Фюзеляж летательного аппарата из ферменного заполнителя

Полезная модель относится к области авиации, а именно к многослойным панелям и конструкциям фюзеляжа, содержащим многослойные панели, и может быть использована в производстве летательных аппаратов.
Проблемы, связанные с конденсацией влаги в конструкциях, используемых в условиях изменяющихся температуры и влажности, широко известны в уровне техники и прежде всего в самолетостроении. Конденсация влаги происходит во время полета при встрече влажного воздуха с охлажденной конструкцией при низкой температуре воздуха за бортом и наружной поверхности обшивки. Если температура конструкции ниже точки замерзания воды, эта влага превращается в лед. Снижение самолета и нагревание обшивки приводит к оттаиванию льда, и вода стекает вниз, собирается в арках и углублениях конструкции. При использовании в конструкции фюзеляжа многослойных панелей, содержащих две обшивки и расположенный между ними заполнитель, влага конденсируется внутри многослойной панели, что может привести к увеличению веса фюзеляжа и разрушению клеевых соединений, в том числе клеевых соединений между заполнителем и обшивками. Количество конденсируемой влаги зависит в основном от конфигурации и конструкции летательного аппарата. Условий эксплуатации, окружающей среды и технического обслуживания. При этом, поскольку влажный воздух неизбежно сталкивается с охлажденным металлом, конденсации воды в принципе нельзя избежать, поэтому важной задачей является создание таких конструкций многослойных панелей и фюзеляжей, а также способов дренирования, которые обеспечивают возможность удаления конденсировавшейся жидкости из многослойных панелей фюзеляжа, что повышает прочность, а в итоге и надежность конструкции.
Известна многослойная панель, содержащая первую и вторую обшивки и размещенный между ними зигзагообразный гофрированный заполнитель, разворачивающийся на плоскость, с боковыми гранями, расположенными под углом одна у другой с образованием чередующихся выступов и впадин и имеющими площадки контакта с верхней и нижней обшивками (Патент RU 2038265 С1, B64C 3/26, опубл. 27.06. 1995)
Недостатком известной многослойной панели является отсутствие сквозных каналов, предназначенных для естественного или/и принудительного прохождения воздуха и/или жидкости  и выведения ее из многослойной панели, что снижает  прочность и  в итоге  надежность многослойной панели.
Известна «Многослойная  панель», содержащая  несколько слоев заполнителя различной конструкции, включающая обшивки, сотовый заполнитель, образованный соединенными друг с другом гофрированными полосами, и дополнительные слои заполнителя в виде зигзагообразного гофра, расположенные между обшивками и сотовым заполнителем, образующие каналы для отвода конденсированной жидкости ( Патент RU 2085671 С1, E04C 2/32, B32B 3/12, B32B 3/28, опубл. 27.07.1997)
Недостатком  такой конструкция многослойной панели является не достаточная  прочность и надежность, как самой многослойной панели, так и мест соединения панелей между собой, так как для обеспечения прохождения конденсата по каналам зигзагообразного трапециевидного гофра, как минимум, в двух гранях сотового заполнителя выполнены окна и соответственно эти грани не соединены с дополнительными слоями зигзагообразного заполнителя, что снижает прочность и жесткость панели в целом. Кроме того, в панели отсутствуют какие-либо  продольные и поперечные элементы по ее контуру. Следовательно , соединение панелей  между собой происходит только по обшивкам и заполнителю, что снижает прочность мест соединения панелей.
Также недостатком данной конструкции является то, что при деформировании такой плоской панели с целью придания ей кривизны в любом направлении грани сотового и зигзагообразного заполнителей деформируются с возможностью полного перекрытия окон и каналов для стока конденсата, что снижает прочность и надежность конструкции.
