ФЮЗЕЛЯЖ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА И ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ С ТАКИМ ФЮЗЕЛЯЖЕМ
AIRCRAFT FUSELAGE OF COMPOSITE AND AIRCRAFT WITH SUCH FUSELAGE

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к конструкции фюзеляжа летательного аппарата, выполненного из композиционного материала.
Изобретение относится также к летательному аппарату с таким фюзеляжем.
Уровень техники
Классически фюзеляж летательного аппарата содержит панели, установленные и закрепленные на внутреннем каркасе, образуя после соединения аэродинамическую наружную обшивку. В частности, внутренний каркас состоит из шпангоутов, равномерно распределенных по всей длине фюзеляжа и расположенных поперечно продольной оси фюзеляжа. Шпангоуты имеют по существу круглую форму, например, кольцевую или овальную, или содержат два или три лепестка, или имеют любую другую подобную форму. Внутренний каркас содержит также стрингеры, расположенные вдоль продольной оси фюзеляжа.
Внутренний каркас фюзеляжа служит для придания фюзеляжу необходимой механической прочности. Так, шпангоуты обеспечивают повышение окружной жесткости фюзеляжа, то есть на периферии фюзеляжа, а стрингеры обеспечивают продольную жесткость.
Обычно элементы фюзеляжа и его конструкции (панели, шпангоуты, стрингеры) выполняют из металлического материала. Это позволяет достичь хорошей механической жесткости и, кроме того, обеспечивает формирование электрической сети для подключения на массу электрических систем летательного аппарата. Таким образом, обратную связь по функциональным токам и токам короткого замыкания обеспечивают металлические элементы конструкции.
В настоящее время распространение в области авиации композиционных материалов, содержащих смесь волокон и смолы, позволяет получить значительный выигрыш в массе при сохранении и даже улучшении механических характеристик конструктивных элементов фюзеляжа. Например, в документе WO 2007/071879 описан фюзеляж, содержащий наружную обшивку из композиционного материала, закрепленную на внутреннем металлическом каркасе. Чтобы оптимизировать выигрыш в массе, панели наружной обшивки, шпангоуты и стрингеры можно выполнять из композиционного, а не из металлического материала. Узлы крепления, например фиксаторы, обеспечивающие соединение различных элементов между собой, можно тоже выполнять из композиционного материала.
Однако композиционные материалы обладают слабой электрической проводимостью. В частности, конструктивные элементы фюзеляжа из композиционного материала не могут образовать линии обратной связи по току. Использование композиционного материала для конструктивных элементов фюзеляжа требует добавления специальной линии обратной связи. Таким образом, выигрыш в массе, получаемый за счет использования композиционного материала, теряется из-за добавления средств обеспечения обратной связи по току. Поэтому выигрыш в массе по совокупности конструктивных элементов фюзеляжа оказывается незначительным.
Таким образом, известные технические решения не позволяют добиться удовлетворительного компромисса между экономией массы, необходимой механической жесткостью фюзеляжа и подключением на массу электрических систем.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является создание конструкции фюзеляжа летательного аппарата из композиционного материала, в которой устранены недостатки известных технических решений, а также летательного аппарата с таким фюзеляжем.
Задача изобретения решена за счет того, что в фюзеляже летательного аппарата, выполненном из композиционного материала и содержащем по меньшей мере один шпангоут из первого материала, по меньшей мере одну панель наружной обшивки из композиционного материала и множество узлов крепления указанной панели на указанном шпангоуте, распределенных по окружности указанного шпангоута, согласно изобретению, указанные узлы крепления выполнены из второго материала, по существу обладающего большей электрической проводимостью, чем указанные композиционный материал и первый материал, при этом указанные узлы крепления установлены с возможностью контакта друг с другом с образованием последовательного соединения.
