ФЮЗЕЛЯЖ ПОВЫШЕННОГО ДАВЛЕНИЯ ВОЗДУШНОГО СУДНА
AIRCRAFT HIGHER-PRESSURE FUSELAGE

Область применения изобретения
Настоящее изобретение имеет отношение к созданию фюзеляжа повышенного давления воздушного судна, причем указанный фюзеляж в продольном направлении содержит несколько секций фюзеляжа, при этом по меньшей мере один задний куполообразный гермошпангоут предусмотрен для того, чтобы образовать внутреннюю, область повышенного давления воздушного судна, причем предусмотрен кольцеобразный профиль каркасного элемента для радиального наружного крепления указанного куполообразного гермошпангоута по меньшей мере к одной секции фюзеляжа.
Область применения настоящего изобретения преимущественно связана с разработкой воздушных судов гражданского назначения. Для перевозки пассажиров или грузов обычно используют воздушные суда с широким фюзеляжем, причем указанный фюзеляж может быть разделен на несколько уровней. Таким образом, кроме конструкций намотанного фюзеляжа существуют также конструкции фюзеляжа, построенные с использованием так называемой концепции разделения оболочки. Фюзеляжи новейших воздушных судов представляют собой несущую (силовую) конструкцию. В оболочках фюзеляжа, приложенные в продольном направлении силы и скручивающие усилия, которые действуют перпендикулярно к продольному направлению, созданы, среди прочего, за счет крыльев, двигателей и хвостового оперения. Очень высокая механическая прочность внешней оболочки, противодействующая приложенным к ней силам, обеспечена главным образом за счет трубчатой удлиненной конструкции фюзеляжа. Внутри конструкции оболочки, идущие в продольном направлении стрингеры, в сочетании с идущими по окружности кольцеобразными каркасными элементами, обеспечивают требующуюся прочность фюзеляжа. Стрингеры и каркасные элементы предотвращают образование впадин и т.п.во внешней оболочке, причем следует иметь в виду, что указанные впадины могут ухудшать механическую несущую способность внешней оболочки при воздействии продольных сил, поперечных сил и скручивающих усилий.
Транспортирование груза, и в частности пассажиров, на больших высотах полета требует соответствующего поддержания приблизительно атмосферного давления внутри фюзеляжа. Для этого, фюзеляж содержит внутреннюю область повышенного давления воздушного судна, в которой давление повышено до атмосферного давления. Как правило, кроме пассажирского салона, в грузовом отсеке воздушного судна также поддерживают атмосферное давление. Снаружи от внутренней области повышенного давления воздушного судна преимущественно расположены комплекты оборудования и т.п. В контексте настоящего изобретения, фюзеляж этого типа называют как "фюзеляж повышенного давления".
Фюзеляж повышенного давления может иметь несколько секций фюзеляжа, которые используют вместо или в дополнение к разделению оболочки, в частности, в конструкциях очень длинных фюзеляжей. Настоящее изобретение также может быть использовано в случае фюзеляжей, построенных с использованием концепции разделения оболочки, с совпадающими или другими секциями разделения.
Из патента DE 102006027707 А1 известен фюзеляж повышенного давления воздушного судна общего назначения. В задней области фюзеляжа повышенного давления, внутренняя область повышенного давления воздушного судна, салон, переходит сзади в негерметичную область. В этой области, несущая внешняя оболочка поддерживается внутренними идущими продольно стрингерами и каркасными элементами, расположенными перпендикулярно к ним. Каркасные элементы имеют конфигурацию, которая соответствует поперечному сечению внешней оболочки, которое по существу является кольцеобразным. Опорная конструкция, которая образована при помощи стрингеров и каркасных элементов, сама по себе не создает механическую несущую способность или обеспечивает только незначительную механическую несущую способность. В этой секции фюзеляжа, несущая способность возникает только при взаимодействии с внешней оболочкой. За счет наличия перепада давлений между фюзеляжем повышенного давления и негерметичной задней областью, возникают силы, действующие в продольном направлении на силовую перегородку, которая образует границу. Для придания перегородке соответствующей механической прочности относительно этих сил, предусмотрены различные стойки. Кроме того, куполообразный гермошпангоут, который изогнут наружу в направлении негерметичной задней области, встроен в силовую перегородку. Соединение между радиально внешней краевой областью изогнутого куполообразного гермошпангоута и смежным каркасным элементом должно быть герметическим и прочным, принимая во внимание приложенные нагрузки. Это решение в соответствии с известным уровнем техники связано с тем недостатком, что требуется достаточно сложное соединение с различными стойками (распорками), что приводит к значительным расходам, связанным с установкой (монтажом).
