СПОСОБ РЕМОНТА КЕССОНА КРЫЛА С СЕТЧАТЫМИ КОМПОЗИЦИОННЫМИ НЕРВЮРАМИ, КОМПОЗИЦИОННОЙ ОБШИВКОЙ И МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ЛОНЖЕРОНАМИ
METHOD FOR REPAIRING THE WING CAISSON WITH THE NETTED COMPOSITE RIBS, COMPOSITE SKIN AND METALLIC SPARS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится в общем к авиационной и космической технике и более конкретно к способу ремонта обшивки и сетчатой нервюры кессона крыла с сетчатыми композиционными нервюрами, композиционной обшивкой и металлическими лонжеронами. В частности, предлагаемый способ предназначен для ремонта силовых элементов конструкции кессона крыла и обеспечивает безопасное перераспределение и передачу силовых нагрузок, возникающих на крыле в результате повреждения композиционной обшивки крыла и сетчатой композиционной нервюры при различных условиях полета. Заявляемый способ может быть использован при эксплуатации пассажирских и транспортных летательных аппаратов, а также многоразовых космических систем.
Уровень техники
В последние годы наметилась устойчивая тенденция перехода к использованию в авиастроении (и в частности в конструкции крыла летательных аппаратов) полимерных композиционных материалов на основе высокопрочного искусственного волокна.
Однако одним из основных недостатков конструкций из композиционных материалов является сложность ремонта таких конструкций с точки зрения конструктивного выполнения и технологии, что накладывает существенные ограничения для широкого внедрения конструкций из композиционных материалов.
Известны различные технические решения, связанные с производством ремонта обшивки и нервюр крыла, в которых применяются композиционные материалы. К числу таких технических решений относится выполнение ремонта с помощью специальной композиционной накладки, позволяющей перераспределить напряжения с поврежденной части кессона крыла, содержащего сетчатые композиционные нервюры, композиционную обшивку и металлические лонжероны, на упомянутые металлические лонжероны.
Ближайший аналог заявляемого изобретения раскрыт в источнике US 20170029088 A1 (The Boeing Company, опубл. 02.02.2017 г.), из которого известен способ ремонта конструкции сложной формы из композиционного материала, содержащий этапы, на которых идентифицируют поврежденную область изогнутой панели из композиционного материала, причем панель имеет внешнюю поверхность, внутреннюю поверхность и толщину; удаляют поврежденный участок панели на всю толщину, образуя вырез в панели; вставляют гибкую накладку в отверстие и закрывают отверстие путем крепления накладки к панели. В частности, согласно известному решению, в случае, если ремонтируемая панель находится участке сложной формы, таком как, например, передняя кромка аэродинамической поверхности летательного аппарата, в вышеупомянутое отверстие вставляется сформированная по месту ремонта основа с ячеистой структурой, поверх которой устанавливается упомянутая гибкая накладка из композиционного материала, имеющая множество слоев. Данный известный способ является достаточно сложным и требует точной подготовки сложных деталей по месту установки на ремонтируемом участке.
Раскрытие изобретения
Задача заявляемого изобретения состоит в обеспечении способа ремонта обшивки и сетчатой нервюры кессона крыла с сетчатыми композиционными нервюрами, композиционной обшивкой и металлическими лонжеронами. Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого изобретения, состоит в повышении технологичности и упрощении процесса ремонта обшивки и сетчатой нервюры кессона крыла. Кроме того, сокращается время, необходимое для выполнения ремонта.
Данная задача согласно изобретению решается путем использования ремонтной накладки из высокопрочных композиционных материалов, односторонних коррозионно-стойких механических крепежных элементов и клеевого соединения ремонтной накладки с кессоном крыла. За счет упомянутых мер обеспечивается надежное коррозионно-стойкое и долговечное соединение. Механические крепежные элементы, устанавливаемые между силовыми элементами конструкции сетчатой нервюры крыла, не ослабляют сами силовые элементы сетчатой нервюры, а передача усилий происходит через композиционную обшивку, приформованную к композиционным сетчатым нервюрам, с последующей передачей нагрузки на ремонтную накладку и на лонжероны кессона крыла.
