ПЕРЕДНИЙ УЗЕЛ КРЕПЛЕНИЯ СТАБИЛИЗАТОРА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА, СОПРЯГАЕМЫЙ С РАБОТАЮЩИМ НА РАСТЯЖЕНИЕ СОЕДИНЕНИЕМ ДВУХ БОКОВЫХ КЕССОНОВ СТАБИЛИЗАТОРА
AIRCRAFT STABILISER ATTACHMENT FRONT ASSEMBLY COUPLED WITH EXPANSION JOINT OF TWO STABILISER SIDE TORSION BOXES

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к авиастроению, в частности к конструкции летательных аппаратов, а именно к конструктивному сопряжению переднего фитинга стабилизатора летательного аппарата с соединением двух боковых кессонов стабилизатора.
В частности, настоящее изобретение относится к конструктивному сопряжению переднего фитинга стабилизатора летательного аппарата с работающим на растяжение соединением двух боковых кессонов стабилизатора.
Уровень техники
Боковые кессоны стабилизатора летательного аппарата являются конструкциями, хорошо известными в авиационной промышленности, и представляют собой основную силовую конструкцию стабилизатора летательного аппарата.
Конструктивно кессон состоит из лонжеронов, обычно прямых и расположенных вдоль конструкции, нервюр, расположенных между лонжеронами перпендикулярно им и крепящихся к ним, и обшивки, расположенной таким образом, что она покрывает каркас, образованный лонжеронами и нервюрами, и крепится к нему.
Функция лонжеронов состоит в поглощении напряжений, возникающих при изгибе; нервюры распределяют напряжения по лонжеронам и придают форму обшивке, а обшивка передает нервюрам и лонжеронам аэродинамическую нагрузку и силу сопротивления воздуха, которые воздействуют на ее аэродинамическую поверхность. Кроме этого, кессоны обычно содержат элементы жесткости, крепящиеся к внутренней поверхности обшивки и обеспечивающие устойчивость последней к прогибу.
В существующих в настоящее время конструкциях соединения между боковыми кессонами обычно выполняются в виде работающих на сдвиг элементов - панелей либо несколько более сложных деталей, связанных с обшивкой обоих боковых кессонов, причем эти детали располагаются вблизи плоскости симметрии или в самой этой плоскости. В качестве примера таких деталей можно назвать центральную нервюру или передний фитинг. Кроме того, предъявляемые обычно требования к обеспечению узких допусков и высокой прочности означают, что изготовление деталей этого типа сопряжено, как правило, с использованием дорогостоящих и труднообрабатываемых материалов, например титана, что значительно повышает стоимость изготовления и сборки, а также увеличивает вес летательного аппарата.
Далее, общеизвестно, что авиационная промышленность нуждается в конструкциях, способных выдерживать высокие нагрузки, которым они подвергаются, с соблюдением требований к устойчивости и жесткости, вследствие чего эти конструкции должны быть как можно более легкими и в то же время удовлетворять всем нормам безопасности, установленным руководящими органами в области авиации.
В связи с этим продолжаются исследования соединений, работающих на растяжение, с целью оценки их потенциальных возможностей в смысле уменьшения веса и затрат на изготовление и сборку и улучшения технических характеристик летательных аппаратов.
В последние годы для соединения деталей летательных аппаратов разработаны элементы, работающие на растяжение, которые в настоящее время применяются для соединения небольших деталей самолетов. В патенте US 6415496 описана процедура выполнения разъемных и/или неразъемных соединений, работающих на растяжение-сжатие, с применением композиционных материалов.
Одной из областей применения этого патента является работающий на растяжение элемент соединения двух боковых кессонов стабилизатора летательного аппарата. Тем не менее, для элемента соединения этого типа, работающего на растяжение и предназначенного для установки между двумя боковыми кессонами стабилизатора, необходимо сначала решить проблему, связанную с сопряжением этого соединения, работающего на растяжение, с другими деталями, расположенными в этой зоне.
