РАМА ИЛЛЮМИНАТОРА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
AIRCRAFT WINDOW FRAME

Изобретение относится к рамам иллюминаторов для установки во внешнем корпусе летательного аппарата, которые содержат по меньшей мере один внешний фланец, один внутренний фланец и один вертикальный фланец, размещенный между внешним и внутренним фланцами перпендикулярно по отношению к ним, причем соединение с несущей конструкцией летательного аппарата осуществляется по внешнему фланцу и прозрачная часть иллюминатора, которая должна удерживаться, закреплена во внутреннем фланце, который удерживается вертикальным фланцем. Кроме того, изобретение относится к способам изготовления таких рам иллюминаторов.
В большинстве выпускаемых и эксплуатирующихся летательных аппаратов используются рамы иллюминаторов, выполненные из алюминия, при изготовлении которых используются процессы штамповки и дополнительной обработки в размер. Рама иллюминатора состоит из следующих основных частей: внешнего фланца, внутреннего фланца и вертикального фланца, размещенного между этими фланцами перпендикулярно по отношению к ним. Для соединения рам иллюминаторов с несущей конструкцией летательного аппарата или с его внешним корпусом обычно используются два ряда заклепок, проходящих по внешнему фланцу. Прозрачная часть иллюминатора опирается на внутренний фланец и обычно содержит два элемента остекления и размещенное между ними уплотнение и фиксируется в нужном положении с помощью прижимного фиксатора, который соединен с вертикальным фланцем.
Кроме функции фиксации прозрачной части иллюминатора такая рама также обеспечивает поглощение повышенного механического напряжения, возникающего на краю сравнительного большого выреза для иллюминатора, который монтируется во внешнем корпусе, передающем нагрузки. Таким образом, с одной стороны, внешний фланец рамы иллюминатора служит для усиления этого выреза и, с другой стороны, посредством внешнего фланца с помощью заклепок осуществляется соединение рамы с внешним корпусом.
Поскольку изготовление известных алюминиевых рам иллюминаторов обычно осуществляется штамповкой, то невозможно получить такое поперечное сечение профиля рамы, которое бы оптимально распределяло силу действия заклепок, из-за того, что максимальный уклон фланца может составлять около двух градусов для облегчения процесса клепания.
Внутренний фланец служит для непосредственного удерживания прозрачной части иллюминатора, и поэтому здесь наклон элемента крепления иллюминатора носит упрощенный характер. В то же время существующая нагрузка, вызываемая внутренним давлением, которая является главной силой для пассажирской кабины, передается через внутренний фланец на внешний корпус летательного аппарата.
Вертикальный фланец обычно используется исключительно как ребро усиления рамы, минимизирующее напряжение во внешнем корпусе при минимально возможном весе. К этому вертикальному фланцу также прикреплены болты с проушиной, с помощью которых держатель или прижимной фиксатор для элементов остекления иллюминатора удерживается в нужном положении. В то же время вертикальный фланец образует направляющую для установки прозрачной части иллюминатора.
Целью изобретения является создание рамы иллюминатора вышеописанного типа, в которой достигается существенное уменьшение веса по сравнению с рамами иллюминаторов, используемыми в настоящее время. В то же время себестоимость изготовления такой рамы иллюминатора должна быть как можно более низкой. Кроме того, целью настоящего изобретения является создание наиболее простого и экономичного способа изготовления такой рамы иллюминатора.
Первая цель изобретения достигается за счет того, что в конструкции рамы иллюминатора предусматривается использование смолы, армированной волокном. Вторая цель изобретения достигается за счет использования способа, в котором заготовка, изготовленная из волокнистого материала, вставляется в пресс-форму, в которую под давлением инжектируется смола, имеющая некоторую температуру, и затем часть, полученная таким образом, отверждается в пресс-форме.
Изобретение обеспечивает возможность использования конструкции рамы иллюминатора, которая изготовлена из волокнистого материала и которая позволяет получить снижение веса до 50 процентов по сравнению с алюминиевыми рамами иллюминаторов, используемыми до настоящего времени. Несмотря на столь значительное потенциальное снижение веса конструкции стоимость ее изготовления не превышает стоимости рам иллюминаторов, изготовленных из штампованных алюминиевых частей.
