ФЮЗЕЛЯЖ САМОЛЕТА ИЛИ КОСМИЧЕСКОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ИЗ ГИБРИДНОЙ КОНСТРУКЦИИ УГЛЕПЛАСТИК/МЕТАЛЛ С МЕТАЛЛИЧЕСКОЙ РАМОЙ
AIRCRAFT OR SPACECRAFT FUSELAGE FROM HYBRID COMPOSITION OF CARBON FIBER-REINFORCED PLASTIC/METAL WITH METAL FRAME

Настоящее изобретение относится к фюзеляжу самолета из гибридной конструкции из углепластика/металла, в котором фюзеляж самолета снабжен металлической рамой.
Из уровня техники известны фюзеляжи самолетов, состоящие из металлической обшивки. Они однако имеют тот недостаток, что металлический фюзеляж имеет относительно большую массу.
Напротив, фюзеляж самолета из традиционной монолитной углепластиковой конструкции может дать значительную экономию массы по сравнения с металлическим фюзеляжем. Однако углепластиковая конструкция почти полностью утрачивает это преимущество, если необходимо выполнить требования к способности экранировать электромагнитные помехи (ЭМП) и предварительные условия для установки электрических систем. Металлический фюзеляж, напротив, автоматически выполняет требование к способности экранировать электромагнитные помехи.
В наиболее последних разработках сделаны попытки устранить этот недостаток путем использования элементов металлической рамы. Однако жесткое расстояние 533 мм между элементами рамы снижает выигрыш в массе. Снижение массы по-прежнему является одной из основных причин использования углепластиковых материалов.
В случае гибридной конструкции из углепластика/металла также необходимо принять особые меры по защите от электрохимической или контактной коррозии. В случае электрохимической коррозии разность потенциалов между углепластиковым компонентом и металлическим компонентом в сочетании с таким электролитом, как вода или конденсат, приводит к коррозии. Поэтому необходимо принимать меры для изоляции углепластиковых компонентов и металлических компонентов друг от друга таким образом, чтобы они не вступали в прямой контакт между собой. Для этой цели, например, разделяющие слои, такие как стекловолоконные прокладки или тедларовые пленки, размещают между углепластиковыми компонентами и металлическими компонентами, и кроме того, используют подходящие соединительные средства, например, в оболочке из стеклопластика. Кроме того, эти защитные средства необходимо регулярно проверять. Следовательно, защита элементов металлической рамы, которые крепятся к обшивке, изготовленной из углепластика, требует дорогостоящих и соответствующих по массе ремонтов для предотвращения электрохимической коррозии.
Поэтому целью настоящего изобретения является предложение фюзеляжа самолета из углепластиковой конструкции, которая имеет достаточную собственную жесткость; так что можно отказаться от или достаточно сократить количество дополнительных элементов рамы фюзеляжа самолета.
Согласно изобретению эта цель достигается фюзеляжем самолета, имеющем признаки по пункту 1 и самолетом или космическим летательным аппаратом, имеющим фюзеляж самолета по пункту 14 формулы изобретения.
Вышеописанный уровень техники приводит к конфликту задач, которые не могут быть решены без внедрения новых технологий. Это является основой изобретения. Согласно изобретению одно возможное усовершенствование заключается в интеграции функции элемента рамы, т.е., функции силового элемента в поперечном сечении фюзеляжа, в саму стенку фюзеляжа, этим устраняя элемент рамы, функция которого в этой конструкции устранена.
Предполагаемый технический эффект изобретения заключается в преодолении недостатков и ограничений известных конструкций фюзеляжа и достижении улучшенных по характеристикам, но в то же время более простых, более легких и менее дорогих технических решений и, в конечном итоге, продуктов высшего качества.
Поэтому первый аспект настоящего изобретения относится к фюзеляжу самолета, содержащему элементы оболочки или цилиндрические части фюзеляжа, где элементы оболочки или цилиндрические детали фюзеляжа имеют слоистую конструкцию из углепластика, которая придает фюзеляжу самолета достаточную собственную жесткость, так что можно в значительной степени устранить необходимость в дополнительных элементах рамы, придающих жесткость фюзеляжу. Слоистая конструкция из углепластика элемента оболочки или цилиндрической части фюзеляжа образована из наружного слоя и внутреннего слоя, между которыми размещен составной элемент сердцевины. Кроме того, наружный слой и внутренний слой частично или полностью состоят из углепластика или выполнены как углепластиковая конструкция.
