ИЗОЛЯЦИОННАЯ СТРУКТУРА ДЛЯ ТЕПЛОВОЙ И АКУСТИЧЕСКОЙ ИЗОЛЯЦИИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
ISOLATION STRUCTURE FOR AIRCRAFT HEAT AND SOUND ISOLATION

Родственные заявки
Данная заявка претендует на приоритет предварительной заявки на патент США №61/188328, поданной 08 августа 2008, и заявки на патент Германии №1020080371432, поданной 08 августа 2008, содержание которых включается в данное описание посредством ссылки.
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к изоляционной структуре для тепловой и акустической изоляции летательного аппарата.
Уровень техники
Современные летательные аппараты для обеспечения теплового комфорта и для ограничения уровня шума в салоне изолируются термически и акустически. Подлежащие в этой связи уменьшению шумы по существу возникают обычно снаружи летательного аппарата, например, за счет турбулентного пограничного слоя потока на фюзеляже и за счет струи отработанных газов двигателей. Наряду с повышающимися требованиями пассажиров относительно комфорта также более высокие скорости полета, а также акустически неблагоприятные свойства фюзеляжа летательных аппаратов из волокнистых композитных материалов по сравнению с монолитными металлическими материалами являются причиной необходимости все более совершенной акустической изоляции. В частности, по этой причине постоянно повышаются требования к акустической эффективности изоляции относительно ослабления звука и поглощения звука, которые не могут быть выполнены с помощью обычных изоляционных структур.
3
Тепловая изоляция фюзеляжа летательного аппарата, так называемая первичная изоляция, обычно выполняется из имеющих вид матов изоляционных пакетов, которые состоят из стекловаты с относительно низкой плотностью (например, меньше 10 кг/м) в тонкой окружающей пленке. При этом используются как маты для зоны панелей обшивки над применяемыми для придания продольной жесткости фюзеляжа стрингерами между шпангоутами, так и маты для обмотки шпангоутов.
Эта обычная тепловая изоляция имеет дополнительно также функцию акустической изоляции и способствует тем самым обеспечению комфорта в салоне относительно температуры и шума. Акустическая эффективность применяемых обычно пакетов из стекловаты относительно высока в диапазоне высоких частот, который содержит по существу диапазон, определяющий распознаваемость обычной речи, в то время как при частотах ниже 500 Гц происходит лишь несущественное ослабление звука. Если ставятся высокие требования к комфорту относительно шумов во внутреннем пространстве, что имеет место в самолетах бизнес-класса или частных самолетах, то используются среди прочего также прошитые войлочные материалы, которые крепятся частично также на противоположной фюзеляжу стороне, например, над головками шпангоутов.
Из WO 2005/095206, а также WO 2006/114332 известно, что выполненные из различных материалов многослойные изоляционные пакеты можно применять для повышения акустического комфорта внутри салона самолета. Кроме того, специалистам в данной области техники известно, что повышения степени ослабления звука структурой, в частности, в диапазоне низких частот (например, менее 500 Гц) можно достигать за счет увеличения массы наружной обшивки самолета или за счет использования в изоляционной структуре дополнительного слоя с относительно высокой удельной плотностью. При этом увеличение веса единицы поверхности фюзеляжа самолета можно осуществлять, например, посредством прямого нанесения так называемых демпфирующих покрытий или тяжелых слоев на панели обшивки.
Кроме того, известны также предпочтительные акустические характеристики структур с двойными стенками по сравнению с одинарными стенками. При в целом одинаковом используемом весе средств для уменьшения прохождения звука, при распределении их на два стенных элемента достигается более высокая степень ослабления звука, чем при концентрации идентичного веса в одинарной стенке. В частности, в самолетостроении ограничен вес, который можно использовать для акустических средств, так что предпочтительно использовать структуры с двойными стенками или с несколькими стенками для обеспечения максимального ослабления звука.
