ГЕРМЕТИЧЕСКАЯ ПЕРЕГОРОДКА И СПОСОБ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ВНУТРЕННЕГО ПРОСТРАНСТВА ВОЗДУШНОГО ИЛИ КОСМИЧЕСКОГО СУДНА
PRESSURE BULKHEAD AND METHOD FOR DIVISION OF INTERIOR SPACE OF AIRCRAFT OR SPACECRAFT

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к герметической перегородке для разделения внутреннего пространства воздушного или космического судна. Кроме того, изобретение относится к конструктивному узлу и к воздушному или космическому судну с указанной герметической перегородкой, а также к способу разделения внутреннего пространства воздушного или космического судна.
Несмотря на то, что изобретение применимо по отношению к разделению пространства любых транспортных средств или контейнеров, далее настоящее изобретение, как и лежащая в его основе проблематика, более подробно описаны применительно к задней герметической перегородке воздушного судна.
Уровень техники
В воздушных судах, летающих на очень большой высоте, как например, в современных воздушных судах гражданской авиации, пассажирский салон, кабина экипажа и грузовой отсек в целом выполнены в виде герметической кабины, внутри которой во время полета в противовес наружному давлению можно поддерживать повышенное давление воздуха, которое позволяет пассажирам и экипажу воздушного судна не пользоваться кислородными масками и аналогичными дыхательными устройствами. Для того чтобы закрыть такую герметическую кабину с задней стороны фюзеляжа, в задней части фюзеляжа обычно устанавливают герметическую разделительную стенку, которую называют герметической перегородкой и которая разделяет внутреннее пространство фюзеляжа на переднюю часть, образующую герметическую кабину, и заднюю часть, где, например, размещают вспомогательную силовую установку для получения электроэнергии и сжатого воздуха.
Указанная герметическая перегородка может быть выполнена, например, в виде плоской стенки, которую обычно изготавливают из алюминиевого сплава и которую приклепывают через шпангоут к внешней обшивке для того, чтобы она могла передавать свои нагрузки, включая усилия и изгибающие моменты, окружающей конструкции. Поскольку перепад давления между герметической кабиной и внешней воздушной средой подвержен сильным колебаниям при каждом изменении высоты полета и, в особенности, при циклически повторяющихся взлетах и посадках, изгибающие моменты, передаваемые обшивке, приводят, например, к соответствующим циклически изменяющимся деформациям внешней обшивки и тем самым способствуют усталости материала.
Другие конструктивные исполнения герметических перегородок (US 6378805 B1, DE 3844080 А) имеют, например, форму сферической оболочки двойной кривизны или сферического днища, выпуклость которых направлена в сторону задней части фюзеляжа воздушного судна для того, чтобы таким образом уменьшить внутренние напряжения в материале герметической перегородки и внешней обшивки. Однако наличие такой выпуклости требует увеличенного пространства для размещения герметической перегородки.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является обеспечение такой конструкции герметической перегородки, которая требует небольшого пространства и уменьшает передачу механических напряжений окружающей конструкции.
Согласно изобретению эта задача решена при помощи герметической перегородки с признаками пункта 1 формулы, конструктивного узла с признаками пункта 20 формулы, воздушного или космического судна с признаками пункта 21 формулы, а также при помощи способа разделения внутреннего пространства воздушного или космического судна на область внутреннего давления и область наружного давления с признаками пункта 22 формулы.
Идея, которая лежит в основе настоящего изобретения, заключается в том, что для получения герметической перегородки используют опорную плиту, которая имеет кромку, соответствующую по форме внутреннему контуру воздушного или космического судна, при этом кромка опирается на внутренний контур с возможностью наклона, и герметизируют соединение между указанной кромкой и внутренним контуром. Поскольку кромка опирается с возможностью наклона, в месте опоры между опорной плитой и внешней обшивкой воздушного или космического судна передаются только усилия, но не изгибающие моменты. Деформации опорной плиты, которые возникают при изменении перепада давления между областью внутреннего давления и областью наружного давления, приводят только к локальному изгибу кромки герметической перегородки по отношению к внешней обшивке, т.е. к изменению угла, который заключен между соответствующими тангенциальными плоскостями внешней обшивки и опорной плиты в общей точке опоры.
Поскольку опора, которая может наклоняться, не передает изгибающие моменты на наружную обшивку, механические напряжения и связанные с ними деформации, а также усталость материала исключаются. При этом наличие выпуклости опорной плиты не требуется, поэтому герметическая перегородка занимает небольшое пространство, а эффективное полезное пространство в воздушном судне увеличивается.
