КРЫЛО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
AIRCRAFT WING FROM POLYMER COMPOSITES

Изобретение относится к области авиационной техники и касается вопроса создания обтекаемых конструкций для летательных аппаратов из композиционных материалов, в частности крыльев и крыльевых устройств.
Известна конструкция крыла летательного аппарата, содержащая заполненную сотовым заполнителем силовую раму, выполненную из передней и задней боковин, концевого обтекателя, корневого элемента и панелей верхней и нижней поверхностей крыла с уменьшающейся от корневого элемента толщиной. Панели верхней и нижней поверхностей крыла выполнены из пакета слоев ткани с перекрытием зоны узла крепления корневого элемента максимальным количеством слоев. Определяющие разнотолщинность поверхностей крыла слои в плане выполнены в форме подобных треугольников с увеличением размеров каждого последующего и расположением его боковых сторон параллельно кромкам боковин крыла (RU 2333865 C1, B64C 3/26, 16.11.2006).
Недостатком указанной конструкции является то, что наличие расположенных на наружных поверхностях крыла усиливающих слоев снижает аэродинамическое качество крыла, что приводит к необходимости последующей механической обработки его наружной поверхности и, как следствие, к ее микроповреждениям.
Известна также панель крыла композитной конструкции, содержащая верхнюю и нижнюю оболочки крыла, выполненные из силовых слоев на основе стекло-, углеткани (углеленты) либо препрега, и внутренний слой пенопластового или сотового заполнителя и два лонжерона на основе стекло- или углеткани (углеленты). При этом все элементы конструкции в сухом состоянии помещаются между элементами оправки крыла, закрываются верхней и нижней частями матрицы, совместно пропитываются связующим при помощи RTM-метода и полимеризуются при повышенной температуре (US 2010140404 A1, B29C 70/08, 10.06.2010 - прототип).
Недостатком указанной конструкции является ее высокая стоимость, так как требуется изготовление дорогостоящей оснастки, сложной в эксплуатации. Кроме того, такое крыло имеет большой вес.
Задачей предлагаемого изобретения является создание крыла летательного аппарата из полимерных композиционных материалов, позволяющего повысить его экономическую и техническую эффективность путем снижения стоимости его изготовления и веса, повышения качества изготовления наружных поверхностей крыла при одновременном обеспечении надежности и прочности конструкции крыла.
Указанный технический результат достигается тем, что у крыла летательного аппарата из полимерных композиционных материалов имеется обшивка, содержащая верхнюю и нижнюю оболочки, состоящая из наружных слоев на основе стекло-, углеткани (углеленты) и внутреннего между ними слоя из пенопластового заполнителя, расположенные вдоль размаха крыла лонжероны и ребра жесткости - нервюры - на основе стекло-, углеткани (углеленты). По изобретению верхняя и нижняя оболочки обшивки крыла, сформованные совместно с нервюрами в корневой и концевой частях крыла, и лонжероны изготовлены методом инфузии связующего с полимеризацией материала в соответствующих матрицах. Соединение оболочек обшивки между собой у передней и задней кромок крыла осуществлено посредством клеевой пленки, нанесенной на сопряженные соединительные поверхности. В средней вдоль профиля части крыла соединение верхней и нижней оболочек выполнено с помощью лонжеронов через парные приформовочные угольники, изготовленные из углеткани со связующим и предварительно установленные через клеевую пленку на внутренние поверхности верхней и нижней оболочек обшивки. Соединение верхней и нижней оболочек обшивки с лонжеронами, введенными между ними, осуществлено посредством клеевой пленки, при этом внутренние нервюры изготовлены методом инфузии связующего и соединены с верхней и нижней оболочками и с лонжеронами через введенную между соединяемыми поверхностями клеевую пленку. Лонжероны и внутренние нервюры имеют трехслойную структуру, в которой между наружными слоями из полимерного композиционного материала на основе стекло-, углеткани (углеленты) расположен средний слой из пенопластового заполнителя.
