Фюзеляж летательного аппарата
FUSELAGE OF AIRCRAFT

Изобретение относится к области разработки силовых авиационных конструкций с применением полимерных композиционных материалов, в частности, к силовой конструкции отсека фюзеляжа гражданского самолета в размерности ближне-среднемагистральных лайнеров как цилиндрической формы, так и отличной от нее и может быть использовано для разработки авиационной техники. Повышение коммерческой эффективности перспективных ближне-среднемагистральных самолетов за счет снижения топливных затрат и повышения уровня комфорта и безопасности пассажиров может быть осуществлено за счет выбора более рациональной конструкции фюзеляжа по сравнению с традиционным цилиндрическим фюзеляжем. В настоящее время для повышения уровня комфорта пассажиров исследуются компоновки с эллиптическим сечением фюзеляжа, которые позволяют размещать больше кресел в одном ряду и увеличивать количество проходов в салоне. Такое компоновочное решение позволяет уменьшить длину фюзеляжа по сравнению с классическим фюзеляжем, имеющим круглое сечение при сохранении общего количества кресел в салоне.
Известна конструкция фюзеляжа летательного аппарата, в поперечном замкнутом сечении которого ширина значительно превышает высоту, содержащая последовательно расположенные вдоль фюзеляжа шпангоуты, на которых закреплена наружная обшивка, стрингера, соединенные с обшивкой и шпангоутами, и поперечные элементы шпангоутов, причем по длине герметичной части фюзеляж снабжен подкрепляющими нижнюю и верхнюю части фюзеляжа для обеспечения жесткости шпангоутов продольными силовыми конструкциями арочного типа, расположенными по боковым сторонам и содержащими соединенные между собой нижний продольный силовой элемент, вертикальные стойки, установленные через определенное количество шпаций, и верхние силовые элементы, имеющие арочные элементы, расположенные между определенными соседними стойками. (Патент РФ №2270135, МПК В64С 1/00 В64С 1/10, Максимов В.Н., Джамгаров С.Г. 04.03.2004).
Известен фюзеляж летательного аппарата, имеющий некруглую форму поперечного сечения, содержащий в нижней части, по крайней мере до уровня пассажирского пола, наружную металлическую обшивку со стрингерами и шпангоутами (подкрепляющий набор) и поперечными балками грузового пола, боковые части оболочки, пассажирский пол и верхнюю часть оболочки, близкий по конструктивным признакам к предлагаемому изобретению, и принятый за прототип.(Патент РФ №2434784, МПК В64С 1/18, ОАО Центральная компания ФПГ «Российский авиационный консорциум», 19.05.2010).
Недостатком данной конструкции является ее низкое весовое совершенство вследствие необходимости существенного усиления конструкции в зонах крепления поперечных балок пассажирского и грузового пола и потолочных балок со шпангоутами. Основной проблемой обеспечения прочности герметичной конструкции эллиптического фюзеляжа является свойство такой конструкции изменять форму поперечного сечения под действием внутреннего избыточного давления, стремясь к цилиндрической форме. Данное свойство приводит к появлению изгибных напряжений в шпангоутах при наддуве, что способствует значительному возрастанию уровня напряженно-деформированного состояния (НДС) в шпангоутах и прилегающих к ним фрагментах обшивок и значительно снижает их прочность. Данная конструкция является недостаточно эффективной по причине низкого обеспечения ресурсных характеристик продольных болтовых стыков панелей в зонах переходов радиусов кривизны оболочки фюзеляжа по сравнению с аналогичными стыками для цилиндрической оболочкой фюзеляжа из-за наличия более высоких концентраций напряжений.
Техническим результатом новой конструктивно-силовой схемы (КСС) фюзеляжа является снижение веса конструкции фюзеляжа при обеспечении требований по прочности, ударостойкости и живучести за счет комбинированного восприятия силовых факторов различными частями силового каркаса фюзеляжа выполненных из традиционных металлических сплавов и композиционных материалов.
Технический результат достигается тем, что в фюзеляже летательного аппарата, содержащем в нижней части, по крайней мере до уровня пассажирского пола, наружную металлическую обшивку с подкрепляющим набором и поперечными балками грузового пола, боковые части оболочки, пассажирский пол и верхнюю часть оболочки, боковые части оболочки образованы панелями переменной кривизны повышенной жесткости, пассажирский пол выполнен как несущий нагрузку элемент с образованием замкнутого силового каркаса в нижней части фюзеляжа, а верхняя часть оболочки выполнена с понижений относительно замкнутого силового каркаса жесткостью.