В зависимых пунктах формулы изобретения охарактеризованы предпочтительные варианты осуществления и достоинства изобретения.
В предпочтительном усовершенствованном варианте осуществления герметической перегородки согласно изобретению предусмотрен обрамляющий элемент, который проходит вдоль всей кромки опорной плиты. При этом кромка опирается на опорное средство, в данном случае на обрамляющий элемент, и уплотнение герметизирует соединение обрамляющего элемента с внутренним контуром. Обрамляющий элемент придает опорной плите дополнительную устойчивость. Его предпочтительно изготавливают из стали, титана, алюминия или из армированного углеродным волокном пластика.
Обрамляющий элемент предпочтительно имеет L-образный профиль и содержит первую и вторую полки профиля. При этом первая полка профиля проходит параллельно главной плоскости опорной плиты и прилегает к опорной плите со стороны области наружного давления. Эта полка служит опорой плиты в направлении области наружного давления и воспринимает усилия, которые действуют на плиту в то время, когда внутреннее давление в воздушном судне выше, чем наружное давление. Вторая полка профиля проходит перпендикулярно главной плоскости опорной плиты вдоль ее кромки. Эта полка охватывает кромку плиты таким образом, чтобы она надежно фиксировалась в обрамляющем элементе и не могла смещаться в стороны.
В одном предпочтительном варианте осуществления опорная плита выполнена таким образом, что под действием перепада давления между областью внутреннего давления и областью наружного давления указанная опорная плита удерживается в обрамляющем элементе. Это позволяет кромке плиты смещаться по отношению к обрамляющему элементу в том случае, когда, например, плита деформируется под действием перепада давления между областью внутреннего давления и областью наружного давления. Тем самым исключается деформация самого обрамляющего элемента, что дополнительно уменьшает передачу напряжений окружающей конструкции.
Согласно другому предпочтительному варианту осуществления обрамляющий элемент приклепан, привинчен или приклеен к опорной плите. Это обеспечивает особенно надежное и плотное соединение между плитой и обрамляющим элементом.
Согласно предпочтительному варианту осуществления предусмотрены упоры, которые обеспечивают опору для опорной плиты со стороны области внутреннего давления. Они обеспечивают надежное закрепление плиты в случае отсутствия перепада давления между областью внутреннего давления и областью наружного давления, что регулярно имеет место, например во время нахождения воздушного судна на земле.
Согласно предпочтительному варианту осуществления опорное средство содержит по меньшей мере одну стыковую накладку, которая проходит от кромки опорной плиты вдоль внутренней стороны внешней обшивки воздушного или космического судна в область внутреннего давления. При этом один конец стыковой накладки прикреплен к опорной плите, а другой конец прикреплен к внешней обшивке. Поскольку расположенная таким образом стыковая накладка передает внешней обшивке по существу только тангенциальные усилия растяжения, деформации и напряжения внешней обшивки особенно эффективно исключаются. Поскольку концы стыковой накладки закреплены, ее средняя часть остается свободно деформируемой и может воспринимать деформации края опорной плиты или обрамляющего элемента, не передавая их внешней обшивке.
Стыковую накладку прикрепляют к внешней обшивке предпочтительно при помощи заклепывания. Заклепки служат для надежного распределения сил и в идеальном случае нагружены практически только срезающими усилиями. Стыковая накладка предпочтительно прикреплена к внешней обшивке под стрингером воздушного или космического судна, что обеспечивает особенно щадящее распределение усилий во внешней обшивке.
В предпочтительном варианте осуществления опорное средство содержит по меньшей мере один шарнирный элемент. При этом первый шарнирный рычаг прикреплен к кромке опорной плиты, а второй шарнирный рычаг прикреплен к внешней обшивке воздушного или космического судна. Такие шарнирные элементы позволяют отводить большие усилия в наружную обшивку и одновременно очень надежно исключать перенос любых изгибающих моментов за счет способности шарнирных рычагов поворачиваться относительно друг друга.
Второй шарнирный рычаг предпочтительно прикреплен к элементу жесткости, который усиливает наружную обшивку в области наружного давления. Так, например, второй шарнирный рычаг может быть прикреплен к шпангоуту, который проходит позади опорной плиты в области наружного давления, что обеспечивает стабильное распределение усилий в окружающей конструкции.
