ВНУТРЕННЯЯ КОНСТРУКЦИЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА
INTEGRAL AIRCRAFT AIRFRAME FROM COMPOSITE

Область изобретения
Предлагаемое изобретение относится к внутренней конструкции летательного аппарата, выполненной из композиционного материала, в частности, для фюзеляжей авиационных конструкций или подобных конструктивных компонентов летательного аппарата.
Уровень техники
Авиационные конструкции разрабатывают с целью оптимизировать их по весу, при этом в соответствии с критериями прочности и жесткости. Вследствие этого требования все более широкое использование приобретают композиционные материалы во внутренних конструкциях летательного аппарата, в частности в основных конструкциях, которые составляют его фюзеляж, так как при надлежащем применении указанных композиционных материалов можно добиться, среди прочего, значительного снижения веса по сравнению с традиционным конструктивным исполнением аналогичной конструкции, изготовленной из металлического материала.
Основная конструкция, которая образует фюзеляж летательного аппарата, выполненный из композиционного материала, включает в себя обшивку, стрингеры и шпангоуты. Обшивке придается жесткость в продольном направлении за счет стрингеров, выполненных из композиционного материала, так чтобы добиться оптимизации веса указанной обшивки. С другой стороны, шпангоуты из композиционного материала, которые расположены в поперечном направлении относительно указанных стрингеров, препятствуют общей неустойчивости фюзеляжа и при этом способствуют оптимизации обшивки и служат для передачи локальных поступающих нагрузок на основную конструкцию летательного аппарата в целом.
Обшивка основной конструкции фюзеляжа летательного аппарата, выполненная из композиционного материала, может быть изготовлена как единая деталь на 360° (обшивка, известная как «one shot»), обшивка может быть конической или цилиндрической или может быть изготовлена в форме отдельных панелей, которые на более позднем этапе механически соединяют (обшивка, известная как панельная обшивка). В обоих случаях - и в отношении обшивки one shot, и в отношении панельной обшивки продольные стрингеры из композиционного материала могут либо склеиваться, либо отверждаться совместно с композитной покрывающей обшивкой. Кроме того, шпангоуты из композиционного материала также могут быть склеены или отверждены совместно с упомянутой покрывающей обшивкой, так чтобы получить конечную сборку интегрированной основной конструкции из композиционного материала, образованной обшивкой, стрингерами и шпангоутами, без наличия клепанных соединений.
Термин «интегрированная конструкция» применяется для обозначения конструкции, где различные элементы изготовлены одновременно в рамках единого процесса и исключается необходимость использования любого вида соединений или заклепок. Таким образом, изготовление конструкций интегрированного типа - это другое из преимуществ конструкций из композиционных материалов, так как указанные конструкции из металлического материала, разумеется, не могут быть получены в рамках единого интегрированного процесса. Интегрированные конструкции из композиционного материала обеспечивают снижение веса и, следовательно, снижение себестоимости по сравнению с аналогичными неинтегрированными конструкциями, изготовленными из металла, в которых требуется соединить большое количество отдельных деталей.
В конструкциях, которые образуют фюзеляж летательного аппарата, необходимо предусмотреть во многих случаях проемы большого размера в обшивке с целью получить доступ внутрь конструкции летательного аппарата или обеспечить проход для других конструктивных компонентов летательного аппарата.
Эти проемы ослабляют прочность конструкции фюзеляжа летательного аппарата, вследствие чего требуется усилить упомянутые проемы посредством дополнительных конструктивных элементов. В конструкциях металлического типа эти проемы должны быть усилены посредством различных вспомогательных металлических деталей и элементов, которые заклепками соединяют с конструкцией, о которой идет речь. Изготовление каждого из этих компонентов в отдельности, а также их монтаж при помощи заклепочных соединений и вспомогательных деталей предполагает в некоторых случаях увеличение веса и, прежде всего, увеличение себестоимости, если приплюсовать все монтажные операции. Обычной практикой в области конструкций из композиционного материала является то, что упомянутые проемы усиливают посредством конструкций типа рамы, образованной лонжеронами и шпангоутами, металлическими или из композиционного материала, причем эти элементы, в свою очередь, соединяют друг с другом посредством различных соединительных деталей, которые посредством заклепок соединяют эти элементы с остальной конструкцией. Кроме того, в этом типе конструкций требуется увеличить толщину обшивки в зонах, прилежащих к образованному проему, так чтобы еще больше усилить указанную зону. Проблема, которая возникает в связи с усилениями этого типа, состоит в том, что они увеличивают число дополнительных деталей в базовой конструкции, а также увеличивают вес, пока не будет обеспечена необходимая толщина обшивки в зоне отверстия, и все это, разумеется, отражается на увеличении себестоимости. Кроме того, как уже было сказано выше, изготовление и монтаж этих конструкций требуют много труда, прежде всего ручного, в большинстве случаев, ибо невозможно осуществить серийное изготовление этих конструкций.