В число деталей, расположенных в зоне, где реализуется работающее на растяжение соединение между двумя боковыми кессонами стабилизатора, входит передний фитинг - кронштейн, соединяющий переднюю часть центроплана стабилизатора с винтом подъемника, при вращении которого происходит подъем или опускание передней части стабилизатора и, следовательно, его поворот вокруг оси, расположенной в его задней части, в результате чего изменяется угол установки стабилизатора. Другими словами, передний фитинг служит для изменения положения стабилизатора по высоте с обеспечением перестановки стабилизатора в требуемое балансировочное положение.
Дополнительно к вышесказанному следует отметить, что передний фитинг должен работать как отказоустойчивый элемент, что еще более усложняет процесс конструирования этой зоны.
Отсюда следует, что, поскольку соединение между двумя боковыми кессонами стабилизатора обычно выполняется в виде работающего на сдвиг элемента, а цель заключается в создании элемента, работающего на растяжение, то необходимо выполнить повторное изучение и проектирование всех деталей, образующих передний узел крепления стабилизатора с работающим на сдвиг соединением боковых кессонов, и существующего переднего фитинга, а также реализовать способ передачи нагрузок на боковые кессоны в соответствии с новыми решениями, чтобы привести все вышеперечисленное в соответствие с новым типом соединения, работающего на растяжение.
Кроме того, еще одним следствием требований, предъявляемых к устойчивости, жесткости и легкости авиационных конструкций, является еще более широкое применение в силовых конструкциях композиционных материалов, которые, будучи использованными надлежащим образом, могут обеспечить весьма значительное снижение веса и уменьшение числа конструктивных элементов по сравнению с металлическими конструкциями.
Другими словами, цель заключается в исследовании структуры, нагрузок и набора элементов, расположенных вокруг работающего на растяжение соединения двух боковых кессонов стабилизатора, чтобы найти более приемлемый путь реализации сопряжения этого соединения с передним фитингом.
В контексте настоящего описания под композиционным материалом следует понимать, главным образом, смолу или пластмассу, армированную волокнами, имеющими различную ориентацию, чем достигается оптимизация механических свойств этого материала.
Наряду с преимуществом меньшего веса, такой композиционный материал обладает и преимуществом отсутствия эффектов усталости и коррозии.
Раскрытие изобретения
Целью настоящего изобретение является преодоление проблемы, создаваемой сопряжением переднего фитинга и работающего на растяжение соединения двух боковых кессонов стабилизатора летательного аппарата.
При этом в основу изобретения положена задача создания переднего узла крепления стабилизатора летательного аппарата, который был бы сопрягаем с работающим на растяжение соединением двух боковых кессонов стабилизатора и в котором фитинг сохранял бы свои функции по перестановке переставляемого стабилизатора, а все детали, входящие в узел, можно было бы изготавливать из композиционного материала, с одновременным сведением к минимуму нагрузок, передаваемых боковым кессонам стабилизатора, и с целью улучшения характеристик применительно к усталостным свойствам существующих в настоящее время конструкций, облегчения их технического обслуживания и снижения веса летательного аппарата.
Другой задачей настоящего изобретения является также создание такого узла, все детали которого можно было изготавливать из композиционного материала, благодаря чему обеспечивалось бы снижение веса, что является решающим фактором для авиационной промышленности.
Третьей задачей изобретения является создание компактного переднего фитинга, изготовленного в виде цельной детали из композиционного материала.
Таким образом, объектом настоящего изобретения является передний узел крепления стабилизатора летательного аппарата, сопрягаемый с работающим на растяжение соединением двух боковых кессонов стабилизатора и содержащий:
- передний фитинг;
- переднюю работающую на сдвиг панель;
- верхнюю работающую на сдвиг панель;
- нижнюю работающую на сдвиг панель;
- соединительную деталь в виде стойки для присоединения нервюры к лонжерону, соединяющую предлагаемый узел с центральной нервюрой кессона стабилизатора летательного аппарата.
Согласно изобретению передний фитинг содержит центральную часть и две боковых части, которые подробнее описаны ниже.