В патенте DE 102007052140 А1 раскрыто другое техническое решение для крепления куполообразного гермошпангоута внутри фюзеляжа повышенного давления воздушного судна. Конструкция фюзеляжа содержит кольцеобразный основной сегмент, который содержит поперечное отверстие, которое закрыто при помощи куполообразного гермошпангоута. Несколько стоек растяжения соединяют куполообразный гермошпангоут с кольцеобразным основным сегментом, что позволяет поглощать нагрузки, воздействующие на куполообразный гермошпангоут как растягивающие нагрузки. Эти технические решения позволяют избежать использования армирующих элементов, которые подвергаются изгибающим нагрузкам. Поэтому стойки растяжения могут быть сконструированы с меньшим поперечным сечением, что в свою очередь приводит к снижению веса.
Однако герметичное соединение куполообразного гермошпангоута со смежной секцией фюзеляжа требует использования дополнительных компонентов, в частности, изогнутых кольцевых каркасных элементов со специальными радиусами изгиба, которые прочно прикреплены к секции фюзеляжа при помощи опорных угольников. Поэтому трудно произвести установку достаточно большого числа соединительных элементов и опорных элементов. В частности, когда соединяют заклепками куполообразный гермошпангоут с соответствующими опорными элементами, для установки заклепок требуется доступ с двух сторон к куполообразному гермошпангоуту. Это необходимо потому, что в заклепку ударяют с одной стороны, в то время как ее необходимо поддерживать с противоположной стороны. Принимая во внимание геометрическую форму, невозможно практическое применение заклепок сжатия. Более того, доступ со стороны задней области затруднен по причине малой высоты доступа. По этой причине, куполообразный гермошпангоут обычно устанавливают на воздушном судне на достаточно раннем этапе установки. Любая установка систем заранее поэтому в лучшем случае возможна только в ограниченной степени. Более того, при сверлении отверстий под заклепки, на обеих сторонах куполообразного гермошпангоута образуется стружка, которую достаточно трудно удалять. Предпосылки к созданию изобретения
Задачей настоящего изобретения является создание фюзеляжа повышенного давления воздушного судна, куполообразный гермошпангоут которого может быть установлен простым образом, с использованием небольшого числа соединительных элементов и опорных элементов.
Эта задача решена за счет фюзеляжа повышенного давления в соответствии с п.1 формулы изобретения. В последующих зависимых пунктах формулы изобретения раскрыты предпочтительные усовершенствования изобретения.
В соответствии с настоящим изобретением предлагается специальный профиль каркасного элемента, предназначенный для крепления куполообразного гермошпангоута, который содержит U-образную секцию профиля, на стороне куполообразного гермошпангоута, причем первая концевая-боковая ветвь указанной секции профиля прикреплена к задней части куполообразного гермошпангоута при помощи соединительного средства, а удлиненная идущая радиально наружу вторая ветвь указанной секции профиля образует соединение по меньшей мере с одной секцией фюзеляжа так, что соединительное средство может быть установлено единственно из внутренней области повышенного давления воздушного судна.
Решение в соответствии с настоящим изобретением обеспечивает преимущество, в частности, связанное с тем, что для функционально объединенного специального профиля каркасного элемента необходимо меньшее число индивидуальных компонентов для осуществления крепления куполообразного гермошпангоута. Таким образом, соответственно снижается число индивидуальных позиций соединения. В целом, решение в соответствии с настоящим изобретением позволяет снизить трудоемкость. В частности, теперь требуется доступ только с одной стороны, а именно, из внутренней области повышенного давления воздушного судна, что позволяет не использовать монтажников с двух сторон куполообразного гермошпангоута, чтобы произвести соединения, преимущественно в виде заклепочных соединений, между профилем каркасного элемента и куполообразным гермошпангоутом. За счет установки с одной стороны, теперь становится возможным использование заклепок сжатия вместо ударных заклепок. Более того, решение в соответствии с настоящим изобретением создает предпосылки для последующей установки в процессе изготовления воздушного судна, что позволяет устанавливать системы заранее на силовой перегородке.
Другими словами, в соответствии с настоящим изобретением куполообразный гермошпангоут может быть прикреплен непосредственно к функционально объединенному профилю каркасного элемента. Таким образом, больше не нужно использовать дополнительную переходную деталь вместе с соединительным средством.
В соответствии с настоящим изобретением предусмотрены также несколько стоек растяжения, которые расположены с промежутками друг от друга вдоль окружности куполообразного гермошпангоута, причем указанные стойки растяжения одним концом прикреплены к ободу куполообразного гермошпангоута при помощи соединительных средств, а другим концом прикреплены к смежной секции фюзеляжа на стороне области повышенного давления, В соответствии с их технической функцией, стойки растяжения подвергаются воздействию только растягивающих нагрузок, за счет чего исключается любой изгиб профиля каркасного элемента в соответствии с настоящим изобретением в результате перепада давлений между внутренней областью повышенного давления воздушного судна и внешней областью, которая подвержена меньшему давлению в полете. За счет чего обеспечивается требуемая статическая устойчивость конструкции в критической радиально внешней области куполообразного гермошпангоута.