Кроме того, сопряженные соединительные поверхности у передней и задней кромок крыла усилены введенными под них с внутренней стороны обшивки пенопластовыми вкладышами.
Внутренние нервюры состоят из трех частей каждая и выполнены с образованием по периметрам указанных частей двухсторонних фланцев, с помощью которых части внутренних нервюр связаны с верхней и нижней оболочками крыла и с лонжеронами.
Соединение лонжеронов с частями нервюр через их фланцы осуществлено с сохранением непрерывности парных приформовочных угольников, связывающих лонжероны с верхней и нижней оболочками крыла.
Изготовление оболочек обшивки крыла и его лонжеронов в отдельных матрицах методом инфузии связующего с полимеризацией материала обеспечивает снижение временных и материальных затрат по их изготовлению, высокое качество аэродинамической поверхности крыла, стабильность его геометрических размеров и повышение прочностных характеристик.
Соединение оболочек между собой в районе передней и задней кромок крыла, с лонжеронами через парные приформовочные угольники и нервюрами, а также лонжеронов с угольниками и частями нервюр с помощью нанесенной на соединяемые поверхности клеевой пленки позволяет повысить технологичность изготовления крыла с наименьшей трудоемкостью и обеспечением прочного и надежного соединения.
Заполнение пространства между наружными слоями оболочек обшивки и лонжеронов пенопластовым заполнителем позволяет снизить вес конструкции, не ухудшая ее прочностных характеристик.
Наличие в местах соединения нижней и верхней поверхностей крыла пенопластовых вкладышей повышает прочность и надежность соединения и конструкции крыла в целом.
Выполнение частей нервюр в корневой и концевой частях крыла одновременно с формованием верхней и нижней частей крыла методом инфузии связующего повышает надежность конструкции крыла.
При этом заданная прочность крыла обеспечивается укладкой в нужные районы трехслойных конструкций верхней, нижней оболочек крыла и лонжеронов предварительно рассчитанного количества слоев. Формы раскроя каждого слоя стекло-, углеткани (углеленты) также определяется расчетом, что приводит к оптимизации конструкции, более равномерному распределению напряжений в силовых элементах крыла и снижению его общего веса.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется рисунками, где представлены:
- общий вид конструкции предлагаемого крыла летательного аппарата из полимерных композиционных материалов - фиг.1;
- поперечное сечение А-А (фиг.1) - фиг.2;
- поперечное сечение Б-Б (фиг.1) - фиг.3;
- вид В (фиг.3) - фиг.4;
- конструктивные элементы крыла - фиг.5.
Предлагаемая конструкция крыла 1 состоит из нижней 2 и верхней 3 оболочек обшивки трехслойной структуры, включающей наружные слои 4 из стекло-, углеткани (углеленты) и расположенный между ними внутренний слой 5 из пенопластового заполнителя (фиг.2, 4), укладываемых в соответствующие оснастки для последующей пропитки методом инфузии связующего и полимеризации материала, из расположенных вдоль размаха крыла лонжеронов 6 (фиг.1), состоящих из наружных силовых слоев стекло-, углеткани (углеленты) 7 и внутреннего пенопластового заполнителя 8 (фиг.4), также укладываемых в соответствующие оснастки для последующей пропитки связующим методом инфузии связующего и полимеризации материала, и из одной или нескольких внутренних нервюр 9, расположенных в средней части крыла (фиг.1, 3, 5). Количество силовых слоев стекло-, углеткани (углеленты) 10 (фиг.1) в верхней и нижней оболочках крыла и лонжеронах и форма раскроя каждого слоя по поверхностям крыла определяются расчетным путем и могут меняться в различных районах крыла. На внутренние поверхности верхней и нижней оболочек обшивки крыла установлены с помощью клеевой пленки 11 (фиг.4) парные приформовочные угольники 12, 13 из углеткани со связующим в отвержденном состоянии для последующего крепления указанных лонжеронов, вставленных между парными