В соответствии с изобретением предложен способ ремонта обшивки и сетчатой нервюры кессона крыла летательного аппарата, причем кессон содержит сетчатые нервюры из композиционного материала, обшивку из композиционного материала и металлические лонжероны, при этом способ содержит этапы, на которых: определяют поврежденный участок обшивки и/или сетчатой нервюры кессона крыла с помощью неразрушающего контроля; вырезают поврежденный участок обшивки и/или сетчатой нервюры; наносят клей на кромки выреза в обшивке и/или сетчатой нервюре; и формуют ремонтную накладку и устанавливают ее в месте выреза в обшивке и/или сетчатой нервюре. Ремонтную накладку формуют непосредственно на месте выреза в обшивке и/или сетчатой нервюре. Устанавливают ремонтную накладку поверх выреза в обшивке и/или сетчатой нервюре с помощью клея, нанесенного на кромки выреза в обшивке и/или сетчатой нервюре. Далее устанавливают механические крепежные элементы, фиксирующие ремонтную накладку на участках между силовыми элементами сетчатой композиционной нервюры и к лонжеронам кессона крыла. В варианте выполнения способ дополнительно содержит этапы, на которых: определяют точки направляющих отверстий под механические крепежные элементы между силовыми элементами сетчатой композиционной нервюры и наносят точки отверстий на ремонтную накладку перед этапом ее установки с помощью клея; выполняют направляющие отверстия под механические крепежные элементы на ремонтной накладке; и выполняют отверстия под механические крепежные элементы между силовыми элементами сетчатой композиционной нервюры и на лонжеронах кессона крыла на основании упомянутых направляющих отверстий. В качестве клея может использоваться, например, клей типа ВК-27. Согласно варианту выполнения изобретения, перед формовкой ремонтной накладки в месте выреза в обшивке и/или сетчатой нервюре формируют и устанавливают заглушку. Кроме того, для исключения приклеивания ремонтной накладки во время формовки используют разделительную пленку. Заглушку и разделительную пленку удаляют после формовки ремонтной накладки и перед ее установкой. В варианте выполнения материалом обшивки, сетчатой нервюры и ремонтной накладки может быть углепластик. В варианте выполнения лонжерон кессона крыла может быть выполнен из титана или титанового сплава. В варианте выполнения изобретения формовка ремонтной накладки непосредственно на месте выреза в обшивке и/или сетчатой нервюре содержит этапы, на которых набирают необходимое количество слоев материала ремонтной накладки необходимой формы с учетом геометрии ремонтируемого участка; производят частичный прогрев внутренних слоев ремонтной накладки посредством электрического нагревателя с контролем температуры нагрева для частичного отверждения внутренних слоев ремонтной накладки; и выполняют механическую обработку частично отвержденного участка ремонтной накладки в соответствии с геометрией ремонтируемого участка.
Краткое описание чертежей
Ниже приведено подробное описание заявляемого изобретения, проиллюстрированное чертежами, на которых одинаковые или аналогичные элементы отмечены одинаковыми ссылочными позициями. Чертежи выполнены не в масштабе. Пропорции и размеры отдельных элементов могут быть преувеличены для наглядности. Чертежи являются схематичными и упрощенными. Необходимо отметить, что объем изобретения определяется исключительно прилагаемой формулой изобретения, в то время как нижеследующее подробное описание и чертежи служат лишь для иллюстрации изобретения и для обеспечения наилучшего понимания примерных вариантов его выполнения, но не для определения или ограничения его объема.
На чертежах показано:
Фиг. 1 – схематичное изображение участка кессона крыла летательного аппарата с вырезом в обшивке и композиционной сетчатой нервюре.
Фиг. 2 - схематичное изображение участка кессона крыла с установленной ремонтной накладкой.
Фиг. 3 – увеличенное изображение фрагмента участка кессона крыла с вырезом в композиционной сетчатой нервюре. Обшивка условно не показана.
Осуществление изобретения
Повреждения обшивки и/или композиционной сетчатой нервюры кессона крыла летательного аппарата, содержащего в качестве своих основных элементов обшивку и сетчатую нервюру из композиционных материалов, например из углепластика, в качестве конкретного не ограничивающего примера – углепластика марки ВКУ-25, а также металлические лонжероны, в частности выполненные из титана, являются распространенной проблемой при эксплуатации современных летательных аппаратов, в конструкции которых широко используются различные композиционные материалы. Наиболее частые случайные повреждения в конструкциях из композиционных материалов, таких как обшивка и/или сетчатая нервюра, примеры которых показаны на чертежах, представляют собой расслоения композиционного материала (такого как углепластик), повреждение армирующего наполнителя (углеродных волокон) и сквозной пробой. При этом повреждения, затрагивающие только область отвержденного связующего и не затрагивающие волокна, не являются серьезными. Среди возможных причин таких повреждений следует выделить прежде всего механические воздействия, например столкновения с твердыми предметами (такими как, например, инструменты при обслуживании летательного аппарата или птицы либо инородные тела в различных фазах полета), либо климатические воздействия (такие как, например, удар молнии). Ремонт, направленный на устранение таких повреждений, является трудоемким и временно-затратным ввиду того, что процессы ремонта деталей из композиционных материалов, как правило, являются достаточно сложными. В соответствии с настоящим изобретением предложен способ ремонта поврежденной обшивки и/или сетчатой нервюры кессона крыла летательного аппарата при помощи ремонтных накладок, при этом в отличие от известных аналогов из уровня техники в предлагаемом способе ремонтную накладку (см. Фиг. 2) формуют непосредственно на ремонтируемом участке кессона крыла с использованием в композиционном материале накладки из связующих холодного отверждения. Далее осуществляют формовку ремонтной накладки непосредственно в форме по обшивке крыла и выреза на ремонтируемом участке; фиксируют ремонтную накладку на месте с помощью клея, такого как ВК-27 или ВК-9, и устанавливают механические крепежные элементы, связывающие ремонтную накладку с кессоном крыла, таким образом, что при этом не повреждается силовой набор сетчатых композиционных нервюр. Кроме того, места для выполнения отверстий под крепежные элементы определяют таким образом, чтобы они находились между силовыми элементами сетчатой композиционной нервюры, и кроме того таким образом, чтобы обеспечивалось соединение ремонтной накладки с лонжеронами кессона крыла для распределения усилий и их переноса на лонжероны.