Поэтому было бы желательно в зонах проемов в конструкциях из композиционного материала, которые образуют фюзеляж летательного аппарата, предусмотреть конструкцию для усиления упомянутых проемов, в которых исключены рамы, образованные из лонжеронов и шпангоутов, а также весь набор деталей, которые служат для соединения вышеназванных. Также было бы желательно интегрировать в процессе изготовления усиление указанных проемов с вытекающей экономией за счет уменьшения монтажных операций.
Предлагаемое изобретение направлено на решение этих проблем.
Краткое изложение изобретения
Таким образом, цель предлагаемого изобретения состоит в том, чтобы создать усиливающую конструкцию для проемов, образованных в основной конструкции летательного аппарата из композиционного материала, так что упомянутая основная конструкция содержит обшивку, шпангоуты, поперечные по отношению к направлению полета летательного аппарата, и стрингеры, продольные по отношению к направлению полета летательного аппарата. Предпочтительно, эти проемы выполнены в обшивке указанных основных конструкций. Конструкции для усиления этих проемов согласно изобретению содержат:
- периметрический усиливающий элемент вдоль кромки проема;
- по меньшей мере, пару поперечных усиливающих элементов, помещенных на обеих поперечных сторонах проема, о котором идет речь;
- по меньшей мере, пару продольных усиливающих элементов, помещенных на обеих продольных сторонах проема, о котором идет речь.
Согласно изобретению периметрический усиливающий элемент вдоль кромки проема основной конструкции летательного аппарата изготавливают в интегрированной форме и как одну деталь в соответствующем процессе изготовления обшивки, где его получают путем совместного склеивания или совместного отверждения. Поперечные усиливающие элементы усиливающей конструкции согласно изобретению воспроизводят геометрическую форму тех элементов основной конструкции, на которые они будут помещены, так что их помещают на указанные выше элементы посредством процесса совместного склеивания или совместного отверждения. Кроме того, продольные усиливающие элементы сконструированы согласно изобретению таким образом, что они имеют большую толщину в зонах, которые окантовывают указанный проем, так что эти конструкции получают непосредственно в соответствующем процессе изготовления основной конструкции, следовательно, они совместно склеиваются или совместно отверждаются в указанной основной конструкции. Таким образом, получают окончательную конструкцию летательного аппарата, в которой устранены дополнительные элементы и детали с образованием интегрированной конструкции, в которой повышена конструктивная эффективность и оптимизирована экономическая эффективность.
Другие признаки и преимущества предлагаемого изобретения вытекают из следующего детального описания неограничительного примера осуществления объекта изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1а и 1b показаны основные компоненты внутренней основной конструкции фюзеляжа летательного аппарата, а также зона усиления проема, выполненного в указанном фюзеляже, согласно предшествующему уровню техники.
На фиг. 2 схематично показана усиливающая конструкция для проема, выполненного в основной конструкции летательного аппарата, выполненном из композиционного материала, согласно предлагаемому изобретению.
На фиг. 3а, 3b, 3c и 3d показана усиливающая конструкция для проема, выполненного в основной конструкции летательного аппарата, выполненной из композиционного материала, согласно предлагаемому изобретению, а также различные детали сечений.
На фиг. 2 и 3 показано техническое решение для усиливающей конструкции, интегрированной в обшивку без других дополнительных деталей. В них показано техническое решение для усиления, интегрированного в кромку отверстия, и его связь с окружающей его конструкцией.
