КОНСТРУКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА, РАЗМЕЩЕННЫЙ НА ГРАНИЦЕ РАЗДЕЛА МЕЖДУ КРЫЛОМ И ФЮЗЕЛЯЖЕМ
AIRCRAFT WING STRUCTURAL ELEMENT ARRANGED AT INTERFACE BETWEEN WING AND FUSELAGE

Изобретение относится к конструктивным металлическим элементам, принадлежащим кессону центроплана самолета, в особенности к конструкции и способу изготовления и сборки такого элемента.
Известно, что классически самолет содержит фюзеляж и два противолежащих симметричных крыла, которые установлены и закреплены на этом фюзеляже. Присоединение каждого из этих крыльев к фюзеляжу обеспечивается посредством кессона центроплана, размещенного внутри фюзеляжа по всей его ширине. Этот кессон обычно содержит верхнюю панель и нижнюю панель, параллельные одна другой и которые поглощают усилия подъемной силы, создаваемые крыльями в процессе полета. Эти две панели скреплены одна с другой двумя лонжеронами - передним и задним, которые также поглощают часть усилий подъемной силы.
На границе раздела кессона центроплана и каждого крыла находится конструктивный элемент, который обычно выполнен из алюминиевого сплава. Он образован тонкой плоской перегородкой, расположенной вертикально и ограниченной с четырех сторон четырьмя профилированными элементами - верхним, нижним, передним и задним.
Тонкая плоская перегородка обычно содержит несколько вертикальных ребер жесткости, которые улучшают прочность конструктивного элемента к значительным механическим нагрузкам, которые он должен выдерживать.
Верхний профилированный элемент конструктивного элемента соединен с верхней панелью кессона центроплана и с верхней обшивкой крыла. Нижний профилированный элемент конструктивного элемента соединен с нижней панелью кессона центроплана и нижней обшивкой крыла. Передний профилированный элемент конструктивного элемента соединен с передним лонжероном кессона центроплана и с передней частью крыла. Наконец, задний профилированный элемент конструктивного элемента соединен с задним лонжероном кессона центроплана и с задней частью крыла.
Такой конструктивный элемент может быть получен из различных элементов, собранных между собой полностью болтовыми или заклепочными соединениями, что требует наличия многочисленных зон нахлеста. Кроме риска возникновения сдвиговых напряжений в болтах и заклепках, такая конструкция требует выполнения сверлений соединяемых элементов для фиксации болтов или заклепок, приводящих вследствие этого к увеличению массы и хрупкости конструктивного элемента. Кроме того, в процессе эксплуатации летательного аппарата могут появиться определенные проблемы, связанные с плохими креплениями.
Другое решение заключается в выполнении конструктивного элемента в виде единого металлического блока для улучшения механической прочности и устранения некоторых недостатков, связанных с наличием соединений между различными элементами. Это решение, описанное, в частности, в заявке GB 2409443, не применяется на практике вследствие его высокой себестоимости, которая вызвана количеством необходимого металла и многочисленными операциями обработки.
Впрочем, такой конструктивный элемент может иметь проблемы. связанные с искривлениями, вызванными деформациями, возникающими в металлическом блоке в процессе этапа обработки.
Изобретение предлагает такой конструктивный элемент с улучшенными характеристиками, который при этом является простым, удобным и экономичным при изготовлении.
Для этого оно предлагает конструктивный элемент летательного аппарата, размещенный на границе раздела между крылом и фюзеляжем, содержащий тонкую перегородку и профилированные элементы, окаймляющие упомянутую перегородку, отличающийся тем, что, по меньшей мере, один упомянутый профилированный элемент содержит плоскую часть, расположенную без нахлеста в продолжение плоской части упомянутой перегородки и соединенную с ней сварным швом встык посредством перемешивающей сварки трением (по-английски: friction stir butt welding).
Отсутствие нахлеста в области соединения между тонкой перегородкой и периферийными профилированными элементами способствует существенному улучшению механической прочности конструктивного элемента, обеспечивая при этом лучшую передачу усилий и уменьшение искривлений.
Кроме того, отсутствие крепежных болтов и заклепок позволяет увеличить уровень безопасности вследствие устранения сдвиговых напряжений, которые ранее действовали на эти детали.
Кроме того, уменьшение количества необходимого материала приводит к заметному выигрышу в массе, порядка 5%.
