КОНСТРУКЦИЯ ФЮЗЕЛЯЖА ВОЗДУШНОГО СУДНА
AIRCRAFT BODY STRUCTURE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к конструкции фюзеляжа воздушного судна.
Уровень техники
В современных гражданских воздушных судах (самолетах) детали фюзеляжа, которые образуют его силовую конструкцию, содержат наружную обшивку, которая часто состоит из нескольких слоев, а также каркас, который расположен с внутренней стороны обшивки, обеспечивает жесткость и состоит из реечных элементов, проходящих вдоль фюзеляжа, и реечных элементов, проходящих в направлении поперек фюзеляжа. Продольные реечные элементы также называют стрингерами, в то время как поперечные реечные элементы часто называют формообразующими шпангоутами.
Когда речь идет о пассажирских самолетах, то как правило считается желательным, чтобы пассажиры салона могли иметь хороший и приятный обзор пространства за бортом самолета. Следовательно, удобный салон - это один из самых важных коммерческих аргументов для пассажирского самолета. Поэтому задача состоит в том, чтобы устроить в фюзеляже окна как можно большей площади. Окна могут быть устроены только между шпангоутов, при этом ширина окна определяется расстоянием между шпангоутами. Однако расстояние между соседними шпангоутами не может быть произвольным, поскольку шпангоуты отвечают за жесткость фюзеляжа в поперечном направлении, и максимально возможное расстояние между ними определяется требованиями к прочности фюзеляжа.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание конструкции фюзеляжа воздушного судна, которая позволит увеличить ширину окон.
В целях решения поставленной задачи, изобретение предлагает конструкцию фюзеляжа воздушного судна с наружной обшивкой и множеством формообразующих шпангоутов, проходящих на расстоянии друг от друга в поперечном направлении относительно продольной оси фюзеляжа, при этом, по меньшей мере, часть шпангоутов содержит основной участок, который в поперечном сечении имеет вид швеллера или канала, края которого примыкают к наружной обшивке. В силу того, что по своей конфигурации основной участок шпангоута подобен швеллеру, указанный шпангоут содержит две стенки, которые проходят на некотором расстоянии друг от друга и в каждом случае образуют одну из боковых сторон канала, и в каждом случае могут быть соединены с наружной обшивкой в области своих краев, которые удалены от нижней стенки (дна) канала, например, посредством сварки, клепки, склеивания или ламинирования. Такая «двухстенная» конструкция шпангоута способна придать наружной обшивке жесткость большую, чем традиционный шпангоут с одной стенкой, например, Z-образного или I-образного сечения, который может быть соединен с наружной обшивкой только вдоль одной линии или вдоль одной стенки шпангоута. Вследствие более эффективного увеличения жесткости расстояние между соседними шпангоутами может быть увеличено, в силу чего в целом потребуется меньшее число шпангоутов, приходящихся на данную длину фюзеляжа, чем в случае традиционных шпангоутов с одной стенкой. Ввиду возможного увеличения промежутка между соседними шпангоутами создается большее пространство для окон, которые, соответственно, могут быть по конструкции более широкими, и, следовательно, предоставить воздушным пассажирам ощущение большего комфорта.
В результате того, что основной участок шпангоута по своей конструкции имеет форму швеллера (канала), в пространстве канала возникает дополнительное место для размещения компонентов, которые в ином случае пришлось бы размещать между шпангоутами, и, следовательно, сокращать располагаемое пространство для постановки окон. В частности такими компонентами являются вертикальные воздуховоды (стояки) системы кондиционирования воздуха, которые рассматриваются ниже. Система кондиционирования воздуха обычно содержит развитую систему воздушных магистралей, посредством которых подаваемый воздух распределяется по самолету и доставляется к различным выпускным отверстиям, через которые кондиционированный воздух вдувается в кабину. Часть этой системы воздушных магистралей составляют стояки, которые устанавливаются на конструкции фюзеляжа, проходят вдоль шпангоутов и дают возможность распределять подаваемый воздух в плоскости, перпендикулярной продольной оси фюзеляжа, в частности, в направлении снизу вверх, так как существенная часть подаваемого воздуха обычно вводится в кабину в верхней ее части. В соответствии с одним предпочтительным вариантом осуществления изобретения, по меньшей мере, одна воздушная магистраль, служащая для передачи подводимого воздуха, расположена или сформирована в пространстве между основным участком шпангоута и наружной обшивкой, для, по меньшей мере, части шпангоутов, которые выполнены с основным участком, имеющим вид швеллера.
