ЭЛЕМЕНТ УПРАВЛЯЮЩЕЙ ПОВЕРХНОСТИ САМОЛЕТА
AIRCRAFT CONTROL SURFACE ELEMENT

Изобретение относится к элементу управляющей поверхности самолета, в частности, к спойлеру с волокнисто-композитным элементом с обтекаемой воздухом поверхностью, с установочным устройством для подвижной установки волокнисто-композитного элемента на детали конструкции и со структурой жесткости для усиления жесткости волокнисто-композитного элемента, причем структура жесткости включает, по меньшей мере, выполненный монолитно с волокнисто-композитным элементом элемент жесткости.
Из документа US 8,245,971 B2 известна управляющая поверхность, у которой наружная и внутренняя сторона выполнены каждая со структурой жесткости. Элементы жесткости интегрированы в управляющие поверхности. Управляющая поверхность образована наружной пластиной и внутренней пластиной, которые изготовлены на производстве способом RTM («Resin Transfer Moulding» = литьевое прессование полимера). В существующем уровне техники в качестве элементов жесткости применяют вытянутые профили на наружной или внутренней пластине, проходящие по наружной или внутренней пластине главным образом под прямым углом друг к другу.
Известное исполнение рассчитано, однако, на воздействие равномерно распределенных сил, снимаемых главным образом линейно на кромках деталей. Кроме этого известное исполнение мало пригодно для снятия распределенных неравномерно нагрузок посредством распределенного по массе исполнения. Поэтому недостатком известного исполнения является то, что схема элементов жесткости не оптимальна для неравномерных нагрузок при эксплуатации в воздухе. В частности, выявлен недостаток того, что схема установки управляющих поверхностей на крыле самолета в недостаточной степени учитывает воздействие нагрузок. Кроме этого необходимо сравнительно большое количество элементов жесткости, что отрицательно влияет на трудоемкость изготовления и вес.
В документе АТ 409 482 В раскрыт спойлер с арматурой из двух подшипников и одного шарнира. Кроме этого установлены структуры жесткости, расходящиеся звездообразно от шарнира. Спойлер изготавливают вместе с арматурой RTM-способом за один технологический этап в качестве волокнисто-композитной детали. Вес этого спойлера относительно велик.
В документе US 6.270.039 Bl описана арматура для крепления управляющей поверхности на крыле самолета.
В документе US 2009072090 AI и US 2013/011605 AI описаны управляющие поверхности с другими элементами усиления.
Соответственно задачей данного изобретения является уменьшение влияния или устранение недостатков существующего уровня техники.
Эта задача решена посредством элемента управляющей поверхности, охарактеризованной признаками п. 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления раскрыты в зависимых пунктах формулы.
Согласно изобретению структура жесткости включает предназначенный для поглощения основных нагрузок первичный элемент жесткости, соединенный, по меньшей мере, с одним вторичным элементом жесткости, предназначенным для поглощения побочных нагрузок, причем волокнисто-композитный элемент выполнен с углублением для интегрального выполнения первичного элемента жесткости.
Изобретение основано на том, что во время эксплуатации силы, воздействующие на волокнисто-композитный элемент через установочное устройство, принимают на себя не несколько однотипных элементов жесткости, как в существующем уровне техники, а основную нагрузку переводят согласно изобретению на первичный элемент жесткости, соединенный для поглощения побочных нагрузок, по меньшей мере, с одним вторичным элементом жесткости. Согласно изобретению волокнисто-композитный элемент предназначен для поглощения силового потока от установочного устройства через первичный элемент жесткости на вторичный элемент жесткости. Первичный элемент жесткости выполнен в качестве основного элемента жесткости элемента управляющей поверхности, образующего «костяк» («backbone») элемента управляющей поверхности.