Шарнирный элемент предпочтительно содержит шарнирную ось, которая проходит, по существу, в направлении касательной к кромке опорной плиты в области крепления первого шарнирного рычага. Ориентированная таким образом ось обеспечивает возможность наклона кромки опорной плиты по отношению к внешней обшивке в область наружного давления, когда опорная плита изгибается под действием перепада давления между областью внутреннего давления и областью наружного давления. Одновременно с этим исключаются повороты в других направлениях, что повышает устойчивость всей конструкции. Первый и/или второй шарнирные рычаги предпочтительно изготавливают из алюминия или стали для того, чтобы они могли надежно передавать высокие усилия. Шарнирную ось предпочтительно изготавливают из стали.
В предпочтительном варианте осуществления опорная плита выполнена в виде многослойной детали. Многослойная деталь предпочтительно содержит сердцевину, имеющую ячеистую структуру и/или выполненную из пенистого материала, а также наружный слой из армированного углеродным волокном пластика, из армированного стекловолокном пластика и/или из алюминия. Такая многослойная деталь отличается высокой жесткостью на изгиб при небольшом собственном весе.
Опорная плита предпочтительно выполнена таким образом, что она имеет в центральной части большую жесткость, чем у кромки, например, за счет утолщенной сердцевины или дополнительно нанесенных наружных слоев. Это позволяет минимизировать деформацию опорной плиты, которая неизбежно возникает под действием перепада давления, и при этом сохранить низкий вес опорной плиты.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение более подробно поясняют приведенные далее примеры осуществления со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
фиг.1 - перспективный детализированный вид герметической перегородки согласно первому варианту осуществления изобретения,
фиг.2 - перспективный детализированный вид конструктивного узла с фиг.1,
фиг.3 - поперечный разрез герметической перегородки согласно второму варианту осуществления изобретения, и
фиг.4 - перспективный детализированный вид конструктивного узла с фиг.3.
Если не указано иного, одинаковые или функционально одинаковые компоненты обозначены на чертежах одинаковыми ссылочными номерами.
Осуществление изобретения
На фиг.1 показан перспективный внутренний вид в деталях оболочки фюзеляжа воздушного судна. Внешняя обшивка 120 оболочки усилена с внутренней стороны 204 стрингерами 124, проходящими в продольном направлении воздушного судна, и расположенными перпендикулярно к ним шпангоутами 308, проходящими по периметру фюзеляжа.
В показанной области находится герметическая перегородка 100, которая герметично разделяет фюзеляж воздушного судна по внутреннему контуру 108 на область 102 внутреннего давления и область 104 наружного давления. Область 102 внутреннего давления представляет собой, например, герметическую кабину, которая содержит пассажирский салон, грузовой отсек и кабину экипажа, в то время как областью 104 наружного давления является, например, отсек 104, который расположен позади герметической кабины 102 в хвостовой части воздушного судна и который используется для размещения вспомогательной силовой установки.
Герметическая перегородка 100 содержит опорную плиту 106, кромка 110 которой проходит вдоль внутреннего контура 108, таким образом, поперечное сечение фюзеляжа воздушного судна в позиции, заданной внутренним контуром, по существу заполнено опорной плитой 106. Для наглядности опорная плита на фиг.1 показана прозрачной для того, чтобы сделать видимыми на фиг.1 отрезки стрингеров 124 и шпангоута 308, расположенные в области 104 наружного давления. Опорная плита 106 выполнена в форме сэндвича или многослойной детали, т.е. она состоит из сердцевины, выполненной из пенистого, ячеистого или аналогичного материала, и расположенных с обеих сторон наружных слоев, которые воспринимают усилия растяжения и сжатия. Для получения наружных слоев можно использовать, например, армированный углеродным волокном или стекловолокном пластик, или лист из алюминиевого сплава.
Вдоль кромки опорной плиты 106 проходит обрамляющий элемент 116, который имеет L-образный профиль и который служит опорой для опорной плиты 106 как в направлении области 104 наружного давления, так и в радиальном направлении фюзеляжа воздушного судна, т.е. в направлении внешней обшивки 120. Пригодными материалами для обрамляющего элемента 116 являются сталь, титан, алюминий или полимер, армированный углеродным волокном. Обрамляющий элемент 116 может быть приклеен, привинчен или приклепан к кромке 110 опорной плиты 106.
Обрамляющий элемент 116 соединяют с внешней обшивкой 120 посредством стыковых накладок 112, один конец которых приклепывают к обрамляющему элементу 116 и которые устанавливают на внутренней стороне 204 внешней обшивки 120 в продольном направлении области 102 внутреннего давления и прикрепляют заклепками 122 к внешней обшивке 120 в области 102 внутреннего давления. Пригодными материалами для стыковых накладок 112 являются, например, сталь или титан. Уплотнение 114, которое изготавливают, например, из резины и устанавливают между обрамляющим элементом 116 и шпангоутом 308, расположенным на внешней обшивке 120, обеспечивает уплотнение между обрамляющим элементом 116 и внешней обшивкой 120.
