УПЛОТНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО САМОЗАКРЫВАЮЩИХСЯ КРЫШЕК ЛЮКОВ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Полезная модель относится к области космической и авиационной техники, более конкретно - к герметизации самозакрывающихся крышек люков, работающих в широком диапазоне плюсовых и минусовых температур.
Известно устройство по авторскому свидетельству СССР №288554 (опубл. 03.12.1970) для герметизации люков самолета, содержащее крышку, подкрепленную силовым набором и взаимодействующую опорным профилем своей обечайки с окантовочным профилем проема люка, и уплотнительный элемент (жгут). Уплотняющий эффект достигается при обжатии уплотнительного жгута, находящегося внутри V-образного опорного профиля люка, другим V-образным окантовочным профилем.
Устройство такой конструкции имеет большой вес из-за наличия двух обечаек и двух V-образных профилей. Для закрытия крышки необходимы большие усилия, так как уплотняющий элемент (жгут) имеет жесткие характеристики, а также требуются значительные усилия на деформацию и преодоление силы трения между V-образными профилями в момент закрытия крышки.
Известно также устройство по авторскому свидетельству СССР №1744000 (опубл. 30.06.1992) для герметизации люка летательного аппарата, содержащее уплотнитель, имеющий основание и гибкую рабочую часть, включающую наклоненную стенку с утолщением в виде круглой головки на конце, контактирующей своей кромкой с крышкой люка, и элементы крепления уплотнителя на окантовке люка. Элементы крепления содержат фиксирующий V-образный тонкий металлический профиль, в который вставляется и фиксируется резиновый уплотнитель.
В этом устройстве при действии сил, обусловленных избыточным внешним давлением и действующих на внешнюю сторону боковой стенки уплотнителя, может произойти разгерметизация (раскрытие уплотняемого стыка), поскольку гибкая боковая стенка уплотнителя достаточно тонка и сила, необходимая для ее отгиба от контактной поверхности, незначительна. При закрытии крышки люка происходит обжатие уплотнителя с одновременным прижатием его стенки к фиксирующему тонкостенному V-образному профилю, имеющему острый край. В результате этого может нарушиться целостность (произойти обрезание) боковой стенки, что приведет к нарушению герметичности.
Кроме того, требуются большие усилия для закрытия крышки люка при отрицательных температурах, так как с понижением температуры модуль упругости резины значительно вырастает (резина твердеет). Данный недостаток объясняется тем, что в свободном (необжатом) состоянии стенка уплотнителя образует с поверхностью контакта крышки угол около 70° (т.е. почти перпендикулярна), следовательно, при обжатии стенка уплотнителя не только изгибается, но и сжимается, а это требует больших усилий. Образуются гофры по периметру уплотнителя, а это приводит к прерывистому контакту с крышкой люка и как следствие - к нарушению герметичности.
Гофры неизбежно образуются, во-первых, при установке замкнутого по периметру уплотнителя внутрь фиксирующего V-образного элемента. Так как в свободном состоянии стенка уплотнителя отклонена от основания к внешней стороне уплотнителя, а в рабочем состоянии фиксирующий V-образный элемент загибает боковую стенку в сторону основания (к внутренней стороне уплотнителя, имеющего замкнутый периметр), что требует уменьшения периметра утолщенной головки, а поскольку это невозможно, возникают гофры. Во-вторых, гофры могут возникать, когда закрывается крышка, обжимается уплотнитель и стенка изгибается внутрь сечения профиля, что тоже требует уменьшения периметра утолщенной головки, и, поскольку это невозможно, приводит к образованию гофр.
Известно также устройство по патенту РФ №2389642 (опуб. 20.05.2010) на уплотнительное устройство самозакрывающихся крышек люков летательных аппаратов, содержащее резиновый уплотняющий элемент, установленный на крышке люка. Уплотняющий элемент выполнен в виде тонкого плоского кольца, которое закреплено на крышке люка консольно двумя прижимами, придающими уплотняющему элементу конусообразную форму. Прижимы защемляют внутреннюю часть сечения профиля, а внешняя его часть, предназначенная для контактирования с уплотняемой поверхностью (окантовка корпуса летательного аппарата), свободна. Наличие кармана в конструкции крышки, соединенного с внешней окружающей средой через кольцевую щель, способствует созданию эффекта самоуплотнения, при котором уплотняющий элемент плотнее прижимается к уплотняемой поверхности. Но данный эффект будет только в том случае, когда в кармане перед уплотнительным кольцом будет повышенное давление, т.е. когда давление окружающей среды больше давления внутри корпуса летательного аппарата. В противном же случае (давление внутри летательного аппарата больше чем в кармане) уплотнительный элемент теряет эффект самоуплотнения. Более того, под действием внутреннего избыточного давления, уплотняющий элемент может прогнуться и образовать щель между уплотняемой поверхностью, что приводит к разгерметизации. Таким образом, можно утверждать, что данное устройство обладает эффектом самоуплотнения одностороннего действия. Хороший уплотняющий эффект возможен только когда в кармане перед уплотнительным кольцом будет повышенное давление.
