КОНСТРУКЦИЯ ЗОНЫ ПРИЛОЖЕНИЯ НАГРУЗКИ В ЗАДНЕМ КОНЦЕ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
LOAD APPLICATION ZONE STRUCTURE AT AIRCRAFT TAIL

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к заднему концу летательного аппарата и, в частности, к зоне, предусмотренной в нем, для приложения нагрузок горизонтального хвостового стабилизатора (ГХС) и вертикального хвостового стабилизатора (ВХС).
Состояние известного уровня техники
Переставной горизонтальный стабилизатор летательного аппарата обычно удерживается посредством соединения стабилизатора с одной или двумя точками поворота или одной или двумя точками крепления. Так, чтобы плоскость горизонтального стабилизатора могла регулироваться в одной или двух точках крепления, она должна вертикально изменять свое положение, чтобы дать возможность стабилизатору поворачиваться относительно одной или двух точек поворота. Чтобы сделать возможным это изменение положения, он обычно содержит узел двигателя/винтового подъемника, закрепленный при помощи фитинга на фюзеляже. Поворот винтового подъемника в одном направлении или другом определяет, будет ли точка крепления подниматься или опускаться для достижения перестановки горизонтального стабилизатора.
Фитинг, который закрепляет этот винтовой подъемник, является обычно очень сложным обрабатываемым на станке металлическим фитингом, как фитинг, показанный на фиг.2 и 3. Фитинг 1e закрепляется на металлическом кессоне, образованном двумя боковыми пластинами 1d и перегородками двух обработанных на станке металлических силовых шпангоутов 1a, 1b, с которыми соединены эти боковые пластины 1d. В некоторых случаях узел соединен с третьим шпангоутом 1c, также выполненным из металла, расположенным между этими двумя силовыми шпангоутами 1a, 1b. В этих случаях металлический фитинг 1e для соединения узла двигателя/винтового подъемника закреплен как с промежуточным шпангоутом 1c, так и с кессоном при помощи металлических соединительных элементов.
Силовые шпангоуты 1a, 1b, которые закрепляют кессон, имеют разные сечения, причем наиболее обычными сечениями являются C-, I- и J-образные сечения, которые при помощи механообработок образуют ребристый каркас, который стабилизирует перегородку шпангоута и обеспечивает ее необходимой жесткостью и оптимальным весом.
Металлические шпангоуты 1a, 1b являются также опорами удерживающих фитингов вертикального стабилизатора.
В целом, известные конструкции зоны приложения нагрузок горизонтального стабилизатора и вертикального стабилизатора в фюзеляже летательного аппарата являются очень сложными с получаемыми в результате недостатками их изготовления и сборки.
Например, соединение, работающее на сдвиг фитингов вертикального хвостового стабилизатора с металлическими шпангоутами, вызывает внецентренные нагрузки в этих шпангоутах снаружи плоскости шпангоута, что требует, чтобы они были стабилизированы в поперечном направлении дополнительными фитингами или зажимами и посредством самого кессона, который используется для удержания фитинга винтового подъемника, и это влечет за собой использование большого количества элементов, которые усложняют изготовление и сборку.
Настоящее изобретение предназначено для устранения этого недостатка.
Краткое описание настоящего изобретения
Одной целью настоящего изобретения является создание заднего конца внецентренная нагрузка с зоной приложения нагрузок горизонтального хвостового стабилизатора и вертикального хвостового стабилизатора, который оптимизирован в отношении его веса.
Другой целью настоящего изобретения является создание заднего конца внецентренная нагрузка с зоной приложения нагрузок горизонтального хвостового стабилизатора и вертикального хвостового стабилизатора, который можно легко собрать.