В соответствии с предпочтительными признаками конструктивного элемента
упомянутый сварной шов является изогнутым;
упомянутый сварной шов является прямолинейным;
упомянутая тонкая перегородка содержит, по меньшей мере, одну сторону, на которой упомянутый сварной шов проходит непрерывно по длине, по меньшей мере, равной 95% длины упомянутой стороны;
упомянутый профилированный элемент содержит, кроме первого ребра, образующего упомянутую плоскую часть, второе ребро и третье ребро, каждое из которых идет вдоль упомянутого первого ребра напротив упомянутого сварного шва, при этом упомянутые второе ребро и третье ребро размещены с обеих сторон упомянутого первого ребра;
упомянутый профилированный элемент содержит, кроме упомянутых первого, второго и третьего ребер, четвертое ребро, размещенное напротив упомянутого первого ребра;
по меньшей мере, одно из упомянутых второго и третьего ребер упомянутого профилированного элемента содержит участок, ширина которого равномерно изменяется;
по меньшей мере, одно из упомянутых второго и третьего ребер упомянутого профилированного элемента содержит зубчатый участок, каждый зубец которого образован двумя скрепленными стержнями;
по меньшей мере, одно из упомянутых второго и третьего ребер упомянутого профилированного элемента содержит более узкий участок;
упомянутая тонкая перегородка содержит, по меньшей мере, на одной стороне участок, выступающий относительно упомянутой плоской части;
упомянутая тонкая перегородка содержит на каждой стороне одну упомянутую плоскую часть, проходящую по всей длине этой стороны;
упомянутая тонкая перегородка имеет, в целом, прямоугольную форму, и ее длина, по меньшей мере, в два раза больше ширины;
упомянутая тонкая перегородка и упомянутый профилированный элемент выполнены из одного алюминиевого сплава, содержащего литий; и/или
упомянутая тонкая перегородка и упомянутый профилированный элемент выполнены из различных алюминиевых сплавов.
В дальнейшем изобретение поясняется нижеследующим подробным описанием предпочтительного примера реализации, приведенного в качестве примера и не являющегося ограничительным, со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
- фиг.1 изображает вид в аксонометрии самолета, на котором прерывистой линией изображен конструктивный элемент по изобретению, размещенный на границе раздела между фюзеляжем и крылом;
- фиг.2 изображает в аксонометрии конструктивный элемент кессона центроплана по изобретению;
- фиг.3 изображает вид спереди конструктивного элемента по фиг.2;
- фиг.4 изображает сечение этого конструктивного элемента в плоскости IV-IV по фиг.3;
- фиг.5 изображает сечение этого конструктивного элемента в плоскости V-V по фиг.3.
Самолет 1, изображенный на фиг.1, содержит фюзеляж 2 в целом овального сечения с утолщением в средней части, два симметричных крыла 3 и 4. Внутри фюзеляжа 2 кессон 5 центроплана позволяет обеспечить крепление крыльев 3 и 4 к фюзеляжу 2.
Кессон 5 содержит верхнюю панель 6 и нижнюю панель 7, параллельные одна другой и ориентированные горизонтально. Обе панели 6 и 7 прикреплены двумя лонжеронами - передним 8 и задним 9, параллельными и вертикальными. Кессон 5 содержит также на двух своих границах раздела с крыльями 3 и 4 два симметричных конструктивных элемента 10 и 11, при этом конструктивный элемент 10 прикреплен к крылу 3, а конструктивный элемент 11 прикреплен к крылу 4. Эти два конструктивных элемента 10 и 11 проходят вертикально между двумя панелями 6 и 7 и продольно между двумя лонжеронами - передним 8 и задним 9.
Один такой конструктивный элемент 10 будет далее описан детально со ссылками на фиг.2-5. Конструктивный элемент 10 содержит тонкую перегородку 20, выполненную из алюминиевого сплава, содержащего литий. Введение лития, плотность которого меньше плотности алюминия, дает выигрыш в массе порядка 5% при одновременном улучшении свариваемости и устойчивости к повреждениям.
Контур тонкой перегородки 20, в целом, является прямоугольным и имеет два прямолинейных участка, которые связаны двумя выпуклыми наружу участками. По периферии тонкая перегородка 20 содержит четыре плоские копланарные части 21, 22, 23 и 24, которые проходят, каждая, соответственно по всей длине соответствующей стороны.
