ФЕРМЕННАЯ НЕРВЮРА КРЫЛА С КОМПОЗИЦИОННЫМИ СТОЙКАМИ
TRUSS WING RIB WITH COMPOSITE RACKS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение может быть использовано в авиационной и космической технике и относится к конструкции ферменной нервюры крыла летательного аппарата. Нервюра крыла является одним из силовых элементов конструкции, служит для образования необходимой аэродинамической формы крыла и обеспечивает безопасную передачу силовых нагрузок, возникающих на крыле при различных условиях полета. Конструкция нервюры может быть использована в авиастроении, в частности в пассажирских и транспортных самолетах, а также в многоразовых космических системах.
Уровень техники
В последние годы наметилась устойчивая тенденция перехода к использованию в авиастроении (и в частности в конструкции крыла летательных аппаратов) полимерных композиционных материалов на основе высокопрочного искусственного волокна (см., например, патент на полезную модель РФ № 144453, ОАО «Научно-производственная корпорация «Иркут», опубл. 20.08.2014).
Основным и общим недостатком большинства эксплуатируемых и разрабатываемых авиационных конструкций, использующих полимерные композиционные материалы, является сложность конструктивного выполнения и технологии изготовления, что сводит практически на нет основные преимущества, которыми обладают композиционные материалы, и препятствует широкому использованию таких конструкций.
Кроме того, часто возникает необходимость исключения непосредственного взаимодействия композиционного материала - углепластика - с алюминиево-магниевыми сплавами, которое приводит к образованию электрохимической пары, со временем разрушающей металл. Для исключения электрохимической коррозии металлов в области контакта с углепластиком прибегают к нанесению специальных защитных покрытий, которые исключают прямой контакт углепластика и металла, или используют специальный крепеж, в котором, кроме основной функции соединения и фиксации элементов конструкции, реализованы принципы защиты от электрохимической коррозии.
Известны различные технические решения, связанные с производством нервюр крыла, в которых применяются композиционные материалы. К числу таких технических решений относится конструктивное решение выполнения цельноотформованной углепластиковой нервюры, используемой при формировании деталей и узлов силового каркаса кессона крыла.
Ближайшим аналогом к заявляемому изобретению является кессон крыла летательного аппарата, содержащий жесткий силовой объемный каркас, образованный передним и задним лонжеронами и нервюрами, разделяющими внутреннее пространство кессона на отсеки, и внешнюю аэродинамическую обшивку, скрепленную с каркасом. В целях повышения несущей способности крыла летательного аппарата предусмотрено усиление объемного каркаса металлическими лентами или металлическими балками, закрепленными на каркасе и проходящими как в продольном, так и в поперечном направлениях (см. US 4776534 А).
Недостатком известного решения является сложность и трудоемкость сборки кессона. Сначала производят отдельную сборку нервюр с лентами посредством сварки, затем устанавливают собранные узлы по месту сборки кессона, в зоне крепления лент к нервюрам необходимо предусматривать дополнительные площадки, что усложняет процесс сборки и ведет к нежелательному увеличению массы каркаса. Процесс проведения сварочных работ, особенно в труднодоступных местах, является трудоемким. При усилении каркаса балками используют как крепежные элементы, так и шарнирные узлы. Для присоединения балок к нервюре последнюю в местах крепления необходимо утолщать, что приводит к увеличению веса кессона, а сам процесс сборки является малоудобным, особенно в зонах ограниченного доступа. Весьма важным является и то, что усиление каркаса кессона обеспечивается не по всему его объему, а только на определенных линейных участках, что не позволяет получить достаточно надежную в эксплуатации конструкцию.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения состоит в создании конструкции ферменной нервюры крыла с композиционными стойками, имеющими металлические игольчатые законцовки, изготовленные методом 3D выращивания, которые позволяют получить максимальную несущую способность нервюры при обеспечении минимального веса и высокой технологичности.
Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения, заключается в повышении эксплуатационной надёжности нервюры летательного аппарата, за счёт использования в ферменной конструкции нервюры высокоэффективных, высоконагруженных и высоконадёжных стыков типа «композит–металл», образованных игольчатыми законцовками. Кроме того, сводится к минимуму вес конструкции.