Таким образом, множество узлов крепления обеспечивают соединение панели (панелей) наружной обшивки со шпангоутом (шпангоутами), дополнительно обеспечивая функцию обратной связи по току для электрических систем. Изобретение позволяет уменьшить число конструктивных элементов, поскольку не использует элементов, специально предназначенных для линии обратной связи, реализуемой при помощи вышеуказанных узлов крепления. Это позволяет оптимизировать общую массу конструкции фюзеляжа. Иными словами, принцип изобретения является оригинальным и отличается от известных технических решений, поскольку узлы крепления одновременно обеспечивают функцию соединения и электрическую функцию, что позволяет избежать использования элементов, специально предназначенных для обратной связи по току.
Предпочтительно второй материал является металлическим материалом. Действительно, металлы обладают высокой электрической проводимостью, необходимой для реализации линий обратной связи. Таким образом, когда в дополнение к панелям шпангоуты тоже выполнены, например, из композиционного материала, содержащего смесь волокон и смолы, то, поскольку композиты являются плохими проводниками электричества, обратная связь по току обеспечивается узлами крепления. За счет этого получается большой выигрыш в массе.
Предпочтительно второй материал является металлическим материалом, к которому добавляют слой волокон. Таким образом, этот тип материала обеспечивает обратную связь по току за счет своей высокой электрической проводимости, сохраняя повышенную стойкость к механическим напряжениям за счет наличия армирующих волокон.
В одном из вариантов выполнения каждый узел крепления содержит по существу плоскую основную часть, проходящую в окружном направлении фюзеляжа, вспомогательную часть, находящуюся на наружном окружном крае основной части и проходящую по существу перпендикулярно к основной части, и по меньшей мере одну соединительную часть, находящуюся на боковом крае основной части и проходящую в окружном направлении фюзеляжа, последовательно соединяя парами узлы крепления из указанного их множества.
Таким образом, главная и вспомогательная части обеспечивают соединение панелей и шпангоутов, а соединительная часть позволяет реализовать электрический контакт между узлами крепления, обеспечивая прохождение тока короткого замыкания и функционального тока.
Преимущественно зона соединительной части каждого узла крепления является зоной предпочтительной деформации. Эта зона может деформироваться в случае относительного смещения в окружном направлении между узлами крепления. Это относительное смещение происходит при больших температурных колебаниях. Поскольку узлы крепления выполнены из материала, отличного от материала панелей и шпангоутов, их коэффициенты расширения различаются. Чтобы избежать относительного смещения за счет различий в расширении между узлами крепления, панелями и шпангоутами, образуют зону предпочтительной деформации. Эта зона деформируется таким образом, чтобы избежать любого механического напряжения, которое может ослабить элементы конструкции фюзеляжа.
В одном из вариантов выполнения фюзеляжа наружную обшивку крепят на по меньшей мере одном стрингере, расположенном вдоль продольного направления фюзеляжа. Зона по меньшей мере одного бокового края основной части каждого узла крепления имеет соответствующую форму для прохождения указанного стрингера.
Предпочтительно по меньшей мере одна зона наружного окружного края основной части каждого узла крепления имеет соответствующую форму для прохождения указанного стрингера. Так, в каждом узле крепления можно выполнить в окружном направлении несколько проходов.
Как вариант, каждый узел крепления может содержать по меньшей мере одну вторую вспомогательную часть, проходящую по существу перпендикулярно к основной части и расположенную по существу параллельно находящейся напротив поверхности указанного стрингера. Вторая вспомогательная часть соединена с боковым краем основной части. Таким образом, узлы крепления позволяют соединять стрингеры с панелями и шпангоутами.
Объектом изобретения является также летательный аппарат, содержащий описанный выше фюзеляж.