В дальнейшем часть 21 (соответственно часть 22), размещенная вблизи верхней панели 6 (соответственно нижней панели 7), называется верхней частью 21 (соответственно нижней частью 22). Таким же образом часть 23 (соответственно часть 24), размещенная вблизи переднего лонжерона 8 (соответственно заднего лонжерона 9), называется передней частью 23 (соответственно задней частью 24).
В предпочтительном варианте осуществления изобретения эта тонкая перегородка 20 характеризуется отношением между длиной и шириной примерно 4 к 1 (см. фиг.3). Обычно длина тонкой перегородки 20 в два раза больше ширины.
Овальное отверстие 25, ориентированное горизонтально, расположено на половине высоты тонкой перегородки 20 в ее передней половине. Тонкая перегородка 20 содержит также на первой стороне 26 три металлических ребра жесткости 27, которые расположены вертикально по всей ее высоте.
Первое ребро жесткости 27 расположено вблизи передней части 23, второе ребро жесткости 27 расположено симметрично относительно первого, напротив отверстия 25. Третье ребро жесткости 27 расположено вблизи задней части 24.
Эти три ребра жесткости выступают поперечно в плоскости, в которой расположены четыре части 21, 22, 23 и 24. Наличие этих ребер жесткости 27 обеспечивает лучшую прочность плоским частям 21, 22, 23 24 и, в общем, всей тонкой перегородке 20.
Вторая сторона центральной тонкой перегородки 20 (невидимой на чертежах) имеет по периметру пять металлических рамочных опор, которые расположены вертикально с обеих сторон отверстия 25.
Конструктивный элемент 10 содержит также четыре элемента 30, 40, 50 и 60, которые размещены по четырем сторонам тонкой перегородки 20. В предпочтительном варианте осуществления эти элементы 30, 40, 50 и 60 выполнены из того же алюминиевого сплава, что и тонкая перегородка 20. Однако в зависимости от напряжений и потребностей каждого из этих элементов 30, 40, 50 и 60 они могут быть выполнены из алюминиевых сплавов, отличных от алюминиевого сплава, образующего тонкую перегородку 20. Это позволяет оптимизировать стоимость и массу конструктивного элемента 10 путем выбора для каждого из образующих его элементов наиболее подходящего материала в зависимости от напряжений и потребностей.
Первый элемент 30, который ограничивает верхнюю сторону тонкой перегородки 20, выполнен в целом профилированным в слегка изогнутом направлении и имеет поперечное сечение, которое несколько изменяется от переднего края до заднего края. Профилированный элемент 30 содержит первое плоское ребро 31, которое расположено без нахлеста в продолжение верхней части 21 и соединено с последним сварным швом 32 встык посредством перемешивающей сварки трением. Сварочный шов 32 проходит непрерывно по длине, по меньшей мере, равной 95% длины верхней стороны тонкой перегородки 20, не доходя до переднего и заднего краев.
Профилированный элемент 30 содержит также несколько выпуклые второе ребро 33 и третье ребро 34, расположенные с обеих сторон ребра 31. Эти ребра 33 и 34 берут начало от всего изогнутого края ребра 31, расположенного напротив сварочного шва 32. Четвертое плоское ребро 39 размещено в продолжение первого ребра 31.
В сечении (фиг.4) ребро 33 представляет собой отрезок, который слегка наклонен к отрезку ребра 39 и в направлении верхней обшивки крыла 3, с которой соединено ребро 33.
Отрезок ребра 34 расположен напротив отрезка ребра 33 перпендикулярно к отрезку ребра 31 и в направлении конструктивного элемента 11.
Такое относительное расположение отрезков ребер 33 и 34 остается неизменным для каждого сечения в плоскости, параллельной плоскости IV-IV.
Как можно видеть на фиг.2, ребро 33 содержит на своих первых передних двух третях первый участок 35, по существу, постоянной ширины (взятой в направлении от кессона 5 центроплана к крылу 3). Ребро 33 продолжается вторым участком 37, ширина которого увеличивается равномерно до его заднего края.
В целом, подобно ребру 33, ребро 34 содержит на своих первых двух третях первый участок 36, по существу, постоянной ширины (взятой в направлении от кессона 5 центроплана к крылу 3). Ребро 34 продолжается вторым участком 38, ширина которого увеличивается равномерно до его заднего края.