Для решения поставленной задачи предложена ферменная нервюра крыла летательного аппарата, содержащая верхний металлический пояс нервюры, нижний металлический пояс нервюры и стойки нервюры, соединённые с верхним и нижним металлическими поясами нервюры. Ферменная нервюра согласно изобретению отличается тем, что стойки нервюры выполнены полыми из композиционного материала, при этом каждая из стоек нервюры имеет с обоих концов металлические законцовки, соединённые с полыми стойками нервюры посредством игольчатого соединения, представляющего собой массив игольчатых выступов на поверхности металлической законцовки, вставленной в конец полой стойки нервюры, при этом металлические законцовки заформованы в концы полых стоек нервюры. Кроме того, каждая металлическая законцовка нервюры снабжена компенсатором, выполненным с возможностью вворачивания в металлическую законцовку, при этом на конце компенсатора выполнена проушина с завальцованным в неё сферическим подшипником с отверстием для болтового соединения с верхним металлическим поясом нервюры или нижним металлическим поясом нервюры, соответственно. Верхний металлический пояс нервюры и нижний металлический пояс нервюры выполнены в виде фрезерованных профилей уголкового типа с увеличенными стенками и отверстиями под болты в местах крепления стоек нервюры. Предпочтительно металлические законцовки стоек нервюры изготовлены из титана с использованием технологии 3D выращивания. Металлические законцовки стоек нервюры снабжены компенсаторами, выполненными с возможностью вворачивания в металлические законцовки, при этом предусмотрены контргайки для торможения компенсаторов. Стойки нервюры выполнены в виде полых труб, предпочтительно из полимерного композиционного материала, выполненного на основе углеродного волокна, совместно в законцовками. На стыках между стойками нервюры и законцовками стоек и между законцовками стоек и компенсаторами нейтрализован эффект электрохимической коррозии. В варианте выполнения заявляемого изобретения полимерный композиционный материал стойки нервюры является углепластиком. В варианте выполнения изобретения верхний металлический пояс и нижний металлический пояс выполнены из алюминиевого сплава. В варианте выполнения изобретения компенсаторы выполнены из нержавеющей стали.
Краткое описание чертежей
Ниже приведено подробное описание заявляемого изобретения, проиллюстрированное чертежами, на которых одинаковые или аналогичные элементы отмечены одинаковыми ссылочными позициями. Чертежи выполнены не в масштабе. Пропорции и размеры отдельных элементов могут быть преувеличены для наглядности. Чертежи являются схематичными и упрощёнными. Необходимо отметить, что объём изобретения определяется исключительно прилагаемой формулой изобретения, в то время как нижеследующее подробное описание и чертежи служат лишь для иллюстрации изобретения и для обеспечения наилучшего понимания примерных вариантов его выполнения, но не для определения или ограничения его объёма. На чертежах показано:
Фиг. 1 – схема типового размещения ферменной нервюры в конструкции крыла летательного аппарата;
Фиг. 2 – схематичное представление конструкции ферменной нервюры;
Фиг. 3 – схема игольчатого соединения стойки нервюры с законцовкой;
Фиг. 4 – примерная схема соединения законцовки с металлическим поясом нервюры;
Фиг. 5 – схематичное изображение конструкции законцовки в продольном разрезе.
Осуществление изобретения
Заявляемая ферменная нервюра крыла является частью кессона крыла летательного аппарата (см. фиг. 1). Кессон крыла в целом содержит жёсткий силовой объёмный каркас, образованный передним и задним металлическими лонжеронами, металлическими силовыми нервюрами, предназначенными в частности для навески элементов механизации крыла, сетчатыми (в частности, ферменными) нервюрами из композиционного материала с металлическими каркасами в зоне крепления к лонжеронам, и внешнюю обшивку, образующую аэродинамический контур, которая закреплена на наружной поверхности каркаса.
