ОБОЛОЧКА ОТСЕКА ГЕРМОФЮЗЕЛЯЖА ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
SHELL OF SEALED FUSELAGE COMPARTMENT FROM COMPOSITES

Изобретение относится к области разработки силовых авиационных конструкций из полимерных композиционных материалов, в частности к силовой конструкции отсека фюзеляжа гражданского самолета, и может быть использовано для разработки авиационной техники.
Известна конструкция фюзеляжа из композиционных материалов на основе традиционных конструктивно-силовых схем, широко применяемых в металлических авиаконструкциях. В таких композитных конструкциях основными силовыми элементами, воспринимающими все факторы нагружения, служат слоистая обшивка и продольно-поперечный подкрепляющий набор из стрингеров и шпангоутов (Патент РФ №2505453, МПК В64С 1/06, B64F 5/00, ЭЙРБАС ОПЕРЕЙШНЗ, СЛ. (ES), 14.05.2009).
Недостатком такой конструкции является низкая эффективность реализации высоких удельных прочностных свойств угольных волокон в композиционных материалах. Традиционные конструктивно-силовые схемы сложились в результате многолетней эволюции металлических авиаконструкций и в наилучшей степени реализуют преимущества именно металлических сплавов, но не композиционных материалов, структура и физические свойства которых принципиально отличны от физических свойств металлических сплавов. Традиционные конструкции, создаваемые без учета специфики физических свойств композитов, не позволяют достичь значительного снижения веса для силовых композитных авиационных конструкций по сравнению с металлическими.
Известна сетчатая оболочка вращения из композиционных материалов, наиболее близкая по конструктивным признакам к предлагаемому изобретению и принятая за прототип, состоящая из спиральных, кольцевых и продольных ребер (жесткого сетчатого каркаса) и внешней обшивки, соединенной с ребрами клеевым соединением (Патент РФ №2442690, МПК В64С 1/12, B64G 1/22, ЗАО «Центр перспективных разработок «ОАО ЦНИИСМ»), которая может быть использована в конструкции отсека гермофюзеляжа.
Недостатком прототипа, применительно к конструкции гермофюзеляжа, является наличие жесткой тонкой слоистой композитной обшивки, служащей в качестве одного из основных силовых элементов и воспринимающей нагрузки от внутреннего наддува и ударные нагрузки. Такая обшивка чрезвычайно чувствительна к ударным и климатическим воздействиям, которым подвержена конструкция фюзеляжа в процессе эксплуатации. Опыт создания подобных конструкций, а также исследования, проведенные в ЦАГИ, показали, что такая жесткая обшивка с толщиной от 2 до 4 мм (диапазон реальных значений толщин для обшивок гермоотсеков фюзеляжа, при которых возможно получить снижение веса для композитной конструкции по сравнению с металлической), изготовленная из современных композиционных материалов, не обеспечивает выполнение требований по ударной прочности (сертифицированный удар с энергией 50 Дж, либо вызывает сквозное повреждение обшивки, либо приводит к повреждению, приводящему к разгерметизации гермокабины). Это обстоятельство не позволяет использовать данный прототип для конструкций гермофюзеляжей гражданских самолетов с целью снижения веса конструкции.
Техническим результатом является снижение веса оболочки отсека гермофюзеляжа за счет рациональной реализации высоких удельных прочностных свойств композиционных материалов в различных элементах силовой конструкции гермоотсека.
2
3
Технический результат достигается тем, что в оболочку отсека гермофюзеляжа из композиционных материалов, содержащую сетчатый каркас из спиральных, кольцевых и продольных ребер и внешнюю обшивку, введены эластичная волнообразная внутренняя гермообшивка с общим радиусом кривизны, соответствующим радиусу кривизны сетчатого каркаса, и локальными радиусами кривизны не более 400 мм из материала с прочностью на растяжение не менее σ=15 кг/мм и предельным уровнем деформации на растяжение не менее ε=3%, расположенная внутри жесткого сетчатого каркаса, и защитный наполнитель из материала с удельным весом не более 0,8 г/см, расположенный между внутренней и внешней обшивками в зонах между ребрами сетчатого каркаса, при этом сетчатый каркас выполнен из однонаправленных композиционных материалов с шириной спиральных ребер от 6 до 25 мм, шириной кольцевых ребер от 3 до 15 мм, шириной продольных ребер от 7 до 25 мм, высотой ребер от 10 до 40 мм, углом ориентации спиральных ребер к продольной оси отсека гермофюзеляжа от 25 до 40 градусов.
На фигуре 1 изображена принципиальная схема оболочки отсека гермофюзеляжа на основе жесткого сетчатого/рамного композитного каркаса.
На фигуре 2 изображена принципиальная схема реализации вырезов под иллюминаторы в оболочке отсека гермофюзеляжа.