Наиболее близким по технической сущности  и взятым в качестве прототипа  является «Многослойная панель, фюзеляж и способ дренирования фюзеляжа», содержащая  фюзеляж, с силовым каркасом, имеющий поперечные силовые элементы, расположенные поперек продольной оси фюзеляжа, и укрепленные на них многослойные панели содержат первую и вторую обшивки и расположенный между ними заполнитель, расположенные поперек продольной оси фюзеляжа, а к двум противоположным сторонам многослойной панели, расположенным вдоль продольной оси фюзеляжа присоединены стыковочные элементы в виде полых законцовок, в каждой из которых, в боковой стенке, примыкающей к заполнителю выполнена система отверстий, соединяющая сквозные каналы с полностью соответствующей законцовкой и обеспечивающая возможность прохождения воздуха и/или жидкости через сквозные каналы и полость соответствующей законцовки (Патент RU 2297948 С2, B64C 1/00, B32B 3/00, опубл. 27.12.2006).
Недостатком известного технического решения является большой вес конструкции за счет заполнителя, изготовленного в виде гофра, невозможностью изготовить кабель каналы, трубопроводы в поперечном и продольном направлении между внутренним и внешним обшивками, из-за особенности конструкции гофрового заполнителя, что уменьшает  жесткость на сжатие и на кручение фюзеляжа, отсутствие возможности контроля соединения гофрового заполнителя и обшивки, что в целом приводит к снижению прочности и надежности панели.
Решаемой задачей  полезной модели  является снижение веса конструкции за счёт конструктивного выполнения заполнителя для трехслойной конструкции обшивки фюзеляжа, с одновременным упрощением ее и изготовления фюзеляжа самолета - без стапельной сборки обшивки, а также  повышение прочностных характеристик за счет  увеличения жесткости конструкции фюзеляжа путем расположения зигзагообразных стержневых элементов по всему внутреннему объему пространства обшивки фюзеляжа, открытые полости которого можно использовать в качестве каналов для прокладки кабелей, трубопроводов. Соединение фюзеляжа через шипы и пазы увеличивает прочность соединений обшивки и заполнителя, а также качество контроля соединений. Соединение вершин основания шпангоута образует форму круга, что дает возможность соединить внутреннюю обшивку с заполнителем без использования дополнительных стапелей, что также повышает эффективность фюзеляжа.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является создание эффективного фюзеляжа летательного аппарата путем снижения веса конструкции  с одновременным  повышением прочностных характеристик  за счет упрощения конструкции и повышения ее жесткости.
Технический результат достигается тем, что в фюзеляже летательного аппарата из ферменного заполнителя, представляющем  собой объемную конструкцию,  состоящую из силового набора поперечных и продольных элементов, внешней и внутренней обшивок,  согласно которому, между внешней и внутренней  обшивками расположен  ферменный заполнитель, причем заполнитель выполнен  из  стержневых элементов, которые расположены в продольном, заменяющем лонжерон, и поперечном,  заменяющем шпангоут,  направлениях силового набора,  и представляет собой структуру из композиционного материала в виде зигзагообразных стержневых элементов, которые расположены по всему объему между внутренней и внешней обшивками, соединяющихся между собой с помощью пазов и шипов, образующих в месте соединения продольных и поперечных зигзагообразных стержневых элементов вершины,  которые направлены в противоположные стороны и соединены с внешней и внутренней обшивками, причем нижняя часть вершин шпангоутов подкреплена внутренней обшивкой, а верхняя часть вершин лонжеронов подкреплена внешней обшивкой,  обшивки имеют отверстия для соединения с вершинами шпангоутов и лонжеронов, причем пазы и вершины шпангоутов и лонжеронов соединены между собой при помощи клеевых элементов, при этом стержни, расположенные между вершинами в продольном и поперечном направлениях и   в основаниях поперечных элементов придают форму окружности внешней и внутренней обшивкам, образуя цилиндрическую форму, а между зигзагообразными стержневыми элементами образованы  открытые полости для прокладки кабелей и трубопроводов .