В то же время в соответствии с настоящим изобретением обеспечивается возможность изготовления рамы иллюминатора из волокнистого материала, имеющей допуск всего около 0,2 мм при средней толщине стенки 5 мм, что соответствует допуску на изготовление около 4 процентов. Что касается штампованных алюминиевых рам, то для них в зависимости от способа изготовления принимается допуск порядка 1,5 мм, что соответствует допуску изготовления примерно 30 процентов для той же толщины стенки. Поэтому изобретение позволяет не только существенно уменьшить отклонения весов отдельных рам иллюминаторов, но также одновременно может быть значительно упрощена установка рамы на летательном аппарате или монтаж в раме прозрачной части иллюминатора. Наконец, в качестве дополнительных достоинств можно назвать повышение безопасности, а также существенное улучшение тепловой изоляции предлагаемой в изобретении рамы иллюминатора.
Изобретение будет описано ниже более подробно со ссылками на вариант реализации, который представлен на прилагаемых фигурах. На фигурах показано:
Фигура 1 - вид рамы иллюминатора в перспективе.
Фигура 2 - вид сечения рамы иллюминатора, показанной на фигуре 1, установленной на летательном аппарате.
Фигура 3 - вид части пресс-формы для изготовления рамы иллюминатора, показанной на фигуре 1, в открытом положении.
Фигура 4 - вид пресс-формы, показанной на фигуре 3, в закрытом положении.
Фигуры 5 и 6 - иллюстрации основных направлений для рамы иллюминатора, показанной на фигуре 1, причем на фигуре 6 представлен более детальный вид зоны, которая обозначена позицией VI на фигуре 5.
Фигура 7 - схема первой преформы в разрезе, иллюстрирующая ее структуру.
Фигура 8 - схема второй преформы в разрезе, иллюстрирующая ее структуру.
Фигура 9 - схема третьей преформы в разрезе, иллюстрирующая ее структуру.
Рама 1 иллюминатора, представленная на фигуре 1, изготовлена из волокнистого материала и так же, как известные штампованные алюминиевые рамы, имеет внешний фланец 2, внутренний фланец 3 и вертикальный фланец 4, размещенный между внешним и внутренним фланцами. Однако в отличие от обычных алюминиевых рам иллюминаторов краевая охватывающая часть внешнего фланца 2 в данном случае имеет постоянную ширину. Кроме того, внешний фланец 2 в отличие от соответствующей штампованной алюминиевой части имеет разную толщину в различных радиальных зонах. Это обеспечивает существенное улучшение использования материала в зоне крепления заклепками и выреза в корпусе летательного аппарата. На фигуре 2 это более наглядно иллюстрируется на детальном сечении, где показана рама 1 иллюминатора, установленная во внешнем корпусе 5 летательного аппарата. Также на этой фигуре показаны положения 6 заклепок, с помощью которых рама соединяется с внешним корпусом 5, а также два элемента 7 и 8 остекления иллюминатора, которые вместе с уплотнением 9 формируют прозрачную часть иллюминатора.
Рама 1 иллюминатора изготавливается с использованием технологии формования с инжекцией смолы или так называемой RTM-технологии. При этом сначала из волокна изготавливается часть 10 для отливки, так называемая преформа. Далее преформа помещается в пресс-форму 11, состоящую из двух частей, как показано на фигурах 3 и 4. Внутри нижней части 12 и верхней части 13 пресс-формы размещены внутренний литейный элемент 14 и внешний литейный элемент 15, в данном случае сформированные из двух частей. Преформа 10 помещается между двумя литейными элементами 14 и 15, пресс-форма 11 закрывается, и в нее под давлением инжектируется смола, подогретая до некоторой температуры. Затем готовая рама 1 отверждается внутри пресс-формы 11.
Поэтому преформа 10 может быть выполнена как цельная заготовка или по технологии составления преформы из отдельных элементов, при которой полная рама 1 иллюминатора формируется из отдельных конструктивных элементов или элементов преформы. Однако в любом случае преформа 10 содержит отдельные слои, которые в принципе могут быть выполнены из одного из следующих трех типов материалов:
- из тканой заготовки,
- из пучков волокон,
- из сочетания тканых заготовок и пучков волокон.
