САМОЛЕТ С ПРЕРЫВАЮЩИМИСЯ ЭЛЕМЕНТАМИ ЖЕСТКОСТИ И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТАКОГО САМОЛЕТА
AIRCRAFT WITH INTERMITTENT BRACES AND MANUFACTURING METHOD

Изобретение относится к самолету с прерывающимися элементами жесткости и способу изготовления такого самолета. В частности, изобретение относится к системе передачи усилий на пересечении усиленного шпангоута и элемента жесткости в фюзеляже и способа изготовления такой системы. Изобретение предназначено для обеспечения эффективной передачи усилий между двумя последовательными частями элемента жесткости самолета. Такой элемент жесткости обычно проходит через усиленный шпангоут фюзеляжа самолета. Изобретение направлено также на обеспечение возможности простого изготовления и монтажа средств передачи усилий при выполнении элемента жесткости с Ω-образным сечением.
Фюзеляж самолета содержит несколько соединенных между собой панелей, образующих фюзеляж. Панели фюзеляжа содержит несколько элементов жесткости. Элементы жесткости выполнены в виде выступающих по отношению к указанным панелям ребер, расположенных вдоль продольной оси фюзеляжа. Кроме того, фюзеляж содержит усиленные шпангоуты, расположенные, в частности, на стыках панелей фюзеляжа. Эти усиленные шпангоуты расположены в плоскости, перпендикулярной к продольной оси фюзеляжа. Таким образом, в фюзеляже существует несколько зон пересечения усиленных шпангоутов с элементами жесткости.
В месте пересечения между элементом жесткости и усиленным шпангоутом элемент жесткости прерывается, чтобы пропустить усиленный шпангоут, следовательно, такой элемент жесткости состоит из нескольких частей. Указанные части находятся на одной линии и отделены друг от друга усиленными шпангоутами. Однако чтобы правильно выполнять свою функцию в фюзеляже летательного аппарата, усилия, действующие на элемент жесткости, должны передаваться от одной части элемента жесткости к другому, несмотря на наличие разрывов.
Известно добавление соединительных деталей на концах частей элементов жесткости для обеспечения непрерывности передачи усилий, несмотря на наличие усиленных шпангоутов. Такие соединительные детали опираются с каждой стороны от усиленного шпангоута и передают через усиленный шпангоут усилия от одной части элемента жесткости к следующему, обеспечивая тем самым непрерывность передачи усилий по кратчайшему пути.
Однако такие соединительные детали являются сложными в изготовлении при выполнении элемента жесткости с Ω-образным поперечным сечением. Под элементами жесткости с Ω-образным поперечным сечением следует понимать элемент жесткости, содержащий две полки и соединяющую их головку. Такая головка имеет вид детали трапециевидного или криволинейного профиля. Две полки, связанные с головкой, придают элементу жесткости в поперечном сечении форму заглавной буквы омега (Ω).
Кроме того, невозможно выполнить соединительные детали полностью из композиционных материалов. Для изготовления соединительных деталей требуется использовать металлические элементы. Однако присутствие металлических элементов создает в фюзеляже проблемы коррозии, а также проблемы веса и термические проблемы.
В области металлов и композитов известно формирование двойных складок в обшивке панели. Такие двойные складки предназначены для повышения жесткости панели. Функцией этих складок является передача усилий от одного участка элемента жесткости к другому, несмотря на наличие усиленных шпангоутов. Такая обшивка закрывает внутреннюю стенку панелей фюзеляжа. Складки образуются за счет создания дополнительного слоя под обшивкой перед прерыванием элемента жесткости. Этот дополнительный слой воспринимает усилия от одной части элемента жесткости до прерывания элемента жесткости и передает их на следующую часть элемента жесткости. Для этого одно крыло складки проходит под усиленным шпангоутом и продолжается под конец следующей части элемента жесткости для эффективной передачи усилий.
Однако наличие таких крыльев-складок под элементом жесткости приводит к изменению толщины обшивки, на которой закреплен этот элемент жесткости. Трудно изготовить элемент жесткости, имеющий Ω-образное поперечное сечение и приспособленный для такого изменения толщины обшивки. Кроме того, усложняется передача усилий от одной части элемента жесткости к другому, что приводит к снижению качества передачи усилий по сравнению с соединительными деталями.