Жесткость замкнутого силового каркаса в 2-4 раза выше жесткости верхней части оболочки фюзеляжа. Пассажирский пол выполнен в виде ферменно-рамной конструкции.
Верхняя часть оболочки фюзеляжа выполнена с применением сетчатого композитного каркаса. Сетчатый композитный каркас содержит спиральные и/или кольцевые и/или продольные ребра из композиционных материалов с однонаправленными пакетами укладок. Панели боковой части оболочки соединены с верхней частью оболочки с размещением ребер сетчатого композитного каркаса в пазах панелей боковой части оболочки. Крепление ферменно-рамной конструкции пассажирского пола к боковым панелям выполнено с помощью проушин и подкосов. В ферменно-рамной конструкции пассажирского пола интегрированы продольные осесимметричные силовые композитные элементы узлы крепления с поперечными балками пассажирского пола, которые выполнены в виде кольцевых обхватов.
На фигуре 1 изображена принципиальная схема КСС гибридной конструкции фюзеляжа.
На фигуре 2 изображен фрагмент отсека конструкции с основными конструктивными элементами.
На фигуре 3 изображен фрагмент конструкции в зоне стыковки элементов конструкции на боковой панели.
Гибридная конструкция фюзеляжа состоит из четырех основных конструктивных элементов, а именно:
- верхней части оболочки фюзеляжа 1(фиг. 2) на длине L1 с радиусом R1 (фиг. 1);
- двух боковых частей оболочки фюзеляжа 2 (фиг. 2) на длине L3 переменного радиуса кривизны (фиг. 1);
- пассажирского пола 3 (фиг. 2);
- нижней части оболочки фюзеляжа 4 (фиг. 2) на длине L2 с радиусом кривизны R2 (фиг. 1)
Конструкция верхней части оболочки фюзеляжа 1 включает сетчатый композитный каркас, внешнюю формообразующую обшивку, эластичную волнообразную внутреннюю гермообшивку и защитный заполнитель, расположенный между двумя обшивками аналогично той конструкции, которая описана в патенте (Патент РФ №2558493, МПК В64С 1/12, Федеральное государственное унитарное предприятие «Центральный аэрогидродинамический институт имени Н.Е. Жуковского» ФГУП «ЦАГИ», Дубовиков Е.А., Зиченков М.Ч., Кондаков И.О., Фомин В.П., Шаныгин А.Н., 27.06.2014 г). Сетчатый композитный каркас состоит из спиральных и/или кольцевых и/или продольных ребер, которые имеют однонаправленную укладку слоев.
Боковые части оболочки фюзеляжа 2 включают две металлические боковые панели переменной кривизны повышенной жесткости с узлами крепления. Боковые части оболочки фюзеляжа 2, образованные боковыми панелями переменной кривизны, позволяют обеспечить соединение с верхней 1 и нижней 4 частями оболочки фюзеляжа, а также с конструкцией пассажирского пола 3. Боковая панель переменной кривизны представляет собой оребренную панель переменной толщины, в которой имеются проушины для крепления поперечных балок, верхних 5 и боковых 6 подкосов ферменно-рамной конструкции пассажирского пола 3, а также специальные пазы в боковых панелях 7 для размещения ребер сетчатого композитного каркаса для соединения с верхней частью оболочки фюзеляжа 1 (фиг. 3).
Конструкция пассажирского пола 3 состоит из ферменно-рамных металло-композитных поперечных балок с проушинами крепления, продольных и диагональных раскосов пола, а также продольных осесимметричных силовых композитных элементов 8 (фиг. 3). На ферменно-рамном пассажирском полу имеются стыковые узлы в виде кольцевых обхватов 9 для соединения продольных осесимметричных силовых композитных элементов 8 (фиг. 3) (интегрально соединены) с поперечными балками пассажирской пола. Продольные осесимметричные силовые элементы 8 имеют трубчатое сечение переменной толщины по длине. Их количеств может варьироваться от 4 до 10 штук в зависимости от изгибающего момента, действующего на фюзеляж. Диаметр продольных осесимметричных силовых композитных элементов может изменяться от 40 до 80 мм, при этом элементы с большим диаметром располагаются ближе к боковым панелям. Крепление ферменно-рамной конструкции пассажирского пола 3 к боковым панелям выполнено с помощью проушин и подкосов 5,6 (фиг. 3).