Для этого первичный элемент жесткости предпочтительно включает вытянутое формообразование, причем вторичный элемент жесткости выполнен с меньшей прочностью, чем первичный элемент жесткости для поглощения ослабленных первичным элементом жесткости нагрузок. С этой целью первичный элемент жесткости выполнен с большей шириной и/или высотой, чем вторичный элемент жесткости. Предпочтительно устанавливают несколько, в частности много, вторичных элементов жесткости, расположенных, в частности, на противоположных сторонах, т.е. на передней и задней продольной стороне, волокнисто-композитного элемента. Структура жесткости с различными элементами жесткости выполнена из усиленного волокном полимера. Для интегрированного выполнения первичного элемента жесткости на элементе управляющей поверхности волокнисто-композитный элемент выполнен согласно изобретению с углублением. Это обеспечивает возможность особенно простого исполнения без снижения жесткости элемента управляющей поверхности. При раскрытии данного изобретения под интегрированным или монолитным выполнением элемента жесткости понимают выполнение элемента жесткости заодно с волокнисто-композитным элементом в виде смешанной конструкции на волокнистой основе. В отличие от этого для двусоставного выполнения изготавливают отдельные волокнисто-композитные детали, которые затем соединяют соответствующим образом, например, клеевыми соединениями.
Исполнение согласно изобретению в ходе обширных теоретических исследований неожиданно особенно хорошо зарекомендовало себя при сопротивлении нагрузкам, возникающим при эксплуатации в воздухе. В частности, элемент управляющей поверхности по данному изобретению обеспечивает возможность снятия распределенных неравномерно нагрузок посредством оптимированного по массе исполнения. Снятие нагрузок возможно также концентрированно с одной или с нескольких точек. При этом предпочтительно значительно сокращено количество необходимых элементов жесткости. С одной стороны, это сокращает трудоемкость изготовления. С другой стороны, это обеспечивает особенно большую экономию веса конструкции, что соответствует постоянному стремлению производителей самолетов сокращать расход топлива. Интегрирование, по меньшей мере, одного элемента жесткости, в частности первичного элемента жесткости, в изготовление элемента управляющей поверхности предпочтительно сокращает трудоемкость процесса изготовления. Это также повышает прочность элемента управляющей поверхности, в частности, при более крупных повреждениях. Это обеспечивает значительное преимущество перед известными конструкциями типа «сэндвич» с сотовой основой структуры («honeycomb core»). Для интегрированного выполнения, по меньшей мере одного, элемента жесткости, в частности первичного элемента жесткости, в элементе управляющей поверхности применяют, в частности, RTM-способ («Resin Transfer Moulding» = литьевое прессование полимера), способ по EP 1 181 149 Bl или способ, описанный в AT 511 113 B. Выполнение элемента управляющей поверхности по данному изобретению особенно хорошо использовать для изготовления тормозного щитка («спойлера»), являющегося вариантом выполнения интерцептора. Данное изобретение подходит в принципе для изготовления и других различных типов управляющих поверхностей («control surfaces» = плоскостей управления), например, руля поперечного управления («aileron» = элерон), руля высоты («horizontal stabilizer» = горизонтальный стабилизатор) или руля направления («vertical stabilizer» = вертикальный стабилизатор).
Чтобы выполнить первичный элемент жесткости для более высоких нагрузок, чем вторичный элемент жесткости, предпочтительно выполнение с большей шириной и/или высотой по сравнению с вторичным элементом жесткости. Поэтому нагрузки в зоне установочного устройства принимает на себя главным образом первичный элемент жесткости, выполненный для этого более прочным, чем вторичный элемент жесткости.
Особенно при выполнении элемента управляющей поверхности в качестве интерцептора (спойлера) предпочтительно включение в установочное устройство расположенного главным образом по центру продольной кромки волокнисто-композитного элемента опорного элемента, к которому примыкает центральный участок первичного элемента жесткости. Опорный элемент предназначен, как это следует из уровня техники, для опирания с возможностью проворота на деталь конструкции, образованную в случае тормозного щитка каркасом крыла самолета. Подобный опорный элемент в виде арматуры описан в AT 409 482 B.