Ферменная нервюра применяется в качестве одного из силовых элементов конструкции крыла летательного аппарата, служит для образования необходимой аэродинамической формы крыла и обеспечивает безопасную передачу силовых нагрузок, возникающих на крыле при различных условиях полёта. В общем случае ферменная нервюра состоит главным образом из верхнего и нижнего поясов, соединённых между собой стойками нервюры, которые расположены по существу вертикально и/или под различными углами к верхнему и нижнему поясам нервюры, образуя на виде сбоку рассматриваемой нервюры «ферменную» конструкцию (см., например, Ландышев Б.К. Расчёт и конструирование планера. - М-Л.: Оборонгиз, 1939, всего 228 с. / Под редакцией Д.А. Ромейко-Гурко, см. стр. 56). Структура и количество стоек нервюры, соединяющих верхний и нижний пояса нервюры, образуют лёгкую и при этом жёсткую конструкцию нервюры крыла, придавая крылу необходимую аэродинамическую форму и обеспечивая безопасную передачу силовых нагрузок.
На фиг. 1 показан пример узла конструкции крыла, содержащего кессон 1 крыла, в котором ферменная нервюра 6 является силовой частью кессона 1 крыла, обеспечивающей связь переднего лонжерона 2, заднего лонжерона 3, верхней обшивки 4 и нижней обшивки 5. На фиг. 2 схематично представлена конструкция ферменной нервюры крыла, состоящая из нижнего металлического пояса 7, верхнего металлического пояса 8 и стоек 9 нервюры, которые соединяют между собой упомянутые нижний металлический пояс 7 и верхний металлический пояс 8. Каждая из стоек 9 нервюры имеет полую трубчатую конструкцию и выполнена из композиционного материала. Кроме того, каждая из стоек 9 нервюры имеет по одной металлической законцовке 10 на каждом из двух концов стойки, при этом законцовки 10 предназначены для соединения с нижним металлическим поясом 7 или верхним металлическим поясом 8 нервюры, соответственно.
Композиционные стойки 9 нервюры выполнены из полимерного композиционного материала, предпочтительно из углепластика. Законцовки 10 стоек нервюры выполнены из металла, предпочтительно из титана, методом 3D выращивания. Применяемый метод может представлять собой, в качестве примера, известную технологию выборочного лазерного спекания (SLS) и основанную на последовательном спекании слоёв порошкового материала (например, металлического порошка) с помощью лазеров высокой мощности (см., например, источник US 4863538 A, опубл. 05.09.1989, или US 5597589 A, опубл. 28.01.1997). В данной технологии используется один или более лазеров (например, углекислотный лазер) для спекания частиц порошкообразного материала до образования трёхмерного физического объекта. Спекание производится путём вычерчивания контуров, заложенных в цифровой модели (т.н. «сканирования») посредством лазера. Данная технология обеспечивает возможность производства функциональных деталей сложной геометрической формы, в частности применительно к заявляемому изобретению она позволяет выполнять законцовку 10, на поверхности которой имеются массивы игольчатых выступов, как описано ниже. Следует отметить, что вышеупомянутая технология является лишь одним из возможных примеров метода 3D выращивания, применимого в настоящем изобретении, и возможные средства осуществления заявляемого изобретения не ограничены применением данной конкретной технологии.
Законцовки 10 обеспечивают надёжное соединение композиционных стоек 9 с нижним металлическим поясом 7 или верхним металлическим поясом 8 нервюры, соответственно. Примерная схема соединения законцовок 10 с металлическим поясом нервюры (например, с нижним металлическим поясом 7 или верхним металлическим поясом 8, соответственно) показана на фиг.4. В примерном варианте выполнения верхний металлический пояс 8 нервюры и нижний металлический пояс 7 нервюры выполнены в виде фрезерованных профилей уголкового типа с увеличенными стенками и отверстиями под болты в местах крепления стоек 9 нервюры. Стойки 9 нервюры соединяются со стенками 11 металлических поясов нервюры (например, нижнего металлического пояса 7 или верхнего металлического пояса 8) посредством болтов, вводимых в упомянутые выше отверстия под болты, выполненные в стенках 11.