Имея постоянную ширину, взятую в направлении элемента 40 к элементу 30 и, по существу, эквивалентную ширине ребра 31, ребро 39 имеет свободный край той же кривизны, что и сварной шов 32.
Второй элемент 40, который ограничивает нижнюю сторону тонкой перегородки 20, в целом профилирован в слегка изогнутом направлении. Профилированный элемент 40 содержит первое плоское ребро 41 постоянной ширины (взятой по направлению от элемента 40 к элементу 30), которое расположено без нахлеста в продолжение нижней части 22 и связано с ней изогнутым сварным швом 42 встык посредством перемешивающей сварки трением. Сварной шов 42 проходит непрерывно по длине, по меньшей мере, равной 95% длины нижней стороны тонкой перегородки 20, при этом он с обеих сторон не доходит до ее переднего и заднего краев.
Профилированный элемент 40 содержит также выпуклые второе ребро 43 и третье ребро 44 с обеих сторон первого ребра 41. Эти ребра 43 и 44 берут начало вдоль изогнутого края ребра 41, размещенного напротив сварного шва 42.
В сечении (см. фиг.4) ребро 43 представляет собой отрезок, который слегка наклонен к отрезку ребра 41 в направлении края крыла 3.
Отрезок ребра 44 расположен напротив отрезка ребра 43 перпендикулярно к отрезку ребра 41 и в направлении конструктивного элемента 11.
Такое относительное расположение отрезков ребер 43 и 44 остается неизменным в каждом сечении, взятом в плоскости, параллельной плоскости IV-IV.
Как можно видеть на фиг.2, ребро 43 содержит два зубчатых участка, передний 45 и задний 46. Каждый зубец 47, имеющий М-образный контур, образован двумя идентичными скрепленными стержнями. Передний 45 и задний 46 участки разделены центральным участком 48, имеющим, в целом, свободный прямолинейный край, разделенный в первой и второй третях своей длины парой пилообразных зубьев.
В целом, подобно ребру 43, ребро 44, невидимое на фиг.2, содержит также два зубчатых участка, передний и задний, каждый зубец которого имеет М-образный контур, образованный двумя идентичными скрепленными стержнями. Эти зубчатые участки облегчают крепление конструктивного элемента на других конструктивных частях летательного аппарата (кессон центроплана и крыла).
Третий элемент 50, который ограничивает переднюю сторону тонкой перегородки 20, является профилированным в прямолинейном направлении. Профилированный элемент 50 содержит первое плоское ребро 51 постоянной ширины (взятой по направлению от элемента 50 к элементу 60), которое расположено без нахлеста в продолжение передней части 23 и связано с ней прямолинейным сварным швом 52 встык посредством перемешивающей сварки трением. Сварной шов 52 проходит непрерывно по длине, по меньшей мере, равной 95% длины передней стороны тонкой перегородки 20, не доходя до ее верхнего и нижнего краев.
Профилированный элемент 50 содержит также второе ребро 53 и третье ребро 54, размещенные с обеих сторон первого ребра 51. Эти ребра 53, 54 берут начало по всему прямолинейному краю ребра 51, расположенного напротив сварного шва 52.
В сечении (см. фиг.5) ребра 53 и 54 представляют собой сильно расширяющиеся, обращенные к тонкой перегородке 20 V-образные отрезки, вершины которых размещены в месте соединения трех отрезков ребер 51, 53 и 54.
Отрезок ребра 53 проходит в направлении к передней части крыла 3, с которым соединено ребро 53.
Отрезок ребра 54 проходит в направлении переднего лонжерона 8 кессона 5 центроплана, с которым соединено ребро 54.
Такое относительное расположение отрезков ребер 53 и 54 остается неизменным для каждого сечения, взятого в плоскости, параллельной плоскости V-V.
Как можно видеть на фиг.2, ребро 53 содержит вырез, ограничивающий более узкий центральный участок 55, который занимает примерно две трети ребра 53 и имеет, в целом, прямолинейный профиль, параллельный сварному шву 52.
В целом, подобно ребру 53 ребро 54 содержит также более узкий центральный участок 56, который занимает примерно две трети ребра 54 и имеет, в целом, прямолинейный профиль, параллельный сварному шву 52.