угольниками (фиг.4, 5) и соединенных с помощью клеевой пленки. Верхняя и нижняя оболочки соединены друг с другом у носовой 14 и концевой 15 кромок крыла посредством клеевой пленки, которая нанесена на сопряженные соединительные поверхности, усиленные введенными с их внутренней стороны пенопластовыми вкладышами 16 (фиг.5), а в средней части по длине крыла они связаны с помощью лонжеронов. Нервюры у корневой 17 и концевой частей 18 крыла (фиг.1) выполнены методом инфузии связующего одновременно с формированием верхней и нижней оболочек обшивки крыла. Внутренняя нервюра выполнена из слоев стекло-, углеткани и связующего методом инфузии связующего и соединена с верхней и нижней оболочками крыла и с лонжеронами через клеевую пленку, введенную между соединяемыми поверхностями. Она состоит из трех частей, которые имеют по периметру двухсторонние фланцы 19, обеспечивающие их соединение с верхней и нижней оболочками обшивки, а также с лонжеронами. Соединение нервюр через двухсторонние фланцы с лонжеронами осуществлено с сохранением непрерывности парных приформовочных угольников.
Изготовление крыла летательного аппарата из полимерных композиционных материалов и его работа осуществляются следующим образом.
Верхнюю и нижнюю оболочки обшивки крыла с пенопластовым заполнителем и его лонжероны изготавливают из стекло, -углеткани (углеленты) путем укладки в соответствующие матрицы для последующей пропитки связующим методом инфузии связующего и полимеризации материала. При помощи шаблонов на внутренние поверхности верхней и нижней оболочек обшивки крыла через клеевую пленку устанавливают парные приформовочные угольники из углеткани со связующим в отвержденном состоянии для последующего крепления указанных лонжеронов. Методом инфузии из слоев стекло-, углеткани и связующего изготавливаются три части внутренней нервюры, с образованием по их периметрам двухсторонних фланцев. Посредством клеевой пленки, нанесенной на вертикальные части парных угольников, установленных на внутреннюю поверхность нижней оболочки обшивки крыла, к ней крепятся лонжероны. Через клеевую пленку, нанесенную на фланцы частей внутренней нервюры, эти части также устанавливаются на внутреннюю поверхность нижней обшивки крыла и через свои фланцы соединяются с лонжеронами. Верхняя обшивка крыла соединяется с нижней обшивкой при помощи клеевой пленки, наносимой на сопряженные соединительные поверхности в районе передней (носовой) и концевой кромок крыла, усиленных пенопластовыми вкладышами, и клеевой пленки, наносимой на внутренние вертикальные поверхности установленных на верхнюю обшивку парных приформовочных угольников, между которьми через клеевую пленку помещаются лонжероны, а также верхние части фланцев внутренней нервюры.
В процессе полета летательного аппарата, при воздействии воздушного потока на аэродинамические поверхности крыла в элементах его конструкции возникает поле деформаций. При этом рассчитанное количество силовых слоев в обшивках и лонжеронах, а также рассчитанная форма раскроя каждого слоя по поверхностям крыла приводит к оптимизации конструкции по деформациям и более равномерному их распределению по силовым элементам конструкции, тем самьм обеспечивая заданную прочность крыла при минимальном весе. Изготовление нижней и верхней обшивок в соответствующей оснастке приводит к повышению качества изготовления наружных аэродинамических поверхностей крыла. Благодаря наличию пенопластовых вкладышей в местах соединения нижней и верхней обшивок в районе передней и задней кромок крыла обеспечивается надежное и прочное соединение оболочек обшивки и прочность крыла в целом.
Предлагаемое крыло летательного аппарата из полимерных композиционных материалов позволяет создать конструкцию крыла с наружными поверхностями высокого качества, снизить стоимость ее изготовления и вес при одновременном обеспечении надежности и прочности конструкции крыла, что его выгодно отличает от прототипа.