Задачей изобретения является создание устройства, обеспечивающего эффективную передачу усилий между двумя частями элемента жесткости, которое можно выполнить из композиционных материалов и которое при этом является простым в изготовлении и монтаже.
Чтобы достичь непрерывности передачи усилий на всех частях элемента жесткости, несмотря на наличие усиленных шпангоутов, согласно изобретению добавлены детали, соединяющие концы последовательных частей элемента жесткости. В частности, согласно изобретению имеются накладки, перекрывающие обшивку и концы частей элементов жесткости. Такая накладка позволяет отказаться от выполнения складок в обшивке и, следовательно, избежать изменения толщины обшивки под элементом жесткости.
Кроме того, согласно изобретению накладка соединяет две последовательные части элемента жесткости, проходя под усиленным шпангоутом. Такое соединение в сочетании с перекрыванием элемента жесткости обеспечивает эффективную передачу усилий без существенных потерь. Кроме того, такую накладку можно легко выполнить из композиционных материалов, исключая тем самым проблемы, связанные с наличием металлических элементов.
Наконец, такая накладка имеет простую форму, что облегчает ее изготовление и ее установку в фюзеляже.
В связи с этим объектом настоящего изобретения является самолет, содержащий панели фюзеляжа; элемент жесткости с Ω-образным поперечным сечением, расположенный вдоль продольной оси фюзеляжа на панели или на обшивке, покрывающей внутреннюю стенку фюзеляжа; усиленный шпангоут, расположенный в плоскости, перпендикулярной к продольной оси фюзеляжа, при этом элемент жесткости прерывается на пересечении панели с усиленным шпангоутом, разделяясь на две части; а также по меньшей мере одну накладку, перекрывающую концы частей элемента жесткости и соединяющую две последовательные части элемента жесткости. Согласно изобретению накладка расположена между панелью и усиленным шпангоутом, а указанный усиленный шпангоут опирается на накладку.
Изобретение будет более понятно из дальнейшего описания, представленного в качестве неограничивающего примера осуществления со ссылками на прилагаемые чертежи.
На фиг.1 схематично показана часть фюзеляжа, вид в перспективе;
на фиг.2 - часть фюзеляжа согласно первому варианту осуществления изобретения, вид в перспективе;
на фиг.3 - пересечение усиленного шпангоута с элементом жесткости в соответствии с настоящим изобретением, вид в поперечном разрезе;
на фиг.4 - часть фюзеляжа согласно второму варианту осуществления изобретения, вид в перспективе;
на фиг.5 - показана часть фюзеляжа согласно третьему варианту осуществления изобретения, вид в перспективе.
Как показано на фиг.1, фюзеляж 1 содержит несколько соединенных между собой секций 2 в основном цилиндрической формы. Каждая секция 2 содержит несколько соединенных между собой панелей 3 фюзеляжа, образующих цилиндрическую секцию 2.
Для обеспечения определенной прочности конструкции фюзеляж 1 содержит по меньшей мере один, а как правило, несколько элементов жесткости 4. Эти элементы жесткости 4 расположены параллельно продольной оси 100 фюзеляжа 1 на внутренней стенке фюзеляжа 1.
Кроме того, фюзеляж 1 содержит по меньшей мере один, а как правило, несколько усиленных шпангоутов 5. Эти усиленные шпангоуты выполнены в виде балок, имеющих достаточную высоту для обеспечения жесткости, препятствующей значительным деформациям фюзеляжа.
Усиленные шпангоуты 5 расположены на внутренней стенке фюзеляжа 1 в плоскостях, перпендикулярных оси 100 фюзеляжа 1. Таким образом, элементы жесткости 4 расположены вдоль оси, перпендикулярной к плоскостям, в которых находятся усиленные шпангоуты 5.
Чтобы пропустить усиленные шпангоуты 5, элементы жесткости 4 прерываются на каждом пересечении с усиленным шпангоутом 5, следовательно, элемент жесткости 4 оказывается разделенным на несколько частей 6. Таким образом, часть 6 элемента жесткости 4 является либо начальной или конечной частью 6 элемента жесткости 4, начинающейся от конца или от начала элемента жесткости 4 и останавливающейся вблизи усиленного шпангоута 5, либо частью 6 элемента жесткости 4, находящимся между двумя усиленными шпангоутами 5.
