УПЛОТНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО САМОЗАКРЫВАЮЩИХСЯ КРЫШЕК ЛЮКОВ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
PACKING FACILITY OF SELF-CLOSING COVERS OF AIRCRAFT HATCHES

Изобретение относится к области космической и авиационной техники, более конкретно, к герметизации самозакрывающихся крышек люков, работающих в широком диапазоне плюсовых и минусовых температур.
Известно устройство по авторскому свидетельству СССР №288554 (опубл. 03.12.1970 [1]) для герметизации люков самолета, содержащее крышку, подкрепленную силовым набором и взаимодействующую опорным профилем своей обечайки с окантовочным профилем проема люка, и уплотнительный элемент (жгут). Уплотняющий эффект достигается при обжатии уплотнительного жгута, находящегося внутри V-образного опорного профиля люка, другим V-образным окантовочным профилем.
Устройство такой конструкции имеет большой вес из-за наличия двух обечаек и двух V-образных профилей. Для закрытия крышки необходимы большие усилия, так как уплотняющий элемент (жгут) имеет жесткие характеристики, а также требуются значительные усилия на деформацию и преодоление силы трения между V-образными профилями в момент закрытия крышки.
Известно также устройство по авторскому свидетельству СССР №1744000 (опубл. 30.06.1992 [2]) для герметизации люка летательного аппарата, содержащее уплотнитель, имеющий основание и гибкую рабочую часть, включающую наклоненную стенку с утолщением в виде круглой головки на конце, контактирующей своей кромкой с крышкой люка, и элементы крепления уплотнителя на окантовке люка. Элементы крепления содержат фиксирующий V-образный тонкий металлический профиль, в который вставляется и фиксируется резиновый уплотнитель.
В этом устройстве при действии сил, обусловленных избыточным внешним давлением и действующих и на внешнюю сторону боковой стенки уплотнителя, может произойти разгерметизация (раскрытие уплотняемого стыка), поскольку гибкая боковая стенка уплотнителя достаточно тонка и сила, необходимая для ее отгиба от контактной поверхности, незначительна. При закрытии крышки люка происходит обжатие уплотнителя с одновременным прижатием его стенки к фиксирующему тонкостенному V-образному профилю, имеющему острый край. В результате этого может нарушиться целостность (произойти обрезание) боковой стенки, что приведет к нарушению герметичности.
Кроме того, требуются большие усилия для закрытия крышки люка при отрицательных температурах, так как с понижением температуры модуль упругости резины значительно вырастает (резина твердеет). Данный недостаток объясняется тем, что в свободном (не обжатом) состоянии стенка уплотнителя образует с поверхностью контакта крышки угол около 70° (т.е. почти перпендикулярна), следовательно, при обжатии стенка уплотнителя не только изгибается, но и сжимается, а это требует больших усилий. Образуются гофры по периметру уплотнителя, а это приводит к прерывистому контакту с крышкой люка и, как следствие, - к нарушению герметичности.
Гофры неизбежно образуются, во-первых, при установке замкнутого по периметру уплотнителя внутрь фиксирующего V-образного элемента, так как в свободном состоянии стенка уплотнителя отклонена от основания к внешней стороне уплотнителя, а в рабочем состоянии фиксирующий V-образный элемент загибает боковую стенку в сторону основания (к внутренней стороне уплотнителя, имеющего замкнутый периметр), что требует уменьшения периметра утолщенной головки, а поскольку это невозможно, возникают гофры. Во-вторых, гофры могут возникать, когда закрывается крышка, обжимается уплотнитель и стенка изгибается внутрь сечения профиля, что тоже требует уменьшения периметра утолщенной головки и, поскольку это невозможно, приводит к образованию гофр.
Отмеченные недостатки уплотнительных устройств, известных из авторских свидетельств [1], [2], приводят к невозможности их использования для самозахлопывающихся крышек люков в широком диапазоне температур, т.к. из изложенного следует, что имеют место ситуации, когда крышка может просто не закрыться.
К предлагаемому изобретению наиболее близко уплотнительное устройство по авторскому свидетельству [2].
Предлагаемое изобретение направлено на получение технического результата, заключающегося в обеспечении герметизации разъемного соединения автоматически захлопывающихся (без участия человека) крышек люков летательных аппаратов, эксплуатируемых как при больших минусовых, так и плюсовых температурах, без приложения больших усилий для закрытия. При раскрытии сущности предлагаемого изобретения и описании примера его реализации будут названы и другие виды достигаемого технического результата, с которыми названный выше имеет причинно-следственную связь.
Предлагаемое устройство, как и наиболее близкое к нему устройство по авторскому свидетельству [2], содержит резиновый уплотняющий элемент, установленный на крышке люка с возможностью создания уплотняющего эффекта при закрытии крышки путем прижатия уплотнительного элемента к уплотняемой поверхности окантовки корпуса летательного аппарата.