Воздушная магистраль может быть образована отдельным трубопроводом или, по меньшей мере, частично, образована самим шпангоутом, в частности, основным участком шпангоута, имеющим форму швеллера или канала. Когда воздушная магистраль, по меньшей мере, частично, образована самим шпангоутом, то, по меньшей мере, одна из стенок, которая ограничивает магистраль, может быть выполнена отдельно от шпангоута, но прочно соединена с последним. Возможным является даже формирование всех граничных стенок воздушной магистрали за одно целое со шпангоутом.
Чтобы снизить влияние наружной обшивки (которая в полете имеет очень низкую температуру) на регулирование температуры воздуха, подаваемого по воздушной магистрали, желательно между наружной обшивкой и воздушной магистралью поместить теплоизолирующее средство. Это средство может также обладать звукоизоляционными свойствами, чтобы снизить уровень шума, действующего на пассажиров.
Если воздушную магистраль сформировать в виде отдельного воздушного трубопровода, то между шпангоутом и воздушным трубопроводом может быть помещено теплоизолирующее средство. Однако, если шпангоут изготовить из материала с низкой теплопроводностью, то можно обойтись без специальных мер по теплоизоляции трубопровода от шпангоута. В этом случае воздушная магистраль может даже лежать на шпангоуте, по меньшей мере, частично.
Один стрингер или несколько стрингеров могут проходить через отверстия в боковых стенках канала основного участка шпангоута. В этом случае было бы желательным обеспечить отсутствие контакта между стрингерами и воздушной магистралью, в частности, если стрингеры состоят из материала с высокой теплопроводностью, например алюминия.
В целях снижения веса, желательно, по меньшей мере, основной участок шпангоута выполнять из армированного волокном пластика, в частности из пластика, армированного углеродным волокном (углепластика). Материал такого рода также отличается особенно низкой теплопроводностью, что сообразуется с идеей размещения воздушных магистралей для подачи кондиционированного воздуха в непосредственной близости от шпангоутов. Чтобы добиться хорошей тепловой изоляции между воздушными магистралями и шпангоутами, может оказаться достаточным выполнять шпангоут из основного материала с высокой теплопроводностью, например на основе алюминия, но, по меньшей мере, на отдельных участках покрывать его армированным волокном - пластиком, в частности углепластиком. Покрытие такого рода можно тогда предусмотреть, в частности, на внутренней стороне канала основного участка шпангоута.
Воздушная магистраль может иметь приблизительно круговое поперечное сечение. Естественно, возможно, чтобы поперечное сечение воздушной магистрали отличалось от кругового. Можно, в частности, использовать трубопровод воздушной магистрали, который в поперечном сечении, по меньшей мере, приблизительно соответствует контуру боковых стенок канала или/и основания канала основной части шпангоута. За счет такого тесного прилегания к контуру основного участка шпангоута можно добиться хорошего компромисса между площадью поперечного сечения трубопровода, а также шириной и высотой шпангоута. Хотя для получения достаточной величины расхода воздуха требуется определенный минимальный размер трубопровода, это, естественно, не должно приводить к излишне большому размеру шпангоута. Располагаемое пространство внутри канала можно использовать оптимальным образом, адаптируя форму сечения трубопровода к контуру канала основного участка шпангоута.
Участки крепления, направленные в стороны друг от друга, надлежащим образом располагаются на краях канала основного участка шпангоута с целью крепления шпангоута к наружной обшивке.
Основной участок шпангоута может содержать нижнюю стенку и две взаимно противоположные боковые стенки, соединенные с нижней стенкой, и образующие поперечное сечение U-образной формы. Естественно, возможны и другие формы основного участка шпангоута, например, приблизительно V-образная форма. В этом случае нижняя стенка фактически отсутствует, а нижняя сторона канала имеет вид V-образного пика. Вообще говоря, в рамках идеи изобретения возможна любая форма поперечного сечения основного участка шпангоута, которая имеет сечение в виде канала. Например, помимо вышеописанных U-образной и V-образной форм поперечного сечения, также возможны полукруглая, трапецеидальная или прямоугольная форма поперечного сечения основного участка шпангоута.
По меньшей мере, в одной из стенок основного участка шпангоута может быть выполнено, по меньшей мере, одно ограниченное со всех сторон отверстие. Отверстия такого рода могут служить, например, для пропускания воздушных трубопроводов, хотя они также могут давать возможность доступа в пространство канала шпангоутов с целью технического обслуживания или проверки. Отверстия, которые не используются, могут быть закрыты съемной крышкой.