Ребра жесткости стенки фюзеляжа, известные из уровня техники, заменены, согласно изобретению, жесткой конструкцией или постоянной опорой посредством составного элемента сердцевины, который расположен между двумя углепластиковыми панелями или наружными слоями. Составной элемент сердцевины предпочтительно может вентилироваться, этим предотвращая скапливание воды внутри.
Согласно одному варианту осуществления изобретения, составной элемент сердцевины содержит, например, сотовую структуру и/или другую подходящую усиливающую структуру, которая состоит, например, из панелей и/или профилированных секций. Согласно изобретению, могут существовать многочисленные конструкции усиливающих структур. Критическим фактором является то, что элементы оболочки и сформированная из них структура фюзеляжа имеют достаточную собственную жесткость, и можно значительно сократить количество или устранить полностью элементы рамы, повышающие жесткость фюзеляжа. Для составного элемента сердцевины могут подходить разные материалы. Они включают, например, органические материалы, пенопласты, пластики, армированные волокнами, восковая бумага или номекс-бумага и металлы или сплавы металлов. Примерами возможных металлов или металлов соответствующих сплавов являются титан, сталь и/или алюминий.
Для примера, вышеупомянутые панели обшивки или профилированные секции могут быть изготовлены из металла или сплава металла. В принципе, также можно использовать сочетания материалов в составном элементе сердцевины.
В еще одном варианте осуществления изобретения наружный слой и/или внутренний слой может состоять из ламината. Эти ламинаты могут включать один или несколько слоев углепластика и, по желанию, могут быть снабжены по меньшей мере одним дополнительным слоем, например из стеклопластика или ароматического полиэфира. Такие слои из стеклопластика или ароматического полиэфира имеют то преимущество, что их можно использовать в качестве разделительного слоя между углепластиковым фюзеляжем и металлической рамой для предотвращения контактной или электрохимической коррозии на стыке углепластик/металл.
Физический принцип, на котором основано изобретение, заключается в очень высокой механической эффективности конструкции и позволяет использовать длинные отрезки фюзеляжа без дополнительной опоры. По этой причине нет необходимости в элементах рамы.
Тем не менее элементы рамы необходимы в тех положениях в фюзеляже, где на фюзеляж действуют высокие нагрузки и силы. Эти компоненты, которые образуют часть каркаса, изготовлены из металла или сплава металла и образуют часть клетки Фарадея. Наоборот, если бы компоненты этого типа были изготовлены из углепластика, они не могли бы действовать как клетка Фарадея.
Компоненты каркаса фюзеляжа самолета согласно изобретению включают, например, элементы рамы для носовой секции и соединения крыла для переднего и заднего лонжерона, элемент рамы для ниши шасси (задняя перегородка) и элемент рамы для заднего конца фюзеляжа. В дополнение к элементам рамы также можно использовать поперечины для пола пассажирского и грузового отсеков с соединением со стыками оболочки в продольном направлении. В дополнение к элементам рамы и поперечинам на поверхности фюзеляжа предусмотрена металлическая ткань или сетка. Металлическая сетка имеет то преимущество, что она эффективно защищает самолет от ударов молний. Металлический каркас в этом случае дополнительно действует как клетка Фарадея.
Кроме того, вышеописанный каркас имеет минимальное количество компонентов, в частности элементов рамы, которые требуются как элементы, вводящие усилия. Металлический каркас имеет преимущество в том, что он позволяет добиться значительной экономии по массе, поскольку нет необходимости в дополнительных элементах рамы для укрепления фюзеляжа, поскольку сама структура фюзеляжа имеет достаточную собственную жесткость.
В принципе, однако, согласно одной конкретной конструкции можно добавлять дополнительные металлические элементы рамы и/или металлические детали. Это относится к полам, прикрепляемым к боковой стенке фюзеляжа независимо от элементов рамы в области электропроводящих соединителей оболочки. В этом смысле также не исключается использование стрингеров в дополнение к элементам рамы. Стрингеры могут быть изготовлены также из металла или сплава металла.
Имеющая собственную жесткость стенка фюзеляжа предпочтительно имеет термоизолирующую конструкцию, так что конденсация воды внутри фюзеляжа практически отсутствует. Это достигается, например, конструкцией стенки фюзеляжа из двух частей, содержащей наружный слой и внутренний слой с составным элементом сердцевины между ними. Это оказывает достаточный теплоизолирующий эффект для в сущности полного предотвращения конденсации воды внутри фюзеляжа. Это значительно снижает риск электрохимической коррозии. Таким образом, антикоррозионные средства могут быть выполнены более легковесными и с меньшими затратами.