Опорный элемент изготавливают предпочтительно из волокнисто-композитного материала, например, способом литьевого прессования полимера (RTM). Расположение центрального участка первичного элемента жесткости непосредственно рядом с установочным устройством обеспечивает надежное поглощение возникающих в этой зоне нагрузок, причем происходит отведение побочных нагрузок на вторичный элемент жесткости. Для этого к центральному установочному устройству элемента управляющей поверхности подсоединен только первичный элемент жесткости, но не вторичный элемент жесткости. Кроме этого установочное устройство, как это также описано в существующем уровне техники, включает на боковых окончаниях передней продольной кромки волокнисто-композитного элемента дополнительные опорные элементы, к которым предпочтительно примыкает, по меньшей мере, элемент жесткости¸ в частности вторичный элемент жесткости.
Для отведения вбок основных нагрузок на опорный элемент предпочтительно наличие у первичного элемента жесткости боковых участков, проходящих от центрального участка к узким сторонам волокнисто-композитного элемента. При этом для распределения основных нагрузок предпочтительно, чтобы боковые участки первичного элемента жесткости проходили от центрального участка назад, т.е. в сторону от передней продольной кромки волокнисто-композитного элемента. Боковые участки первичного элемента жесткости выполнены с дугообразной кривизной. В альтернативном варианте продольные стороны первичного элемента жесткости проходят прямолинейно.
Для максимально равномерного распределения силового потока в волокнисто-композитном элементе предпочтительно окончание боковых участков первичного элемента жесткости рядом с узкими сторонами волокнисто-композитного элемента. Следовательно, основные нагрузки на центральный участок будут направлены рядом с опорным элементом и отведены через первичный элемент жесткости в направлении узких сторон элемента управляющей поверхности.
Распределение нагрузок в элементе управляющей поверхности более предпочтительно учтено, если центральный участок первичного элемента жесткости выполнен для поглощения более высоких нагрузок, чем боковые участки.
Для этого предпочтительно выполнение центрального участка первичного элемента жесткости с большей шириной и/или высотой, чем у боковых участков первичного элемента жесткости.
Для непрерывного отведение нагрузок предпочтительно также уменьшение в направлении наружу ширины и/или высоты первичного элемента жесткости на боковых участках.
Согласно особенно предпочтительному варианту осуществления изобретения вторичный элемент жесткости выполнен в виде ответвления первичного элемента жесткости. Таким образом, вторичный элемент жесткости отходит подобно ребру от выполненного в виде костяка структуры жесткости первичного элемента жесткости. Вторичный элемент жесткости выполняют с Т-образным, L-образным, U-образным или I-образным поперечным сечением.
Кроме этого распределение нагрузок в элементе управляющей поверхности будет учтено более точно, если в качестве ответвления вторичного элемента жесткости установлен, по меньшей мере, третичный элемент жесткости. Третичный элемент жесткости выполнен менее прочным, чем вторичный элемент жесткости. Для этого третичный элемент жесткости выполнен с меньшей высотой и/или шириной, чем у вторичного элемента жесткости.
Согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения центральный участок первичного элемента жесткости на обращенной от опорного элемента задней стороне соединен с двумя вторичными элементами жесткости, расположенными главным образом V-образно и расходящимися в направлении задней продольной кромки волокнисто-композитного элемента. Соответственно такое исполнение обеспечивает поглощение силового потока задней стороной первичного элемента жесткости, его разведение на два V-образно расходящихся вторичных элемента жесткости и отведение его назад.
Для адаптирования к образованному нагрузками силовому профилю предпочтительно уменьшение высоты и/или ширины установленных V-образно вторичных элементов жесткости в направлении задней продольной кромки волокнисто-композитного элемента. Это обеспечивает возможность особенно компактного выполнения с учетом установочных условий.
Для поглощения остаточных нагрузок предпочтительно, чтобы от каждого из вторичных элементов жесткости, установленных V-образно на задней стороне первичного элемента жесткости, отстоял назад, по меньшей мере один третичный элемент жесткости. Эти третичные элементы жесткости проходят предпочтительно главным образом с V-образным схождением в направлении задней продольной кромки волокнисто-композитного элемента. Это обеспечивает образование двойной V-образной структуры жесткости, предназначенной в первую очередь для компенсирования нагрузок в направлении более короткой протяженности элемента управляющей поверхности (т.е. в поперечном направлении).