Для соединения со стенками 11 металлических поясов нервюры каждая законцовка 10 стойки 9 нервюры выполнена из металла и снабжена проушиной 16, в которую завальцован сферический подшипник 17, в отверстие которого вводится болт, соединяющий законцовку стойки 9 нервюры со стенкой 11 металлического пояса нервюры. В качестве примера, но не ограничения, применяемый сферический подшипник может быть подшипником типа ГЛС-127Х460/490-10Х13. Применение сферического подшипника в конструкции заявляемой ферменной нервюры в соединении между стойкой 9 нервюры и нижним металлическим поясом 7 или верхним металлическим поясом 8, соответственно, обеспечивает собираемость конструкции ввиду исходной малой жёсткости входящих в неё элементов. При этом собранная конструкция предлагаемой ферменной нервюры обретает необходимую конструкционную жёсткость.
Схема соединения законцовки 10 со стойкой 9 нервюры показана на фиг.3. Металлическая законцовка 10, схематично представленная на фиг. 5, характеризуется, в частности, высокой прочностью соединения со стойкой 9 нервюры, выполненной из композиционного материала. Для этого законцовка 10 имеет в общем цилиндрическую форму и выполнена предпочтительно из титана и снабжена на внешней поверхности массивом игольчатых выступов 14, обеспечивающих прочное сцепление с трубчатой стойкой 9 нервюры, в которую вставлена и заформована металлическая законцовка. Массив игольчатых выступов 14 может иметь различную конфигурацию, например игольчатые выступы 14 могут быть расположены в виде одного или более рядов проходящих по окружности поверхности законцовки 10, либо могут быть расположены, например, в шахматном порядке или в какой-либо иной конфигурации. Игольчатые выступы 14 на поверхности металлической законцовки 10 выполняются предпочтительно способом 3D выращивания. В законцовку 10 вворачивается металлический компенсатор 15, на конце которого выполнена вышеупомянутая проушина 16, в которую завальцован сферический подшипник 17, в отверстие в котором вводится болт, посредством которого законцовка 10 стойки 9 нервюры соединяется со стенкой 11 нижнего металлического пояса 7 или верхнего металлического пояса 8 ферменной нервюры, соответственно. Кроме того, в месте введения компенсатора 15 в металлическую законцовку 10 предусмотрена контргайка 18 с отгибной шайбой для фиксации компенсатора 15.
Реализация охарактеризованного выше игольчатого соединения стойки 9 нервюры, выполненной из композиционного материала, с законцовкой 10, выполненной из металла, предпочтительно из титана, обеспечивает минимальную массу этого соединения при повышении его эксплуатационной надёжности.
Кроме того, с целью повышения эксплуатационной надёжности и, в частности, для достижения большого ресурса предлагаемая конструкция характеризуется следующими принципами:
- соединение имеющих трубчатую форму стоек 9 из композиционного материала с полученными способом 3D выращивания законцовками 10 с игольчатыми выступами, выполненными предпочтительно из титана, образует схему «композиционный материал + титан», в которой благодаря сочетанию применяемых материалов исключается электрохимическая коррозия. То есть за счёт соединения имеющих трубчатую форму стоек 9 из композиционного материала с выполненной из титана законцовкой 10 исключается возникновение электрохимической коррозии, которая имеет место между углепластиком и, например, часто применяемыми в конструкции узлов аналогичного назначения алюминиевыми сплавами, и обеспечивается дальнейший контакт только «титан + титан» или «титан + металлокомпозиты»;
- формирование массива игольчатых выступов 14 на внешней поверхности законцовки 10 с помощью технологии 3D выращивания, при этом игольчатые выступы 14 служат для усиления соединения с трубчатой стойкой 9, выполненной из композиционного материала. Это позволяет обеспечить максимальную прочность соединения стойки 9 нервюры с законцовкой 10. Для достижения наиболее надёжного соединения законцовки 10 со стойкой 9 нервюры игольчатые выступы могут иметь заострённую форму, например форму пирамиды или конуса. Возможны и другие варианты формы игольчатых выступов 14, которые могут обеспечить надлежащее сцепление между внешней поверхностью законцовки 10 и внутренней поверхностью конца трубчатой стойки 9.
Сборка предлагаемой конструкции ферменной нервюры осуществляется следующим образом.