Во время полета давление воздуха в области 104 наружного давления снижается в соответствии с высотой полета воздушного судна. В области 102 внутреннего давления поддерживается повышенное давление воздуха по отношению к наружному давлению, таким образом, образуется перепад давления между областью 102 внутреннего давления и областью 104 наружного давления, который оказывает усилие на опорную плиту 106 в направлении области 104 наружного давления. Это усилие прижимает опорную плиту 106 к обрамляющему элементу 116, так что опорная плита 106 удерживается в обрамляющем элементе 116 без приклепывания, привинчивания или приклеивания. Обрамляющий элемент 116 воспринимает усилие прижима опорной плиты 106 в направлении области 104 наружного давления и передает его в форме усилия растяжения, параллельного внешней обшивке 120, через стыковую накладку 112 во внешнюю обшивку 120.
Для того чтобы надежно удерживать опорную плиту 106 в обрамляющем элементе 116, например, во время стоянки воздушного судна на земле, когда перепад давления между областью 102 внутреннего давления и областью 104 наружного давления отсутствует, предусмотрены упоры 118, которые с регулярными интервалами закреплены на стрингерах со стороны области 102 внутреннего давления и которые служат опорами для опорной плиты 106 в направлении области 102 внутреннего давления.
Осуществление опоры опорной плиты 106 показано более подробно на детальном виде в разрезе конструктивного узла с фиг.1, представленном на фиг.2. L-образный профиль обрамляющего элемента 116 образован первой полкой 200 профиля, которая служит опорой для опорной плиты 106 в направлении области 104 наружного давления, и второй полкой 202 профиля, которая проходит вдоль кромки 110 опорной плиты 106. Между опорной плитой 106 и обрамляющим элементом 116 может быть предусмотрено не показанное внутреннее уплотнение, выполненное, например, из резины или пенистого материала, которое предотвращает просачивание воздуха из области 102 внутреннего давления через щели, остающиеся между опорной плитой 106 и обрамляющим элементом 116. Герметическое соединение опорной плиты 106 с обрамляющим элементом 116 можно получить, например, путем склеивания опорной плиты с обрамляющим элементом.
Стыковая накладка 112, выходящая из области 102 внутреннего давления, проходит вокруг обеих полок 202, 200 обрамляющего элемента 116 и соединяется, например, при помощи приклепывания не показанными на чертеже заклепками с первой полкой 200 или с обеими полками 200, 202 обрамляющего элемента 116. При нагрузке опорной плиты 106 перепадом 206 давления между областью 102 внутреннего давления и областью 104 наружного давления на стыковую накладку 112 действует растягивающее усилие. При этом заклепки 122, которые прикрепляют стыковую накладку 112 к внешней обшивке 120, как и не показанные заклепки, которые прикрепляют стыковую накладку 112 к обрамляющему элементу 116, нагружаются почти исключительно срезающими усилиями.
Когда во время полета по меньшей мере в небольшом объеме появляется неизбежный прогиб опорной плиты 106 в направлении области 104 наружного давления по причине перепада 206 давления, в области кромки 110 возникают опрокидывающие моменты, которые пытаются наклонить кромку 110 опорной плиты 106 в направлении области 104 наружного давления. Однако стыковая накладка 112 не передает эти опрокидывающие моменты во внешнюю обшивку 120, поэтому изгиба внешней обшивки 120 не происходит. Под действием растягивающих усилий длина стыковой накладки 112 увеличивается таким образом, что обрамляющий элемент 116 незначительно сдвигается в направлении области 104 наружного давления и при этом прижимает уплотнение 114 к шпангоуту 308.
На фиг.3 подробно показано крепление герметической перегородки в поперечном разрезе согласно другому варианту осуществления изобретения. Как и в первом варианте осуществления, представленном на фиг.1 и 2, герметическая перегородка содержит опорную плиту 106, которую удерживает обрамляющий элемент 116 с L-образным профилем. Кроме того, предусмотрены упоры 118, которые прикреплены к стрингерам 124 и удерживают опорную плиту 106 от выпадения из обрамляющего элемента 116, при этом обрамляющий элемент 116 может быть приклеен, привинчен или приклепан к опорной плите 106. Опорная плита 106 выполнена в виде многослойной детали, которая содержит складчатую ячеистую сердцевину 314 между двумя наружными слоями 316. Указанная складчатая ячеистая сердцевина 314, как и наружные слои 316 в центральной области 300 опорной плиты 106, имеют большую толщину, чем у кромки 110, что придает опорной плите 106 в центральной области 300 большую жесткость и обеспечивает появление лишь незначительной деформации опорной плиты 106 под действием перепада 206 давления.