Согласно альтернативно-предпочтительному варианту осуществления изобретения, главным образом параллельно первичному элементу жесткости, установлен, по меньшей мере, один вторичный элемент жесткости, соединенный с первичным элементом жесткости перемычкой, проходящей, в частности, в поперечном направлении к волокнисто-композитному элементу. Это исполнение обеспечивает вторичному элементу жесткости выполнение его формообразования в соответствии с первичным элементом жесткости, но, учитывая более низкую способность поглощать нагрузки, с более малой шириной или высотой. Перемычка обеспечивает возможность переложения нагрузок между первичным и вторичным элементами жесткости, причем перемычка проходит предпочтительно в поперечном направлении к элементу управляющей поверхности, т.е. в случае тормозного щитка - главным образом в направлении полета.
Для повышения жесткости, в частности, пластинчатого элемента управляющей поверхности в этом варианте исполнения особенно предпочтительна установка двух дугообразных вторичных элементов жесткости с уменьшением их высоты в направлении задней продольной кромки, соединенных друг с другом и с первичным элементом жесткости перемычкой, сужающейся клинообразно к задней продольной кромке.
Для интегрированного выполнения первичного элемента жесткости на элементе управляющей поверхности предпочтительно наличие углубления в волокнисто-композитном элементе. При раскрытии данного изобретения под интегрированным или монолитным выполнением элемента жесткости понимают выполнение элемента жесткости заодно с волокнисто-композитным элементом в виде смешанной конструкции на волокнистой основе. В отличие от этого для двусоставного выполнения изготавливают отдельные волокнисто-композитные детали, которые затем соединяют соответствующим образом, например клеевыми соединениями.
Соответственно предпочтительно наличие углубления у волокнисто-композитного элемента для выполнения, по меньшей мере, вторичного элемента жесткости. Особенно предпочтительно выполнение всех первичных и вторичных элементов жесткости интегрировано с плоским или пластинчатым волокнисто-композитным элементом, т.е. в рамках одного процесса или с одновременным отверждением. Однако отдельные вторичные элементы жесткости устанавливают в качестве самостоятельных деталей, в частности волокнисто-композитных деталей, соединенных с пластинчатым волокнисто-композитным элементом клеевым соединением.
Для интегральной конструкции также предпочтительно выполнение опорного элемента для подвижного соединения с деталью структуры интегрировано с волокнисто-композитным элементом.
Для получения элемента управляющей поверхности предпочтительно наличие у волокнисто-композитного элемента нижней обшивки со структурой жесткости и верхней обшивки с обтекаемой воздухом поверхностью. Верхняя обшивка выполнена при этом плоской или пластинчатой. Нижняя обшивка выполнена также плоской или пластинчатой, причем структура жесткости выступает из нее, в частности, в виде впадин или углублений. Нижнюю и верхнюю обшивку изготавливают в заводских условиях и затем соединяют друг с другом соответствующим образом посредством клеевого соединения или механического соединения. В этом варианте осуществления изобретения предпочтительно наличие элементов жесткости только у нижней обшивки и их отсутствие у верхней обшивки. Это обеспечивает особенно простое исполнение.
Далее изобретение более подробно раскрыто на основе примеров его осуществления, которыми оно однако не ограничено. На чертежах представлено следующее:
фиг. 1 – нижняя сторона нижней обшивки из усиленного волокном полимера для элемента управляющей поверхности по данному изобретению, причем видна структура жесткости с вытянутым первичным элементом жесткости по типу «костяка», от которого отходят различные вторичные элементы жесткости;
фиг. 2 – верхняя сторона нижней обшивки по фиг. 1, причем видно интегрированное выполнение первичных и вторичных элементов жесткости в виде углублений в обшивке;
фиг. 3 – элемент управляющей поверхности по фиг. 1, 2 с видом верхней обшивки;
фиг. 4 – альтернативный вариант выполнения нижней обшивки, в котором первичный элемент жесткости выполнен с прямолинейным сужением наружу в направлении от центрального участка с увеличенной шириной;
фиг. 5 – другой альтернативный вариант выполнения нижней обшивки с дугообразным первичным элементом жесткости, соединенным посредством клинообразной перемычки с двумя также дугообразными вторичными элементами жесткости;
фиг. 6 – другой альтернативный вариант выполнения нижней обшивки, в котором первичный элемент жесткости выполнен на боковых участках с клинообразным сужением наружу и установлены вторичные элементы жесткости в виде перемычек.