В уже указанном документе WO 2006/114332 раскрыта изоляционная структура для использования в самолетах бизнес-класса, в которой за счет применения комбинированного пакета из пористого поглотителя и тяжелой пленки во взаимодействии с наружной обшивкой самолета создается структура с двойной стенкой из наружной обшивки и тяжелой пленки. Однако она имеет различные недостатки. Созданная с помощью такой конструкции двойная стенка имеет при так называемой резонансной частоте двойной стенки, величина которой задается по существу массой тяжелой пленки и расстоянием между тяжелой пленкой и наружной обшивкой самолета, провал в степени ослабления звука и имеет лишь выше этой резонансной частоты двойной стенки известные предпочтительные акустические характеристики. Кроме того, образуется, в частности, в зоне боковых стенок самолета, содержащих фюзеляж, тяжелую пленку и панель внутренней обшивки, структура с несколькими стенками, которая имеет дополнительные резонансные эффекты с провалами в степени ослабления звука. Эти резонансы двойной стенки или множественной стенки возникают за счет того, что заключенный между стенками в зонах элементов жесткости воздух действует в качестве пружины и тем самым образует способную к колебаниям систему из пружины и массы.
Кроме того, применяемая тяжелая пленка акустически перекрывает расположенную на фюзеляже самолета первичную изоляцию. Однако за счет этого не может больше поглощаться звуковая энергия между тяжелой пленкой и обшивкой салона, так что уменьшается эффективная толщина поглощающего слоя на стороне салона.
Дополнительно к этому замкнутая тяжелая пленка внутри структуры для тепловой изоляции действует как барьер для пара, так что за счет использования тяжелой пленки образуется конденсат, который впитывается примыкающим пористым изоляционным материалом. Высыхание этого материала затрудняется за счет полного закрывания изоляционного материала, соответственно, полностью невозможно, так что материалы в тепловой и акустической изоляции постоянно увеличивают вес в течение срока службы самолета.
Сущность изобретения
Задачей изобретения является создание изоляционной структуры для тепловой и акустической изоляции летательного аппарата, которая имеет небольшой вес, особенно хорошо пригодна для ослабления низкочастотных шумов, но без отрицательного воздействия на тепловую изоляцию и без эффекта конденсации.
Задача решена с помощью изоляционной структуры для тепловой и акустической изоляции летательного аппарата, имеющей, по меньшей мере, один тяжелый слой и предпочтительно расположенный на обращенной к салону стороне тяжелого слоя поглощающий слой, при этом тяжелый слой, по меньшей мере, в некоторых зонах перфорирован и доля поверхности отверстий в нем согласована так, что тяжелый слой является по существу прозрачным для звука на частотах ниже частоты двойной стенки изоляционной структуры.
За счет перфорирования тяжелого слоя предотвращается указанный выше провал в степени ослабления звука в акустически непроницаемом слое. Однако изоляционная структура согласно изобретению имеет относительно веса тяжелого слоя предпочтительные акустические характеристики двойной стенки над резонансной частотой двойной стенки. Таким образом, за счет перфорирования не может больше возникать закрытая воздушная подушка и подавляется образование способной к колебаниям системы из пружины и массы. В зависимости от подлежащей использованию степени перфорирования, соответственно, доли отверстий тяжелый слой для более высоких частот, которые лежат выше частоты двойной стенки изоляционной структуры, согласно изобретению можно рассматривать, тем не менее, в качестве акустически непроницаемого. За счет выполненного в тяжелом слое перфорирования можно дополнительно сохранять транспортировку водяного пара, так что изоляция самолета может высыхать при нахождении на земле. Тем самым перфорация согласно изобретению предотвращает действие тяжелого слоя в качестве барьера для пара.
В особенно предпочтительной изоляционной структуре согласно изобретению поглощающий слой образован из пористого материала. Этот материал может быть, например, стекловатой. За счет этого достигается особенно эффективное поглощение звука.