Каждая стойка растяжения преимущественно выполнена как металлическая рейка с соответствующей прочностью на растяжение, которая в обеих концевых областях имеет отверстия для приема соединительных средства, а преимущественно заклепок. Следовательно опорная функция, обеспечиваемая за счет стойки растяжения, может быть реализована при помощи относительно легкой конструкции.
В соответствии с настоящим изобретением удлиненная идущая радиально наружу вторая ветвь профиля каркасного элемента идет к Т-образной секции профиля, при помощи поперечины которой произведено крепление по меньшей мере к одной секции фюзеляжа. Для этого также подходят заклепки, которые закрепляют на обеих сторонах удлиненной ветви, на обоих концах поперечины. Таким образом, отсутствуют дополнительные профильные компоненты или другие аналогичные вспомогательные конструктивные элементы, необходимые для крепления профиля каркасного элемента в соответствии с настоящим изобретением к соответствующей секции фюзеляжа.
Две смежные секции фюзеляжа преимущественно могут быть соединены друг с другом при помощи поперечины Т-образной профильной секции. Это можно сделать без перекрывающего зазор каркасного элемента, который мог бы потребоваться в противном случае.
Решение в соответствии с настоящим изобретением может быть реализовано в случае различных концепций конструкции фюзеляжа. Таким образом, фюзеляж в области повышенного давления, которая ориентировочно совпадает с пассажирским салоном, может быть сконструирован из продольно разделенных половин оболочки. В этом случае, профиль каркасного элемента в соответствии с настоящим изобретением на стороне области повышенного давления необходимо соединить с двумя половинами оболочки, каждая с углом 180°, в то время как задняя секция фюзеляжа обычно образует полное кольцо с углом 360° в положении соединения. Для приспособления к тому и другому, в соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, профиль каркасного элемента в соответствии с настоящим изобретением конструируют разделенным, причем каждый компонент профиля каркасного элемента образует кольцевой сегмент с углом до 180°.
С другой стороны, если необходимо сконструировать фюзеляж в виде так называемого намотанного фюзеляжа, то тогда в положении соединения с профилем каркасного элемента в соответствии с настоящим изобретением используют сплошное кольцо, как и в случае задней секции фюзеляжа. Для приспособления к вышеуказанному, профиль каркасного элемента конструируют как одну деталь, которая, таким образом, образует полное кольцо с углом 360°.
Как это обычно требуется при конструировании воздушного судна, профиль каркасного элемента должен быть возможно более легким. Чтобы решить эту задачу, предлагается изготавливать профиль каркасного элемента, содержащий U-образную секцию профиля и Т-образную секцию профиля, как фрезерованную деталь, изготовленную из легкого металла. Например, титан или титановый сплав может быть использован в качестве легкого металла, что позволяет обеспечивать соответствующую прочность материала. Вместо технологии фрезерования, для изготовления профиля каркасного элемента также может быть использована технология литья. Как правило, после литья требуется по меньшей мере частичная механическая обработка.
Для того, чтобы образовать статические узлы между профилем каркасного элемента в соответствии с настоящим изобретением и стрингерами, которые идут вдоль него, предлагается использовать специальные соединительные компоненты стрингера, которые расположены с двух сторон профиля каркасного элемента. Форма соединительных компонентов стрингера совпадает с формой компонентов, которые присоединены в области статического узла.
Предлагается слоистая конструкция, идущая снаружи внутрь и образованная с введением в нее вышеупомянутых компонентов, в которой на внешнюю оболочку смежных секций фюзеляжа изнутри накладывают ленту уплотнения зазора, после чего устанавливают Т-образную секцию профиля каркасного элемента с перекрытием зазора, после чего концевые области двух соединительных компонентов стрингера устанавливают внутри области повышенного давления или снаружи от нее. И в этом случае крепление преимущественно осуществляют при помощи заклепок.
Для осуществления компенсации зазора предусмотрено использование так называемого прокладочного материала, который известен сам по себе и который в сочетании с профилем каркасного элемента, сконструированным в соответствии с настоящим изобретением, может быть очень легко введен в зазор между смежными секциями фюзеляжа.
Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 схематично показан вид сбоку воздушного судна с фюзеляжем повышенного давления, который содержит несколько секций фюзеляжа без разделения оболочки.
На фиг.2 схематично показан вид сбоку воздушного судна с фюзеляжем повышенного давления, который содержит несколько секций фюзеляжа с разделением оболочки.
На фиг.3 схематично показан вид сбоку фюзеляжа воздушного судна в области куполообразного гермошпангоута.