Другие особенности и преимущества изобретения будут более понятны из дальнейшего описания предпочтительных вариантов его осуществления, представленных в качестве неограничивающих примеров со ссылками на прилагаемые чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 схематично показана часть фюзеляжа летательного аппарата в соответствии с настоящим изобретением, вид в перспективе;
на фиг.2а показана часть конструкции фюзеляжа в соответствии с настоящим изобретением, содержащая панель наружной обшивки, закрепленную на стрингерах и соединенную со шпангоутами при помощи узлов крепления, вид в перспективе;
на фиг.2b показана часть фюзеляжа, изображенная на фиг.2а, вид в разрезе;
на фиг.3а и 3b показаны варианты выполнения узлов крепления конструкции фюзеляжа в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг.4а, 4b и 4с показаны варианты осуществления изобретения с указанием, в частности, зоны предпочтительной деформации на узлах крепления.
Осуществление изобретения
Как схематично показано на фиг.1, фюзеляж 10 летательного аппарата содержит множество панелей 11 наружной обшивки, закрепленных на внутреннем каркасе. В предпочтительном варианте осуществления изобретения панели 11 выполнены из композиционного материала, представляющего собой смесь волокон и смолы. Фюзеляж 10 может иметь разные размеры и формы в зависимости от типа летательного аппарата, не выходя за рамки настоящего изобретения. Внутренний каркас фюзеляжа 10 по существу состоит из стрингеров 12 и шпангоутов 13. Шпангоуты 13 равномерно распределены по всей длине фюзеляжа 10. Каждый из них расположен в поперечном сечения фюзеляжа 10 перпендикулярно к продольной оси 1-1 фюзеляжа и имеет в основном круглую форму, по существу кольцевую или овальную, или содержит два или три лепестка, или имеет любую другую подобную форму.
L
R
C
L
R
C
В дальнейшем условно будет использована прямая ортогональная система координат (e, e, e), показанная на фиг.1. При этом e является продольным направлением фюзеляжа, совпадающим с его продольной осью I-I, по существу соответствующей оси вращения фюзеляжа, e является радиальным направлением в точке, принадлежащей фюзеляжу, а e является тангенциальным или окружным направлением в этой точке.
L
L
C
На фиг.2а показана часть конструкции фюзеляжа 10, содержащая панель 11 наружной обшивки, закрепленную на стрингерах 12 и соединенную со шпангоутами 13 при помощи узлов 20 крепления или фиксаторов. Стрингеры расположены в продольном направлении e и обеспечивают продольную жесткость фюзеляжа. Шпангоуты расположены в плоскости, по существу перпендикулярной к продольному направлению e, и проходят в окружном направлении II-II, обеспечивая окружную жесткость фюзеляжа. Окружное направление II-II определено как линия, направление e которой является касательным в каждой из ее точек. На фиг.2а и 2b показаны стрингеры 12 Т-образного поперечного сечения, однако возможны и другие формы сечения, например, в виде Z, I, J, Ω-образные или любые формы трапециевидного сечения.
На фиг.2b в разрезе показана часть конструкции фюзеляжа 10, изображенной на фиг.2а. Панель 11 закреплена на по меньшей мере одном стрингере 12. Фиксатор 20 обеспечивает соединение панели 11 со шпангоутом 13, находящимся радиально над стрингером 12. Шпангоут, показанный на фиг.2b, имеет сечение Z-образной формы, однако возможны и другие формы сечения, например, в виде J или С, или любые другие формы подобного типа.