Эти и другие цели достигнуты при использовании заднего конца внецентренная нагрузка с зоной приложения нагрузок горизонтального хвостового стабилизатора и вертикального хвостового стабилизатора, который содержит принимающие элементы для нагрузок этих стабилизаторов, соединенные с конструктивными элементами, в котором
a) эти конструктивные элементы заднего конца являются обшивкой (8), двумя соседними силовыми шпангоутами (2), сформированными, по меньшей мере, в этой зоне приложения нагрузок с двумя боковыми элементами и одним элементом основания, так что их поперечное сечение имеет замкнутую форму и, по меньшей мере, третьим шпангоутом, соседним с одним из этих двух силовых шпангоутов;
b) принимающим элементом нагрузки горизонтального хвостового стабилизатора является первый фитинг, сконструированный в виде кессона, с двумя боковыми стенками и крышкой и расположенный в поперечном направлении между этими силовыми шпангоутами и соединенный с ними, а принимающими элементами вертикального хвостового стабилизатора являются вторые фитинги, соединенные с этими шпангоутами;
c) эти шпангоуты и эти первый и вторые фитинги полностью выполнены из композиционного материала.
В предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения поперечное сечение этих силовых шпангоутов имеет π-образную форму или омегообразную форму. В результате получается задний конец с зоной приложения нагрузок хвостового стабилизатора, который сконструирован таким образом, что распределение нагрузок и веса оптимизировано.
В другом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения эти силовые шпангоуты выполнены в виде частей узла со формирующими их элементами, соединенными до их сборки в фюзеляже. В результате получается задний конец с зоной приложения нагрузок хвостового стабилизатора, который выполнен с меньшим количеством частей.
В другом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения формирующие элементы этих силовых шпангоутов выполнены отдельно и соединяются во время сборки в фюзеляже. В результате получается задний конец с зоной приложения нагрузок хвостового стабилизатора, который сконструирован таким образом, чтобы упростить его сборку.
В другом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения отношение между высотой двух боковых элементов (5a, 5b) и диаметром (D) силовых шпангоутов (2) в зоне крепления вторых фитингов (4) находится в пределах 12-13%. В результате получается задний конец, в котором имеющееся внутреннее пространство может быть использовано наиболее предпочтительно.
В другом предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения задний конец включает в себя общее количество из пяти шпангоутов с двумя используемыми в качестве силовых шпангоутов, конструкция которых дает возможность увеличить расстояние между ними. В результате получается задний конец с зоной приложения нагрузок хвостового стабилизатора, который в конструктивном отношении оптимизирован.
В других предпочтительных вариантах осуществления настоящего изобретения первый фитинг также содержит омегообразные слоистые элементы, соединенные с внутренними или наружными сторонами его боковых стенок. В результате получается задний конец с зоной приложения нагрузок хвостового стабилизатора с фитингом для приема нагрузок горизонтального стабилизатора, который в конструктивном отношении оптимизирован.
Другие признаки и преимущества настоящего изобретения станут понятными из нижеследующего подробного описания иллюстративных вариантов осуществления его объекта вместе с сопроводительными чертежами.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - схематичный вид конструкции зоны приложения нагрузок горизонтального хвостового стабилизатора и вертикального хвостового стабилизатора в заднем конце летательного аппарата.
Фиг.2 и 3 - перспективные виды узла металлического фитинга с металлическим кессоном, соединенным с металлическими фитингами, известными в уровне техники и используемыми в зоне приложения нагрузок заднего конца летательного аппарата.
Фиг.4a и 4b - перспективные виды конструкции зоны приложения нагрузок горизонтального хвостового стабилизатора и вертикального хвостового стабилизатора в заднем конце летательного аппарата в соответствии с настоящим изобретением, которые иллюстрируют конфигурацию как всего устройства, так и его основных элементов: силовых шпангоутов и фитингов для приема нагрузок горизонтального хвостового стабилизатора и вертикального хвостового стабилизатора.