Краткое описание чертежей
Варианты выполнения настоящего изобретения будут подробнее описаны ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
фиг.1 изображает первый вариант осуществления конструкции фюзеляжа самолета, соответствующий настоящему изобретению;
фиг.2 изображает второй вариант осуществления конструкции фюзеляжа самолета, соответствующий настоящему изобретению;
фиг.3 изображает третий вариант осуществления конструкции фюзеляжа самолета, соответствующий настоящему изобретению.
Осуществление изобретения
На фиг.1, в перспективной проекции и частично в разрезе, показан местный вид фюзеляжа самолета, конструкция которого отвечает первому варианту осуществления изобретения. Конструкция фюзеляжа, в целом обозначенная индексом 10, содержит наружную обшивку 12, формообразующие шпангоуты 14, а также стрингеры 16. На фиг.1 представлен только один из шпангоутов 14 и стрингеров 16; следует понимать, что в целом фюзеляж самолета может содержать множество шпангоутов 14 и стрингеров 16, расположенных на расстоянии друг от друга. Формообразующие шпангоуты 14 проходят в поперечном направлении относительно продольной оси фюзеляжа, в то время как стрингеры 16 проходят вдоль фюзеляжа в продольном направлении. Возможными материалами для изготовления наружной обшивки 12, формообразующих шпангоутов 14 и стрингеров 16 являются алюминий, алюминиевые сплавы и углепластики. Можно представить, что наружная обшивка 12 выполняется из материала на основе алюминия, в то время как, по меньшей мере, некоторые из реечных элементов, обеспечивающих жесткость, в виде шпангоутов 14 и стрингеров 16 выполняются из углепластика. По меньшей мере, шпангоуты 14 желательно выполнять из пластика такого вида. Формообразующие шпангоуты 14 и стрингеры 16 соединяются с наружной обшивкой 12 способом, который на чертеже не представлен, например, клепкой или сваркой. Как известно, соединение шпангоутов 14 со стрингерами 16 может быть выполнено посредством книц, которые подробно не показаны.
По меньшей мере, часть шпангоутов 14 имеют форму, показанную на фиг.1. Необязательно, чтобы все шпангоуты фюзеляжа имели такую форму; можно представить, что часть шпангоутов имеет иную конструкцию.
Показанный на фиг.1 шпангоут 14 имеет основной участок 18 в виде швеллера (канала), при этом швеллер своим каналом обращен к наружной обшивке 12, а края швеллера прилегают к наружной обшивке 12. В поперечном сечении основной участок 18 шпангоута имеет приблизительно U-образную форму, содержит нижнюю стенку 20 и две взаимно противоположные боковые стенки 22, которые примыкают к нижней стенке 20. Нижняя стенка 20 сравнительно плоская, в то время как боковые стенки 22 подобно арке слегка отходят друг от друга. На концах боковых стенок 22, удаленных от нижней стенки 20, предусмотрены участки 24 крепления, которые выполнены за одно целое со шпангоутом, и направлены наружу от внутренней части швеллера, при этом указанные участки служат для крепления шпангоута 14 к наружной обшивке 12. На участках 24 крепления могут быть установлены, например, заклепки, которые прочно свяжут шпангоут 14 с наружной обшивкой 12.
В каждом случае, в точках, где стрингер 16 пересекает шпангоут 14, в боковых стенках 22 шпангоута 14 выполняется отверстие 26, через которое и проходит в рассматриваемый стрингер 16. В соответствии с примером по фиг.1, стрингеры 16 могут быть образованы профилями приблизительно Z-образного сечения, при этом их высота существенно меньше высоты шпангоутов 14, так что внутри шпангоутов 14, над стрингерами 16 в канале швеллеров остается достаточно свободного места для размещения воздушной магистрали. На фиг.1 воздушная магистраль такого вида образована трубопроводом 28, который по форме поперечного сечения приблизительно соответствует форме канала - контуру нижней стенки 20 и боковых стенок 22 основного участка 18 шпангоута. Трубопровод 28 может лежать на стрингере 16; однако желательно, чтобы между трубопроводом 28 и стрингером 16 контакта не было, при этом исключить такой контакт можно, наполнив швеллер изолирующим материалом 30, который вводят между наружной обшивкой 12 и трубопроводом 28. Заполняющий материал 30 должен проявлять изолирующие свойства, по меньшей мере, в отношении теплопроводности, но желательно, чтобы заполняющий материал 30 также обеспечивал звукоизоляцию, что помогает поддерживать низкий уровень шума в салоне самолета. Отсутствие контакта между трубопроводом 28 и стрингером 16 является особенно важной задачей, если стрингер 16 выполнен из материала с высокой теплопроводностью, например алюминия или алюминиевого сплава. В этом случае рекомендуется препятствовать образованию теплового моста между стрингером 16 и трубопроводом 28, чтобы не ухудшать качество регулирования температуры воздуха, передаваемого по трубопроводу 28. Заполняющий материал 30 может служить опорой трубопроводу 28 и гарантировать достаточный зазор между трубопроводом 28 и стрингером 16.