Согласно изобретению центральная часть переднего фитинга представляет собой деталь, имеющую прямоугольное основание и форму коробки, у которой длинные боковые стенки расположены вертикально и параллельно друг к другу и симметрично, а короткие верхняя и нижняя стенки являются непараллельными друг другу и несимметричными. Из боковых стенок выступают отдельные проушины, расположенные в одной плоскости с соответствующими боковыми стенками. Каждая из проушин имеет отверстие. Нижняя короткая стенка слегка выгнута и обращена вогнутостью к верхней короткой стенке.
Аналогичным образом, каждая из двух боковых частей переднего фитинга имеет боковую сторону, симметричную каждой из снабженных проушиной длинных боковых стенок центральной части переднего фитинга, если рассматривать боковую стенку в совокупности с ее проушиной и отверстием. Таким образом, каждая симметричная боковая сторона каждой боковой части фитинга копирует контур боковой стенки, проушины и отверстия центральной части фитинга и имеет выступающий край, проходящий вдоль почти всего ее наружного контура за исключением части последнего, соответствующей проушине.
Упомянутые проушины расположены в одной плоскости с боковыми стенками, из которых они выступают.
Передний фитинг может быть сборным из трех своих основных частей (центральной и двух боковых), которые могут быть соединены в процессе его изготовления либо посредством последующего склеивания.
После соединения этих трех основных частей друг с другом полученный фитинг имеет две проушины, каждая из которых представляет собой слоистую пластину, образованную проушиной центральной части и копирующей ее проушиной соответствующей боковой части. Следовательно, путь нагружения увеличивается вдвое. Более того, в случае разрушения одной из двух частей сборной проушины оставшаяся часть будет в состоянии выдержать предельную нагрузку, чем обеспечивается выполнение авиационных требований.
В альтернативном варианте осуществления настоящего изобретения центральная часть переднего фитинга разделена на две половины.
Согласно изобретению передняя работающая на сдвиг панель имеет две вертикальные линии сгиба, определяющие центральную зону и две боковые зоны. Передняя работающая на сдвиг панель соединяет стенки двух передних лонжеронов, выходящих из соответствующих боковых кессонов стабилизатора, а также воспринимает вертикальную нагрузку от переднего фитинга.
Кроме того, в описанном выше альтернативном варианте осуществления изобретения, а именно в том, где центральная часть переднего фитинга разделена на две половины, эта панель также обеспечивает целостность центральной части переднего фитинга.
Согласно изобретению соединительная деталь в виде стойки для присоединения нервюры к лонжерону отвечает за соединение узла крепления стабилизатора с центральной нервюрой работающего на растяжение соединения кессонов стабилизатора. Эта соединительная деталь имеет Т-образную форму в поперечном сечении и соединяется с передней работающей на сдвиг панелью в середине ее центральной зоны с помощью процессов совместного отверждения, склеивания или клепки. Ее функция состоит в соединении центральной нервюры стабилизатора летательного аппарата с работающей на сдвиг передней панелью и в передаче вертикальной нагрузки с переднего фитинга на центральную нервюру стабилизатора.
Таким образом, благодаря включению в конструкцию передней работающей на сдвиг панели вертикальная нагрузка с переднего фитинга передается в виде поперечной силы на стенки передних лонжеронов боковых кессонов стабилизатора, а посредством соединительной детали в виде стойки для присоединения нервюры к лонжерону - и на центральную нервюру стабилизатора. Кроме этого, передняя работающая на сдвиг панель обеспечивает непрерывность распределения поперечной силы, передаваемой передними лонжеронами боковых кессонов стабилизатора.
Согласно изобретению верхняя и нижняя работающие на сдвиг панели имеют такую форму, которая копирует форму или контур переднего фитинга сверху и снизу для соединения с верхней и нижней обшивками, образующими кессон, простираются за пределы области, перекрываемой передним фитингом, в стороны и в направлении задней части стабилизатора. Этим обеспечивается надежное соединение друг с другом верхней и нижней обшивок, образующих кессон. Кроме того, для охвата пространства, занятого центральной нервюрой, верхняя и нижняя работающие на сдвиг панели имеют вырезы.