В одном варианте осуществления изобретения слоистая структура элемента оболочки или цилиндрической детали фюзеляжа выполнена с такими размерами, в смысле структуры и толщины составного элемента сердцевины и толщины наружного слоя и внутреннего слоя, а также используемого материала, что она образует достаточную теплоизоляцию. В результате функции дополнительной теплоизоляции элементов оболочки или цилиндрических деталей фюзеляжа можно, как сказано, предотвращать образование конденсата внутри фюзеляжа самолета, этим противодействуя электрохимической коррозии. Это особенно важно в случае гибридной конструкции из углепластика/металла, как в настоящем случае.
Дальнейшие аспекты изобретения относятся к самолету или космическому летательному аппарату, имеющему фюзеляж согласно изобретению.
Изобретение более подробно объяснено ниже на примере иллюстративных вариантов осуществления и со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг.1a - перспективный вид фюзеляжа самолета согласно изобретению, где каркас фюзеляжа показан без наружных панелей обшивки;
Фиг.1b - каркас с Фиг.1а с наружными панелями обшивки, показанными схематически, и
Фиг.2 - схематический вид спереди каркаса фюзеляжа самолета согласно изобретению, показанного на Фиг.1b.
На Фиг.1а схематически показан фюзеляж 10 согласно изобретению. Эта, фигура прежде всего, иллюстрирует каркас 1 фюзеляжа 10 без наружных панелей обшивки 9. Каркас 1 проходит, например, от заднего конца фюзеляжа до начала носовой секции.
Каркас 1 имеет элемент 11 рамы для носовой секции, элемент 2 рамы для крылового соединения переднего лонжерона (рама ввода передней нагрузки) и элемент 3 рамы 3 для крылового соединения заднего лонжерона (рама ввода задней нагрузки). Кроме того, есть элемент 4 рамы для заднего конца (перегородки) ниши шасси (рама задней перегородки ниши шасси), а также элемент 5 рамы для заднего конца фюзеляжа (заднего гермоднища). Каркас 1 также имеет некоторое количество поперечин 7 пола пассажирского отсека (поперечные балки пола) с соединением со стыками 6 оболочки в продольном направлении (стыки продольных панелей). Поперечины 7 показаны на Фиг.1 только для примера и в сильно упрощенной форме. Количество поперечин 7 зависит, например, от назначения и типа самолета, и они могут, например, проходить, в сущности, по всей части фюзеляжа. Кроме того, поперечины 7 этого типа также могут быть предусмотрены для пола грузового отсека, как показано на Фиг.1b ниже.
Каркас 1 фюзеляжа 10 согласно изобретению, который показан на Фиг.1, в сущности имеет минимум деталей или элементов, необходимых, например, в качестве элементов, вводящих силы, включая элементы рамы, и/или используемых для формирования клетки Фарадея. Согласно этому иллюстративному варианту осуществления, дискретные элементы жесткости стенки фюзеляжа, которые известны из уровня техники, заменены постоянной опорой в виде составных элементов сердцевины, изготовленных из органических материалов, между двумя наружными слоями углепластика. Этот физический принцип имеет высокую механическую эффективность конструкции, так что длинные отрезки фюзеляжа можно изготовить без дополнительной опоры или с небольшим количеством дополнительных опор. Жесткая конструкция самого фюзеляжа и/или элементов оболочки дает возможность обойтись без элементов рамы. Тем не менее элементы 2, 3, 4, 5 рамы, как сказано выше, все же необходимы в тех положениях, где в фюзеляж должны быть введены высокие нагрузки и/или силы.
Как уже сказано выше, в зависимости от конструкции можно добавлять дополнительные металлические элементы рамы и другие металлические элементы, например поперечины, продольные балки, стрингеры и т.д. Металлические элементы 2, 3, 4, 5 рамы и/или другие металлические элементы 6, 7, 8, используемые для строительства каркаса 1, имеют то преимущество, что фюзеляж может быть выполнен как некоторый тип клетки Фарадея, даже если панели обшивки изготовлены из углепластика. Этим способом можно обеспечить требуемое экранирование от электромагнитных помех и условия для установки электрических систем, например в фюзеляже.
Напротив, если элементы рамы 2, 3 были бы изготовлены из углепластика, необходимо было бы предусмотреть дополнительные металлические элементы для обеспечения вышеуказанного экранирования. Однако это повлекло бы за собой увеличение массы, что уменьшило бы экономию массы, достигнутую в результате использования углепластиков.
