КЕССОН КРЫЛА ИЗ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

Предлагаемая полезная модель относится к области авиации, к конструктивным элементам преимущественно крыльев, в частности к конструкции кессона крыла летательного аппарата из композиционных материалов.
Известны конструкции кессона крыла самолета, выполненного из композиционного материала, например, на самолете B-787 - http://ru.wikipedia.org/wiki/Boening_787_Dreamliner или на самолете A-350 http://www.aex.ru/news/2011/11/22/90489/. Данные конструкции принципиально не отличаются от металлических вариантов, которые можно принять за аналоги предлагаемого варианта конструкции кессона. С точки зрения конструктивной схемы оба указанных варианта конструкции композитного кессона идентичны и любой из них может быть принят за прототип. В этих конструкциях кессон крыла из композиционного материала включает в себя верхнюю и нижнюю стрингерные панели, передний и задний лонжероны и нервюры, делящие внутреннее пространство кессона на отсеки. Как и во всех традиционных конструкциях, стрингеры панелей размещены на внутренней стороне обшивки.
Общими существенными признаками любого из указанных прототипов, совпадающими с существенными признаками предлагаемого технического решения, являются следующие: кессон крыла из композиционного материала, включает в себя верхнюю и нижнюю стрингерные панели, передний и задний лонжероны и нервюры, делящие внутреннее пространство кессона на отсеки.
Главным недостатком такой конструктивной схемы в случае использования композиционного материала является то, что при ударных воздействиях на крыло (например, при погрузке-разгрузке, при ударах по крылу крупных градин, камней из-под шасси, при столкновении с птицами и т.п.) сила удара приходится непосредственно на уязвимую в отношении ударного воздействия обшивку кессона. Это увеличивает риск ее повреждения и чревато потерей герметичности отсеков, содержащих топливо. Как известно, применяемый в самолетостроении слоистый композиционный материал, в отличие от металла, склонен к провоцируемому ударом межслойному растрескиванию, которое, приводит к разрушению панели при нагружении ее впоследствии основной эксплуатационной нагрузкой. Особенно ощутимо это проявляется на верхней панели крыла, основной нагрузкой для которой является продольное сжатие. При сжатии панели отслоения в обшивке, появившиеся в результате удара, теряют устойчивость, что может привести к лавинообразному развитию разрушения обшивки, а вместе с ней, в конечном счете, и всей панели.
Еще одним минусом аналогов и прототипа является неудобство обеспечения герметичности внутреннего объема кессона. Установка специальных гермофитингов в местах, где стрингеры проходят сквозь стенку нервюры, усложняет конструкцию, увеличивает трудозатраты при проведении сборочных операций и ремонтных работ.
Также существенным недостатком прототипа является отсутствие возможности посредством внешнего осмотра обеспечить надежный контроль целостности конструкции после возможного ударного воздействия, поскольку традиционно используемые в авиастроении слоистые композитные материалы при ударах расслаиваются без характерных и относительно легко обнаруживаемых в металлических конструкциях вмятин и сквозных трещин. Принципиально, что для композитного кессона вполне возможна ситуация, когда не обнаруживаемые визуально последствия ударов угрожают разрушением крыла в полете. Кроме того, ремонт традиционной композитной конструкции представляет сложную задачу. Так, наложение заплаты на место поврежденного участка панели с неизбежностью влечет за собой и замену с перестыковкой одного или нескольких стрингеров, что подразумевает выполнение дорогостоящей операции разборки-сборки всего кессона.
Недостатком традиционной конструкции кессона крыла является и то, что при основном виде нагружения, связанном с изгибом крыла, напряжения в элементах кессона, как известно, растут по мере роста расстояния их от срединной (нейтральной) плоскости. В результате, наиболее нагруженной в таком кессоне оказывается обшивка, которая, как известно, в случае композитного материала гораздо более чувствительна к растяжению-сжатию. Такая чувствительность связана с обязательным наличием в составе композитного пакета обшивки слоев с волокнами, расположенными под углом к стрингерам. В первую очередь - слоев с поперечными волокнами. Допустимый уровень продольных деформация таких «поперечных» слоев - 0,3-0,4%, в то время как «продольных» слоев - 0,5-0,7%. Вынесенные из плоскости обшивки полки стрингеров, в которых поперечные волокна не являются обязательными, в конструкции кессона с традиционной конструктивно-силовой схемой (КСС) оказываются ближе к нейтральной плоскости, т.е. существенно менее нагруженными, что нерационально и ущербно с точки зрения весовой эффективности. В предлагаемом же варианте конструкции полки стрингеров вынесены наоборот, наружу, защищая обшивку от ударов, и находятся на максимальном удалении от нейтральной плоскости, а более чувствительная к деформациям и ударам обшивка - ближе к нейтральной плоскости. Таким образом, КСС предлагаемой конструкции кессона заведомо является более рациональной - и с точки зрения весовой эффективности, и с точки зрения стойкости в отношении ударов.