Для пояснения технической сущности рассмотрим чертежи:
на фиг. 1 – представлен фюзеляж летательного аппарата в виде трехслойной конструкции с внешней и внутренней обшивками;
на фиг. 2 – представлен фюзеляж летательного аппарата в виде трехслойной конструкции с нижней обшивкой;
на фиг. 3– шпангоут из зигзагообразных стержней;
на фиг. 4 – лонжерон в виде зигзагообразных стержней, где:
1 – отверстия в обшивках под шипы;
2 –внешняя обшивка;
3 – внутренняя обшивка;
4 – лонжерон  из зигзагообразных стержней, в продольном направлении;
5 – шпангоут  из зигзагообразных стержней, в поперечном направлении;
6 – шипы в шпангоуте под внутреннюю обшивку;
7 – пазы в шпангоуте;
8 – пазы в лонжероне;
9 – шипы в лонжероне под внешнюю обшивку;
10- шипы в лонжероне под внутреннюю обшивку;
11- стержни между вершинами в поперечном направлении;
12 – стержни, соединяющие вершины основания (внутренняя обшивка);
13 – стержни между вершинами в продольном направлении;
14 – стержни, соединяющие вершины стержней, подкрепляющие внешнюю обшивку;
15 – открытые полости
Новизной заявляемой полезной модели фюзеляжа летательного аппарата является снижение весовых характеристик его с одновременным повышением прочностных характеристик фюзеляжа летательного аппарата, выполняемого за счет расположения между внешней и внутренней  обшивками ферменного заполнителя, причем заполнитель выполнен  из  стержневых элементов, которые расположены в продольном, заменяющем лонжерон и поперечном,  заменяющем шпангоут,  направлении силового набора  и представляет собой структуру из композиционного материала в виде зигзагообразных стержневых элементов, которые расположены по всему объему между внутренней и внешней обшивками, соединяющиеся между собой с помощью пазов и шипов, образующих в месте соединения продольных и поперечных зигзагообразных стержневых элементов, вершины,  которые направлены в противоположные стороны и соединены с внешней и внутренней обшивками, обшивки имеют отверстия для соединения с вершинами шпангоутов и лонжеронов, причем пазы и вершины шпангоутов и лонжеронов соединены между собой при помощи клеевых элементов, при этом стержни между вершинами в продольном и поперечном направлениях, а также  в основаниях поперечных элементов придают форму окружности внешней и внутренней обшивок, между зигзагообразными стержневыми элементами образованы открытые полости для прокладки кабелей и трубопроводов.
Конструкция фюзеляжа летательного аппарата из композиционного материала (металла), представляющая собой конструкцию из материала углепластика (металла), состоящую из внешней обшивки 2 (фиг.1) и внутренней обшивки 3 (фиг.1), отверстий на внутренней и внешней обшивках 1 (фиг.1, 2) под шипы продольных зигзагообазных элементов (лонжеронов) 4 (фиг.2) и поперечных зигзагообразных элементов(шпангоутов) 5 (фиг.2), причем поперечные зигзагообразные стержневые элементы 5 (фиг.3) имеют пазы 7 шпангоутов(фиг.3) для соединения их с пазами лонжеронов 8 (фиг.4), шипы 6 (фиг.3) для соединения с отверстиями 1 (фиг.1) внутренней обшивки 3, продольные стержневые элементы 11 (фиг.3)  расположены между вершинами в поперечном направлении  с пазами 7 (фиг.3) и основанием внутренней обшивки,  поперечные стержневые элементы 4 (фиг.4) имеют шипы 9 (фиг.4) для соединения в с внешней обшивкой, поперечные стержневые элементы 14 (фиг.4), расположенные на основании зигзагообразных стержней, шипы 10 (фиг.4) соединяют с внешней обшивкой 2 (фиг.1) через отверстия 1 (фиг.1), стержни между вершинами в продольном направлении 13 (фиг.4), расположенные посередине между стержнями 14 (фиг.4) и вершинами  с шипами 10 в лонжероне под внутренюю обшивку (фиг.4).