Основная функция верхней и нижней панелей, работающих на сдвиг, состоит в восприятии момента, создаваемого вертикальной нагрузкой, прикладываемой к переднему фитингу. Кроме того, эти панели обеспечивают непрерывность распределения нагрузок растяжения-сжатия, передаваемых с верхней и нижней поясов передних лонжеронов обоих боковых кессонов стабилизатора.
Наконец, верхняя и нижняя работающие на сдвиг панели расположены таким образом, что они довершают замыкание боковых кессонов в плоскости соединения, значительно увеличивая их сопротивляемость кручению.
Передний фитинг и каждая из дополнительных деталей, образующих описанный выше узел, в предпочтительном варианте изготавливаются из листового материала, содержащего смолу и армированного углеродным волокном, расположенным в плоскости слоистости, которому придается заданная форма с последующим отверждением.
Исходя из требований, предъявляемых к допускам, предпочтительным процессом для изготовления этого компонента конструкции является метод трансферного формования (RTM - сокр. от англ. Resin Transfer Molding).
По соображениям безопасности и надежного крепления компонентов системы внутренние поверхности различных панелей, контактирующие друг с другом, в предпочтительном варианте скрепляются заклепками.
Кроме того, одной из целей настоящего изобретения является создание описанного переднего фитинга, изготовленного в виде цельной детали из композиционного материала.
Краткое описание чертежей
Для лучшего понимания настоящего описания ниже приведено - только в качестве примера и без ограничения сущности изобретения, - краткое описание приложенных чертежей. На чертежах показано:
на фиг.1 - вид спереди работающего на растяжение соединения двух боковых кессонов стабилизатора летательного аппарата,
на фиг.1а и 1б - вид спереди обычного, работающего на сдвиг соединения двух боковых кессонов стабилизатора летательного аппарата (соответственно без переднего фитинга и с передним фитингом),
на фиг.2 - вид в перспективе с пространственным разделением деталей, образующих предлагаемый в изобретении узел,
на фиг.3 - вид в перспективе переднего фитинга, соответствующего настоящему изобретению,
на фиг.3а - вид в перспективе с пространственным разделением деталей, представляющих собой компоненты предлагаемого в изобретении переднего фитинга,
на фиг.4 - вид в перспективе второго варианта осуществления предлагаемого в изобретении переднего фитинга, центральная часть 1 которого разделена на две половины 1 и 1'',
на фиг.5а - вид в перспективе узла, образованного передним фитингом, соответствующим второму варианту осуществления настоящего изобретения, и работающей на сдвиг передней панелью 2,
на фиг.5б - вид в перспективе узла, образованного передним фитингом, соответствующим второму варианту осуществления настоящего изобретения, работающей на сдвиг передней панелью 2 и соединительной деталью 3 в виде стойки для присоединения нервюры к лонжерону; также показаны передние лонжероны 6 двух боковых кессонов,
на фиг.6 - вид сбоку узла, показанного на фиг.5б, с верхней 4 и нижней 5 работающими на сдвиг панелями, причем действующие нагрузки показаны стрелками A и B,
на фиг.7 - вид спереди предлагаемого в изобретении узла, сопряженного с работающим на растяжение соединением боковых кессонов 6 стабилизатора, причем стрелками показаны растягивающие и сжимающие нагрузки, передаваемые верхней и нижней работающими на сдвиг панелями с одной стороны боковых кессонов стабилизатора на другую.
Осуществление изобретения
Для более подробного представления цели и сущности настоящего изобретения ниже приведено описание примера его осуществления (не ограничивающего его объема), основанное на чертежах, упомянутых выше.
На фиг.1 показано работающее на растяжение соединение двух боковых кессонов стабилизатора летательного аппарата, тогда как на фиг.1а показано обычное, работающее на сдвиг соединение двух боковых кессонов, а на фиг.1б показано изображенное на фиг.1а работающее на сдвиг соединение в сопряжении с передним фитингом. На чертежах видно, что изменение геометрии этого соединения требует решения проблемы его сопряжения или конструктивной увязки с остальными деталями, расположенными в этой зоне летательного аппарата, например с передним фитингом. Другими словами, необходимо так изменить конструкцию узла, чтобы получить требуемое восприятие нагрузок.