3
3
В особенно предпочтительной изоляционной структуре согласно изобретению поглощающий слой имеет плотность между 3,5 кг/м и 25 кг/м. В конструкции летательных аппаратов обращается внимание в целом на возможно меньший вес компонентов, причем указанный диапазон плотности соответствует компромиссу между возможно большим поглощением звука и возможно меньшим весом.
Кроме того, толщина поглощающего слоя в диапазоне от 5 мм до 55 мм является особенно предпочтительной, поскольку эта сравнительно небольшая толщина слоя в комбинации с перфорированным тяжелым слоем является достаточной для эффективного поглощения низких частот и одновременно позволяет удерживать дополнительный вес и общую толщину в приемлемых границах с помощью изоляционной структуры согласно изобретению.
2
2
Вес единицы поверхности тяжелого слоя между 0,5 кг/м и 4 кг/м является предпочтительным для изоляционной структуры согласно изобретению, поскольку за счет использования дополнительной массы можно повысить степень ослабления звука и тем самым увеличивать эффективность структуры согласно изобретению. В указанном диапазоне веса единицы поверхности можно достигать желаемого ослабления звука низких частот, например, за счет более благоприятной установленной частоты двойной стенки.
Дополнительно к этому одна предпочтительная модификации изоляционной структуры согласно изобретению предназначена для размещения первого компонента крепежной системы, который взаимодействует с расположенным неподвижно относительно структуры летательного аппарата вторым компонентом крепежной системы для образования соединения. Это является целесообразным, поскольку множество первых компонентов крепежной системы можно интегрировать уже при изготовлении изоляционной структуры и множество вторых компонентов можно позиционировать в заданных местах уже при монтаже структуры летательного аппарата. За счет этого при конечном монтаже летательного аппарата можно отказаться от одной или нескольких рабочих стадий при креплении изоляционной структуры согласно изобретению. За счет соответствующих положений первых и вторых компонентов крепежной системы необходимо лишь вводить расположенные на изоляционной структуре согласно изобретению первые компоненты во вторые компоненты. Это осуществляется предпочтительно с помощью легко выполняемых соединений с защелкиванием или фиксацией.
В предпочтительной модификации изоляционной структуры согласно изобретению предусмотрено, что второй компонент крепежной системы, соответственно, их множество, расположены с внутренней стороны фюзеляжа на наружной обшивке летательного аппарата. За счет этого обеспечивается возможность легкого крепления изоляционной структуры согласно изобретению непосредственно на наружной обшивке летательного аппарата, за счет чего изоляционная структура не вызывает чрезмерного ограничения конструктивного пространства для салона.
Расположение вторых компонентов крепежной системы на внутренней стороне фюзеляжа на одном или нескольких элементах жесткости структуры является предпочтительным потому, что за счет большего расстояния между фюзеляжем и тяжелым слоем дополнительно уменьшается частоты двойной стенки и за счет этого повышается эффективность изоляционной структуры согласно изобретению. Под элементами жесткости понимаются все конструктивные элементы, которые применяются для придания жесткости фюзеляжу летательного аппарата, такие как, например, шпангоуты для поперечной жесткости и стрингеры для продольной жесткости.
В одной предпочтительной модификации изоляционной структуры согласно изобретению вторые компоненты крепежной системы неподвижно склеены или введены в виде слоя в структуру летательного аппарата. В фюзеляжах летательных аппаратов, которые изготовлены из металлических материалов, предпочтительно приклеивать вторые компоненты крепежной системы. За счет этого отпадает необходимость выполнения сверленых отверстий, очистки, герметизации и подобного для заклепочных или винтовых соединений. С другой стороны, особенно предпочтительно во время изготовления фюзеляжа вклеивать компоненты крепежной системы, когда фюзеляж летательного аппарата изготовлен из волоконного композитного материала, такого как CFK. Хотя за счет этого отпадает определенная гибкость в последующем расположении вторых компонентов, однако достигается высокая степень предварительного изготовления фюзеляжа летательного аппарата. Кроме того, вклеивание вторых компонентов приводит к особенно прочному соединению.