Предлагаемым изобретением решается комплекс технических задач:
- предотвращения (или резкого снижения вероятности) повреждения обшивки панелей под воздействием ударных нагрузок при эксплуатации;
- повышения весовой эффективности конструкции кессона за счет более рациональной его КСС;
- обеспечения гарантированного выявления повреждений конструкции при ударах (визуализация критических ударных повреждений);
- упрощения конструктивного обеспечения герметичности кессона;
- упрощения и значительного удешевления ремонтных работ после локальных (например, в результате удара) повреждений конструкции.
Для достижения перечисленных технических результатов в кессоне крыла из композиционного материала, включающий верхнюю и нижнюю стрингерные панели, передний и задний лонжероны и нервюры, делящие внутреннее пространство кессона на отсеки, в отличие от прототипа, стрингеры размещены с внешней стороны обшивки, имеют П-образное сечение с вынесенной наружу полкой и установлены с изоляционным зазором (например, 10-12 мм - с учетом характерного размера предметов - градин, камешков - представляющих угрозу для целостности крыла), выполненным с возможностью предотвращения передачи деформаций между стрингерами; снаружи по полкам стрингеры покрыты слоем композиционного материала, образующим дополнительную тонкостенную внешнюю обшивку; при этом стрингеры выполнены сборными из полок и стенок, последние их которых в свою очередь состоят из отдельных тонкостенных стоек, выполненных с возможностью потери устойчивости от действия поперечных нагрузок, возникающих при опасных для конструкции ударах, и с возможностью их демонтажа через зазоры между полками стрингеров. В частном варианте, наиболее предпочтительном к реализации, как минимум, стрингеры и дополнительная обшивка выполнены из композиционного материала на термопластическом связующем, а стойки стрингеров скреплены с полками и обшивкой разъемным соединением. Это обеспечивает возможность удобной и быстрой замены поврежденных ударом стоек стрингеров. Например, стойки стрингеров могут быть скреплены с полками и обшивкой с использованием технологии «сварки» и/или шурупов-саморезов с индукционным нагревом при монтаже. Необходимый эффект амортизации ударов обеспечивается за счет потери устойчивости в момент удара и возможного разрушения ближайших к месту удара тонкостенных стоек и одновременного, связанного с этим, местного прогиба полок стрингеров. Такая конструкция позволит при относительно небольших повреждениях кессона, избежать трудоемкой и дорогостоящей операции установки заплат на обшивке панелей с перестыковкой стрингеров.
Предусмотрен также частный вариант конструкции, в котором тонкостенные стойки закреплены на обшивке через подставки с плоской крепежной поверхностью и Т-образным сечением, выполненные во всю длину панели, а тонкостенные стойки имеют в поперечном сечении Z-образный профиль, горизонтальные полки которого являются крепежными. Это позволит изготавливать самую крупногабаритную часть панели обшивку с минимальными издержками - по технологии вакуумной инфузии с использованием традиционного связующего - реактопласта. Крепление на такой обшивке термокомпозитных подставок для установки стоек стрингеров на преформе может производиться без сверления отверстий - с применением шурупов-саморезов и/или индукционного разогрева. Такое упрощение технологии изготовления оказывается возможным в предлагаемой конструкции, поскольку преформа обшивки, в отличие от уже отвержденного изделия из композита на связующем-реактопласте, не может пострадать от локального нагрева до температуры около 400°C, что необходимо для установки саморезов.
Кроме того, как вариант, в конструкции боковые стрингеры выполнены параллельными лонжеронам, имеют в поперечном сечении T-образный профиль и упругие стенки, для чего в них имеются щелевидные сквозные пазы, выполненные в шахматном порядке, причем законцовка «брошенных» стрингеров обеспечивается креплением внахлестку их полок к полкам боковых стрингеров.
Отличительными признаками предложенного технического решения от известного - прототипа - являются следующие: стрингеры размещены с внешней стороны обшивки, имеют П-образное сечение с вынесенной наружу полкой и установлены с изоляционным зазором, выполненным с возможностью предотвращения передачи деформаций между стрингерами и проникновения между ними повреждающих обшивку предметов; снаружи по полкам стрингеры покрыты слоем композиционного материала, образующим дополнительную тонкостенную внешнюю обшивку; при этом стрингеры выполнены сборными - из полок и стенок, последние их которых в свою очередь состоят из отдельных тонкостенных стоек, выполненных с возможностью потери устойчивости от действия поперечных нагрузок, возникающих при опасных для целостности конструкции ударах, и с возможностью их демонтажа через зазоры между полками стрингеров. В дополнение к этому, как минимум, стрингеры и дополнительная обшивка выполнены из композиционного материала на термопластическом связующем, а стойки стрингеров скреплены с полками и обшивкой разъемным соединением; также тонкостенные стойки закреплены на обшивке через выполненные во всю длину панели подставки с плоской крепежной поверхностью, а тонкостенные стойки имеют в поперечном сечении Z-образный профиль, горизонтальные полки которого являются крепежными; боковые стрингеры параллельны лонжеронам, имеют в поперечном сечении T-образный профиль и упругие стенки, для чего в них имеются щелевидные сквозные пазы, выполненные в шахматном порядке, причем законцовка «брошенных» стрингеров обеспечивается креплением внахлестку их полок к полкам боковых стрингеров.