Для достижения указанного технического результата в предлагаемом устройстве в отличие от указанного наиболее близкого к нему известного резиновый уплотняющий элемент выполнен виде тонкого плоского кольца, закрепленного на крышке люка своей внутренней частью консольно, а внешняя его часть, предназначенная для контактирования с уплотняемой поверхностью окантовки корпуса летательного аппарата, свободна. При этом для указанного консольного закрепления с одновременным приданием уплотняющему элементу конусообразной формы внутренняя часть указанного кольца зажата по всему периметру крышки люка между двумя кольцевыми прижимами, установленными на крышке люка со стороны герметизируемого пространства. Указанные прижимы имеют конгруэнтные конические поверхности, контактирующие с поверхностями указанной части кольца и обращенные своими вершинами с сторону герметизируемого пространства. При этом более удаленный от поверхности крышки люка прижим имеет клеевое соединение с контактирующей с ним поверхностью указанной части кольца.
Кроме того, крышка люка и окантовка корпуса летательного аппарата могут быть выполнены со щелью между ними и с образованием кармана перед уплотняющим элементом с его внешней стороны по всему периметру внешней части указанного кольца. Карман через эту щель соединен с окружающей средой.
Благодаря описанным выше особенностям выполнения и установки уплотнительного элемента при закрытии крышки деформируется только консольная часть сечения профиля уплотнительного элемента, причем она работает только на изгиб. Деформации на сжатие сечения профиля отсутствуют, а следовательно, требуемые для закрытия крышки усилия малы. При больших отрицательных температурах, когда резиновый уплотнитель теряет высокоэластические свойства (резина твердеет), усилия на закрытие крышки остаются небольшими благодаря тому, что при охлаждении уплотняющего элемента происходит не только линейное, но и объемное сжатие его конусной консольной (не защемленной) части. При этом размеры незащемленной части уменьшаются значительно больше, чем у защемленной. Происходит предварительное обжатие уплотняющего элемента до захлопывания крышки, а следовательно, уменьшаются требуемая величина обжатия и сила захлопывания крышки.
В частном случае выполнения предлагаемого устройства, предусматривающем наличие описанных выше щели и кармана, избыточное давление в последнем, вызываемое набегающим потоком окружающей среды, обеспечивает равномерное прижатие уплотняющего элемента к уплотняемой поверхности по всему периметру. Это дополнительно повышает надежность автоматического захлопывания крышки люка в широком диапазоне температур и способствует обеспечению требуемой герметичности.
Целесообразно выполнение указанной щели шириной 1,0÷1,5 мм.
При описании конкретного выполнения предлагаемого устройства физические эффекты, обусловливающее достижение присущего изобретению технического результата, будут рассмотрены более подробно.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, на которых показаны:
- на фиг.1 - общий вид уплотнительного устройства для круглой самозахлопывающейся крышки;
- на фиг.2 - схема работы уплотнительного устройства, поясняющая эффект предварительного обжатия;
- на фиг.3 - фрагмент "А" фиг.1 (схема работы уплотнительного устройства, поясняющая эффект самоуплотнения);
- на фиг.4 - графики зависимости усилия закрытия крышки от температуры.
1
2
Уплотнительное устройство содержит (см. фиг.1, 2) тонкий плоский эластичный уплотняющий элемент 1 в виде кольца с внешним диаметром Ф и внутренним диаметром Ф. Такой уплотняющий элемент аналогичен обычной плоской резиновой прокладке, прост в изготовлении и не требует специальных пресс-форм. Уплотняющий элемент 1 устанавливается на крышке 5 люка при помощи двух конусообразных прижимов 3 и 4. Прижимы 3, 4 размещены по периферии внутренней поверхности крышки 5, обращенной в сторону герметизируемого объема. Прижим 4, более удаленный от поверхности крышки 5, ставится с уплотняющим элементом 1 на клее. Обращенные друг к другу конические поверхности прижимов 3 и 4 конгруэнтны, при этом эти конические поверхности ориентированы вершинами соответствующих конусов в сторону герметизируемого объема. Прижимы 3 и 4 установлены на крышке 5 посредством болтовых соединений 24 (фиг.2). Конструкция крышки 5 люка совместно с окантовкой 15 корпуса летательного аппарата образуют кольцевой карман 2 (фиг.1, 3) по всему периметру внешней части тонкого кольца, в виде которого выполнен уплотняющий элемент 1. В карман 2 через кольцевую щель 21 шириной δ=1÷1,5 мм натекает газ (воздух) окружающей среды. Крышка 5 (фиг.1) навешена на оси 9 вращения и автоматически захлопывается при помощи пружинного привода 10, троса 7 и качалки 8. Привод 10 установлен на шпангоуте 11, с которым скреплена обшивка 12 корпуса летательного аппарата. В закрытом положении крышка 5 запирается защелкой 14 замка фиксации. Уплотняющий элемент 1 имеет герметичный контакт с уплотняемой поверхностью 22 кольцевого элемента 6 (см. фиг.3), принадлежащего конструкции окантовки 15 люка.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. При положительных температурах окружающей среды крышка 5 захлопывается без всяких проблем. Уплотняющий элемент 1 имеет высокие эластические свойства, и его сечение легко обжимается (отклоняется на угол ω, см. фиг.1, 3), создавая с уплотняемой поверхностью 22 (см. фиг.3) уплотняющий эффект, который усиливается во время полета от так называемого эффекта самоуплотнения. При работе устройства в условиях больших отрицательных температур несмотря на то, что материал уплотняющего элемента твердеет и требует бóльших усилий обжатия при деформации, предлагаемое устройство обеспечивает надежное захлопывание (закрытие) крышки. Это достигается следующим.