Кроме того, предпочтительно, когда первые компоненты и вторые компоненты выполнены с возможностью соединения с геометрическим или силовым замыканием. При этом такие соединения могут быть выполнены так, что они являются достаточными для всего использования подлежащих креплению компонентов. Обе технологии соединения сравнительно легко реализуются и интегрируются в первые и вторые компоненты, кроме того, выполнение соединения осуществляется без использования инструментов и тем самым особенно просто. В качестве соединения с геометрическим замыканием можно применять, например, соединения с защелкиванием или с фиксацией. Соединения с силовым замыканием охватывают, например, зажимные соединения, при которых, однако, необходимо использовать инструменты для расцепления соединения.
Кроме того, предпочтительно, когда первый и/или второй компонент выполнены также с возможностью удерживания предметов, устройств, трубопроводов или подобного. За счет этого крепежная система для изоляционной структуры согласно изобретению выполняет не только задачу удерживания изоляционной структуры согласно изобретению, но первый компонент может также удерживать другие предметы. Первый компонент крепежной системы предпочтительно направлен во внутреннюю зону фюзеляжа, так что относительно легко можно удерживать непосредственно на изоляционной структуре согласно изобретению, например, электрические кабели, трубопроводы для кислорода или воды, каналы для кабелей или подобное.
Кроме того, задача решена с помощью способа изготовления изоляционной структуры, имеющей, по меньшей мере, один тяжелый слой и один поглощающий слой, при этом в способе согласно изобретению осуществляются следующие стадии: выполнения поглощающего слоя и тяжелого слоя, перфорирования тяжелого слоя, при этом доля поверхности отверстий тяжелого слоя согласована так, что тяжелый слой является по существу прозрачным для звука для частот ниже частоты двойной стенки изоляционной структуры, введения, по меньшей мере, одного первого компонента крепежной системы, по меньшей мере, в один из элементов поглощающего слоя и тяжелого слоя, соединения первых компонентов крепежной системы со вторыми неподвижно расположенными компонентами крепежной системы. Наконец, задача решена также с помощью применения изоляционной структуры согласно изобретению и летательного аппарата, по меньшей мере, с одной изоляционной структурой согласно изобретению.
Краткое описание чертежей
Другие признаки, преимущества и возможности применения данного изобретения следуют из приведенного ниже описания примеров выполнения и чертежей, при этом все описанные и/или изображенные на чертежах признаки образуют сами по себе и в любых комбинациях предмет изобретения также независимо от их объединения в отдельных пунктах формулы изобретения или от их подчиненности. На чертежах одинаковыми позициями обозначены одинаковые или аналогичные объекты. При этом на чертежах схематично изображено:
фиг.1 - изоляционная структура согласно изобретению;
фиг.2 - изоляционная структура согласно изобретению с крепежной системой на головке шпангоута;
фиг.3 - изоляционная структура согласно изобретению с крепежной системой, в другом виде;
фиг.4а-4е - второй крепежный компонент и четыре различных первых компонента крепежной системы;
фиг.5а-5с - различные дополнительно расположенные на крепежной системе компоненты; и
фиг.6 - схема способа согласно изобретению для изготовления изоляционной структуры согласно изобретению.
Подробное описание примеров выполнения
На фиг.1 показана изоляционная структура 2 согласно изобретению, которая имеет изоляционный слой 4, поглощающий слой 6 и расположенный между ними тяжелый слой 8. Тяжелый слой 8 перфорирован и поэтому имеет ряд отверстий 10, доля которых в общей поверхности тяжелого слоя, то есть доля поверхностей отверстий, выбрана так, что тяжелый слой 8 является по существу прозрачным для звука ниже частоты двойной стенки изоляционной структуры 2 согласно изобретению. При этом прозрачность для звука означает, что тяжелый слой пропускает звуковые волны. Поэтому при прозрачности для звука общая толщина поглотителя звука, образованного из поглощающего слоя 6 и изоляционного слоя 4, складывается из толщины этих обоих слоев 4 и 6. Если бы тяжелый слой 8 не был перфорирован, то общая толщина поглотителя звука уменьшалась бы до толщины поглощающего слоя 6. Наряду с улучшением ослабления звука за счет прозрачного для звука в зависимости от частоты тяжелого слоя 8 расширяется поглощающая способность изоляционной структуры 2 согласно изобретению к низким частотам. При этом следует отметить, что эффективная для общей толщины поглотителя звука толщина изоляционного слоя 4 является толщиной находящегося в нем пористого материала.