На фиг. 1-3 показан первый вариант выполнения нижней обшивки 1, образующей вместе с верхней обшивкой 2 (фиг. 3) волокнисто-композитный элемент 3 для элемента 4 управляющей поверхности конструкции самолета. Верхняя и нижняя обшивки изготовлены, например, RTM-способом из усиленного волокном полимера. В показанном варианте выполнения элемент 4 управляющей поверхности выполнен в виде интерцептора или спойлера самолета. Соответствующим образом выполняют и другие обтекаемые воздухом поверхности самолета (например, рули). Элемент 4 управляющей поверхности включает установочное устройство 5 для шарнирной установки волокнисто-композитного элемента 3 на детали структуры, в частности на каркасе крыла самолета. Установочное устройство 5 включает опорный элемент 6, установленный по центру передней продольной кромки волокнисто-композитного элемента. В рамках раскрытия данного изобретения понятия «передняя», «задняя», «верхняя», «нижняя» относятся к рабочему состоянию элемента 4 управляющей поверхности согласно его предназначению. Элемент управляющей поверхности в вертикальной проекции выполнен главным образом прямоугольным (фиг. 3) с образованием продольной протяженности (у интерцептора – в направлении оси крыла) и поперечной протяженности (у интерцептора – главным образом перпендикулярно оси самолета). Установочное устройство 5 включает по бокам передней кромки дополнительные опорные элементы 7. Так как исполнение установочного устройства 5 давно известно из уровня техники (например, AT 409 482 B), от более подробного его рассмотрения можно отказаться. На верхней стороне элемента 4 управляющей поверхности расположена аэродинамическая, главным образом ровная обтекаемая воздухом поверхность 8, образованная верхней стороной верхней обшивки 2.
Как видно по фиг. 1, 2, нижняя обшивка 1 включает структуру 9 жесткости для повышения жесткости волокнисто-композитного элемента 3. Структура 9 жесткости включает различные элементы жесткости, которые будут рассмотрены далее. По меньшей мере, один элемент жесткости сформирован интегрировано, т.е. во время единого производственного процесса, при одинаковых с волокнисто-композитным элементом 3 условиях отверждения.
Как показано на фиг. 1, 2, структура 9 жесткости включает первичный элемент 10 жесткости, соединенный с предназначенным для поглощения побочных нагрузок вторичным элементом 11 жесткости. Первичный элемент 10 жесткости предназначен для поглощения основной нагрузки с большей шириной, чем у вторичного элемента 11 жесткости. Ширина относится в этом случае к более короткой протяженности вытянутых первичных или вторичных элементов 10, 11 жесткости. Первичный элемент 10 жесткости включает центральный участок 12, примыкающий непосредственно к центральному опорному элементу 6 на передней кромке элемента 4 управляющей поверхности. Первичный элемент 10 жесткости включает также два боковых участка 13, проходящих в направлении от центрального участка 12 до узких сторон (т.е. более коротких сторон) нижней обшивки 1. В показанном варианте исполнения боковые участки 13 первичного элемента 10 жесткости оканчиваются рядом с узкими сторонами нижней обшивки 1 элемента 4 управляющей поверхности. Чтобы центральный участок 12 первичного элемента 10 жесткости поглощал более высокие нагрузки, чем боковые участки 13, высота первичного элемента 10 жесткости выполнена с уменьшением наружу от центрального участка 12. Кроме этого первичный элемент 10 жесткости в показанном варианте исполнения выполнен на центральном участке 12 с выпуклым углублением 14, соответствующим форме центрального опорного элемента 6. Вторичные элементы 11 жесткости выполнены в виде ответвлений первичного элемента 10 жесткости, отходящих от центрального участка 12 и от боковых участков 13.