Четвертый элемент 60, который ограничивает заднюю сторону тонкой перегородки 20, является профилированным в прямолинейном направлении. Профилированный элемент 60 содержит первое плоское ребро 61 постоянной ширины (взятой в направлении от элемента 50 к элементу 60), которое расположено без нахлеста в продолжение задней части 24 и связано с последней прямолинейным сварным швом 62 встык посредством перемешивающей сварки трением. Сварной шов 62 проходит непрерывно по длине, по меньшей мере, равной 95% длины задней стороны тонкой перегородки 20, не доходя до верхнего и нижнего краев.
Профилированный элемент 60 содержит также плоские второе ребро 63 и третье ребро 64, расположенные с обеих сторон первого ребра 61. Эти ребра 63 и 64 берут начало по всему прямолинейному краю ребра 61, расположенного напротив сварного шва 62.
В сечении (см. фиг.5) ребра 63 и 64 представляют собой сильно расширяющиеся обращенные к тонкой перегородке 20 V-образные отрезки, вершины которых размещены в месте соединения трех отрезков ребер 61, 63 и 64.
Отрезок ребра 63 проходит в направлении задней части крыла 3, которое соединено с ребром 63.
Отрезок ребра 64 проходит в направлении заднего лонжерона 9 кессона 5 центроплана, с которым соединено ребро 64.
Такое относительное расположение отрезков ребер 63 и 64 остается неизменным для каждого сечения, взятого в плоскости, параллельной плоскости V-V.
Как можно видеть на фиг.2, ребро 63 содержит вырезы, ограничивающие более узкий центральный участок 65, который занимает две трети ребра 63 и имеет неравномерный профиль.
Этот профиль содержит первый верхний прямолинейный и параллельный сварному шву 62 участок, который продолжается вторым участком в форме пилообразных зубьев.
В целом, подобно ребру 63 ребро 64 (невидимое на фиг.2) также содержит более узкий центральный участок, который занимает две трети ребра 64 и имеет неравномерный профиль, подобный профилю вырезанной части 65.
Предпочтительно изогнутые сварные швы 32 и 42 и прямолинейные сварные швы 52 и 62 следуют (или повторяют) по контуру тонкой перегородки 20. В данном случае эти четыре шва 32, 42, 52 и 62 не соединяются, однако, в углах тонкой перегородки 20.
Для изготовления такого конструктивного элемента 10 прежде всего позиционируют каждый из четырех профилированных элементов 30, 40, 50 и 60 вокруг тонкой перегородки 20 таким образом, чтобы ребро 31 (соответственно 41, 51 и 61) профилированного элемента 30 (соответственно 40, 50 и 60) находилось в той же плоскости и размещалось встык с плоской частью 21 (соответственно 22, 23 и 24) тонкой перегородки 20, образуя, таким образом, линию соединения.
Сваривают вместе посредством перемешивающей сварки трением каждый профилированный элемент 30, 40, 50 и 60 с тонкой перегородкой 20 вдоль линии соответствующего соединения для пластификации металла в зоне сварки.
Замена операций соединения болтами и/или заклепками простой операцией сварки упрощает способ изготовления конструктивного элемента 10 и обеспечивает существенное уменьшение затрат и цикла производства.
В не представленном варианте один или несколько элементов, таких как 30, 40, 50 и 60, профилированы различным образом, например, в прямолинейном направлении со сварными швами, такими как 32, 42, 52 и 62, которые также являются прямолинейными.
В другом, не представленном варианте конструктивный элемент 10 содержит различное количество профилированных элементов по периферии тонкой перегородки 20 и/или элементов, имеющих различные формы и контуры. Например:
конструктивный элемент 10 содержит только два профилированных элемента - верхний, такой как 30, и нижний, такой как 40, или же два профилированных элемента - передний, такой как 50, и задний, такой как 60; и/или
элемент 10 содержит множество профилированных элементов вдоль одной и той же стороны тонкой перегородки 20, например, размещенных с равномерными интервалами вдоль верхней и нижней сторон и содержащих, каждый, плоские второе ребро и третье ребро, расположенные в одной и той же плоскости, поперечной плоскости плоской части тонкой перегородки 20.
В другом, не представленном варианте тонкая перегородка 20 заменена перегородкой, имеющей другую конфигурацию. Например:
тонкая перегородка, такая как 20, содержит другое количество ребер жесткости, таких как 27, и/или рамочных опор, размещенных также по-иному; и/или
тонкая перегородка, такая как 20, выполнена сплошной и не имеет никакого отверстия, такого как 25.