Как показано на фиг.1, изоляционная структура согласно изобретению может быть расположена с прилеганием к стрингерам 12, которые служат для придания продольной жесткости фюзеляжу летательного аппарата. Стрингеры 12 расположены на наружной обшивке 14 летательного аппарата, при этом расстояние между тяжелым слоем 8 и наружной обшивкой 14 вместе с массой тяжелого слоя 8 являются решающими параметрами для определения частоты двойной стенки. Чем больше расстояние между тяжелым слоем 8 и наружной обшивкой 14, тем ниже частота двойной стенки.
Как показано на фиг.2, изоляционная структура 16 согласно изобретению может быть также позиционирована на шпангоуте 18 с помощью крепежной системы 20. Крепежная система 20 в показанном случае наклеена на головку 22 шпангоута 18 с помощью клеевого слоя 24, так что для крепления крепежной системы 20 на структуре летательного аппарата нет необходимости в сверлении отверстий или подобного.
Крепежная система 20 предпочтительно состоит из двух компонентов, а именно первого компонента 26 и второго компонента 28. Второй компонент 28 закреплен на головке 22 шпангоута 18, в то время как первый компонент 26 закрепляется на втором компоненте 28 при монтаже изоляционной структуры согласно изобретению. Для этого изоляционная структура 16 согласно изобретению выполнена с возможностью размещения первого компонента 26 так, что изоляционная структура 16 имеет, например, подходящие отверстия 30, в которые можно вводить удлиненные зоны 32 первого компонента 26.
В показанном виде первый компонент 26 имеет расширенное гнездо 34 для тяжелого слоя 36, так что можно дополнительно увеличивать расстояние между тяжелым слоем 36 и наружной обшивкой 14 летательного аппарата. При этом в принципе было бы целесообразно закреплять не изображенный на фиг.2 поглощающий слой 36, например, на стороне фюзеляжа, то есть в плоскости чертежа над тяжелым слоем 36, на элементах внутренней обшивки, где он мог бы служить также в качестве вторичной изоляции для салона.
В случае когда подлежащий снабжению изоляционной структурой согласно изобретению летательный аппарат имеет структуру из армированной волокном пластмассы, например CFK, крепление изоляционной структуры 38 согласно изобретению можно выполнять как показано на фиг.3. В этом случае второй компонент 40 с помощью клеевого слоя 42 приклеен непосредственно на наружную обшивку 44 фюзеляжа. В качестве альтернативного решения второй компонент 40 крепежной системы 46 можно вводить в виде слоя, вклеивать также в структуру, соответственно, в наружную обшивку 44 фюзеляжа. Это можно осуществлять посредством соответствующей интеграции второго компонента 40 во время процесса изготовления фюзеляжа. Хотя за счет этого отпадает гибкость относительно последующих изменений, однако можно реализовывать высокую степень предварительного изготовления и возможно надежное крепление второго компонента 40 на наружной обшивке 44 фюзеляжа. Соответственно второму компоненту 40, первый компонент 48 интегрируется в изоляционную структуру 38 согласно изобретению со всеми указанными выше возможностями выполнения.
На фиг.4а-4е показаны различные выполнения первых компонентов 50-56, которые служат для возможно более простого введения во вторые компоненты 58 и крепления там. Так, например, на фиг.4В показан первый компонент 50 с фиксирующими шариками 60, которые могут входить с фиксацией в соответствующие углубления во втором компоненте 58. Другие показанные примеры 52-56 содержат другие зажимные, соответственно, фиксирующие соединения.