В варианте исполнения по фиг. 1-3 центральный участок 12 первичного элемента 10 жесткости соединен на обращенной от опорного элемента 6 задней стороне двумя вторичными элементами 11’ жесткости, проходящими главным образом V-образно с расхождением в направлении задней продольной кромки волокнисто-композитного элемента 3. Эти вилочные вторичные элементы 11’ жесткости обеспечивают снятие нагрузок в поперечном направлении элемента 4 управляющей поверхности. Высота проходящих V-образно вторичных элементов 11’ жесткости уменьшается в направлении задней продольной кромки волокнисто-композитного элемента 3.
Как видно по фиг. 2, в нижней обшивке 1 волокнисто-композитного элемента 3 для интегрированного выполнения первичного элемента жесткости выполнено углубление 15. Соответственно на нижней обшивке 1 волокнисто-композитного элемента 1 для интегрированного выполнения вторичного элемента 11 жесткости выполнены соответствующие углубления 16. Поэтому стенки нижней обшивки 1 в зоне структуры 9 жесткости выполнены с главным образом постоянной толщиной. В показанном варианте исполнения все элементы 10, 11 жесткости на нижней обшивке 1 выполнены интегрировано. Кроме этого центральный опорный элемент 6 для подвижного соединения с крылом самолета также выполнен интегрировано с нижней обшивкой 1. В показанном варианте исполнения дополнительные опорные элементы 7 по бокам установлены на нижней стороне нижней обшивки 1 в виде арматуры, выполненной, в частности, из металла.
На фиг. 4 показан альтернативный вариант исполнения нижней обшивки 1. В этом варианте на задней стороне центрального участка 12 первичного элемента 10 жесткости также установлены V-образные или вилочные вторичные элементы 11’ жесткости. Кроме этого в этом варианте исполнения от каждого из проходящих V-образно вторичных элементов 11’ жесткости отходит назад точно по одному третичному элементу 17 жесткости. Третичные элементы 17 жесткости выполнены поэтому в виде ответвлений V-образных вторичных элементов 11’ жесткости. Задняя сторона центрального участка 12 первичного элемента 10 жесткости выполнена в этом случае проходящей прямолинейно в продольном направлении элемента 4 управляющей поверхности. Первичный элемент 10 жесткости имеет ширину или поперечную протяженность и высоты или вертикальную протяженность на боковых участках 13 с непрерывным уменьшением в направлении наружу.
Как показано на фиг. 4, в этом варианте исполнения для образования группы вторичных элементов 11 жесткости установлены специальные волокнисто-композитные детали 19. Волокнисто-композитные детали 19 соответствующим образом, в частности посредством клеевого соединения, соединены нижней обшивкой 1, на которой интегрировано выполнен первичный элемент 10 жесткости.
На фиг. 5 показан другой вариант исполнения нижней обшивки 1, в котором установлен дугообразный первичный элемент 10 жесткости. Установлены также два элемента 11’’ жесткости, выполненные также дугообразно и проходящие главным образом параллельно первичному элементу жесткости, соединенные с первичным элементом 10 жесткости в поперечном направлении элемента 4 управляющей поверхности перемычкой 18. Два дугообразных вторичных элемента 11’’ жесткости выполнены с уменьшением высоты в направлении задней продольной кромки. Соединительная перемычка 18 также выполнена с сужением в направлении задней продольной кромки.
На фиг. 6 показан другой вариант исполнения нижней обшивки 1, в котором первичный элемент 10 жесткости выполнен с клиновидным схождением в направлении узких сторон элемента управляющей поверхности. Кроме этого установлены различные вторичные элементы 11 жесткости в виде перемычек или стенок, примыкающие к первичному элементу 10 жесткости. Как и в варианте по фиг. 4, проходящие V-образно вторичные элементы 11 жесткости соединены с третичными элементами 17 жесткости. В этом варианте исполнения вторичные элементы 11 жесткости с I-образным, L-образным или Т-образным поперечным сечением выполнены с полностью заполненным поперечным сечением в отличие от описанных выше вторичных элементов 11 жесткости в виде углублений на нижней обшивке 1. Вторичные элементы 11 жесткости выполнены предпочтительно интегрировано или монолитно с волокнисто-композитным элементом.