Благодаря наличию данных отличительных признаков в совокупности с известными достигается следующий технический результат:
- Удары амортизируются за счет изгибной податливости полок стрингеров, что обеспечивается местным разрывом при ударе тонкой дополнительной обшивки и значительной деформацией с возможным разрушением из-за потери устойчивости ближайших тонкостенных стоек.
- Поскольку защитное амортизирующее покрытие кессона состоит в основном из элементов продольного подкрепления, это позволяет получить высокое весовое качество предлагаемого варианта конструкции кессона. В силовом подкреплении панелей напрямую не участвуют только тонкостенные стойки, вес которых, как показывают расчеты, составляет не более 12% от массы стрингера.
- Наличие эффективной защиты от ударов в предлагаемой конструкции дает в итоге даже преимущество в весе, поскольку в традиционной конструкции, где удар воспринимается непосредственно обшивкой панели, ради обеспечения остаточной (послеударной) прочности композитного кессона приходится идти на существенное увеличение толщины обшивки.
- Кроме того, предлагаемая конструкция кессона свободна от важного недостатка - невозможности простого визуального обнаружения следов критически опасных для прочности крыла ударов. При наличии предлагаемой амортизации удары с относительно небольшой энергией вообще не вызовут разрушений. А удары с опасным для прочности крыла уровнем энергии будут оставлять хорошо заметные следы - повреждения тонкой дополнительной обшивки. Только в случае ударов большой интенсивности появляется вероятность, что ударник, преодолев защиту, все же «доберется» до основной обшивки. Но при этом значительная часть его разрушительного потенциала будет уже потеряна, что значительно снизит вероятность разрушения обшивки. К тому же, наличие подставок с развитым основанием (с сечением в виде перевернутой буквы T) значительно снижает вероятность повреждения обшивки по сравнению с традиционной конструкцией, в которой удар в обшивку реализуется практически в точке, где контактные усилия вызывают появление критических напряжений сдвига, особенно опасных для слоистого композита.
- Вопрос прочности и ударной стойкости наиболее нагруженных боковых стрингеров (которые в силу этого обстоятельства не могут иметь тонкостенные стойки в качестве стенок), а также вопрос надежности узлов законцовок так называемых «брошенных» стрингеров также решается в данной конструкции достаточно просто и эффективно. Предлагается делать профиль таких стрингеров T-образным, а развитую стенку их - со сквозными щелевидными пазами, расположенными в шахматном порядке, что обеспечит необходимую амортизацию ударов. Для надежной законцовки брошенных стрингеров боковые, более мощные стрингеры должны иметь высоту меньше, чем остальные - на толщину полок этих стрингеров. Обрывающиеся стрингеры свободными концами своих полок заходят на полки этих боковых стрингеров и скрепляются с ними нахлесточным соединением с использованием, к примеру, технологии «сварки» и, при необходимости, дополнительного механического крепежа.
- Изготовление стрингеров с применением термопластического связующего может существенно упростить не только изготовление стрингеров и их монтаж на уже установленных панелях, но и ремонт кессона после разрушений от ударных и других воздействий. Если ремонт в случае традиционной конструкции кессона зачастую требует его разборки, в предложенной конструкции во многих случаях (при повреждениях, не затрагивающих основную обшивку) вообще не понадобится демонтаж панелей и проведение дорогостоящей операции замены поврежденных участков панелей с перестыковкой стрингеров. Использование шурупов-саморезов с индукционным разогревом и/или технологии «сварки» может позволить быстро и с минимальными материальными затратами восстанавливать целостность элементов панелей кессона. Наличие амортизирующей защиты в виде вынесенных наверх полок стрингеров и дополнительной обшивки, кроме решения задачи амортизации удара, заодно кардинально упрощает ремонт композитного кессона предлагаемой конструкции.
Предложенное конструктивное решение может быть использовано в авиации - в конструкции, преимущественно, кессона крыла летательного аппарата из композиционных материалов.
Конструкция поясняется рисунками фиг.1 и фиг.2. На фиг.1 изображен общий вид участка кессона крыла с частичным разнесением его элементов для наглядности. На фиг.2 - изображено сечение стрингеров и фрагмент участка панели в изометрии, поясняющий устройство стрингеров.