В описываемом устройстве уплотняющий элемент, для создания уплотняющего эффекта, прижимается к металлической уплотняемой поверхности, что требует к ней повышенных свойств по чистоте обработки и точности установки, обеспечивающей прижатие уплотняющего элемента по всему периметру.
Отмеченные недостатки уплотнительного устройства, известного из описанного патента, приводят к невозможности его использования в составе самозахлопывающихся крышек люков на летательных аппаратах многоразового применения, работающих в широком диапазоне температур. В зависимости от режима эксплуатации (взлет или посадка и др.) давление за бортом летательного аппарата будет менять свои значения от минусовых до плюсовых, а как было описано выше, при давлении в кармане (соединенного с внешней средой) ниже чем внутри летательного аппарата, может произойти разгерметизация уплотняемого соединения.
К предлагаемой полезной модели наиболее близко уплотнительное устройство по патенту РФ №2389642 (опуб. 20.05.2010).
Предлагаемая полезная модель направлена на получение технического результата, заключающегося в обеспечении герметизации разъемного соединения автоматически захлопывающихся (без участия человека) крышек люков летательных аппаратов многоразового применения, эксплуатируемых как при больших минусовых, так и плюсовых температурах, без приложения больших усилий для закрытия. При раскрытии сущности предлагаемой полезной модели и описании примера ее реализации будут названы и другие виды достигаемого технического результата, с которыми названный выше технический результат имеет причинно-следственную связь.
Предлагаемое устройство, как и наиболее близкое к нему устройство, содержит резиновый уплотняющий элемент, выполненный в виде тонкого кольца, которое закреплено на крышке люка своей внутренней частью консольно, а внешняя его часть, предназначенная для контактирования с уплотняемой поверхностью окантовки корпуса летательного аппарата, свободна, при этом для указанного консольного закрепления с одновременным приданием уплотняющему элементу конусообразной формы внутренняя часть указанного тонкого кольца зажата по всему периметру крышки люка между двумя кольцеобразными прижимами, установленными на крышке люка со стороны герметизируемого пространства и имеющими конгруэнтные конические поверхности, контактирующие с поверхностями внутренней части указанного тонкого кольца и обращенные своими вершинами в сторону герметизируемого пространства, причем более удаленный от крышки люка прижим имеет клеевое соединение с контактирующей с ним поверхностью внутренней части указанного тонкого кольца, а крышка люка и окантовка корпуса летательного аппарата выполнены с щелью между ними и с образованием соединенного с окружающей средой через указанную щель кармана по всему периметру внешней части указанного тонкого кольца.
Для достижения указанного технического результата в предлагаемом устройстве, в отличие от указанного наиболее близкого к нему известного, уплотнительное устройство содержит второй уплотняющий элемент, выполненный в виде плоского тонкого кольца, которое консольно закреплено на окантовке люка корпуса летательного аппарата своей внешней частью сечения профиля. Внешняя часть сечения профиля второго кольца зажимается по всему периметру на окантовке люка между двумя конусообразными прижимами, которые установлены на окантовке люка корпуса летательного аппарата. Указанные прижимы имеют конгруэнтные конические поверхности, между которыми происходит защемление внешней части сечения профиля второго кольца, при этом вершины конусов обращены в сторону герметизируемого пространства. Внутренний прижим по окантовке люка имеет клеевое соединение с внешней частью уплотнительного кольца. Свободные консольные части сечения профилей колец при закрытии крышки контактируют друг с другом и создают уплотняющий эффект.
Кроме того, два прижима, которые зажимают первое уплотнительное кольцо, могут быть выполнены с зазором 3±1 мм относительно других двух прижимов, зажимающих второе уплотнительное кольцо.