На фиг.5а-5е показаны возможности удерживания других объектов на первых компонентах крепежных систем. На фиг.5а показан, например, пучок 62 проводников, который удерживается на первом компоненте 64 крепежной системы 66. Для этого в первый компонент интегрировано гнездо 68, на котором можно закреплять своего рода раму или уголок 70, который в свою очередь удерживает канал 72 для кабелей или подобного.
На фиг.5b показан аналогичный пример для удерживания трубопроводов 74 для кислорода, в котором первый компонент 76 крепежной системы 78 предназначен для обеспечения возможности особенно надежного удерживания в гнезде 80 трубопроводов 74 для кислорода.
Наконец, на фиг.5с показано, что можно удерживать также относительно толстые трубопроводы для текучей среды, как, например, в данном случае воздухопровод 82 устройства кондиционирования воздуха, с помощью расположенного на первом компоненте 84 зажимного приспособления 86. В соответствии с этой дополнительной нагрузкой необходимо выполнять крепежную систему 88, чтобы исключить поломку второго компонента 90, особенно при введенном внутрь в виде слоя втором компоненте 90.
Наконец, на фиг.6 показана схема способа изготовления согласно изобретению изоляционной структуры согласно изобретению, который начинается стадиями выполнения (92) тяжелого слоя и выполнения (96) поглощающего слоя. Не обязательно, может осуществляться также стадия выполнения (94) изоляционного слоя. Затем предварительно или одновременно выполняют перфорирование (98) тяжелого слоя, при этом доля отверстий перфорации выбирается в соответствии с существенными для изобретения признаками. Наконец, по меньшей мере, в один из слоев устанавливают (100) один или несколько первых компонентов крепежной системы и затем закрепляют (102) в соответственно расположенном втором компоненте.
В заключение следует отметить, что понятие «содержит» не исключает другие элементы или стадии, а понятие «один» не исключает множество. Кроме того, следует подчеркнуть, что признаки или стадии, описание которых приведено применительно к одному из указанных примеров выполнения, можно применять также в комбинации с другими признаками или стадиями других указанных примеров выполнения. Приведенные в формуле изобретения позиции не следует рассматривать в качестве ограничения.
Перечень позиций
2 Изоляционная структура
4 Изоляционный слой
6 Поглощающий слой
8 Тяжелый слой
10 Отверстия
12 Стрингер
14 Наружная обшивка
16 Изоляционная структура
18 Шпангоут
20 Крепежная система
22 Головка шпангоута
24 Клеевой слой
26 Первый компонент крепежной системы
28 Второй компонент крепежной системы
30 Отверстие
32 Удлиненные зоны первого компонента
34 Гнездо для тяжелого слоя
36 Тяжелый слой
38 Изоляционная структура
40 Второй компонент
42 Клеевой слой
44 Наружная обшивка фюзеляжа
46 Крепежная система
48 Первый компонент крепежной системы
50 Первый компонент крепежной системы
52 Первый компонент крепежной системы
54 Первый компонент крепежной системы
56 Первый компонент крепежной системы
58 Второй компонент крепежной системы
60 Фиксирующий шарик
62 Пучок проводников
64 Первый компонент крепежной системы
66 Крепежная система
68 Гнездо
70 Уголок
72 Канал для кабелей
74 Трубопроводы для кислорода
76 Первый компонент крепежной системы
78 Крепежная система
80 Гнездо
82 Воздухопровод
84 Первый компонент крепежной системы
86 Зажимное приспособление
88 Крепежная система
90 Второй компонент
92 Выполнение тяжелого слоя
94 Выполнение изоляционного слоя
96 Выполнение поглощающего слоя
98 Перфорирование тяжелого слоя
100 Установка первого компонента
102 Соединение первого компонента со вторым компонентом