Кессон фюзеляжа
FUSELAGE CAISSON

Изобретение относится к области авиастроения, к конструкции каркаса летательных аппаратов.
В настоящее время конструкции из полимерных композиционных материалов находят все более широкое применение в различных отраслях техники: авиации, космической и ядерной технике, судостроении, автомобилестроении, промышленном строительстве и др.
Полимерные композиционные материалы обладают высокими удельными физико-механическими характеристиками и рядом свойств, благодаря которым успешно конкурируют с традиционными металлическими материалами.
Наиболее значительные достижения по использованию полимерных композиционных материалов получены в авиационной и космической технике, в которых требуются конструкции, обладающие минимальной массой при заданной нагрузке. Основным недостатком большинства авиационных конструкций, выполненных из полимерных композиционных материалов, препятствующий широкому их использованию, является сложность конструктивного выполнения и технологии изготовления таких конструкций из этих материалов.
Известен фюзеляж самолета в котором обшивка фюзеляжа соединена со стрингерным набором и шпангоутами эллиптической формы, которые с долевыми балками-стенками образуют прямоугольную форменную конструкцию, при этом верхний и нижний пояса шпангоутов соединены стойками-стяжками, равными высоте кабины, количество которых выбирается из условия предельно допустимых нагрузок на растяжение (Патент РФ №2349497, МПК В64С 1/06, опуб. 20.03.2009).
Наиболее близким к предлагаемому является фюзеляжная конструкция воздушного судна, содержащая верхнюю и боковую оболочку и нижнюю оболочку. Верхняя, боковая оболочка и нижняя оболочка соединены в переходных зонах, проходящих в продольном направлении воздушного судна. Верхнюю и боковую оболочку, включая несущую конструкцию, изготавливают из волокнистого композиционного материала. Нижнюю оболочку, включая несущую конструкцию, изготавливают из алюминиевого материала. Верхнюю и боковую оболочку соединяют с композитной планкой из стекловолокна и алюминия, представляющей собой слоистый элемент с чередующимися слоями стекловолокна и слоями алюминия. Верхнюю и боковую оболочку пригоняют, включая композитную планку из стекловолокна и алюминия, выступающую на верхней и боковой оболочке, к нижней оболочке. Композитную планку соединяют из стекловолокна и алюминия с нижней оболочкой (Патент РФ №2435703, МПК В64С 1/06, опуб. 10.12.2011).
Недостатком существующих подходов к конструктивно-технологическим решениям кессона фюзеляжа является формирование замкнутого контура кессона посредством сборки отдельно изготовленных верхней, боковых и нижней панелей. Данные конструктивно-технологические решения приводят к необходимости выполнения множества отверстий для крепления панелей, что, в свою очередь, приводит к появлению концентраторов напряжений в кессоне, увеличению трудоемкости сборочных операций, увеличению номенклатуры оснастки.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является обеспечение достаточного запаса устойчивости верхней панели и стенок кессона фюзеляжа на всех режимах полета, уменьшение количества концентраторов напряжений в силовой части, повышение ресурса и несущей способности конструкции, улучшение удельных характеристик конструкции, повышение технологичности изготовления за счет уменьшения количества деталей, сокращения номенклатуры требуемой оснастки и уменьшения количества болтового/заклепочного соединения.
Поставленная задача решается тем, что кессон фюзеляжа выполненный из полимерного композиционного материала, состоит из П-образных верхней и нижней панелей, изготовленных из несущих слоев полимерного композиционного материала и заполнителя, при этом в верхнюю панель интегрированы боковые панели фюзеляжа, а высота заполнителя нижней панели превышает высоту заполнителя верхней панели.
Верхняя и нижняя панели кессона фюзеляжа могут быть соединены между собой по всей длине фланцев клееболтовым соединением, выполненным при помощи анкерных гаек и крепежных элементов.
Кессон фюзеляжа, состоящий из П-образных верхней и нижней панелей, изготовленных из несущих слоев полимерного композиционного материала и заполнителя с высотой заполнителя нижней панели превышающей высоту заполнителя верхней панели, воспринимает все внешние силовые факторы, действующие на фюзеляж, а именно изгибающий момент, воспринимаемый верхней и нижней панелью кессона, перерезывающая сила, воспринимаемая боковыми панелями, интегрированными в конструкцию верхней панели и крутящий момент, воспринимаемый замкнутым контуром кессона.