В отличие от варианта осуществления, показанного на фиг.1 и 2, в данном случае обрамляющий элемент 116 опирается на внешнюю обшивку 120 и усиливающий ее шпангоут 308 при помощи шарнирного элемента 302, который расположен между обрамляющим элементом 116 и шпангоутом 308. Шарнирный элемент 302 содержит первый шарнирный рычаг 304, который приклепан или привинчен к полке обрамляющего элемента 116, проходящей параллельно плоскости опорной плиты 106. Второй шарнирный рычаг 306 опирается как на внешнюю обшивку 120, так и на шпангоут 308 и прикреплен к ним, например, при помощи приклепывания. Оба шарнирных рычага 304, 306 соединены друг с другом с возможностью поворота вокруг шарнирной оси 310, которая проходит параллельно плоскости опорной плиты 106 и параллельно локальной касательной к внешней обшивке 120.
Уплотнение 114, которое изготавливают, например, из резины, и которое герметизирует соединение между обрамляющим элементом 116 и наружной обшивкой, в отличие от первого варианта осуществления расположено в области 102 внутреннего давления и непосредственно под действием перепада 206 давления прижимается к внешней обшивке 120 и обрамляющему элементу 116.
Осуществление опоры опорной плиты 106 во втором варианте, показанном на фиг.3, более наглядно пояснено на перспективном виде на фиг.4. Шарнирные элементы 302 с регулярными интервалами расположены по контуру фюзеляжа воздушного судна, при этом соответствующие шарнирные оси установлены параллельно локальной касательной к внешней обшивке и, следовательно, находятся под некоторым углом по отношению к шарнирной оси соседнего шарнирного элемента 302. Вторые шарнирные рычаги 306 шарнирного элемента 302 выполнены в виде вилки, между зубцами которой вставлен соответствующий первый шарнирный рычаг 304 и подвижно присоединен при помощи шарнирной оси 310. Шарнирные оси изготавливают, например, из стали, а шарнирные рычаги 304, 306 изготавливают также из стали или из алюминия.
Во время полета герметическая перегородка неизбежно деформируется под действием перепада давления между областью наружного давления 104 и областью внутреннего давления 102, что приводит к локальному изгибу кромки 110 опорной плиты 106 относительно внешней обшивки 120 в направлении области наружного давления 104. Шарнирные элементы 302 допускают соответствующий поворот шарнирных рычагов 304, 306 относительно друг друга, таким образом, деформация опорной плиты не приводит к передаче изгибающих моментов во внешнюю обшивку 120.
Данное изобретение описано с использованием предпочтительных примеров осуществления, однако, они не ограничивают изобретения, которое может быть модифицировано различными способами.
Так, например, стыковые накладки могут быть расположены не так или не только так, как показано для первого примера осуществления, между стрингерами и присоединены заклепками к внешней обшивке, но могут альтернативно или дополнительно располагаться под стрингерами, между стрингером и внешней обшивкой и присоединяться к ним заклепками. Кроме того, может быть использована одна единственная стыковая накладка, выполненная в форме приближенной цилиндрической оболочки, которая проходит по периметру всего фюзеляжа воздушного судна. Далее, в одном из вариантов осуществления стыковые накладки и шарнирные элементы могут быть скомбинированы на одинаковых или различных отрезках внутреннего контура фюзеляжа воздушного судна.
Опорная плита может быть также выполнена из нескольких частей, при этом, например, первая часть герметизирует грузовой отсек под полом пассажирского салона, а вторая часть герметизирует пассажирский салон над указанным полом. Уплотнения могут иметь различные конструктивные исполнения, например, они могут представлять собой резиновый полый профиль, который является открытым со стороны области внутреннего давления и вздувается при падении давления в области наружного давления.
Перечень ссылочных обозначений
100 Герметическая перегородка
102 Область внутреннего давления
104 Область наружного давления
106 Опорная плита
108 Внутренний контур воздушного или космического судна
110 Кромка опорной плиты
112 Стыковая накладка
114 Уплотнение
116 Обрамляющий элемент
118 Упор
120 Внешняя обшивка
122 Заклепки
124 Стрингер
200 Первая полка профиля
202 Вторая полка профиля
204 Внутренняя сторона
206 Перепад давления
300 Центральная область плиты
302 Шарнирный элемент
304 Первый шарнирный рычаг
306 Второй шарнирный рычаг
308 Шпангоут
310 Шарнирная ось
314 Сердцевина
316 Наружный слой