Фюзеляж 1 содержит обшивку 7, которая закрывает всю или часть внутренней стенки фюзеляжа 1, то есть внутреннюю стенку панелей 3. В этом случае элементы жесткости 4 можно закрепить на обшивке 7 вместо непосредственного крепления на панелях 3.
На фиг.2 показан схематичный вид в перспективе части фюзеляжа 1 согласно первому варианту осуществления изобретения. В поперечном разрезе элемент жесткости 4 имеет Ω-образную форму. В частности, элемент жесткости 4 содержит основание 8 и головку 9. Основание 8 расположено в боковом направлении с каждой стороны головки 9 элемента жесткости 4. Основание 8 содержит первую полку 10 с одной стороны от головки 9 и вторую полку 11 с другой стороны от головки 9. Первая и вторая полки 10 и 11 расположены параллельно обшивке 7, закрывающей внутреннюю стенку фюзеляжа 1.
Головка 9 содержит две боковины и верхнюю часть. Первая боковина 12 представляет собой плоскость, наклоненную относительно первой полки 10. Эта первая боковина 12 соединяет первую полку 10 с верхней частью 13 головки 9. Верхняя часть 13 головки 9 образует поверхность, параллельную обшивке 7, и находится между первой опорой второй полками 10 и 11. Согласно варианту выполнения, показанному на фиг.2, ширина верхней части 13 меньше расстояния, разделяющего полки 10 и 11. Согласно другим вариантам осуществления изобретения эта ширина может быть больше или равной этому расстоянию.
Вторая боковина 14 представляет собой плоскость, наклоненную относительно второй полки 11. Эта вторая боковина 14 соединяет вторую опору 11 с верхней частью 13 головки 9. Первая полка 10, первая боковина 12, верхняя часть 13 головки 9, вторая боковина 14 и вторая полка 11 образуют в поперечном сечении элемента жесткости 4 Ω-образную форму. Вместе с тем, эту форму можно также получить, если головка 9 содержит только одну изогнутую пластину, соединяющую первую и вторую полки 10 и 11.
Согласно изобретению фюзеляж 1 содержит накладки 15. Накладки 15 располагают на каждом пересечении между усиленным шпангоутом 5 и элементом жесткости 4. В частности, такая накладка перекрывает обшивку 7 в зоне пересечения между усиленным шпангоутом 5 и элементом жесткости 4. Эта накладка образует соединение между двумя последовательными частями 6 элемента жесткости 4, при этом усиленный шпангоут 5 опирается на эту накладку 15.
Накладка 15 перекрывает концы 16 двух последовательных частей 6 элемента жесткости 4. В частности, эта накладка 15 содержит пластинку 17, перекрывающую полку 10, и стенку 18, перекрывающую боковину 12 головки элемента жесткости.
Такая накладка 15 позволяет избежать образования складок в обшивке 7. Отсутствие складок облегчает установку элементов жесткости 4 в местах их пересечений с усиленными шпангоутами 5. Кроме того, накладка 15 обеспечивает эффективную передачу усилий между двумя последовательными участками 6.
Кроме того, накладки 15 можно выполнять полностью из композитных материалов без добавления металлических частей. Такие накладки 15 позволяют исключить термические и коррозионные проблемы, связанные с наличием металлических частей.
Согласно изобретению после прерывания элементов жесткости 4 накладки 15 проходят в боковом направлении, образуя плоскую сплошную поверхность 19, на которую всей своей опорной поверхностью опирается усиленный шпангоут 5. Накладки 15 не создают под усиленным шпангоутом 5 никакого изменения толщины. Отсутствие изменения толщины обеспечивает простую установку усиленного шпангоута 5 в фюзеляже 1 и стабильную опору для этого шпангоута.
Изобретение допускает несколько возможных вариантов выполнения накладок 15.
В первом варианте пластинка 17 первой накладки 20 перекрывает первую полку 10 первого конца 21 первой части 22 элемента жесткости 4. Стенка 18 этой первой накладки 20 перекрывает также первую боковину 12 головки 9 этого первого конца 21.