Следовательно, одной из задач настоящего изобретения является создание узла крепления стабилизатора с требуемыми характеристиками восприятия нагрузок при исключении воздействия этих нагрузок на работающее на растяжение соединение двух боковых кессонов стабилизатора и с обеспечением возможности требуемой перестановки последнего.
На фиг.2 показаны все детали, образующие предлагаемый в изобретении
узел.
Этот узел содержит:
- передний фитинг 1, 1а и 1b,
- работающую на сдвиг переднюю панель 2,
- работающую на сдвиг верхнюю панель 4,
- работающую на сдвиг нижнюю панель 5,
- соединительную деталь 3 в виде стойки для присоединения нервюры к лонжерону, предназначенную для соединения с центральной нервюрой стабилизатора.
Из фиг.3 видно, что передний фитинг состоит из центральной части 1 и двух боковых частей 1а и 1b, которые подробнее описаны ниже.
На фиг.3a показано, что центральная часть 1 переднего фитинга представляет собой деталь, имеющую прямоугольное основание 1j и форму коробки, у которой длинные боковые стенки 1с расположены вертикально, параллельно друг к другу и симметрично, причем из этих боковых стенок 1с выступают отдельные проушины 1f, расположенные с ними в одной плоскости. Каждая проушина 1f имеет отверстие 1g. Короткие верхняя 1d и нижняя 1е стенки центральной части 1 непараллельны друг к другу и несимметричны, причем нижняя стенка 1е слегка выгнута (вниз) и обращена вогнутой поверхностью к верхней стенке 1d.
Аналогичным образом, каждая из двух боковых частей 1а и 1b переднего фитинга имеет боковую сторону 1h, симметричную боковой стенке 1c с проушиной 1f и отверстием 1g. Другими словами, каждая боковая сторона lh боковых частей 1а и 1b переднего фитинга копирует контур боковой стенки 1c, снабженной проушиной 1f с отверстием 1g. Таким образом, каждая боковая сторона lh каждой боковой части 1а и 1b переднего фитинга включает проушину с отверстием 1i. Кроме того, каждая боковая сторона 1h каждой боковой части 1а и 1b переднего фитинга имеет выступающий край 1k, проходящую вдоль почти всего ее наружного контура за исключением части последнего, соответствующей проушине.
Передний фитинг может быть собран из трех основных частей: центральной 1 и двух боковых 1a и 1b, которые могут быть соединены в процессе его изготовления либо посредством последующего склеивания. Эти части могут быть изготовлены и как одна цельная деталь.
Как видно из фиг.3, где три основные части соединены друг с другом, сборный фитинг содержит две сборные проушины 7, образованные соединением проушины 1f центральной части 1 и проушины каждой боковой стороны lh каждой соответствующей боковой части 1а или 1b. Благодаря этому в сборной проушине 7 достигается увеличение пути нагружения в два раза. Более того, в случае разрушения одной из двух частей сборной проушины 7 оставшаяся часть будет в состоянии выдержать предельную нагрузку, чем обеспечивается выполнение авиационных требований.
На фиг.4 представлен альтернативный вариант осуществления настоящего изобретения, где центральная часть переднего фитинга разделена на две половины 1 и 1'', каждая из которых соединена с одной из боковых частей 1а или lb.
Из фиг.2 видно, что, согласно настоящему изобретению, передняя работающая на сдвиг панель 2 содержит две вертикальные линии сгиба 2а, определяющие центральную зону 2с и две боковые зоны 2d и 2е.
Из фиг.2, 5а и 5б видно, что благодаря наличию у работающей на сдвиг передней панели 2 двух боковых зон 2d и 2е эта панель соединяется с частью выступающей кромки 1k каждой из боковых частей 1а и 1b и одновременно с этим соединяется со стенками двух передних лонжеронов 6, выходящих из соответствующих боковых кессонов стабилизатора, таким образом, что воспринимает вертикальную нагрузку от переднего фитинга.