На фиг.3а детально показан фиксатор 20 согласно первому варианту осуществления изобретения. Фиксатор 20 содержит по существу плоскую основную часть 30. Основная часть 30 вписана в плоскость, поперечную продольной оси I-I. Кроме того, плоская форма является по существу кольцевой, так как основная часть 30 проходит в окружном направлении II-II. К наружному окружному краю 32 основной части 30 присоединена вспомогательная часть 31. Термин «наружный» следует понимать как направленный в сторону удаления по радиусу от продольной оси I-I фюзеляжа. Вспомогательная часть 31 расположена по существу перпендикулярно к основной части 30. Основная часть 31 выполнена с возможностью крепления на шпангоуте 13, например, при помощи заклепок или других известных средств. Вспомогательная часть 31 выполнена с возможностью крепления, например, при помощи заклепок или других известных средств на панели 11 наружной обшивки. Фиксатор 20 содержит соединительную часть 33, выполненную на боковом крае 34 основной части 30, которая проходит в окружном направлении II-II. Во время установки множества фиксаторов 20 вдоль шпангоута 13, то есть в окружном направлении II-II, каждая соединительная часть 33 входит в контакт с частью соседнего фиксатора 20, соединяя последовательно фиксаторы 20 парами. Контакт можно обеспечить, например, при помощи заклепок или других известных средств, или за счет упора с усилием. Таким образом, фиксаторы 20 могут быть неподвижно соединены или не соединены между собой.
В этом варианте выполнения фиксаторы 20 обеспечивают соединение панелей 11 со шпангоутами 13. Для обеспечения дополнительной функции электрической обратной связи по току фиксаторы 20 выполняют из материала с электрической проводимостью, большей, чем у материалов панелей 11 и шпангоутов 13. Таким образом, цепь, образованная множеством последовательно соединенных при помощи соединительных частей 33 фиксаторов 20, за счет большей электрической проводимости по сравнению с панелями 11 и шпангоутами 13 обеспечивает электрическую функцию обратной связи по току. Материал фиксаторов 20 может быть металлическим, учитывая высокую электрическую проводимость металлов. Последовательные соединения фиксаторов 20 образуют линию обратной связи по току по существу в окружном направлении. Линии обратной связи могут быть соединены между собой.
Дополнительным преимуществом использования металлических фиксаторов является их хорошее механическое поведение в направлении основного воздействия. Предпочтительно фиксаторы 20 выполняют в виде единой детали из листа, который можно подвергнуть штамповке, а затем загнуть, чтобы сформировать основную часть 30 и по меньшей мере одну вспомогательную часть 31, 35. В этом случае фиксаторы 20 в основном подвергаются напряжению разгибания между главной частью 30 и вспомогательной частью или вспомогательными частями 31, 35. Однако металлические фиксаторы 20 обладают лучшим сопротивлением разгибанию, чем фиксаторы 20 из композиционного материала, являющегося смесью из волокон и смолы. Кроме того, преимуществом изготовления фиксаторов 20 из металлического материала является возможность более быстрого изготовления и с меньшими затратами по сравнению с фиксаторами из композиционного материала.
Фиксаторы 20 можно также выполнить из металлического материала, содержащего, по меньшей мере, один слой армирующих волокон, например типа GLARE, или любого другого материала типа «слоистый материал из металлических волокон» («fiber metal laminates»). Преимуществом этого последнего материала является достаточная электрическая проводимость для обеспечения обратной связи по току, а также повышенное сопротивление деформации за счет наличия армирующих волокон.
В варианте выполнения изобретения, показанном на фиг.3а, фиксатор 20 содержит вторую вспомогательную часть 35, расположенную по существу перпендикулярно к основной части 30 и к вспомогательной части 31 и по существу параллельно находящейся напротив поверхности стрингера 12. Все три части 30, 31, 35 образуют угол наподобие угла чемодана. Вторая вспомогательная часть 35, предназначенная для крепления на находящейся напротив поверхности стрингера 12, расположена на боковом крае 34' основной части 30, противоположном боковому краю 34, на котором выполнена соединительная часть 33. Предпочтительно оба боковых края 34, 34' находятся на концах основной части 30 в окружном направлении. Однако возможны и другие варианты расположения второй вспомогательной части. Так, она может находиться на боковом краю 42 соединительной части 33, как показано на фиг.4а. Она может также находиться на боковом краю 34, где находится также соединительная часть 33, как показано на фиг.4с. Следует отметить, что каждый фиксатор 20 может содержать несколько соединительных частей 33, а также несколько вторых вспомогательных частей 32.