С использованием технологии 3D выращивания изготавливается, предпочтительно из титана, металлическая законцовка 10. Две законцовки 10 фиксируются на специальной оснастке, и формируется трубчатая конструкция стойки 9 из композиционного материала. На этом этапе углепластику, представляющему собой композицию из углеродного волокна и полимерного жидкого или пластичного связующего, придают необходимую форму, более конкретно – трубчатую форму будущей стойки 9 нервюры с заформованными на её концах законцовками 10. Далее следует процесс отверждения, при котором связующее затвердевает в связи с проходящими в нем химическими процессами. Для этого сформированный блок из двух металлических законцовок 10 с трубчатой стойкой 9 вместе с оснасткой помещают в термопечь, нагревают до заданной температуры, необходимой для отверждения связующего при изготовлении углепластика, например около 160-180°С, и обеспечивают необходимую выдержку, в качестве примера около 2-4 часов. При этом происходит отверждение полимерного связующего, которым пропитан композиционный материал трубчатой конструкции стойки 9, а в местах контакта с законцовками 10 композиционный материал стойки 9 схватывается с игольчатыми выступами на поверхности законцовок 10. Внутрь законцовок 10, снабжённых игольчатыми выступами, вворачиваются металлические компенсаторы 15 с проушинами 16, выполненные из нержавеющей стали, в качестве примера – из стали типа 07Х16Н6 или 30ХГСН2А-ВД. Внутрь проушин 16 завальцовываются сферические подшипники 17, а компенсаторы 15 фиксируются контргайками 18, и обеспечивается контровка самих контргаек 18 отгибными шайбами (не показаны).
Нижний металлический пояс 7 и верхний металлический пояс 8 предлагаемой конструкции ферменной нервюры представляют собой фрезерованные металлические профили уголкового типа, в качестве примера – из алюминиевого сплава В95, с увеличенными стенками в местах болтового соединения стоек 9 нервюры. Как указано выше, стойки 9 нервюры крепятся к нижнему металлическому поясу 7 и верхнему металлическому поясу 8 нервюры болтами (не показаны), проходящими через отверстия в стенках 11 упомянутых нижнего металлического пояса 7 и верхнего металлического пояса 8 нервюры, соответственно, и болт (не показан) проходит через сферический подшипник 17. Стопорение болтов и гаек (не показаны) крепления стоек 9 к нижнему металлическому поясу 7 и верхнему металлическому поясу 8 осуществляется посредством отгибных шайб (не показаны).
Вследствие того, что в описанной выше конструкции предлагаемой ферменной нервюры в целом и, в частности, в местах соединения законцовок 10 со стойками 9 нервюры, компенсатора 15 с законцовкой 10, и проушины 16, содержащей сферический подшипник 17, со стенками 11 нижнего металлического пояса 7 и верхнего металлического пояса 8 нервюры, соответственно, учтены основные известные в уровне техники недостатки соединений с композиционными элементами, применяемыми в настоящее время, такие как электрохимическая коррозия в местах контакта композиционного материала и детали из лёгкого сплава, а также недостаточная прочность соединения детали из композиционного материала с деталью из металла, и/или большой вес конструкции, обусловленный выбором материалов, применяемых в известных решениях, предлагаемая конструкция обладает повышенной эксплуатационной надёжностью.
Предлагаемая конструкция ферменной нервюры может применяться в качестве одного из основных силовых элементов крыла летательного аппарата в авиации, а также в многоразовых космических системах. Как показано выше, при реализации заявляемого изобретения достигается технический результат, состоящий в повышении эксплуатационной надёжности. Кроме того, снижается вес конструкции.
При том, что выше описаны примерные варианты выполнения заявляемого изобретения, специалистам в данной области техники очевидно, что возможны различные изменения, не выходящие за рамки сущности и объёма предложенного технического решения. Перечисленные выше материалы, из которых выполнены элементы заявляемой ферменной нервюры, а также режимы, используемые в процессе изготовления описанных выше элементов, являются примерными, и специалистам в данной области техники будет очевидна возможность использования других материалов с аналогичными свойствами и/или режимов, не выходящая за рамки объёма настоящего изобретения. Все такие возможные изменения наряду с полным объёмом эквивалентов вышеуказанных признаков считаются входящими в объём заявляемого изобретения, который определяется нижеприведённой формулой изобретения и не ограничен конкретными примерами, описанными выше и показанными на прилагаемых чертежах.