Фиг.1a - схема части фюзеляжа с продолговатым окном самолета;
Фиг.1b - вид сбоку части фюзеляжа с продолговатым окном самолета;
Фиг.2а - схема части фюзеляжа с многослойным окном самолета;
Фиг.2b - вид в разрезе панели обшивки с многослойным окном самолета;
Фиг.3 - схема способа производства окна самолета согласно изобретению.
Часть фюзеляжа 2 самолета, показанная на Фиг.1а, имеет, к примеру, систему стрингеров 4 для продольного усиления и шпангоутов 6 для поперечного усиления фюзеляжа 2. Стрингеры 4 и шпангоуты 6 расположены на внутренней стороне обшивки 8 фюзеляжа 2 самолета и прикреплены к ней. Этот пример фюзеляжа 2 самолета, выполненного способом строительства из круглых секций, должен пониматься просто как пример и не истолковываться как ограничение изобретения. Режимы эксплуатации и преимущества изобретения, описанные ниже, также могут быть применены к другим способам строительства фюзеляжа и любым материалам фюзеляжа, которые могут сделать излишним наличие, например, стрингеров или других усиливающих или укрепляющих компонентов.
Кроме того, в приведенном примере окно 10 самолета согласно изобретению интегрировано в обшивку 8 и имеет форму продольной полосы, по меньшей мере частями проходя в сущности параллельно продольному направлению 12 самолета. По меньшей мере в способе строительства фюзеляжа из круглых секций окно 10 самолета может не проходить по всей длине части фюзеляжа (круглой секции). В зависимости от требований, может быть выбрана любая длина окна 10 самолета в этой конфигурации, независимо от точно определенных частей фюзеляжа. Окно 10 самолета выполнено как прозрачное стекло из композитного материала. Композитным материалом предпочтительно является волокнистый композитный материал с волокнами и материалом матрицы. Волокна прозрачные и имеют в сущности такой же коэффициент преломления, что и материал матрицы. Из-за одинакового и постоянного коэффициента преломления во всем материале волокна нельзя обнаружить в этом материале. При правильном выборе прозрачных волокон (например, стекловолокна или полимерных волокон), которые в оптимальном случае имеют подходящий размер и/или подходящую отделку, и подходящего материала матрицы на основе пластиковых материалов из синтетических полимеров (только для примера, ими может быть эпоксидная смола, фенольная смола или смола другого типа среди многих других возможных пластиковых материалов) композитный материал имеет характеристики прозрачности, подходящие для оконных стекол. Волокнистый материал может быть в любой форме, например отдельных прядей, переплетения или матов с хаотичным расположением волокон. Относительно применимости фенольных смол необходимо сказать, что хотя отвержденная фенольная смола часто становится ломкой или хрупкой под механическими нагрузками, ее пожарные характеристики в отношении стойкости к расплавлению и другие подобные параметры, однако, более благоприятны по сравнению с эпоксидными смолами. Поэтому использование фенольной смолы для производства окон самолета согласно изобретению в принципе исключать нельзя.
На Фиг.1b показан вид в разрезе примера варианта крепления окна 10 к обшивке 8, где плоскость разреза показана на Фиг.1а. На Фиг.1b показано, что окно 10 самолета, как и другие детали обшивки 8, образует неотъемлемую часть обшивки 8 как ее элемент ("панель") и в способе строительства из круглых секций и в способе строительства из панелей. Это означает, что обшивка 8 состоит из некоторого множества панелей или круглых секций, и элементы обшивки выполнены как окно 10 самолета. Окно 10 самолета согласно изобретению, которое, как показано, является продолговатым, может быть традиционно подсоединено в положительном, не положительном или объединяющем материалы порядке (например, болтами, сваркой или клеем) к примыкающим панелям или круглым секциям.
Сборка продолговатого окна 10 самолета особенно выгодна по сравнению с традиционными окнами самолета, поскольку окно не должно состоять из внутреннего и наружного стекол, уплотнения и фиксатора, и его не нужно устанавливать в обшивку 8 для каждого ряда кресел в салоне самолета. Элемент обшивки, выполненный как окно 10 самолета, может быть обработан и установлен почти с такой же легкостью, что и традиционный элемент обшивки. Кроме того, выход окна 10 в пассажирский салон самолета очень небольшой из-за толщины окна 10 самолета. Если наличие точно определенных областей окон требуется для отдельных рядов кресел в салоне самолета, можно определить прозрачные области в окне 10 самолета путем соответствующей конфигурации внутренней облицовки салона и лакового покрытия фюзеляжа самолета. Эти прозрачные области могут иметь любую геометрическую форму и не ограничены по площади.