Если шпангоут 14 изготовить из материала с низкой теплопроводностью, в частности из углепластика, то можно обойтись без специальных мер по теплоизоляции трубопровода 28 от стенок основного участка 18 шпангоута. Поэтому в варианте осуществления по фиг.1 заполняющий материал 30 не заходит в пространство между трубопроводом 28 и боковыми стенками 22, а также нижней стенкой 20 основного участка 18 шпангоута. В соответствии с рассматриваемым вариантом осуществления, трубопровод 28 может лежать непосредственно на нижней стенке 20 и/или боковых стенках 22. В этом случае заполняющий материал 30 может гарантировать определенное давление в системе, а приблизительное соответствие поперечного сечения трубопровода контуру основного участка 18 шпангоута может гарантировать, что трубопровод 28 надежно зафиксирован по существу без болтанки в пространстве канала шпангоута 14. Средства крепления, которые крепят трубопровод 28 к стенкам основного участка 18 шпангоута, могут быть предусмотрены в качестве варианта или дополнения. Например, можно представить, что трубопровод 28 приклеивают к нижней стенке 20 и/или к боковым стенкам 22.
Однако, если нет гарантий, что действующая во время полета низкая наружная температура не передастся через наружную обшивку 12 шпангоуту 14, желательно также завести заполняющий материал 30 в область между трубопроводом 28 и стенками 20, 22 основного участка 18 шпангоута, так чтобы трубопровод 28 был со всех сторон погружен в заполняющий материал 30.
Трубопровод 28 образует стояк системы кондиционирования воздуха самолета. Стояки такого типа позволяют распределять подаваемый кондиционированный воздух в плоскости, поперечной оси фюзеляжа. Например, трубопровод 28, который показан на фиг.1, может быть продолжен в верхнюю зону кабины самолета и там соединен с одним или несколькими воздушными выпускными отверстиями, через которые подаваемый воздух вдувается в кабину. Следует понимать, что не все выполненные в виде швеллера шпангоуты 14 фюзеляжа самолета обязательно необходимо использовать для размещения магистралей подачи воздуха. Также следует понимать, что в канале швеллера шпангоута 14 имеется возможность формировать не одну магистраль подачи воздуха, а две или несколько магистралей. С этой целью, в измененном варианте фиг.1, вместо одного трубопровода 28 в канале швеллера могут быть размещены два или несколько трубопроводов такого вида. Иная возможность сформировать одну или несколько магистралей подачи воздуха и обойтись при этом без отдельных трубопроводов будет описана далее, согласно фиг.2.
Расстояние между боковыми стенками 22, а также расстояние между нижней стенкой 20 и наружной обшивкой 12 определяются в соответствии с необходимым минимальным размером поперечного сечения магистрали подачи воздуха, которая сформирована посредством трубопровода 28. Трубопровод 28 не должен быть чересчур малого диаметра, иначе на указанном трубопроводе могут возникнуть слишком большие потери давления. Скорость течения воздуха, который подается по трубопроводу 28, также не должна быть слишком высокой из-за возможного высокого уровня шума. Однако, с другой стороны, трубопровод 28 должен гарантировать возможность получения определенной величины расхода воздуха. Эти требования приводят к определенному минимальному размеру поперечного сечения трубопровода 28. Пространство канала швеллера между нижней стенкой 20 и боковыми стенками 22 должно быть такого размера, чтобы дать возможность разместить в канале одну или несколько подающих воздушных магистралей требуемого поперечного сечения. В этом случае может потребоваться оптимизация соотношения ширины шпангоута и его высоты, так как при заданных внешних размерах фюзеляжа излишне большая высота шпангоута сокращает располагаемое пространство внутри салона, а чересчур большая ширина шпангоута может ограничить располагаемое пространство между соседними шпангоутами, предназначенное для устройства окон.