Ремонт поврежденного кессона крыла с сетчатыми композиционными нервюрами, композиционной обшивкой и металлическими лонжеронами осуществляется с помощью накладки из высокопрочного композиционного материала, такого как, например, углепластик марки КМКУ-3.150.ЭО или ВКУ-25. Кроме того, как указано выше, для фиксации ремонтной накладки применяются механические крепежные элементы, при этом ввиду сложности двустороннего доступа к установке крепежа предпочтительно используются механические крепежные элементы с односторонним подходом для установки, такие как, например, заклепки из титанового сплава ВТ16 по стандарту ОСТ 1 00647-78, устанавливаемые методом безударной клепки.
Способ ремонта кессона крыла с сетчатыми композиционными нервюрами, композиционной обшивкой и металлическими лонжеронами согласно варианту выполнения заявляемого изобретения проиллюстрирован на Фиг. 1 – 3, при этом на Фиг. 1 показан участок примерного кессона крыла с обшивкой 1, лонжероном 2, композиционной сетчатой нервюрой 3 и выполненным на поврежденном участке обшивки 1 и композиционной сетчатой нервюры 3 вырезом 4. Участок выреза 4 в композиционной сетчатой нервюре 3 более крупно показан также на Фиг. 3, при этом обшивка 1 условно не показана на Фиг. 3 для наглядности. На Фиг. 2 показан тот же участок примерного кессона крыла с установленной ремонтной накладкой 5 и крепежными элементами 6.
В примерном варианте выполнения ремонт обшивки 1 и/или композиционной сетчатой нервюры 3 кессона крыла летательного аппарата согласно изобретению может производиться в следующем порядке:
1. С помощью неразрушающего контроля определяют поврежденный участок обшивки 1 и/или сетчатой нервюры 3 кессона крыла. Для идентификации поврежденного участка обшивки 1 и/или сетчатой нервюры 3 кессона крыла используют различные методы неразрушающего контроля, такие как, например, ультразвуковые методы контроля. Различные методы неразрушающего контроля, пригодные для обнаружения и определения местоположения повреждений обшивки 1 и/или сетчатой нервюры 3 кессона крыла, известны в уровне техники (см., например, ОСТ 1 90250-77. Контроль неразрушающий. Ультразвуковой контроль полуфабрикатов и деталей для изделий авиационной техники. Общие требования к содержанию и оформлению методик контроля).
2. Вырезают поврежденный участок обшивки 1 и/или композиционной сетчатой нервюры 3. Для этого предпочтительно выполняют вырез в виде круглого отверстия с использованием фрезы для вырезки. При небольшом дефекте диаметр круглого выреза равен диаметру фрезы. Следует отметить, что в зависимости от конкретного повреждения и формы поврежденного участка могут применяться и другие средства, пригодные для выполнения вырезов в обшивке и/или композиционной сетчатой нервюре, а также для обработки кромок выреза, если это необходимо.
3. На кромки выреза 4 обшивки 1 и/или композиционной сетчатой нервюры 3 наносят клей (например, клей типа ВК-27, характеризующийся отверждением без термообработки в течение 24 часов; однако следует отметить, что могут использоваться и другие типы клея, пригодные для работы с композиционными материалами).
4. Определяют точки отверстий под механические крепежные элементы 6 таким образом, чтобы отверстия не попадали в силовые элементы сетчатой нервюры 3, и при этом так, чтобы отверстия под механические крепежные элементы 6 также соответствовали положению лонжеронов 2 кессона крыла. Примером механических крепежных элементов, применяемых в заявляемом способе, могут быть, в частности, заклепки. В качестве примера, могут использоваться заклепки из титанового сплава ВТ16 по ОСТ 1 00647-78, устанавливаемые методом безударной клепки.