Предлагаемые конструктивные решения позволяют создать уплотнительное устройство, обладающее двухсторонним эффектом самоуплотнения, т.е. уплотняющие элементы прижимаются друг к другу избыточным внутренним давлением летательного аппарата или давлением воздуха внешнего набегающего потока окружающей среды, создавая тем самым повышенный (дополнительный) уплотняющий эффект.
Для создания эффекта самоуплотнения от внешнего воздушного набегающего потока, в конструкции уплотнительного устройства предусмотрен карман, соединяемый с окружающей средой через кольцевую щель и имеющего внутри (во время полета) зону повышенного давления, которое будет прижимать конусный уплотняющий элемент, расположенный на крышке люка к другому конусному уплотняющему элементу, закрепленному на окантовке люка. Если давление внутри летательного аппарата будет больше давления внешней окружающей среды (в кармане), то уплотняющий эффект будет создаваться от прижатия другого конусного уплотняющего элемента, закрепленного на окантовке люка, к конусному уплотняющему элементу, установленному на крышке люка.
Во избежание излишнего прогиба уплотняющих элементов от действия избыточного давления с внешней или внутренней стороны, в конструкции устройства предусмотрены ограничители прогиба. Роль ограничителей выполняют сами же прижимы. Ограничение происходит за счет нахлеста консольной части каждого конусного уплотняющего элемента на выступающую часть прижима другого уплотняющего элемента, при этом ограничительные прижимы должны устанавливаться с зазором 3±1 мм относительно друг от друга.
В предлагаемом уплотнительном устройстве уплотняющий эффект создается при обжатии консольных (свободных) частей сечения одного конусного эластичного уплотняющего элемента о консольную часть сечения другого конусного эластичного уплотняющего элемента, что значительно упрощает технологию изготовления и сборки устройства, т.к. снижаются требования к чистоте и точности изготовления деталей, а так же точности их установки.
Благодаря описанным выше особенностям выполнения и установки двух уплотнительных элементов, при закрытии крышки, деформируются только консольные части сечения профилей уплотнительных элементов, причем они работают только на изгиб. Деформации на сжатие сечений профилей отсутствуют, а, следовательно, требуемые для закрытия крышки усилия малы.
Выполнение конструкторских решений предлагаемого устройства, предусматривающего создание двухстороннего эффекта самоуплотнения от набегающего потока окружающей среды и от избыточного внутреннего давления летательного аппарата, обеспечивает равномерное, не требующее больших усилий, прижатие уплотняющих элементов друг к другу по всему периметру, что повышает надежность автоматического захлопывания крышки люка в широком диапазоне температур и способствует обеспечению требуемой герметичности на летательных аппаратах многоразового применения.
При описании конкретного выполнения предлагаемого устройства физические эффекты, обусловливающее достижение присущего полезной модели технического результата, будут рассмотрены более подробно.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, на которых показаны:
- на фиг.1 - общий вид уплотнительного устройства для круглой самозахлопывающейся крышки;
- на фиг.2 - фрагмент «А» фиг.1 (схема работы уплотнительного устройства, поясняющая эффект самоуплотнения от избыточного давления воздуха за бортом летательного аппарата);
- на фиг.3 - фрагмент «А» фиг.1 (схема работы уплотнительного устройства, поясняющая эффект самоуплотнения от избыточного давления воздуха внутри летательного аппарата);
1
3
2
4
5
Уплотнительное устройство содержит (см. фиг.1, 2, 3) два тонких плоских эластичных уплотняющих элемента 1 и 2 в виде колец с внешними диаметрами Ф, Ф и внутренними диаметрами Ф, Ф. Такие уплотняющие элементы аналогичны обычной плоской резиновой прокладке, просты в изготовлении и не требуют специальных пресс-форм. Уплотняющий элемент 1 устанавливается консольно на крышке 5 люка при помощи двух конусообразных прижимов 3 и 4. Прижимы 3,4 размещены по периферии внутренней поверхности крышки 5, обращенной в сторону герметизируемого объема. Прижим 4, более удаленный от поверхности крышки 5, ставится с уплотняющим элементом 1 на клее. Обращенные друг к другу конические поверхности прижимов 3 и 4 конгруэнтны, при этом эти конические поверхности ориентированы вершинами соответствующих конусов в сторону герметизируемого объекта. Прижимы 3 и 4 установлены на крышке 5 посредством