1. Приданием тонкому плоскому эластичному уплотняющему элементу 1 конусной формы с углом α при вершине конуса (см. фиг.2). Установка его на крышке 5 люка осуществляется с помощью двух конусных металлических прижимов 3 и 4, которые защемляют один край образовавшегося из плоского кольца конуса, а другой остается свободным (сечение профиля имеет вид консольно заделанной балки), причем один из прижимов (4) устанавливается на клее. Данное конструктивное решение позволяет уменьшить усилие закрытия (захлопывания) крышки, так как деформация уплотняющего элемента конусной формы требует усилий обжатия значительно меньших, чем традиционное обжатие самого сечения профиля.
1
1
2. Уменьшением (сжатием) образованного объема конуса уплотняющего элемента при охлаждении, причем незащемленная часть сжимается значительно больше, а защемленная металлическими прижимами 3, 4 и клеем меньше. Диаметр незащемленной части конуса уменьшается с Ф до Ф' (см. фиг.2), свободный край уплотняющего элемента поворачивается (прогибается) на угол φ, принимая положение 1'. При этом происходит образование более острого конуса с углом β при вершине, меньшим первоначального значения α. Происходит как бы предварительное обжатие уплотняющего элемента 1 до захлопывания крышки 5 люка, а следовательно, уменьшается его обжатие при закрытии. Данный эффект (эффект предварительного обжатия) возникает из-за разности коэффициентов линейного расширения (у резины он в 15 раз больше, чем у металла).
1
3. Созданием кармана 2 в конструкции крышки, соединенного с окружающей средой через кольцевую щель 21 шириной δ и имеющего внутри (во время полета) зону повышенного давления P перед тонкостенным эластичным уплотняющим элементом 1 (см. фиг.3). Данное конструктивное решение создает эффект самоуплотнения, т.е. уплотняющий элемент прижимается к уплотняемой поверхности 22 кольцевого элемента 6 самим же давлением набегающего потока окружающей среды, создавая тем самым повышенный (дополнительный) уплотняющий эффект. Избыточное давление в кармане 2 обеспечивает дополнительное равномерное прижатие уплотняющего элемента к уплотняемой поверхности по всему периметру.
Предлагаемая конструкция уплотнительного устройства позволяет использовать описанные физические закономерности для уменьшения усилий обжатия уплотняющего элемента, что повышает надежность автоматического закрытия крышки люка в широком диапазоне температур как положительных, так и больших отрицательных. Данный вывод подтверждается графиком зависимости усилия F захлопывания крышки от температуры Т (см. фиг.4). Такой же вид имеет и зависимость от температуры погонной силы q обжатия уплотняющего элемента. Погонная нагрузка q дополнительного прижатия уплотняющего элемента, показанная на фиг.3, определяется из выражения:
1
2
q=(Р-Р)·В,
где:
1
P - давление набегающего потока окружающей среды;
2
Р - давление внутри летательного аппарата;
В - показанная на фиг.3 ширина незащемленной части уплотняющего элемента 1,
а суммарная дополнительная сила F прижатия уплотняющего элемента от эффекта самоуплотнения равна
F=q·L,
где L - длина незащемленной части уплотняющего элемента по средней линии кольца, которое представляет собой эта часть.
График фиг.4 получен по результатам испытаний люков диаметром 346 мм. Из графика видно, что с понижением температуры от +20° до 0°С усилие захлопывания крышки люка растет, а при дальнейшем охлаждении падает (появляется "провал") и только после минус 30° незначительно возрастает. Наличие "провала" объясняется тем, что при охлаждении ниже 0°C проявляется эффект предварительного обжатия уплотнительного элемента, который описан выше и поясняется с помощью схемы работы предлагаемого уплотнительного устройства (фиг.2).
Таким образом, техническое решение согласно предлагаемому изобретению позволяет создать устройство для герметизации разъемного соединения автоматически захлопывающихся люков, работающее в широком диапазоне температур.
Источники информации
1. Авторское свидетельство СССР №288554, опубл. 03.12.1970.
2. Авторское свидетельство СССР №1744000 А1, опубл. 30.06.1992.