Производство конструкции ферменного заполнителя:
Сборку конструкции производят следующим образом: Поперечные стержневые элементы (шпангоуты) 5 (фиг.2) соединяют с продольными зигзагообразными стержневыми элементами (лонжеронами) 4 (фиг.2), так, чтобы вершины поперечных зигзагообразных стержневых элементов, на которых расположены пазы 7 шпангоутов(фиг.3) вошли в пазы 8лонжеронов (фиг.4), на концах продольных зигзагообразных стержневых элементов (лонжеронов) 4  (фиг.4) для соединения с внешней обшивкой 2 выполнены шипы 9 (фиг.4), поперечные зигзагообразные стержневые элементы (шпангоутов) 5 имеют шипы 6 (фиг.3) для соединения с внутренней обшивкой 3 (фиг.1) через отверстия 1 (фиг.1), поперечные  зигзагообразные стержневые элементы 5 имеют стержни 11 (фиг.3), расположенные между вершинами шипов 6 и пазов 7, и стержни 12 (фиг.3), соединяющие вершины основания внутренней обшивки с пазами 6 (фиг.3), образуя форму круга для придания внутренней обшивке цилиндрической формы, продольные стержневые элементы 4 имеют стержни 13 (фиг.4), расположенные на одинаковом расстоянии между вершинами с шипами 10 под  внутреннюю обшивку 3 и шипами  9 под внешнюю обшивку  (фиг.4), стержни 14 (фиг.4) соединяют вершины с пазами лонжеронов 8, подкрепляющие внешнюю оболочку (фиг.4), образуя форму круга для  придания внешней обшивке 2  форму цилиндра, таким образом, уменьшая вес конструкции фюзеляжа летательного аппарата за счет выполнения по всему  объему обшивки фюзеляжа ферменного заполнителя, состоящего из внешней 2 и внутренней 3 обшивок с отверстиями 1 по всей поверхности фюзеляжа под шипы продольных 9 и поперечных 6 элементов силового набора заполнителя обшивки путем упрощения конструкции с одновременным  повышением ее жесткости благодаря соединению продольных 4 и поперечны 5 стержневых элементов с помощью отверстий 1 во внешней 2 и внутренней 3 обшивках и шипов 6, 9, расположенных в вершинах их соединений, при этом появление возможности визуального контроля мест соединений обшивки и заполнителя,  также повышает жесткостные характеристики. Соединение фюзеляжа через шипы 6,9 и пазы 7,8 увеличивает прочность соединений обшивки и заполнителя, а также качество контроля соединений. Соединение  вершин основания шпангоута 5 образует форму круга, что дает возможность соединить внутреннюю обшивку3 с заполнителем без использования дополнительных стапелей, что также повышает эффективность фюзеляжа.
По своим технико-экономическим преимуществам, по сравнению с известными аналогами, заявляемая конструкция фюзеляжа из ферменного заполнителя позволяет уменьшить  вес конструкции летательного аппарата с одновременным  повышением   прочностных и жесткостных характеристик фюзеляжа летательного аппарата за счет выполнения по всему  объему обшивки фюзеляжа ферменного заполнителя, состоящего из внешней и внутренней обшивок с отверстиями  по всей поверхности фюзеляжа под шипы продольных и поперечных элементов силового набора заполнителя обшивки, причем  силовой набор элементов расположен по всей поверхности  обшивки фюзеляжа из продольных и поперечных элементов и выполнен из стержней  зигзагообразного профиля по всей поверхности, что обеспечивает распределение равномерной нагрузки и крутящие моменты, возникающие в полете, на всей поверхности фюзеляжа, а упрощение конструкции с одновременным  повышением жесткости конструкции благодаря соединению продольных и поперечных стержневых элементов с помощью отверстий во внешней и внутренней обшивках и шипов, расположенных в вершинах их соединений, а также возможность визуального контроля мест соединений обшивки и заполнителя, что также повышает жесткостные характеристики, уменьшая время контроля качества изделия, повышая надежность конструкции фюзеляжа, а в целом повышает эффективность фюзеляжа с силовым набором в виде ферменного заполнителя в плане снижения веса конструкции и повышения прочностных характеристик фюзеляжа.