Оболочка отсека гермофюзеляжа включает следующие основные элементы (Фигура 1):
2
- Эластичную волнообразную внутреннюю гермообшивку 1, расположенную внутри сетчатого каркаса 2, с общим радиусом кривизны, соответствующим радиусу кривизны сетчатого каркаса, и локальными радиусами кривизны не более 400 мм. Внутренняя гермообшивка 1 изготавливается из материала с прочностью на растяжение не менее σ=15 кг/мм и предельным уровнем деформации на растяжение не менее ε=3%. Внутренняя гермообшивка 1 обладает высокой прочностью на растяжение и служит для восприятия внутреннего наддува и передачи нагрузок от наддува на жесткий сетчатый каркас 2, а также для защиты каркаса от ударных воздействий изнутри фюзеляжа;
- Жесткий сетчатый (рамный) композитный каркас 2 из спиральных, кольцевых и продольных ребер, служащий основным силовым элементом, предназначенным для восприятия внешних сил и моментов. Ребра каркаса изготавливаются из однонаправленных композиционных материалов. Ширина спиральных ребер от 6 до 25 мм, ширина кольцевых ребер от 3 до 15 мм, ширина продольных ребер от 7 до 25 мм, высота ребер от 10 до 40 мм, угол ориентации спиральных ребер к продольной оси отсека гермофюзеляжа от 25 до 40 градусов;
3
- Защитный наполнитель 3 из легкого материала с удельным весом не более 0,8 г/см, расположенный между внешней обшивкой 4 и внутренней обшивкой 1 в зонах между сетчатыми ребрами. Предназначен для тепло- и звукоизоляции, а также служит в качестве защитного элемента для защиты внутренней обшивки и боковых граней сетчатых ребер от ударных воздействий снаружи фюзеляжа;
- Наружную гибкую обшивку 4, расположенную снаружи жесткого сетчатого каркаса 2. Наружная обшивка предназначена для формирования аэродинамической поверхности, а также служит в качестве защитного элемента для защиты сетчатого каркаса 2 от ударных и климатических воздействий снаружи фюзеляжа.
В предлагаемой конструкции фюзеляжа все перерезывающие силы и моменты полностью воспринимаются за счет растяжения и сжатия ребер, то есть все потоки усилий в конструкции направлены вдоль высокопрочных угольных волокон в композиционном материале, что позволяет максимально реализовать их потенциальные преимущества.
Восприятие наддува обеспечивается внутренней обшивкой, которая может быть изготовлена из легкого эластичного материала (композиционного материала, состоящего из высокопрочных волокон и эластичного связующего), имеющего достаточную прочность на растяжение. Расположение гермообшивки внутри силового сетчатого каркаса позволяет радикально решить проблему отслоения обшивки от подкрепляющего набора, характерную для конструкций гермофюзеляжа с внешней гермообшивкой.
Оболочка отсека гермофюзеляжа из композиционных материалов на основе сетчатых/рамных конструктивно-силовых схем характеризуется следующими базовыми параметрами:
- геометрические параметры ребер сетчатого каркаса (постоянны для всей конструкции): ширина спиральных ребер от 6 до 25 мм, ширина кольцевых ребер: от 3 до 15 мм, ширина продольных ребер: от 7 до 25 мм; высота ребер: от 10 до 40 мм.
- угол ориентации спиральных ребер к продольной оси отсека гермофюзеляжа составляет от 25 до 40 градусов;
- для реализации вырезов под иллюминаторы количество «прерываемых» пар спиральных ребер: не более 1 пары (Фигура 2).
Основными преимуществами конструкций на основе предлагаемой конструктивной концепции по сравнению с традиционными композитными конструкциями являются:
1. Возможность практической реализации более высокого уровня нагружения угольных волокон, характерного для сетчатых конструкций, применительно к композитной конструкции гермоотсека фюзеляжа, что позволит существенно повысить весовую эффективность конструкции.
2. Возможность обеспечения защиты силовой конструкции гермоотсека фюзеляжа от ударных воздействий с малыми весовыми потерями, поскольку защита от типовых (сертифицированных) ударных воздействий требуется только для жесткого силового каркаса, в то время как другие силовые элементы не только не требуют специальной защиты, но и сами могут служить в качестве защитных элементов.
3. Волнообразная форма внутренней обшивки за счет использования малых локальных радиусов кривизны (не более 400 мм) позволяет существенно снизить напряжения внутри гермообшивки, вызванные наддувов, за счет чего такая обшивка может обладать более высокой весовой эффективностью.
4. Предложенная конструкция оболочки может быть легко адаптирована для конструкции с вырезами (под иллюминаторы и аварийные выходы). Для реализации вырезов в рамках геометрических параметров может быть обеспечено минимальное количество пар перерезаемых ребер. Это позволяет избежать высоких концентраций напряжений в сетчатых ребрах в районе выреза под иллюминатор при обеспечении достаточно больших геометрических размеров выреза, не менее 300 мм на 300 мм.
Оболочка отсека гермофюзеляжа из композиционных материалов на основе сетчатых/рамных конструктивно-силовых схем имеет высокий потенциал для обеспечения длительной прочности в течение всего срока эксплуатации самолета: в рамках предлагаемой конструкции может быть при небольших весовых затратах обеспечена защита силовых композитных элементов (ребер) от ударных и климатических воздействий.