Фиг.5 - перспективный вид силового шпангоута, используемого в конструкции зоны приложения нагрузок горизонтального хвостового стабилизатора и вертикального хвостового стабилизатора в заднем конце летательного аппарата в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.6a и 6b - схематичные виды его поперечного сечения в двух вариантах осуществления настоящего изобретения.
Фиг.7a и 7b - соответственно перспективный вид и вид сбоку фитинга для приема нагрузки горизонтального стабилизатора, используемого в конструкции зоны приложения нагрузок горизонтального хвостового стабилизатора и вертикального хвостового стабилизатора в заднем конце летательного аппарата в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.8 - вид в разрезе принимающего нагрузку фитинга вертикального стабилизатора, используемого в конструкции зоны приложения нагрузок горизонтального хвостового стабилизатора и вертикального хвостового стабилизатора в заднем конце летательного аппарата в соответствии с настоящим изобретением, соединенного с силовым шпангоутом и обшивкой.
Подробное описание настоящего изобретения
В подробном описании настоящего изобретения, представленного в данном документе, ссылка сделана на летательный аппарат типа Аэробус A320, в котором задним концом является полностью дифференцированная его часть (известная как секция 19). В любом случае в контексте настоящего изобретения термин задний конец следует понимать как задний конец фюзеляжа, подвергаемый действию горизонтального хвостового стабилизатора и вертикального хвостового стабилизатора.
Со ссылкой на фиг.4a и 4b показана зона, предусмотренная в заднем конце для приложения нагрузок горизонтального хвостового стабилизатора и вертикального хвостового стабилизатора, конструкция этой зоны в соответствии с настоящим изобретением содержит в качестве основных элементов шпангоуты 2, 9, где шпангоуты 2 являются силовыми шпангоутами, коробчатый фитинг 3 для приема нагрузки горизонтального хвостового стабилизатора, который также будет называться первым фитингом 3, и фитинги 4 для приема нагрузок вертикального хвостового стабилизатора, которые будут также называться вторыми фитингами 4.
Как можно видеть в варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг.4a, установлено шесть вторых фитингов 4, четыре из которых соединены с силовыми шпангоутами 2 и два со шпангоутом 9, хотя в других вариантах осуществления может быть использовано другое количество вторых фитингов 4.
Все эти элементы выполнены из композиционных материалов, т.е. термоустойчивых или термопластичных материалов, армированных углеродным волокном (CFRP) или стекловолокном (GFRP).
Конструкция, которая является объектом настоящего изобретения, использует отдельно известные элементы. В этом отношении заявки на патент WO 2008/092970 и US 2008/0001029, которые включены в настоящую заявку ссылкой, описывают варианты осуществления шпангоутов 2 и первого фитинга 3. Однако ни один из этих конструктивных элементов сам по себе в качестве отдельных элементов не является объектом настоящего изобретения.
Основной идеей настоящего изобретения является создание конструкции, геометрия которой обеспечивает распределение нагрузки, которое оптимизирует существующие металлические конструкции с точки зрения веса, т.е. достижение оптимального распределения нагрузки с наименьшим возможным количеством элементов, все из которых выполнены из композиционного материала.
В предпочтительном варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг.5 и 6a, силовые шпангоуты 2 имеют π-образное сечение, которое содержит три элемента: два боковых элемента 5a, 5b с перегородками 5e и нижней и верхней юбками 5f, 5g и элемент 5c основания, который соединяет нижние юбки двух боковых элементов 5a, 5b шпангоута 2 и который, следовательно, закрывает сечение этого силового шпангоута 2. Как можно отчетливо видеть на фиг.5, размер перегородок 5e гораздо больше в зоне приложения нагрузок горизонтального хвостового стабилизатора и вертикального хвостового стабилизатора, чем на остальных участках. Силовой шпангоут 2 может даже иметь сечения с формой, отличной от π, в зонах, удаленных от зоны приложения нагрузок, такие как сечения с одним боковым элементом с перегородкой и основанием, образующим 90º, и другим боковым элементом с перегородкой и основанием, образующим угол, больший 90º, традиционные сечения C-, J- и I-образной формы и даже сечения в омегообразной форме с соответствующим переходом и соединением, как показано на фиг.5 в нижней части силового шпангоута 2.