2
На Фиг.1b каркас, показанный на Фиг.1а, снабжен наружными панелями обшивки 9 и металлической сеткой или тканью 8 (металлической сеткой). Металлическая сетка 8 показана на Фиг.1b и проходит в сущности по всей наружной поверхности фюзеляжа. Металлическая сетка имеет массу, например, 140 г/м. Как сказано выше, эта металлическая сетка служит, в частности, для защиты от ударов молний. Кроме того, на Фиг.1b также показаны элементы 2 и 3 рамы с соответствующими соединениями 12 с крыльями для переднего и заднего лонжеронов.
Фюзеляж самолета согласно изобретению благодаря конструкции из углепластика имеет определенную собственную жесткость, т.е. фюзеляж, например, не сплющивается при изгибе.
Для получения структуры фюзеляжа из углепластика с требуемой собственной жесткостью такая структура имеет, например, слоистую конструкцию из углепластика. Такая конструкция имеет то преимущество, что она может иметь повышенную жесткость по сравнению с традиционной монолитной конструкцией. В принципе, однако, изобретение не ограничено слоистой конструкцией из углепластика, но в нем можно использовать другие подходящие углепластиковые конструкции, с которыми можно производить элементы оболочки с достаточной собственной жесткостью.
Составные элементы сердцевины, используемые в данном случае, могут, например, включать имеющиеся в продаже сотовые структуры, хотя также можно использовать другие подходящие усиливающие структуры или их сочетания, как сказано выше. Составной элемент сердцевины может быть изготовлен из разных материалов и сочетаний материалов.
Данная гибридная конструкция из углепластика/металла имеет то преимущество, что сердцевину или составной элемент сердцевины, который расположен между двумя слоями из углепластика, можно проветривать, этим предотвращая накапливание воды внутри. Кроме того, конструкция фюзеляжа из двух оболочек оказывает достаточное теплоизолирующее действие, чтобы предотвращать конденсацию воды внутри фюзеляжа. Риск электрохимической коррозии значительно снижен, так что объем защитных мер по предотвращению коррозии можно уменьшить.
На Фиг.2 показан схематический вид спереди каркаса фюзеляжа самолета согласно изобретению, который показан на Фиг.1. Как показано стрелками, например пять элементов оболочки прикреплены к каркасу 1, формируя окружность фюзеляжа 10 и проходя от передней носовой секции к заднему концу фюзеляжа. Согласно одному иллюстративному варианту осуществления изобретения, фюзеляж самолета может состоять по меньшей мере из двух, трех, четырех, пяти и больше элементов оболочки. Кроме того, можно сконструировать структуру фюзеляжа с собственной жесткостью, в которой используются не только элементы оболочки, но и цилиндрические детали фюзеляжа, которые могут быть изготовлены в соответствии с углепластиковой слоистой конструкцией, описанной выше, или любой другой подходящей углепластиковой конструкцией. Описание чертежей со ссылкой на элементы оболочки в таком случае может быть применено к цилиндрическим деталям фюзеляжа.
На Фиг.2 также показаны, в виде спереди, поперечина 7 пола пассажирского отсека и поперечина 7 пола грузового отсека. Пол пассажирского отсека может дополнительно опираться на брусовые элементы или продольные брусья 13, как схематически показано на Фиг.1b.
Изобретение направлено на разработку будущих фюзеляжей самолетов, которые, с одной стороны, имеют превосходные эксплуатационные характеристики, и с другой стороны требуют меньше затрат в производстве.
Хотя настоящее изобретение описано на основе предпочтительных иллюстративных вариантов осуществления, оно не ограничено такими вариантами осуществления и может быть модифицировано различными способами.
Перечень ссылочных чисел на чертежах
1 Каркас
2 Элемент рамы для соединения с крылом на переднем лонжероне
3 Элемент рамы для соединения с крылом на заднем лонжероне
4 Элемент рамы для заднего соединения (перегородки) ниши шасси
5 Элемент рамы на заднем конце фюзеляжа
6 Стыки оболочки в продольном направлении
7 Поперечина пола пассажирского и грузового отсеков
8 Металлическая сетка или ткань
9 Наружные панели обшивки
10 Фюзеляж самолета или космического летательного аппарата
11 Элемент рамы для носовой секции
12 Соединения с крыльями
13 Брусовой элемент