5. Изготавливают и устанавливают заглушку (не показана на чертежах) на место выреза 4 в обшивке 1 и/или композиционной сетчатой нервюре 3. Заглушка предназначена для временного закрытия выреза 4 в обшивке 1 и/или композиционной сетчатой нервюре 3 на время формовки ремонтной накладки 5, чтобы избежать деформации ремонтной накладки 5. Заглушка может быть выполнена из различных материалов, таких как пенопласт типа ПСБ-С (ГОСТ 15588 86) или фанера.
6. Накладывают поверх закрытого заглушкой (не показана на чертежах) выреза 4 разделительную пленку (не показана на чертежах), и выполняют формовку ремонтной накладки 5 непосредственно на кессоне. Разделительная пленка предназначена для того, чтобы не допустить приклеивания накладки к обшивке 1, композиционной сетчатой нервюре 3 и/или к заглушке в процессе формовки (отверждения) ремонтной накладки 5. В качестве разделительной пленки могут использоваться различные виды пленки, и в качестве примера, но не ограничения - универсальная пленка Airtech Wrightlon 3900 R.
Формовку ремонтной накладки по месту ее установки осуществляют способами, известными в данной области техники. В качестве примера, но не ограничения, для этого могут быть использованы следующие технические приемы. Ремонтную накладку 5 изготавливают из слоев препрега. Набирают необходимое количество слоев материала ремонтной накладки необходимой формы с учетом геометрии ремонтируемого участка. Собирают и зажимают в струбцине пакет из слоев ремонтной накладки 5 и производят частичный прогрев внутренних слоев ремонтной накладки 5 посредством электрического нагревателя с контролем температуры нагрева с целью частичного отверждения внутренних слоев ремонтной накладки в течение времени, равного половине паспортного времени отверждения препрега. Далее охлаждают нагретую ремонтную накладку 5 до температуры около 40-50°С, не снимая струбцину. После этого струбцину удаляют, производят механическую обработку частично отвержденного участка ремонтной накладки 5 в соответствии с геометрией ремонтируемого участка. Следует отметить, что в зависимости от особенностей используемых материалов и/или ремонтируемого участка возможно использование других технических приемов вместо указанных выше или в дополнение к ним.
7. На ремонтную накладку 5 наносят точки направляющих отверстий под механические крепежные элементы 6. При этом точки направляющих отверстий выбирают таким образом, чтобы отверстия не попадали на силовые линии сетчатой нервюры 3. Для этого наносят на ремонтную накладку 5 «рисунок» сетчатой нервюры 3. Кроме того, отверстия под механические крепежные элементы 6 располагают вдоль края ремонтной накладки 5 и таким образом, чтобы они отстояли от края ремонтной накладки 5 на расстояние не менее двух диаметров упомянутых отверстий. Предпочтительно отверстия под механические крепежные элементы 6 размещают с постоянным шагом.
8. Выполняют направляющие отверстия под механические крепежные элементы 6 на ремонтной накладке 5, используя подходящий инструмент, например пневматическую дрель.
9. Устанавливают ремонтную накладку 5 на место ремонта с помощью клеевого соединения. При этом перед установкой ремонтной накладки 5 удаляют из выреза 4 заглушку и разделительную пленку (не показаны на чертежах).
10. По направляющим отверстиям выполняют (например, высверливают) отверстия под механические крепежные элементы 6 в композиционной сетчатой нервюре 3 между ее силовыми элементами, а также в лонжеронах 2 кессона крыла.
11. Устанавливают механические крепежные элементы 6, крепежные изделия для односторонней постановки и безударной клепки в отверстия для механических крепежных элементов 6.
Следует отметить, что выше описан лишь примерный вариант выполнения заявляемого способа, и специалистам в данной области техники будут очевидны возможные изменения в подробностях выполнения его этапов, не выходящие за рамки изобретательского замысла. Кроме того, притом, что этапы способа в описанном примере перечислены в определенной последовательности, это необязательно означает, что во всех вариантах выполнения способа этапы должны выполняться именно в такой последовательности. Специалистам в данной области техники будут очевидны возможные изменения в последовательности этапов способа и/или возможность выполнения некоторых этапов по существу одновременно, и/или пропуска некоторых этапов.
Перечисленные выше конкретные технические приемы, составляющие сущность предлагаемого способа, режимы, используемые при выполнении описанных выше этапов, а также конкретные материалы, используемые в способе согласно изобретению, являются примерными, и специалистам в данной области техники будет очевидна возможность использования других материалов с аналогичными свойствами и/или режимов, не выходящих за рамки объема настоящего изобретения. Все такие возможные изменения наряду с полным объемом эквивалентов вышеуказанных признаков считаются входящими в объем заявляемого изобретения, который определяется нижеприведенной формулой изобретения и не ограничен конкретными примерами, описанными выше и показанными на прилагаемых чертежах.