В другом предпочтительном варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг.6b, силовой шпангоут 2 может иметь омегообразное сечение вместо π-образного сечения в зоне приложения нагрузок горизонтального хвостового стабилизатора и вертикального хвостового стабилизатора. Различием между двумя сечениями будет в основном то, что перегородки 5e будут наклонены под углом, большим 90º, относительно их нижних юбок.
Эти три элемента 5a, 5b и 5c предпочтительно изготавливаются отдельно, каждый элемент с необходимой геометрией и толщиной, и конструкция зоны приложения нагрузок горизонтального хвостового стабилизатора и вертикального хвостового стабилизатора, которая является объектом настоящего изобретения, может быть выполнена с этими тремя отдельными элементами 5a, 5b и 5c, обеспечивая необходимые соединения как друг с другом, так и с первым и вторыми фитингами 3, 4 и с обшивкой 8 во время сборки конструкции.
Силовые шпангоуты 2 также могут быть собраны на первом этапе, соединяя элемент 5c основания с этими боковыми элементами 5a, 5b и собирая конструкцию с силовыми шпангоутами 2 в качестве частей узла.
Одним преимуществом первого выбора является то, что он облегчает некоторые операции сборки перед завершением «закрытия» силовых шпангоутов 2, соединяя элемент 5c основания с боковыми элементами 5a, 5b.
В предпочтительном варианте осуществления, проиллюстрированном на фиг.7a и 7b, первый фитинг 3 выполнен с возможностью закрепления и обеспечения перестановки горизонтального хвостового стабилизатора, который соединен с узлом двигателя/винтового подъемника. Основное закрепление состоит из двух боковых стенок 6a, 6b и крышки 6e вместе со слоистыми элементами 6c, 6d омегообразной формы, которые соединены с наружными сторонами боковых стенок 6a, 6b. Первый фитинг 3 соединен с силовыми шпангоутами 2 при помощи угловых железных элементов 6f.
В другом предпочтительном варианте осуществления первого фитинга 3, проиллюстрированного на фиг.4b, омегообразные слоистые элементы соединены с внутренними сторонами боковых стенок.
Нагрузка, приложенная к первому фитингу 3, является в основном вертикальной, хотя ее конструкция предназначена для силовых элементов для противодействия в других двух направлениях, которые имеют меньшую величину. Это возможно на основании концепции соединения, работающего на сдвиг, которое имеется как в силовых шпангоутах 2, так и в обшивке фюзеляжа.
Нагрузки, приложенные к фитингу винтового подъемника, непосредственно передаются через основные проходные отверстия, расположенные в боковых стенках 6a, 6b первого фитинга 3 и в верхней части омегообразных слоистых элементов 6c, 6d, перегородкам 5e силовых шпангоутов 2, с которыми соединены эти боковые стенки 6a, 6b. Также имеются клепаные и клеевые соединения (не показаны на фиг.7a) для передачи вторичных нагрузок боковым стенкам 6a, 6b первого фитинга 3.
Что касается вторых фитингов 4 для приложения нагрузки вертикального стабилизатора, фигуры показывают, что четыре из них соединены с силовыми шпангоутами 2 вокруг первого фитинга 3, и два из них соединены со шпангоутом 9, расположенным рядом со шпангоутом 2, который находится дальше от хвоста фюзеляжа. Как показано на фиг.8, вторые фитинги соединены со шпангоутом 2 и обшивкой 8. Поперечное сечение, замкнутое в π-образной или омегообразной форме, силовых шпангоутов 2 и шпангоута 9, если таковые имеются, обеспечивает очень подходящую конструкцию для противодействия сдвигающим нагрузкам, приложенным этими вторыми фитингами 4 и, кроме того, оптимизирует соединение этих фитингов 4 при передаче нагрузки двум перегородкам 5e силовых шпангоутов 2.