На фиг. 4а и 4j показаны различные возможности осуществления периметрического усиливающего элемента вдоль кромки проема, выполненного в основной конструкции летательного аппарата, выполненной из композиционного материала, согласно предлагаемому изобретению.
На фиг. 5а и 5b показаны различные варианты осуществления проема, выполненного в основной конструкции летательного аппарата, выполненной из композиционного материала, согласно предлагаемому изобретению.
На фиг. 6 показан другой вариант осуществления усилительной конструкции для проема, выполненного в основной конструкции летательного аппарата, выполненной из композиционного материала, согласно предлагаемому изобретению.
На фиг. 7а, 7d и 7c показана усиливающая конструкция для проема, выполненного в основной конструкции летательного аппарата, выполненной из композиционного материала, согласно предлагаемому изобретению.
На фиг. 8а, 8b и 8c показан вариант применения усиливающей конструкции в проеме, выполненной в основной конструкции летательного аппарата, выполненной из композиционного материала, причем указанная основная конструкция содержит обшивку, выполненную на 360° («one shot»), или обшивку, изготовленную из панелей, согласно предлагаемому изобретению.
Детальное описание изобретения
Так, согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, предлагается усиливающая конструкция 1 для проема 10, выполненного в основной конструкции летательного аппарата, причем эта основная конструкция выполнена предпочтительно из композиционного материала. Эти компоненты основной конструкции включают в себя обшивку 2, шпангоуты 3, поперечные по отношению к направлению полета летательного аппарата, и стрингеры 4, продольные по отношению к направлению полета летательного аппарата. Проемы 10 выполнены в обшивке 2 указанной основной конструкции.
Как показано на фиг. 1а и 1b, проем 10, выполненный в фюзеляже летательного аппарата, причем проем 10 большого размера содержит согласно известному уровню техники усиливающую конструкцию 20, назначение которой состоит в том, чтобы при помощи дополнительных деталей в форме лонжеронов 40 создать раму вокруг указанного проема 10. Лонжероны 40 соединяют заклепками с обшивкой 2 и посредством дополнительных деталей 50 в форме уголков и обвязок соединяют или прикрепляют заклепками к шпангоутам 3 основной конструкции. Эти лонжероны 40 могут быть прикреплены также к стрингерам 4, которые составляют часть упомянутой внутренней конструкции обшивки 2. Кроме того, обычная практика в известном уровне техники состоит в том, чтобы существенно увеличить толщину обшивки 2 в прилежащей к проему 10 зоне в связи с требованиями максимальной деформации вдоль кромки указанного проема 10, что приводит соответственно к увеличению веса.
Согласно предлагаемому изобретению, как вытекает из фиг. 2 и фигур 3а, 3с и 3d, усиливающая конструкция 1 для проема 10 в обшивке 2 основной конструкции летательного аппарата согласно изобретению содержит:
- периметрический усиливающий элемент вдоль кромки проема;
- по меньшей мере, пару поперечных усиливающих элементов 6, помещенных на обеих поперечных сторонах проема 10, о котором идет речь;
- по меньшей мере, пару продольных усиливающих элементов 7, помещенных на обеих продольных сторонах проема 10, о котором идет речь.