В зоне прерывания первой части 22 элемента жесткости 4 первая накладка 20 проходит в боковом направлении, то есть перпендикулярно к оси 100 фюзеляжа, и перекрывает обшивку 7 по ширине 35 от продольной оси 101 элемента жесткости 4 до середины полосы шириной 23, разделяющей два находящихся рядом элемента жесткости 4. Кроме того, параллельно оси 100 фюзеляжа первая накладка 20 проходит под усиленным шпангоутом 5, доходя до второй части 24 элемента жесткости 4, следующего за первой частью 22. Эта первая накладка 20 образует соединение между первым концом 21 и вторым концом 25, соответственно, первой части 22 и второй части 24.
В области начала второй части 24 элемента жесткости 4 ширина первой накладки 20 уменьшается. Таким образом, первая накладка 20 перекрывает конец 25 этой второй части 24 точно так же, как она перекрывает конец 21 первой части 22, то есть пластинка 17 первой накладки 20 перекрывает первую опору 10, а стенка 18 первой накладки 20 перекрывает первую боковину 12 конца 25.
В этом варианте выполнения первая накладка 20 и вторая накладка 26 расположены по обе стороны от одного элемента жесткости 4. Вторую полку 11 и вторую боковину 14 головки 9, соответственно, перекрывают пластинка 17 и стенка 18 второй накладки 26. Эта вторая накладка 26 расположена симметрично первой накладке 20 относительно плоскости симметрии элемента жесткости 4.
На фиг.3 в разрезе показано пересечение усиленного шпангоута с элементом жесткости в соответствии с настоящим изобретением. В зоне прохождения усиленного шпангоута 5 элемент жесткости 4 прерывается: он делится на две части (22, 24). Концы 21 и 25 указанных частей снабжены накладками 15. Таким образом, две накладки 15 полностью перекрывают обшивку 7 или панели 3 фюзеляжа между двумя частями 22 и 24 элементов жесткости 4 по всей опорной поверхности усиленного шпангоута 5.
На фиг.4 показан схематичный вид в перспективе части фюзеляжа согласно второму варианту осуществления изобретения. В этом варианте в одной накладке 27 объединены две накладки 20 и 26, показанные на фиг.2. Эта накладка 27 перекрывает концы 21 и 25 элемента жесткости 4 аналогично двум накладкам 20 и 26.
На фиг.5 показан вид в поперечном разрезе элемента жесткости и накладки согласно третьему варианту осуществления изобретения. Согласно этому варианту накладка 28 перекрывает первую полку 10 и первую боковину 12 первого элемента жесткости 29. Эта же накладка 28 перекрывает также вторую полку 11 и вторую боковину 14 второго элемента жесткости 30. Первый элемент жесткости 29 и второй элемент жесткости 30 расположены в фюзеляже 1 параллельно и рядом друг с другом. Накладка 28 перекрывает такую же площадь обшивки 7, что и накладка 20 первого элемента жесткости 29, связанная с второй накладкой 26 второго элемента жесткости 30 согласно описанному выше первому варианту осуществления изобретения.
Такие накладки 15 можно располагать на концах 16 элемента жесткости 4, не прерываемых наличием усиленного шпангоута 5, то есть в начале или в конце элемента жесткости 4. Этими накладками оборудуют концы элемента жесткости 4. Эти накладки в начале и конце элемента жесткости перекрывают конец 16 части 6 элемента жесткости 4, соответствующий его началу или концу, и останавливаются на обшивке 7 или панели 3 фюзеляжа, не образуя соединения с другим концом 16 другой части 6. Эти накладки начала и конца предназначены для передачи усилий в элемент жесткости 4 в начале элемента жесткости 4 или, наоборот, для передачи усилий от элемента жесткости 4.
Возможны два варианта передачи усилий.
В первом варианте, как показано на фиг.2, полки 10 и 11 элемента жесткости 4 прерываются дальше от усиленного шпангоута 5, чем головка 9 элемента жесткости. Это прерывание полок 10 и 11 на более удаленном расстоянии от усиленного шпангоута 5, чем прерывание головки 9 элемента жесткости 4, обеспечивает передачу нагрузок от элемента жесткости 4 в накладку 15 сначала через полки 10 и 11, затем через боковины 12 и 14 головки 9 элемента жесткости 4 и, наконец, через верхнюю часть 13 головки 9 элемента жесткости 4.