Предлагаемая конструкция кессона крыла из композиционного материала включает в себя верхнюю 1 и нижнюю 2 стрингерные панели, в которых стрингеры 3 закреплены на обшивке 4, передний 5 и задний 6 лонжероны и нервюры 7 (на фиг.1 видны фрагментарно), делящие внутреннее пространство кессона на отсеки. Стрингеры 3 размещены на внешней стороне обшивок 4, и имеют П-образное сечение с вынесенной наверх (наружу) полкой 8. Небольшой зазор между полками 8 (порядка 10-12 мм) сделан с учетом характерного размера предметов, представляющих угрозу для целостности крыла - градин, камешков из-под шасси и т.п., а также с учетом удобства монтажа стоек 11 при сборке кессона и проведении ремонтных работ. С другой стороны, он необходим для предотвращения распространения в поперечном направлении местных расслоений композиционного материала после удара. Полки 8 стрингеров 3 покрыты слоем композиционного материала, образующим сплошную дополнительную тонкостенную обшивку 9 панели. Стенки 10 стрингеров 3 включают в себя тонкостенные, в данном случае Z-образные в сечении и разделенные на секции стойки 11, установленные на подставках 12 T-образного сечения. Боковые стрингеры 13 параллельны лонжеронам и имеют также T-образное сечение с развитыми силовыми стенками 14. Эти стенки 14 для придания амортизирующих свойств могут иметь чередующиеся в шахматном порядке сквозные щелевидные пазы 15. Высота боковых стрингеров 13, идущих под углом к основным стрингерам 3 (в данном случае - только в зоне заднего лонжерона 6) меньше высоты остальных стрингеров 3 на толщину полок 8, что позволяет обеспечить надежную законцовку обрывающихся («брошенных») стрингеров 3 за счет использования соединения внахлестку полок - «брошенного» рядового стрингера 3 и бокового стрингера 13.
Детали стрингеров 3 и 13 - полки 8, стойки 11, подставки 12 и стенки 14, а также дополнительная тонкостенная обшивка 9 могут быть выполнены из композиционного материала с термопластическим связующим. Это позволит использовать технологию «сварки», существенно упрощающую операции сборки и ремонта кессона.
Перед сборкой кессона, еще до отверждения панелей 9 (пока еще без стрингеров 3 и 13) на их преформе производят установку подставок 12 и стенок 14 боковых стрингеров 13, например, с помощью шурупов-саморезов и индукционного разогрева.
Сборка кессона крыла производится по традиционной технологии. Отличие заключается лишь в том, что теперь в нервюрах 7 нет окон для стрингеров 3, что избавляет от необходимости установки гермофитингов и существенно упрощает сборку. После установки замыкающего крепежа приступают к закреплению на кессоне стрингеров 3 и 13. Предварительно полки 8 стрингеров 3 соединяют (например, с применением технологии «сварки» и/или механического крепежа) со стойками 11. В первую очередь устанавливают стенки 14 и полки 3 боковых стрингеров 13. В данном случае (см. фиг.1) только боковые стрингеры 13 в зоне заднего лонжерона 6 расположены под углом к остальным стрингерам 3. Эти боковые стрингеры 13 выполнены более мощными, т.к. на них приходится большая нагрузка и крепятся полки 8 «брошенных» стрингеров 3 (обрывающихся из-за сужения кессона к периферии). Соответственно, высота боковых стрингеров 13, полки 8 которых соединяются с полками 8 «брошенных» стрингеров 3, должна быть меньше на высоту полок 8. Стойки 11 стрингеров 3, предварительно скрепленные с полками 8, закрепляют на подставках 12 посредством, например, «сварки» и/или механического крепежа. Сначала устанавливают те полки 8 со стойками 11, которые не обрываются (в данном случае, вблизи переднего лонжерона 5). Края обрывающихся полок 8 стрингеров 3 закрепляют посредством крепежа и/или технологии «сварки» на полках 8 боковых стрингеров 13 (в данном случае только задних). Они могут быть сделаны более толстыми - по результатам прочностных расчетов. После установки стрингеров 3 и 13 на их полках закрепляют внешнюю обшивку 9.
При ремонте повреждений, не затрагивающих основную обшивку 4, заменяют поврежденные участки тонкой внешней обшивки 9, полок 8 и стоек 11 стрингеров 3. Если повреждения полок 8 невелико и связано только с их расслоением, восстановление их целостности может быть достигнуто применением технологии «сварки», что делает ремонт относительно простым и малозатратным. В случае необходимости, снизу на полках 8 могут быть добавлены подкрепляющие слои. Такой ремонт существенно проще и дешевле, чем в случае традиционной конструкции кессона композитного крыла.