Согласно изобретению периметрический усиливающий элемент 5 вдоль кромки проема в основной конструкции летательного аппарата изготавливают в интегрированной форме и как одну деталь во время соответствующего процесса изготовления обшивки 2 путем совместного склеивания или совместного отверждения. Поперечные усиливающие элементы 6 усиливающей конструкции 1 согласно изобретению (фиг. 3d) воспроизводят геометрическую форму тех элементов основной конструкции, на которые они помещены, так что их помещают на верх указанных элементов посредством процесса совместного склеивания или совместного отверждения. Так, как можно видеть на фиг. 3d, показанный поперечный усиливающий элемент 6 воспроизводит в сечении геометрическую форму обшивки 2, стрингеров 4 и продольных усиливающих элементов 7, на которых помещен указанный элемент 6. Кроме того, продольные усиливающие элементы 7 сконструированы таким образом, что они представляют собой стрингеры, продольные относительно направления полета летательного аппарата, и что имеют большую толщину 70 в зонах, которые окантовывают указанный проем 10, так что эти зоны большей толщины получают непосредственно в соответствующем процессе изготовления основной конструкции путем совместного склеивания или совместного отверждения в этой основной конструкции. Таким образом, внутренняя конструкция летательного аппарата согласно изобретению представляет собой интегрированную конструкцию, в которой устранены лонжероны 40 и дополнительные детали 50, которые использовались в предыдущем уровне техники. Изобретение имеет своей целью оптимизировать конструкцию обшивки из углеродного волокна, чтобы получить более интегрированное решение и повысить конструктивную эффективность, а также добиться снижения себестоимости. То обстоятельство, что не используются дополнительные детали или элементы, как это имело место в предыдущем уровне техники, имеет, кроме того, преимущество в том, что в процессе изготовления устраняются допуски на указанные элементы или детали, которые, несомненно, усложняют и удорожают технологию их изготовления, а также их последующий монтаж. Кроме того, согласно уровню техники полученные конструкции имеют множество накопившихся напряжений, между тем как предлагаемое изобретение позволяет избежать накопившихся напряжений и нагрузок.
Так, для больших проемов 10, изобретение предлагает новое техническое решение усиления с целью оптимизации веса и снижения себестоимости при изготовлении и монтаже. Для этого определяют усиливающую конструкцию 1, которая показана на фиг. 2 и 3а-3d, руководствуясь намерением интегрировать ряд решений таким образом, чтобы комбинация всех их позволила оптимизировать конструкцию по весу и себестоимости. Для этого определяют периметрический усиливающий элемент 5 вдоль кромки проема 10, упомянутый усиливающий элемент выполнен в форме профиля, интегрированного в соответствующую обшивку 2 и повторяющего или воспроизводящего геометрическую форму проема 10. В остальном конструкция не претерпевает изменений за счет дополнительных элементов, при этом исключается необходимость в соединении шпангоутов 3 с дополнительными элементами сверх и над уже имеющимися соединениями с обшивкой 2. Что касается оптимизации по весу, то в непосредственной близости от проема 10 может потребоваться увеличение жесткости как поперечных усиливающих элементов 6, так и продольных усиливающих элементов 7 и обшивки 2 за счет большего сечения. Так, продольные усиливающие элементы 7 с большей толщиной 70 в зонах, которые окантовывают указанный проем 10, как описано выше, составляют дополнительное конструктивное исполнение настоящего изобретения.
Предложенное изобретением решение не изменяет процесс изготовления намоткой обшивки 2 в рамках внутренней конструкции фюзеляжа летательного аппарата.
Периметрический усиливающий элемент 5 вдоль кромки проема 10 согласно изобретению обеспечивает проем 10 достаточной конструктивной прочностью и необходимой жесткостью при изгибе. Как уже сказано раньше, периметрическое усиление 5 всегда присутствует в усиливающей конструкции 1 согласно изобретению, в то время как во второй линии усиления проема 10 изобретение включает, в случае необходимости, предоставление стрингеров 4 и шпангоутов 3, и в некоторых ситуациях также обшивки 2, большей толщиной вокруг упомянутого выше проема 10. Ни в одном из этих случаев процесс изготовления обшивки не претерпевает изменений, при этом усиливающие конструктивные элементы 1 могут изготовляться серийно в отличие от известной практики уровня техники.
В соответствии с вышеизложенным новое решение в отношении усилений для больших проемов 10 согласно изобретению состоит в том, чтобы комбинировать при конструктивной необходимости следующий набор решений, избегая при этом пересечений с конструктивными соединениями между лонжеронами 40 и шпангоутами 3:
- определить усиливающую конструкцию 1, которая содержит, по меньшей мере, пару поперечных усиливающих элементов 6, помещенных на обеих поперечных сторонах проема 10, в форме профиля, который воспроизводит геометрическую форму проема 10 по всему его периметру; указанный профиль может быть интегрирован в соответствующую обшивку 2 или прикреплен к ней заклепками, причем это решение действительно для различных форм проемов 10, которые обычно используются;
- определить конструктивные усиления, прилежащие к упомянутому проему 10, в форме шпангоутов 3 и продольных усиливающих элементов 7, образованных стрингерами внутренней конструкции, которые имеют большую толщину 70, без потребности в дополнительных деталях.