болтовых соединений 9 (фиг.2). Уплотняющий элемент 2 устанавливается консольно на окантовке 6 люка корпуса летательного аппарата при помощи двух других конусообразных прижимов 7, 8. Прижимы 7, 8 размещены на внутреннем диаметре отверстия Ф окантовки 6. Прижим 7 ставится с уплотняющим элементом 2 на клее. Так же как и у прижимов 3, 4, конические поверхности прижимов 7, 8 конгруэнтны, обращены друг к другу и ориентированы вершинами своих конусов в сторону герметизируемого объема. Прижимы 7, 8 устанавливаются на окантовке 6 посредством болтовых соединений 10 и 17. Прижимы 3 и 8 являются ограничителями излишнего прогиба консольных частей сечений уплотняющих элементов. Ограничение происходит за счет нахлеста консольной части сечения уплотняющего элемента 1 на прижим 8 и консольной части сечения уплотняющего элемента 2 на прижим 3. Указанные прижимы 3 и 8 устанавливаются с зазором 3±1 мм относительно друг от друга. Конструкция крышки 5 люка совместно с окантовкой 6 люка корпуса летательного аппарата образуют кольцевой карман 11 (фиг.1, 2) по всему периметру внешней части тонкого резинового кольца, в виде которого выполнен уплотняющий элемент 1. В карман 11 через кольцевую щель 12 шириной δ=1,0-1,5 мм натекает газ (воздух) окружающей среды. Крышка 5 (фиг.1) навешена на оси 13 вращения и автоматически захлопывается при помощи пружинного привода 14, троса 15 и качалки 16.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. При закрытии крышки, консольные (незащемленные) части сечений профилей уплотнительных элементов 1 и 2 без больших усилий прижимаются друг к другу, создавая в месте контакта уплотняющий эффект, который усиливается во время полета от так называемого эффекта самоуплотнения.
Это достигается следующим:
1. Приданием двум тонким плоским эластичным элементам 1 и 2 конусной формы с углом α (см. фиг.1) при помощи конусных металлических прижимов 3, 4 и 7, 8, которые защемляют один край образовавшихся конусов, а другой остается свободным (сечения профилей имеют вид консольно заделанных балок), причем прижимы 4, 7 устанавливаются на клее. Данное конструктивное решение позволяет значительно уменьшить усилие закрытия (захлопывания) крышки люка, так как одновременная деформация при изгибе консольных частей сечений профилей двух уплотнительных элементов требует усилий обжатия значительно меньших, чем деформация одного профиля и еще более меньших, чем традиционное обжатие самого сечения профиля.
внеш
внеш
внутр
внутр
внеш
внутр
2. Созданием двойного эффекта самоуплотнения, т.е. один из двух уплотняющих элементов обязательно будет прижиматься к уплотняемой поверхности. Если давление воздуха окружающей среды больше давления воздуха внутри летательного аппарата, в карман 11 через кольцевую щель 12 шириной δ=1,0-1,5 мм натекает воздух окружающей среды, создавая перед тонкостенным эластичным уплотнительным кольцом 1 повышенное давление Р. При давлении (Р.) окружающей среды более давления (Р.) внутри летательного аппарата эффектом самоуплотнения будет обладать уплотняющий элемент 1. При давлении (Р.) внутри летательного аппарата больше давления (Р.) окружающей среды эффектом самоуплотнения будет обладать уплотняющий элемент 2. Избыточное давление воздуха Р. прижимает уплотняющий элемент 2 к уплотняемой поверхности (к уплотняющему элементу 1) по всему периметру, создавая повышенный (дополнительный) уплотняющий эффект. Двойной эффект самоуплотнения повышает надежность и эффективность применения уплотнительного устройства в составе самозахлопывающихся крышек люков летательных аппаратов многоразового применения. Применение описываемого уплотнительного устройства в составе летательных аппаратов позволит создать требуемую герметичность разъемного соединения на всех этапах эксплуатации (подъем, спуск, посадка и др.)
3. Созданием уплотняющего эффекта между двумя конусными эластичными (резиновыми) уплотняющими элементами. Уплотнение происходит по контактной поверхности, образованной между двумя эластичными элементами (резина по резине), что повышает уплотняющий эффект, упрощает технологию изготовления и сборки, т.к. снижаются требования к чистоте и точности изготовления деталей уплотняющей поверхности, а так же точности их установки.
Таким образом, техническое решение согласно предлагаемой полезной модели позволяет создать устройство для герметизации разъемного соединения автоматически захлопывающихся люков на летательных аппаратах многоразового применения, работающих в широком диапазоне температур.