Конструкция фюзеляжа с внутренней стороны кабины перекрывается внутренней облицовкой 32, под которой располагается изолирующий материал 34, при этом последний заполняет пространство между облицовкой 32 и наружной обшивкой 12. Из примера по фиг.1 видно, что изолирующий материал 34, который, подобно изолирующему материалу 30, гарантирует, по меньшей мере, тепловую изоляцию, а если необходимо, то и звукоизоляцию, имеет уменьшенную толщину над шпангоутами 14, так что внутренняя облицовка 32 выступает на небольших участках над нижней стенкой 20 шпангоутов 14. Такое сокращение толщины изоляционного материала 34, который образован, например, изолирующей пеной, в частности, является возможным, если передача холода от наружной обшивки 12 через шпангоут 14 к внутренней облицовке 32 существенно сокращена за счет использования материалов с низкой теплопроводностью. Как уже упоминалось, с этой целью шпангоут целиком может быть выполнен из углепластика. Возможно также выполнение шпангоута 14 из основного материала с более высокой теплопроводностью, но с покрытием в отдельных зонах материалом с низкой теплопроводностью. Покрытие такого рода может состоять, например, из углепластика. Можно, например, предусмотреть нанесение на нижнюю стенку 20 и, по меньшей мере, на участки боковых стенок 22 шпангоута 14 покрытия такого типа с внутренней и/или наружной стороны.
Поскольку, как уже упоминалось выше, передача холода через шпангоут 14 внутрь кабины ограничивается или предотвращается соответствующим выбором материала, то для того чтобы получить хорошую тепловую изоляцию кабины в целом, может оказаться достаточным иметь сравнительно тонкий слой изоляционного материала между верхней стороной шпангоута, т.е. нижней стенкой 20, и внутренней облицовкой 32. Преимущество такой конструкции в том, что она позволяет максимальную толщину стенки фюзеляжа, показанную на фиг.1, выдержать сравнительно малой величины, что благоприятно сказывается на располагаемом пространстве кабины.
На фиг.1 индексом 36 обозначено устроенное в фюзеляже окно.
В вариантах осуществления, представленных на фиг.2 и 3, одни и те же или эквивалентные компоненты имеют точно такие же номера, что и на фиг.1, но сопровождаются индексами в виде строчной буквы. Если не оговорено иное, то изложенные выше сведения относятся к любому изображению указанных компонентов.
В варианте, показанном на фиг.2, воздушная магистраль 28а образована пространством канала шпангоута 14а, т.е., в отличие от варианта осуществления фиг.1, образована не отдельным трубопроводом, а стенками (нижней 20а и боковыми 22а) основного участка 18а шпангоута и граничной стенкой 38а, которая проходит между двумя боковыми стенками 22а на некотором расстоянии от наружной обшивки 12а. В примере по фиг.2 граничная стенка 38а представляет собой деталь, которая изготовлена отдельно от основного участка 18а шпангоута, а затем плотно и прочно присоединена к боковым стенкам 22а, например, при помощи клея или сварки. Возможно получение граничной стенки 38а за одно целое с основным участком 18а шпангоута, в частности, если шпангоут 14а изготавливать в виде одноосно ориентированного волокнистого пластика.
Если в пространстве канала шпангоута 14а предусматривать не одну воздушную магистраль 28а, а две или более, то можно ввести дополнительные граничные стенки, которые могут проходить, например, между нижней стенкой 20а и граничной стенкой 38а.
На фиг.2 также показано отверстие 40а, которое образовано в нижней стенке 20а и плотно закрыто крышкой 42а. Через отверстие 40а обеспечивается доступ к воздушной магистрали 28а, например, для технического обслуживания или во время сборки. Следует понимать, что в нижней стенке 20а или/и в одной или обеих боковых стенках 22а может быть выполнено множество отверстий 40а указанного вида. Отверстия такого рода могут также быть использованы для соединения воздушной магистрали 28а, проходящей в пространстве канала шпангоута 14а, с соседними элементами системы кондиционирования воздуха. Например, через отверстия такого рода могут быть установлены соединения с отверстиями выпуска воздуха, через которые подаваемый воздух вдувается в кабину.
В варианте, представленном на фиг.3, шпангоут 14b содержит основной участок 18b приблизительно V-образного поперечного сечения. В конструкции шпангоута такого типа дно канала образовано на вершине V-образного участка. Нижняя стенка в том виде, в каком она предусмотрена в вариантах осуществления фиг.1 и фиг.2, в шпангоуте 14b по фиг.3 отсутствует.
На фиг.3 штриховой линией также показан трубопровод 28b воздушной магистрали с круглым поперечным сечением, который может опираться на боковые стенки 22b основного участка 18b шпангоута. Также штриховой линией показано отверстие 40b в одной из боковых стенок 22b. Если отверстие 40b выполнить надлежащего размера, то его можно будет использовать, например, в качестве прохода для трубопровода 28b воздушной магистрали. Через отверстие 40b можно также пропустить соединительную трубу, которая соединяется с трубопроводом 28b.