Кессон фюзеляжа может быть изготовлен любым известным методом, применяемым к полимерным композиционным материалам, например, методом автоклавного формования. Крепление верхней панели кессона с нижней панелью осуществляют посредством соединения между собой по всей длине фланцев клееболтовым соединением, выполненным при помощи анкерных гаек и крепежных элементов.
В качестве полимерного композиционного материала может быть использован углепластик или стеклопластик.
В качестве заполнителя могут быть использованы пенопластовый или сотовый заполнитель.
В качестве клея могут применяться клеи печного и холодного отверждения, например, клей холодного отверждения ВК-27.
Конструкция кессона фюзеляжа представляет собой соединенные между собой две П-образные панели из композиционных материалов. Конструктивно-технологическое членение кессона фюзеляжа на верхнюю и нижнюю панели (линия стыка) определяется из условий действия наименьших нагрузок на зону стыка с учетом конструктивных ограничений. Данная схема кессона фюзеляжа позволяет повысить ресурс конструкции и получить высокие удельные характеристики конструкции.
Верхняя и нижняя панели кессона изготавливаются из полимерных композиционных материалов (например, углепластик на основе эпоксидных связующих расплавного типа). Панели кессона могут быть изготовлены автоклавным способом формования.
Верхняя панель кессона фюзеляжа представляет собой многослойную конструкцию, изготовленную из несущих слоев полимерного композиционного материала и заполнителя, обеспечивающего достаточный запас устойчивости верхней панели и стенок кессона фюзеляжа на всех режимах полета. Изготовление верхней панели кессона фюзеляжа совместно с боковыми панелями кессона позволяет повысить несущую способность конструкции при той же массе, снизить количество требуемой оснастки, уменьшить количество болтового/заклепочного соединения.
Нижняя панель кессона фюзеляжа 2 представляет собой многослойную конструкцию, изготовленную из несущих слоев полимерного композиционного материала и заполнителя, обеспечивающего достаточный запас устойчивости верхней панели и стенок кессона фюзеляжа на всех режимах полета.
Высота заполнителя в нижней панели кессона фюзеляжа выбирается из условий обеспечения заданного запаса устойчивости панели от действия сжимающих сил. Как правило, нижняя панель кессона фюзеляжа воспринимает большие сжимающие усилия в сравнении с верхней панелью кессона фюзеляжа. В связи с этим, высота заполнителя нижней панели больше по сравнению с верхней панелью кессона.
Так же, в конструкции, в местах действия сосредоточенных нагрузок (установки оборудования, крепления агрегатов и т.д.), либо необходимости создания отверстия, предусмотрены закладные элементы, обеспечивающие перераспределение нагрузки по конструкции и уменьшение влияния концентраторов напряжений. Закладные элементы могут быть изготовлены из стеклотекстолита, титана и других материалов в зависимости от материала верхней панели кессона фюзеляжа и от характера и величины действующих нагрузок.
Предлагаемое изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемый рисунок, на котором показан общий вид кессона фюзеляжа.
Кессон фюзеляжа (фиг.) состоит из соединенных между собой верхней панели 1 и нижней панели 2, изготовленных из композиционного материала.
Верхнюю панель 1 соединяют с нижней панелью 2 посредством анкерных гаек 3 и крепежных элементов 4. Крепление верхней панели 1 с нижней панелью 2 осуществляется на предварительно нанесенную клеевую прокладку 5 по поверхностям их сопряжения (фланцам) и производится установка крепежных элементов до момента отверждения клея, что позволяет обеспечить высокое качество клеевого соединения.
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет создать надежный, высокотехнологичный кессон фюзеляжа из полимерных композиционных материалов, обеспечивающий достаточный запас устойчивости верхней панели и стенок кессона фюзеляжа на всех режимах полета с улучшенными удельными характеристиками, уменьшающий количество концентраторов напряжений в силовой части фюзеляжа, с повышением несущей способности конструкции и повышением ресурса конструкции.
Предлагаемое изобретение позволит изготовить кессон фюзеляжа из композиционных материалов с повышением технологичности изготовления за счет уменьшения количества деталей и операций сверления, сокращением номенклатуры требуемой оснастки, и соответственно, с минимальной стоимостью изготовления и коротким производственным циклом.