Внутренняя конструкция летательного аппарата предпочтительно изготовлена из композиционного материала, который может быть как углеродным волокном, так и стекловолокном с термостабильной или термопластичной смолой, однако внутренняя конструкция может быть выполнена также из металла. Основной областью применения усиливающей конструкции 1 согласно изобретению является фюзеляж авиационных конструкций, однако изобретение может быть использовано также в других конструкциях с аналогичными характеристиками, как, например, кессонные конструкции летательного аппарата. В равной степени материалы могут быть выполнены с предварительной пропиткой или как сухое волокно, причем в последнем случае могут быть использованы процессы введения смолы для их изготовления.
Усиливающая конструкция 1 согласно изобретению применима к любому типу или форме стрингера 4 и к любому типу или форме шпангоута 3, которые входят в состав внутренней конструкции летательного аппарата. Кроме того, изобретение применимо к любому типу обшивки 2 фюзеляжа.
Периметрический усиливающий элемент 5 вдоль кромки проема 10 может быть изготовлен различными способами, как это вытекает из фиг. 4а-4j. В любом из предыдущих вариантов проем 10 необходимо обеспечить усилением по его периметру и перпендикулярным поверхности, определяемой упомянутым проемом 10, так что периметрическое усиление 5 обычно расположено перпендикулярно поверхности, определяемой обшивкой 2. Изготовление указанного периметрического усиления 5 может быть интегрировано в соответствующий процесс изготовления обшивки 2, как в случае, в котором указанная обшивка 2 изготавливается методом «one shot» (360°, посредством разборного оборудования), так и в случае, в котором изготовление обшивки 2 осуществляют из различных панелей обшивки 2 отдельно, которые позже соединяют и составляют окончательную обшивку на 360°. На фиг. 8а схематично показана конфигурация оснастки, которая применяется для намотки, так что периметрическое усиление 5 в надлежащий момент помещают на эту оснастку, причем намотка продолжается после наложения указанного усиления 5 и затем происходит отверждение всей сборки. На фиг. 8b схематично показан эскиз усиливающей конструкции 1 на обшивке 2, выполненной из различных панелей. На фиг. 8с представлено в сечении, как будет выглядеть интеграция периметрического усиления 5 по фиг. 4g в обшивку 2 усиливающей конструкции 1, согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения; периметрическое усиление 5 будет внедрено в обшивку 2 таким образом, что при последующем отверждении конструкции будет получена интегрированная в одно цельное изделие конструкция.
Изобретение применимо к любой форме проема 10, как показано на фиг. 5а и 5b: проемы круглые или прямоугольные со скругленными краями, квадратные со скругленными краями и т.д.
Как показано на фиг. 6, в определенных ситуациях с учетом требований нагрузки и геометрической формы, усиливающая конструкция 1 согласно изобретению может быть необходима лишь в некоторых зонах проема 10, так что периметрический усиливающий элемент 5 выполнен только в некоторых зонах кромки проема 10.
Благодаря настоящему изобретению достигается техническое решение для более устойчивого к повреждениям усиления больших проемов путем создания двойного усиливающего пояса, который образован, во-первых, за счет периметрического усиления 5 и, во-вторых, за счет набора конструктивных элементов, которые окружают указанное периметрическое усиление 5, таких как поперечные усиливающие элементы 6, в некоторых случаях с большим сечением, чем сечение поперечных шпангоутов 3, продольные усиливающие элементы 7 с большим сечением 70 в зонах, которые окружают проем 10, и усиление обшивки 2, которое в некоторых вариантах осуществления также имеет увеличенное сечение.
Изобретение может быть применимо в равной мере к очень нагруженным зонам обшивки 2 фюзеляжа летательного аппарата, как это имеет место в случае хвостовой части летательного аппарата, так и к другим частям фюзеляжа.
Несмотря на то что предлагаемое изобретение полностью описано в связи с предпочтительными вариантами осуществления, разумеется, могут быть внесены изменения в пределах его области действия, при этом она не ограничивается указанными вариантами осуществления, а содержанием формулы изобретения.