Подобным образом, закрепление вторых фитингов 4 на π-образных или омегообразных силовых шпангоутах уменьшает количество используемых частей, поскольку это предотвращает проблемы эксцентриситета, которые возникают, когда эти вторые фитинги 4 соединены со шпангоутами традиционных сечений (J, I и т.д.), которые требуют использование противофитингов для соответствующего противодействия нагрузкам, приложенным к узлу. С другой стороны, первый фитинг 3 стабилизирует и укрепляет узел.
При использовании конструкции, которая является объектом настоящего изобретения, отношение между размером боковых элементов 5a, 5b и диаметром D (смотрите фиг.5) силовых шпангоутов 2 в зоне закрепления вторых фитингов 4 значительно меньше 14-15%, обычно установленных в известном уровне техники, вместо этого, оно находится в пределах 12-13%, что обеспечивает значительное преимущество, особенно, в самолетах небольшого и среднего размеров, где имеющееся пространство должно использоваться с наибольшим преимуществом.
Говоря о конструкции, геометрия силовых шпангоутов 2 с π-образным или омегообразным сечением обеспечивает лучшую опору для обшивки, делая ее более оптимальной в отношении коробления и веса, поскольку за счет жесткости при кручении сечения расстояние между шпангоутами может быть увеличено, т.е. количество шпангоутов может быть уменьшено. В действительности, в предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения 5 шпангоутов используется в заднем конце вместо семи, используемых в A320.
Кроме того, силовые шпангоуты 2 с омегообразным сечением обеспечивают дополнительные преимущества самостабилизации, т.е. для них не требуются другие элементы для обеспечения их боковой устойчивости.
С другой стороны, так как конструкция зоны приложения нагрузки горизонтального хвостового стабилизатора и вертикального хвостового стабилизатора содержит два силовых шпангоута 2 и постоянное число точек приложения нагрузки вторых фитингов 4, расстояние между перегородками 6e, с которыми соединены боковые стенки 6a, 6b первого фитинга 3, уменьшено, что означает, что эти стенки не являются такими длинными, и оптимизирует потерю устойчивости этих боковых стенок.
Преимущества настоящего изобретения над известным уровнем техники включают в себя следующее:
- Зона приложения нагрузки в заднем конце сконструирована с меньшим количеством частей и соединений и, следовательно, затраты на сборку и изготовление ниже, и конструкция весит меньше.
- Распределение нагрузки улучшено, поскольку нагрузка исполнительного механизма переставного горизонтального стабилизатора непосредственно передается стенкам первого фитинга 3, и нагрузка вторых фитингов противодействует более эффективно благодаря замкнутому π-образному или омегообразному поперечному сечению силовых шпангоутов 2.
- В частности, количество частей, необходимых для закрепления вторых фитингов 4 на силовых шпангоутах 2, уменьшено, так как π-образное или омегообразное сечение предотвращает проблемы эксцентриситета, которые возникают, когда фитинг соединен со шпангоутом с традиционным сечением (J, I и т.д.), для которого требуется использование противофитингов для соответствующего противодействия нагрузкам, приложенным к узлу.
- Лучшая опора обеспечена для обшивки, оптимизируя ее в отношении коробления и веса, поскольку, за счет жесткости при кручении π-образного или омегообразного сечения силовых шпангоутов 2, расстояние между шпангоутами может быть увеличено, т.е. количество шпангоутов может быть уменьшено.
- Если используются омегообразные силовые шпангоуты 2, это обеспечивает преимущество в том, что они самостабилизируются и, следовательно, не требуют других элементов для обеспечения своей боковой устойчивости.
Модификации, включенные в объем нижеследующей формулы изобретения, могут быть включены в предпочтительный вариант осуществления, описанный выше.