Из фиг.5а и 5б видно, что в описанном выше альтернативном варианте осуществления, а именно в том, где центральная часть переднего фитинга разделена на две половины 1 и 1'', передняя панель 2, работающая на сдвиг, также обеспечивает целостность центральной части переднего фитинга.
Из фиг.2 и 5б видно, что соединительная деталь 3 в виде стойки для присоединения нервюры к лонжерону имеет Т-образное поперечное сечение и крепится к работающей на сдвиг передней панели 2 в середине ее центральной зоны 2c с помощью процессов совместного отверждения, склеивания или клепки. Функция соединительной детали 3 в виде стойки для присоединения нервюры к лонжерону состоит в соединении центральной нервюры стабилизатора летательного аппарата с работающей на сдвиг передней панелью 2 таким образом, чтобы обеспечить передачу вертикальной нагрузки с переднего фитинга на центральную нервюру стабилизатора.
Таким образом, благодаря включению в конструкцию работающей на сдвиг передней панели 2 вертикальная нагрузка с переднего фитинга передается, в виде поперечной силы, на стенки передних лонжеронов 6 боковых кессонов стабилизатора, а посредством соединительной детали 3 в виде стойки для присоединения нервюры к лонжерону - на центральную нервюру стабилизатора. Кроме этого, работающая на сдвиг передняя панель 2 обеспечивает непрерывность действия поперечной силы, передаваемой передними лонжеронами 6 боковых кессонов стабилизатора.
На фиг.2 и 7 видно, что верхняя 4 и нижняя 5 работающие на сдвиг панели имеют такую форму, что она копирует форму, или контур, переднего фитинга соответственно сверху или снизу для его соединения с верхними и нижними обшивками кессонов. Далее, эти верхняя 4 и нижняя 5 работающие на сдвиг панели простираются за пределы области, перекрываемой передним фитингом, в стороны и в направлении задней части стабилизатора. Этим обеспечивается надежное соединение верхней 4 и нижней 5 работающих на сдвиг панелей с верхней и нижней обшивками, образующими кессон. Кроме того, для охвата пространства, занятого центральной нервюрой, верхняя 4 и нижняя 5 работающие на сдвиг панели имеют вырезы 8. Важно отметить, что показанная на фиг.2 и 7 форма верхней 4 и нижней 5 работающих на сдвиг панелей представлена лишь в качестве примера и может быть изменена без изменения их функциональности.
Основная функция верхней 4 и нижней 5 работающих на сдвиг панелей состоит в восприятии момента, создаваемого конструкции вертикальной нагрузкой с переднего фитинга. Кроме того, верхняя 4 и нижняя 5 работающие на сдвиг панели обеспечивают непрерывность распределения нагрузок растяжения-сжатия, передаваемых с верхнего и нижнего поясов передних лонжеронов 6 обоих боковых кессонов стабилизатора.
Наконец, верхняя 4 и нижняя 5 работающие на сдвиг панели участвуют в полном перекрытии боковых кессонов в плоскости соединения, значительно увеличивая их сопротивляемость кручению.
Действующие нагрузки показаны на фиг.6 стрелками, причем стрелка А соответствует нагрузкам, передаваемым с переднего фитинга, а стрелка В - нагрузкам, обусловленным моментом, создаваемым этой вертикальной нагрузкой.
На фиг.7 показан предлагаемый в изобретении узел в сборе, сопряженный с работающим на растяжение соединением двух боковых кессонов стабилизатора. Здесь также показаны стрелками растягивающие и сжимающие нагрузки, передаваемые через верхнюю 4 и нижнюю 5 работающие на сдвиг панели с одной стороны боковых кессонов 6 стабилизатора на другую.
Как упоминалось выше, одной из целей настоящего изобретения также является создание упомянутого выше компактного переднего фитинга, изготовленного в виде цельной детали из композиционного материала.