ИНТЕГРИРОВАННЫЙ КРЫЛЬЕВОЙ ТОПЛИВНЫЙ БАК САМОЛЁТА
INTEGRATED WING TANK OF AIRCRAFT

Изобретение относится к крыльевым топливным бакам летательных аппаратов.
Известны топливные баки самолетов, расположенные в крыльях, см. а.с. СССР №146651. Их недостатком является то, что они имеют значительный вес. Известны также баки-кессоны, но они также имеют свой недостаток - их герметичность часто нарушается из-за деформаций крыла при полетных нагрузках. А их ремонт очень затруднителен. Известны также применяемые в качестве силовых элементов профили круглого сечения (трубы), см. патент России №2033940.
В настоящее время экологические и экономические соображения делают целесообразным использование газообразного топлива - сжиженного пропана или сжатого метана. В технике емкости для них называют баллонами, но в дальнейшем мы будем называть их авиационным термином «баки». Особенность таких баков еще и в том, что они не могут иметь произвольную форму. Из-за достаточно большого внутреннего давления они должны иметь круглую в сечении форму - сфера, цилиндр, эллипсоид вращения.
Использование таких баков весьма проблематично - из-за достаточно большого внутреннего давления их стенки должны быть достаточно толстыми и, следовательно, их масса будет неприемлемой для самолета.
Задача изобретения - сделать экономически и технически целесообразной постройку и эксплуатацию самолетов на газовом топливе.
Технический результат изобретения заключается в использовании прочной конструкции бака (баков) в качестве продольного несущего элемента конструкции крыла - в качестве лонжерона (лонжеронов). А также при наличии нескольких баков возможен второй технический результат - использование связки соединенных между собой и с обшивкой баков в качестве элемента поперечной прочности крыла - в качестве заменителя нервюр.
Для этого данный бак/баки имеют вид расположенных во внутренней полости крыла герметичных цилиндров (в крыле постоянной хорды), или прямых или оживальных конусов (в трапециевидном и эллиптическом крыльях), см. фиг.1. Баки могут быть изготовлены из легких сплавов или из композитного материала.
Такой бак, представляющий собой, например, коническую трубу (т.е. усеченный круглый конус), хорошо выдерживает изгибающую нагрузку. В профиле крыла могут располагаться несколько таких баков разного размера, что еще более увеличит несущую способность такой конструкции.
Прочность на изгиб прямой или конической трубы повышает наличие внутреннего давления в ней (повышая прочностную устойчивость).
Для повышения прочности бака на изгиб в продольном направлении внутри бака может располагаться вертикальная поперечная негерметичная перегородка плоского, Т-образного поперечного сечения, или в виде фермы, швеллера, двутавра (во всех случаях сочетания данного альтернативного признака с любым из основных признаков достигается идентичный технический результат), (все направления здесь и далее даны относительно прямого горизонтального положения самолета). Если баков несколько, то перегородку могут иметь все баки, но наиболее рационально будет работать перегородка в баке наибольшего размера, расположенного по толщине хорды (этот вариант показан на фиг.1). А также - для уменьшения вероятности флаттера - в переднем баке.
Для повышения прочностной устойчивости плоская перегородка может иметь в средней части вертикальное гофрирование.
Если перегородка имеет Т-образный вид, или вид швеллера или двутавра, то ее горизонтальные полки должны иметь закругление по радиусу, соответствующему радиусу данного бака в данном сечении.
Следует иметь ввиду, что жесткость перегородки больше, чем трубы (цилиндрической или конусной), и разрушение начнется с нее. Поэтому применяемые для перегородки материалы должны иметь меньший модуль упругости или намного больший предел прочности на сжатие и растяжение. Критерий оценки - разрушение при одинаковой деформации.
Увеличение прочности трубы на изгиб может быть достигнуто и кольцеобразными внутренними подкреплениями, расположенными с определенным шагом. А также в наиболее нагруженных местах, например в месте крепления подкосов.
А для лучшей совокупной прочностной работы трубчатого бака, вертикальной перегородки и обшивки крыла бак может соединяться с обшивкой через ложементы соответствующего профиля (позиция 4 на фиг.2). Ложементы могут быть выполнены из композитного или вспененного материала.
Таким же образом для повышения общей прочности и жесткости могут соединяться между собой и боковые стенки нескольких баков (ложементы 5 на фиг.3).
Перегородка к баку, бак к ложементам, баки между собой и ложементы к обшивке крыла могут крепиться, например, клеем, пайкой или другим способом в зависимости от применяемых материалов.
Торцы баков должны иметь конусные, полукруглые или полуэллиптические законцовки. Причем, чтобы избежать утяжеления и ослабления конструкции в местах крепления баков к центроплану, имеет смысл сделать бак сплошным от конца одной консоли до другой. В этом случае бак будет иметь вид комбинации двух усеченных конусов или комбинации двух усеченных конусов и цилиндра между ними (далее «цельнокрыльевой» бак).
Бак крыла постоянной хорды в этом случае будет иметь вид цилиндрической трубы постоянного диаметра. Но нагрузки такая труба будет испытывать неравномерные - чем ближе к центроплану, тем больше. Поэтому такой бак должен иметь неодинаковую толщину стенки - в районе центроплана толщина стенки должна плавно увеличиваться. Увеличенную толщину стенки должна иметь труба (и не только цилиндрическая) в районе крепления подкосов.
Чтобы избежать неконтролируемого перетекания сжиженного газа при эволюциях самолета, цельнокрыльевой бак должен иметь внутри одну или несколько поперечных мембран с обратными клапанами, направленным к центроплану (желательно, в нижней части мембраны), где и будет отбираться топливо.
Заправочные штуцера, учитывая V-образность крыла самолета, желательно сделать вблизи концов консолей крыла. Причем, чтобы обеспечить полную заправку и чтобы не порвать мембраны перепадом давления, в мембранах должны быть перепускные клапаны, открывающиеся при заданном перепаде давления (желательно, в верхней части мембраны).
На фиг.1 показано в поперечном сечении крыло 1 со встроенными трубчатыми баками 2, являющимися лонжеронами, причем в самом большом баке имеется вертикальная двутавровая перегородка 3.
На фиг.2 увеличенно показан стык перегородки 3, бака 2, ложементов 4 и обшивки крыла 1. Все соединения склеены или спаяны.
На фиг.3 увеличенно показан стык боковых поверхностей двух баков 2, которые склеены или спаяны между собой и с ложементами 5.
На фиг.4 показано пунктиром расположение баков 2 в крыле 1 трапециевидного профиля, где 6 - фюзеляж.
Работает бак (баки) следующим образом: через заправочные штуцера бак заправляется сжиженным или сжатым газом. Причем для цельнокрыльевого бака желательна одновременная заправка с двух концов консолей крыла (чтобы не перегружать перепускные клапаны). При первой заправке желательно поставить самолет в положение небольшого крена и заправлять бак с нижней консоли, стравливая воздух с верхней консоли.
Отбор топлива для двигателей следует осуществлять с нижней точки бака, то есть в районе центроплана.