На фиг.4 схематично показана с частичным увеличением область положения соединения между куполообразным гермошпангоутом и смежными секциями фюзеляжа, показанного на фиг.3.
Подробное описание изобретения
На фиг.1 показан вид сбоку фюзеляжа повышенного давления воздушного судна, который содержит несколько секций 1а-1е фюзеляжа, которые на краях соединены при помощи замкнутых овальных кольцевых поперечных сечений, чтобы получить длинный фюзеляж повышенного давления. Между секцией 1f фюзеляжа, которая образует заднюю область, и смежной секцией 1е фюзеляжа при помощи специального профильного каркасного элемента 5 прикреплен задний куполообразный гермошпангоут 2, который разделяет внутреннюю область 3 повышенного давления воздушного судна от негерметичной задней области, объединенной с секцией 1f фюзеляжа. Внутри внутренней области 3 повышенного давления воздушного судна находится пассажирский салон, а также расположенный под ним грузовой отсек.
В отличие от этого, на фиг.2 схематично показан фюзеляж повышенного давления, выполненный в соответствии с концепцией так называемого разделения оболочки. Кроме обычной секции 1а фюзеляжа, которая образует переднюю область, и обычной секции 1f фюзеляжа, которая образует заднюю область, внешняя оболочка фюзеляжа повышенного давления содержит внутреннюю область 3 повышенного давления воздушного судна, разделенную на две части. Эта область 3 содержит верхнюю половину 4а оболочки и нижнюю половину 4b оболочки. Обе половины 4а и 4b заканчиваются сзади куполообразным гермошпангоутом 2, так что на стороне внутренней области 3 повышенного давления воздушного судна, две половины 4а и 4b оболочки примыкают к профилю 5' каркасного элемента, который крепит куполообразный гермошпангоут 2 к фюзеляжу повышенного давления.
Как это показано на фиг.3, при согласовании с изогнутой формой в виде диска куполообразного гермошпангоута 2, профиль 5 каркасного элемента выполнен кольцеобразным. Кроме обеспечения крепления куполообразного гермошпангоута 2, указанный профиль 5 каркасного элемента также служит для механического соединения секции 1е фюзеляжа, в которой давление повышено до атмосферного давления, с негерметичной задней секцией 1f фюзеляжа.
На фиг.4 показан специальный профиль 5 каркасного элемента на стороне куполообразного гермошпангоута, который содержит U-образную секцию профиля, первая концевая-боковая ветвь 6 которой прикреплена сзади к куполообразному гермошпангоуту 2 при помощи соединительных средств 7, выполненных в виде заклепок. В отличие от этого, удлиненная идущая радиально наружу вторая ветвь 8 U-образной секции профиля создает соединение с двумя секциями 1е и 1f фюзеляжа. Для этого, удлиненная идущая радиально наружу вторая ветвь 8 профиля 5 каркасного элемента идет к Т-образной секции профиля. Ее поперечина 9 служит для перекрывающего (мостового) крепления смежных секций 1е и 1f фюзеляжа, а именно, также при помощи заклепок (для упрощения чертежа не показаны).
Для обеспечения соответствующей прочности положения соединения, образованного при помощи профиля 5 каркасного элемента, в дополнение к вышеуказанному предусмотрены несколько стоек 10 растяжения, расположенных с промежутками друг от друга вдоль окружности куполообразного гермошпангоута 5. Аналогично, один конец индивидуальной стойки 10 растяжения прикреплен к куполообразному гермошпангоуту 2 при помощи соединительного средства 7, и, аналогично, другой конец также прикреплен к соответствующей секции 1е фюзеляжа на стороне повышенного давления.
Идущие в продольном направлении стрингеры 11 образуют статический узел за счет соединительных компонентов 12а и 12b стрингера, расположенных на обоих сторонах профиля 5 каркасного элемента.
Слоистая конструкция в области узла образована в направлении снаружи внутрь за счет того, что на внешнюю оболочку 13 смежных секций 1е и 1f фюзеляжа изнутри накладывают ленту (14) уплотнения зазора, после чего устанавливают поперечину 9 Т-образной секции профиля 5 каркасного элемента с перекрытием зазора. В этом положении, два соединительных компонента 12а и 12b стрингера поддерживаются как зажимные губки. Все вышеупомянутые компоненты жестко соединены при помощи заклепок (не показаны).
Список позиционных обозначений
1 Секция фюзеляжа
2 Куполообразный гермошпангоут
3 Область повышенного давления
4 Половина оболочки
5 Профиль каркасного элемента
6 Первая ветвь
7 Соединительное средство
8 Вторая ветвь
9 Поперечина
10 Стойка растяжения
11 Стрингер
12 Соединительный компонент стрингера
13 Внешняя оболочка
14 Лента для уплотнения зазора