Обращение с элементом обшивки, выполненным как продолговатое окно 10 самолета, также очень простое по сравнению с традиционными окнами самолета, поскольку в оптимальном случае не требуются дополнительные усиливающие элементы в форме оконных рам и т.д. Окно 10 самолета согласно изобретению само по себе достаточно жесткое и прочное, чтобы выдерживать все возникающие конструктивные нагрузки и выполнять дополнительные требования стойкости к повреждению. Стрингеры 4 и шпангоуты 6 как традиционные усиливающие элементы могут быть также установлены в области окна 10. Добавление второго стекла к окну 10 не требуется, поскольку окно 10 выполнено стойким к повреждению. Это означает, что окно 10 самолета достаточно прочное даже при повреждении, чтобы надежно обеспечивать герметичность фюзеляжа и выдерживать конструктивные нагрузки в течение всего срока службы самолета.
Еще один вариант осуществления показан на Фиг.2а и 2b с многослойным окном 14 самолета, которое для примера имеет овальную форму. Применение этого варианта осуществления ограничено фюзеляжем 2 самолета, который состоит из композитного материала, такого как волокнистый композитный материал или ламинат волокно-металл и т.д. Здесь конструктивный материал основы заменен в областях окон прозрачным волокнистым композитным материалом согласно изобретению, чтобы сделать конструкцию фюзеляжа прозрачной в этих областях.
На Фиг.2b показан пример замены слоем ламината. Конструктивный материал основы состоит из некоторого количества слоев 16 ламината, которые перекрываются слоями 18 прозрачного ламината. Соответственно, область на Фиг.2b слева в плоскости чертежа прозрачная, тогда как область справа нет. Однак должна существовать возможность обеспечить в этом отношении, чтобы материал матрицы, который будет использован для окна согласно изобретению, можно было также использовать как материал матрицы для основы конструкции или, по меньшей мере, чтобы материалы были совместимыми друг с другом. В дополнение к способу перекрытия предусмотрен также способ введения окна в конструкцию за счет волокнистых полуфабрикатов, в которые интегрированы прозрачные области. На основе замены слоев ламината можно использовать все возможные способы производства ламинатов, которые включают, например, способы препрегов, способы мокрого ламинирования, а также сухие способы или инфузионные способы. Тип замены слоев ламината не обязательно должен соответствовать варианту, показанному на Фиг.2b. Слои ламината необязательно должны заменяться в соотношении 1:1, так что толщина ламината также может изменяться в альтернативных способах перекрытия.
Для дополнительного усиления каркасоподобные конструкции могут быть интегрированы путем локальной подгонки ламината. Кроме того, если окна относительно большие, предполагается, что также можно ввести, прикрепить или связать, используя соединительные элементы, прозрачные усиливающие элементы в видимой области окна самолета.
Дополнительный вариант осуществления (не показан) предлагает окна, которые изготовлены из прозрачного волокнистого композитного материала и не удерживаются в раме, а прикрепляются винтами, болтами или вклеиваются непосредственно в конструкцию, окружающую окно. Это возможно, поскольку окна способны передавать нагрузки из-за их статических характеристик, и в ином случае такие нагрузки пришлось бы направлять вокруг окна с помощью оконной рамы, как в случае традиционных окон.
Для улучшения статических характеристик окна край окна, соединенный с окружающей конструкцией, может быть усилен или утолщен конструкционными профилями или другими прозрачными или непрозрачными материалами. Усиления этого типа также возможны в видимой области окна, если только они не ограничивают видение до неприемлемых уровней.
Основные стадии способа производства окна для транспортного средства, имеющего признаки согласно изобретению, показаны на Фиг.3 и будут описаны ниже на примере окна самолета.
Окно самолета выполнено 20 из волокнистого композита, имеющего прозрачные волокна и материал матрицы, который введен 22 в обшивку самолета, например, путем соединения 24 краев с примыкающими компонентами обшивки самолета. Усиливающие компоненты фюзеляжа самолета также могут быть соединены 26 с окном; при необходимости также можно расположить 28 усиливающие компоненты на окне для повышения его прочности.
Как альтернативу введению окна в обшивку путем соединения по краям также можно рассматривать замену материала основы фюзеляжа, например, вышеописанным способом 30 перекрытия.
Окно для транспортного средства, предложенное настоящим изобретением, обеспечивает существенное снижение массы и расходов по сравнению с традиционными окнами транспортных средств, что в основном вызвано его несущими и стойкими к повреждению характеристиками. Изобретение описано на основе нескольких вариантов осуществления, которые относятся, в частности, к окнам самолета. Эти варианты осуществления не должны рассматриваться как ограничивающие изобретение, а просто как иллюстрирующие его. Объем притязаний определен в формуле изобретения, которая предусматривает использование в любом транспортном средстве. Помимо самолетов, окнами согласно изобретению могут быть оснащены любые автотранспортные средства, поезда, водные суда и т.д.