Согласно этому первому варианту прерывание накладки 15, то есть уровень, до которого накладка 15 перекрывает конец 16 элемента жесткости 4, находится ближе к усиленному шпангоуту 5 на боковинах 12 и 14 головки 9, чем на опорах 10 и 11. В этом случае стенка 18 накладки 15 резко уменьшает свою площадь перекрывания боковин головки 9 элемента жесткости на уровне, более близком к усиленному шпангоуту 5, чем прерывание пластинки 17. После этого уменьшения стенка 18 выглядит в виде суженной стенки 31, опирающейся на небольшую часть поверхности боковины элемента жесткости 4 до полного прерывания окончания 15. Пластинка 17 и суженная стенка 31 заканчиваются на одном уровне.
Во втором варианте, показанном на фиг.4, головка 9 элемента жесткости 4 прерывается на уровне, более удаленном от усиленного шпангоута 5, чем полки 10 и 11 элемента жесткости 4. В этом варианте прерывание головки 9 элемента жесткости 4 происходит в плоскости, наклоненной относительно верхней части 13. Согласно этому варианту, кроме перекрывания полок 10 и 11 элемента жесткости 4, а также боковин 12 и 14 головки 9 элемента жесткости 4, накладка 15 перекрывает часть 32 наклонной плоскости прерывания головки 9. Таким образом, накладка 15 содержит упор 33, перекрывающий головку 9 элемента жесткости 4 в наклонной плоскости прерывания головки 9, опираясь на эту головку 9.
Согласно этому варианту нагрузка передается от элемента жесткости 4 в накладку 15 сначала через верхнюю часть 13 головки 9 элемента жесткости 4, затем через боковины 12 и 14 головки 9 и, наконец, через полки 10 и 11 элемента жесткости 4.
Согласно этому второму варианту прерывание накладки 15 на конце 16 части 6 элемента жесткости 4 находится ближе к усиленному шпангоуту 5 на полках 10 и 11, чем на боковинах 12 и 14 головки 9. В этом случае стенка 18 доходит до более удаленного места от усиленного шпангоута 5, чем пластинка 17.
Кроме того, накладка 15 содержит средство сохранения соосности двух последовательных частей 6 элемента жесткости, прерываемого усиленным шпангоутом 5.
Согласно второму варианту, то есть варианту, согласно которому полки 10 и 11 элементов жесткости 4 прерываются ближе к усиленному шпангоуту 5, чем головка 9, в стенке 18 в области конца головки 9 выполнена зона 34 уменьшенной толщины. Такая ослабленная зона 34 позволяет слегка сгибать стенку 18, чтобы сохранить соосность различных частей 6 элемента жесткости 4. Действительно, во время установки различных частей 6 элемента жесткости 4 очень часто трудно сохранить идеальную соосность частей 6.
Преимущество накладки 15 в соответствии с настоящим изобретением заключается в средствах изготовления этой накладки 15. Действительно, для выполнения этой накладки 15 в соответствии с настоящим изобретением можно использовать самые разнообразные средства изготовления и установки.
Так, накладка 15 из композиционных материалов и обшивка 7 в соответствии с изобретением могут быть выполнены совместно и одновременно. Точно так же могут быть выполнены совместно и одновременно накладка 15 из композиционных материалов и элементы жесткости 4. Согласно другому решению накладку 15 изготавливают отдельно от элементов жесткости 4, а затем крепят ее на элементе жесткости 4 и на обшивке 7. Накладки 15 можно, например, закрепить на полимеризованной обшивке 7 при помощи клея или закрепить на элементах жесткости 4 и на обшивке 7 при помощи болтов.
Согласно изобретению описанные выше варианты выполнения накладок можно комбинировать между собой. Так, например, элемент жесткости можно перекрывать с одной стороны накладкой 20 согласно первому варианту ее выполнения, а с другой стороны - накладкой 28 согласно третьему варианту ее выполнения. Можно также комбинировать и варианты осуществления изобретения. Например, элемент жесткости может содержать первую полку 10, заканчивающуюся ближе к усиленному шпангоуту 5, чем головка 9, а головка 9 заканчивается ближе к усиленному шпангоуту 5, чем вторя полка 11.