Многослойная авиационная панель
MULTILAYER AIRCRAFT PANEL

Изобретение относится к области авиационной техники и касается силовых авиационных конструкций из полимерных однонаправленных композиционных материалов, в частности силовых конструкций гермопанелей с малой кривизной фюзеляжа гражданского самолета, также многослойных конструкций с заполнителем.
Известна конструкция панели фюзеляжа из композиционных материалов на основе традиционных конструктивно-силовых схем. В таких композитных панелях основными силовыми элементами, воспринимающими все факторы нагружения, служат элемент площади и некоторое число удлиненных элементов жесткости, которые прикреплены к элементу площади. (Патент РФ №2693141, МПК В64С 3/20, В32В 7/00, ЭЙРБАС ОПЕРАТИОНС ГМБХ (DE), 01.07.2019).
Недостатком такой конструкции является низкая жесткость в направлении, перпендикулярном плоскости панели. Из-за этого, ограничение перемещений панели под воздействием избыточного давления приводит к значительному увеличению ее весовых характеристик.
Известна конструкция многослойной панели с ферменным заполнителем, наиболее близкая по конструктивным признакам к предлагаемому изобретению и принятая за прототип, состоящая из двух силовых субпанелей (внешней и внутренней) и ферменного заполнителя из стержневых элементов между ними, имеющая узлы крепления стержневых элементов к внешней и внутренней силовым субпанелям (Патент РФ №2580729, МПК В32В 7/00, B21D 47/00, Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ»(КНИТУ-КАИ), 10.04.2016), которая может применяться в конструкции гермопанелей с малой кривизной фюзеляжа гражданского самолета, и обладает высокой поперечной жесткостью, что может решить проблему малой поперечной жесткости панелей фюзеляжа.
Недостаткам прототипа, применительно к конструкции гермопанелей композитного фюзеляжа, является то, что в основе конструкции прототипа лежат две субпанели, представляющие собой обшивки из слоистых композитных материалов. Обшивочные конструкции не могут в полной мере реализовать высокие удельные прочностные и жесткостные свойства угольных волокон в композиционных материалах. Обшивочные конструктивно-силовые схемы, в том числе и многослойные обшивочные панели, сформировались в результате процесса развития и доработки металлических авиаконструкций и наилучшим образом реализуют свойства именно металлических сплавов, а не композиционных материалов, структура и физические свойства которых принципиально отличаются от свойств металлических сплавов. Поэтому обшивочные конструкции не позволяют достичь значительного снижения веса для силовых композитных авиационных конструкций по сравнению с металлическими.
Также существенным недостатком обшивочных композитных субпанелей является то, что они чрезвычайно чувствительна к ударному и климатическому воздействиям, которым подвержена конструкция фюзеляжа в процессе эксплуатации. Опыт создания подобных конструкций, а также исследования, проведенные в ЦАГИ, показали, что такая жесткая обшивка с толщиной до 4 мм (диапазон реальных значений толщин для обшивок гермопанелей фюзеляжа, при которых возможно получить снижение веса для композитной конструкции по сравнению с металлической), изготовленная из современных композиционных материалов, не обеспечивает требуемого уровня ударной прочности.
Еще одним недостатком многослойных оболочечных конструктивно-силовых схем является сложный доступ к элементам конструкции для проведения контроля их состояния и ремонта, требующий внедрения специальных элементов конструкции, например, смотровых лючков. Это, в свою очередь, приводит к увеличению весовых характеристик конструкции.
Описанные выше обстоятельства не позволяет применять прототип в конструкции гермопанелей фюзеляжа с целью снижения веса конструкции.
Техническим результатом является снижение веса гермопанели фюзеляжа, при условии удовлетворения ограничений по жесткости и ударной прочности.
Технический результат достигается тем, что в конструкцию многослойной авиационной панели, содержащую внешнюю и внутреннюю силовые субпанели, соединяющий их ферменный наполнитель из стержневых элементов и узлы крепления стержневых элементов, введены прилегающие к внешней силовой субпанели волнообразная гермообшивка, теплоизоляционный слой, внешняя герметичная обшивка, внешняя и внутренняя силовые субпанели выполнены из композиционного материала в виде жесткой конструкции сетчатой топологии, а в узлах крепления одновременно соединены внешняя силовая субпанель, стержневые элементы ферменного заполнителя и волнообразная оболочка с обеспечением герметичности волнообразной оболочки.