Направление отдельных слоев волокон, позволяющее получить структуру, способную выдерживать высокие нагрузки, является критическим для снижения веса, которое может быть достигнуто в описываемой конструкции рамы иллюминатора. Если направление волокон не соответствует направлению окружного движения вдоль рамы, то невозможно получить снижение веса, потенциально достижимое в описываемой конструкции. Общее направление слоев с основными направлениями 0°, 45° и показано на фигурах 5 и 6. Поэтому направление под углом 0° представляет направление окружного движения вдоль рамы 1 иллюминатора, 90° - радиальное направление, и направление под углом 45° представляет направление в переходной зоне от вертикального фланца 4 к внешнему фланцу 2.
На фигуре 7 представлен вид сечения многослойной структуры рамы 1 иллюминатора, содержащей тканые заготовки. На этой фигуре ссылочный номер 20 обозначает витую центральную часть внутреннего фланца под углом 0°, ссылочный номер 21 обозначает слои под углом ±60° во всех внешних зонах, а также слои под углом ±60°, отходящие от внешнего фланца 2 к внутреннему фланцу 3, и ссылочный номер 22 обозначает слои под углом 0° и 90° в зоне вертикального фланца 4. Эти направления слоев определяются на поверхностях контакта внешнего фланца 2, внутреннего фланца 3 и вертикального фланца 4. За пределами этой зоны обеспечивается выполнение следующих условий для неплоских тканых заготовок.
Вертикальный фланец 4:
- все волокна остаются в том же направлении, которое было определено.
Внутренний фланец 3 и внешний фланец 2:
- волокна под углом 0° остаются в том же направлении, которое было определено;
- волокна под углом ±45° остаются в том же направлении, которое было определено, однако они искривляются;
- волокна под углом ±60° остаются в том же направлении, которое было определено, однако они искривляются.
На фигуре 8 представлен аналогичный вид сечения многослойной структуры, способной выдерживать высокие нагрузки, в которой используются пучки волокон. На этой фигуре ссылочный номер 20 обозначает витую центральную часть внутреннего фланца под углом 0°, ссылочный номер 23 обозначает пучок волокон со слоем под углом ±60° во всех внешних зонах, а также со слоем под углом ±60°, отходящим от внешнего фланца 2 к внутреннему фланцу 3, ссылочный номер 24 обозначает пучок волокон со слоями под углами 0° и 90° в зоне вертикального фланца 4, и ссылочный номер 25 обозначает пучок волокон со слоями под углами ±45° в зоне внешнего фланца 2. Эти направления слоев определяются на поверхностях контакта внешнего фланца 2, внутреннего фланца 3 и вертикального фланца 4. Для того чтобы получить направление волокон, которые будут соответствовать направлению действия нагрузки, для рамы 1 иллюминатора выбирается структура, для которой в целом выполняются следующие условия.
Внешний фланец 2:
- квазиизотропная радиальная структура в зоне прохождения пояса заклепок.
Вертикальный фланец 4:
- центральная часть, воспринимающая основную нагрузку, под углом 0°;
- слои под углами ±60° на внешних поверхностях.
Внутренний фланец 3:
- преимущественное направление - 0°;
- слои под углами ±60° на внешних поверхностях;
- угол 90° для усиления конструкции.
Таким образом, следующие условия выполняются для волокон, размещенных в указанном порядке.
Вертикальный фланец 4:
- все волокна остаются в том же направлении, которое было определено.
Внутренний фланец 3 и внешний фланец 2:
- волокна под углом 0° остаются в том же направлении, которое было определено;
- волокна под углами ±45° изменяют свое направление и устанавливаются под углами ±60°;
- волокна под углами ±60° изменяют свое направление и устанавливаются под углами ±70°.
Наконец, на фигуре 9 представлена многослойная структура, представляющая сочетание тканого материала и пучков волокон. Здесь снова ссылочный номер 20 обозначает слой тканого материала витой центральной части внутреннего фланца под углом 0°, в то время как ссылочный номер 27 обозначает скрученный сдвиг под углом 0°, ссылочный номер 28 обозначает слой тканого материала под углом ±60°, и номер 29 обозначает слои тканого материала под углами 0°/90°.
Вес рамы 1 иллюминатора, изготовленной вышеописанным способом, составляет примерно 50 процентов от веса обычных алюминиевых рам иллюминаторов, причем себестоимость производства в обоих случаях примерно одинакова. Допуски такой рамы при промышленном производстве существенно меньше, чем допуски соответствующих алюминиевых изделий. В то же время предлагаемая в изобретении рама обеспечивает повышение безопасности и улучшение тепловой изоляции по сравнению с обычными алюминиевыми рамами иллюминаторов.