Конструкция нижней части оболочки фюзеляжа 4 состоит из наружной металлической обшивки с продольным и поперечным подкрепляющим набором в виде стрингеров и полушпангоутов, а также поперечных балок грузового пола. Нижняя часть оболочки фюзеляжа 4 стыкуется с боковыми частями оболочки фюзеляжа 2 при помощи обычных заклепочных соединений. В качестве рациональной КСС нижней части оболочки фюзеляжа 4 может быть выбрана схема силового набора на основе разработанных ранее металлических конструкции для широкофюзеляжных самолетов.
Нижняя часть оболочки 4 совместно с боковыми частями 2 и ферменно-рамной конструкцией пассажирского пола 3 образуют в нижней части фюзеляжа замкнутый силовой каркас. Верхняя часть оболочки фюзеляжа 1, образованная сетчатым композитным каркасом, имеет пониженную жесткость. Жесткость замкнутого силового каркаса в 2-4 раза выше жесткости верхней части оболочки фюзеляжа 1.
Основной особенностью конструкции фюзеляжа на основе данной гибридной КСС является наличие высоких жесткостных характеристик боковых панелей переменной кривизны и продольных осесимметричных композитных силовых элементов 8, расположенных на уровне пассажирского пола, что позволяет совместно с конструкциями нижней части оболочки фюзеляжа 4 и пассажирского пола 3 воспринимать значительную часть нормальных усилий от изгибающего момента, а также большую часть касательных усилий от крутящего момента. Данное обстоятельство позволяет исключить сетчатые композитные панели верхней части оболочки фюзеляжа 1 из числа высоконагруженных элементов конструкции. В силовом плане верхняя часть оболочки фюзеляжа 1 предназначена лишь для восприятия нагрузок от избыточного давления, локальных аэродинамических нагрузок и частично нагрузок от крутящего момента. Набор эластичных обшивок выполняет в основном функции герметизации и формирования аэродинамических обводов. Низкий уровень нагружения в сочетании с многосвязностью сетчатой структуры позволяет обеспечить для данной конструкции высокую надежность и низкий вес.
Для передачи больших усилий между балками ферменно-рамного пассажирского пола 3 и продольными осесимметричными силовыми композитными элементами 8 (фиг. 3) предложена специальная пористая структура с переменной плотностью и жесткостью для конструкции стыковых узлов в виде кольцевых захватов 9, позволяющая гармонизировать жесткостные и прочностные свойства металло-композитного соединения в зонах контакта и улучшить его надежность и весовую эффективность. Ферменно-рамная конструкция пассажирского пола 3, помимо выполнения традиционных функций, участвует совместно с панелями нижней 4 и боковых 2 частей оболочек фюзеляжа в восприятии изгибающего и крутящего моментов.
Высокая весовая эффективность и надежность в обеспечении прочности достигаются за счет того, что новая гибридная КСС позволяет обеспечить максимальную эффективность для каждого компонента силовой конструкции по восприятию внешних нагрузок за счет:
- исключения сетчатого композитного каркаса верхней части оболочки фюзеляжа 1 из восприятия изгибных и крутильных компонентов внешнего нагружения и перевода ее в разряд слабонагруженных элементов конструкции, работающей лишь на растяжение, вызванного наддувом;
- исключения внешних ударных воздействий на однонаправленные силовые композитные элементы рамной конструкции пассажирского пола 3, работающих преимущественно на растяжение, благодаря их внутреннему расположению и возможности обеспечить эффективную локальную защиту от внутренних ударных воздействий;
- создания более благоприятных условий по нагружению для нижней части оболочки фюзеляжа 4 из-за наличия мощной силовой конструкции пассажирского пола 3 и высокой жесткости боковых панелей переменной кривизны боковых частей оболочки фюзеляжа 2. Сетчатый композитный каркас состоит из однонаправленных пакетов, обладает достаточной прочностью и жесткостью для восприятия местных нагрузок и позволяет эффективно воспринимать преимущественно растягивающие усилия от изгиба фюзеляжа и кручения.
В результате проведения предварительных расчетных исследований на подробных КЭ (конечно-элементных) моделях отсеков фюзеляжа было установлено, что весовой выигрыш конструкции с предлагаемой гибридной КСС отсека фюзеляжа по сравнению с традиционной КСС может составить 5-7%.