На фиг.3b показан вариант выполнения, в котором зона 36 бокового края 34 основной части 30 приспособлена к поперечной форме стрингера 12 для обеспечения его прохождения. В этом случае зона 36 образует открытый полувырез. Во время крепления фиксаторов 20 на панелях 11 и шпангоутах 13 боковой край 34 по существу упирается в находящуюся напротив поверхность стрингера 12. Зона 36 бокового края 34 предназначена для обеспечения прохождения стрингера 12 и для уменьшения любого расстояния, которое могло бы отделить часть 33 соединения рассматриваемого фиксатора 20 с соседним фиксатором 20 с учетом наличия стрингера 12. В одном из вариантов осуществления изобретения наружный окружной край 32 содержит также зону 37, приспособленную к поперечной форме стрингера 13 для его прохождения. В этом случае зона 37 образует открытый вырез. В этом случае фиксатор имеет окружную длину, соответствующую двум расстояниям между стрингерами. Таким образом, эта зона 37 образует зону прохождения стрингера 13 перпендикулярно к фиксатору 20. Вдоль наружного окружного края 32 по окружной длине фиксатора 20 можно выполнить несколько зон 37.
Таким образом, зоны 36 и 37, а также форма фиксаторов приспособлены к форме рассматриваемых стрингеров, однако они могут быть также адаптированы к локальным особенностям, таким, например, как тяги или поперечные балки полов.
R
На фиг.4а, 4b и 4с показаны варианты осуществления изобретения, в которых соединительная часть 33 содержит предпочтительную зону 43 предпочтительной деформации. Если фиксатор 20 содержит две соединительные части 33 и 40, каждая часть может содержать зону предпочтительной деформации, соответственно, 43 и 41. Зоны 41, 43 предпочтительной деформации могут иметь разные формы. На фиг.4а показана зона 41 предпочтительной деформации соединительной части 40 в виде дуги окружности, которая имеет постоянную кривизну и расположена в радиальном направлении e. В этом случае, поскольку радиус кривизны является небольшим, зона 41 деформации по существу остается в центральной плоскости основной части 30 фиксатора 20. На фиг.4b показан фиксатор 20, содержащий две соединительные части 33 и 40, каждая из которых содержит зону 43, 41 предпочтительной деформации. Обе эти зоны могут быть выполнены при помощи классической технологии сгибания или при помощи любой другой технологии. На фиг.4с показан фиксатор 20, соединительная часть 33 которого содержит зону 43 предпочтительной деформации U-образной формы, то есть ее форма содержит последовательность по существу плоских и изогнутых частей. Каждую криволинейную часть можно выполнить путем сгибания для получения U-образной формы.
Таким образом, поскольку коэффициент расширения фиксаторов 20 отличен от коэффициентов расширения панелей 11 и шпангоутов 13, изменение температуры вызывает расширение фиксаторов 20, отличающееся от расширения панелей 11 и шпангоутов 13. Фиксаторы 20 расположены вдоль окружной оси II-II, поэтому окружное расширение фиксаторов 20 может привести к появлению механических напряжений на шпангоутах 13 и панелях 11, что снижает прочность конструкции фюзеляжа 10. Зона 41, 43 предпочтительной деформации выполнена с возможностью деформации при наличии разницы расширений. Таким образом, энергия, создаваемая различным расширением фиксаторов, передается в зоны 41, 43 предпочтительной деформации и не создает механических напряжений, отрицательно сказывающихся на конструкции фюзеляжа 10.
R
Описанные выше зоны 41, 43 предпочтительной деформации выполнены путем сгибания, однако возможны и другие формы зон, например, зоны типа гибкого листа или типа щели, выполненной в радиальном направлении e.
Дополнительным преимуществом наличия соединительной части 33, 40, содержащей или не содержащей зону 43, 41 предпочтительной деформации, является большой допуск позиционирования фиксаторов 20 во время их установки в конструкции фюзеляжа 10.