2
Многослойная авиационная панель может быть выполнена плоской или с переменной кривизной. Внутренняя и внешняя субпанели расположены на одинаковом расстоянии друг от друга по всей поверхности панели. Расстояние между внутренней и внешней панелями на отдельных участках или по всей поверхности панели может быть переменным по ширине и/или по длине. Внешняя обшивка может быть выполнена из слоистого композиционного материала, с модулем упругости не менее 4000 кгс/мм. Волнообразная гермообшивка может быть выполнена из эластичного материла. Ферменный наполнитель может иметь регулярную или нерегулярную структуру.
На фигуре 1 изображена многослойная авиационная панель в сборе.
На фигуре 2 изображены силовые элементы многослойной авиационной панели.
На фигуре 3 изображены дополнительные элементы панели, крепящиеся к верхней субпанели.
Многослойная авиационная панель (Фигура 1) включает следующие силовые элементы (Фигура 1, Фигура 2):
- Внешнюю силовую субпанель 1 сетчатой топологии, состоящую из однонаправленных композитных ребер.
- Внутреннюю силовую субпанель 2, также как и внешняя, имеющую сетчатую топологию и состоящую из однонаправленных композитных ребер.
- Ферменный наполнитель из стержневых элементов 3. Основным структурным элементом ферменного наполнителя является гибридный металлокомпозитный стержень. Укладка армирующих волокон в композитной части стержня осуществляется под минимально технологически допустимыми углами к оси стержневого элемента.
- Узлы крепления стержневых элементов 4 к внешней и внутренней силовым субпанелям.
Также многослойная панель включает дополнительные элементы конструкции, крепящиеся к внешней силовой субпанели (Фигура 1, Фигура 3):
- Волнообразную обшивку 5
- Теплоизоляционный слой 6
- Внешнюю герметичную обшивку 7.
Устройство работает следующим образом. В предлагаемой конструкции панели все внешние силовые воздействия воспринимаются за счет сжатия и растяжения силовых ребер сетчатых субпанелей, а также стержневых элементов ферменного наполнителя, таким образом все силовые потоки направлены вдоль высокопрочных угольных волокон в композиционном материале, что позволяет максимально использовать их высокие жесткостные и прочностные свойства.
Восприятие наддува обеспечивается волнообразной гермообшивкой, которая может быть изготовлена из легкого эластичного материала, имеющего достаточную прочность на растяжение.
Защита силовых элементов конструкции от ударного воздействия обеспечивается внешней обшивкой и теплоизоляционным слоем.
Внешней герметичной обшивкой, также обеспечивается защита силовых элементов от климатического воздействия.
В случае необходимости, для каждого силового элемента может применяться специальная система защиты, характерная для его типа.
Сетчатая топология силовых субпанелей и ферменная конструкция наполнителя позволяют обеспечить доступ к элементам конструкции, без внедрения дополнительных конструктивных элементов - смотровых лючков.
Основными преимуществами конструкции на основе предлагаемой конструктивной концепции по сравнению с традиционными и обшивочными композитными конструкциями являются:
- Возможность реализации более высокого уровня нагружения угольных волокон, что позволит повысить весовую эффективность конструкции, т.е. уменьшить вес конструкции.
- Возможность обеспечения высокой поперечной жесткости конструкции без значительных весовых потерь, за счет максимального использования высоких жесткостных свойств углеродных волокон.
- Волнообразная форма гермообшивки за счет использования малых локальных радиусов позволяет существенно снизить напряжения внутри нее, вызванные наддувом, за счет чего такая обшивка может обладать более высокой весовой эффективностью.
- Возможность обеспечения необходимого уровня защиты силовых элементов конструкции от ударных и климатических воздействий, в то время как другие элементы конструкции не только не требуют защиты, но и сами могут выполнять функции элементов защиты.
- Лучшая контроле- и ремонтопригодность за счет наличия доступа к большинству элементов конструкции.
Технический результат достигается за счет рациональной реализации высоких удельных жесткостных и прочностных свойств композиционных материалов в различных элементах конструкции многослойной авиационной панели, а также обеспечения защиты основных силовых элементов.
В ЦАГИ был изготовлен технологический макет-демонстратор силовой структуры многослойной авиационный панели. Основные цели его создания - демонстрация возможности производства и разработка технологии сборки силовой конструкции многослойной авиационной панели.