КЕССОН КРЫЛА, АРМИРОВАННЫЙ ПОЛИМЕРНЫМ КОМПОЗИЦИОННЫМ МАТЕРИАЛОМ
WING BOX, REINFORCED WITH POLYMER COMPOSITE MATERIAL

Область техники.
Изобретение может быть использовано в авиационной и космической технике и касается конструкции кессона, который относится, в частности, к силовым элементам конструкции, и обеспечивает безопасную передачу силовых нагрузок, возникающих на крыле при различных условиях полета, одновременно являясь топливной емкостью. Конструкция кессона может быть использована также в пассажирских и транспортных самолетах, в многоразовых космических системах.
Уровень техники.
В последние годы наметилась устойчивая тенденция перехода к использованию в авиастроении (и в частности, в конструкции крыла летательного аппарата) полимерных композиционных материалов на основе высокопрочного искусственного волокна.
Основными и общими недостатками большинства эксплуатируемых и разрабатываемых авиационных конструкций, использующих полимерные композиционные материалы, является сложность с точки зрения конструктивного выполнения и технологии изготовления, что, в конечном итоге, сводит практически на нет основные преимущества, которыми обладают композиционные материалы, и препятствует широкому использованию таких конструкций. Кроме того, часто возникает необходимость устранения контакта композиционного материала - углепластика от непосредственного взаимодействия с алюминиево-магниевыми сплавами, которое приводит к образованию электрохимической пары, разрушающей со временем металл. Для исключения электрохимической коррозии металлов в области контакта с углепластиком прибегают к нанесению специальных защитных покрытий, которые исключают прямой контакт углепластика и металла, или используют специальный крепеж, в котором, кроме основной функции соединения и фиксации элементов конструкции, реализованы принципы защиты от электрохимической коррозии. Указанные недостатки являются существенными ограничениями для широкого внедрения конструкций из композитных материалов.
Известны различные технические решения, связанные с производством кессонов крыла, в которых применяются композитные материалы. К числу таких технических решений относится конструктивное выполнение балки, используемой при формировании деталей и узлов силового каркаса кессона и образованной двумя структурами, примыкающими друг к другу своими вертикальными стенками, и двумя пластинами, закрывающими торцы указанных структур с двух сторон. Каждая структура представляет собой конструкцию, составленную из отдельных скрепленных между собой обшивок из композиционного материала. Между структурами, в зоне их прилегания друг к другу, расположена пространственная сетка, которая служит средством соединения элементов балки в единую конструкцию и играет роль усилительного элемента, обеспечивающего пространственную жесткость (см. US 2011147045 A1). При использовании пространственной сетки из полимерного материала получить деталь - балку значительных размеров крайне затруднительно. В целом, такая балка представляет собой конструкцию, технологически сложную в изготовлении, что значительно удорожает, при ее применении, конструкцию кессона.
Ближайшим аналогом к заявляемому изобретению является кессон крыла летательного аппарата, содержащий жесткий силовой объемный каркас, образованный передним и задним лонжеронами и нервюрами, разделяющими внутреннее пространство кессона на отсеки, и внешнюю аэродинамическую обшивку, скрепленную с каркасом. С целью повышения несущей способности крыла летательного аппарата, предусмотрено усиление объемного каркаса металлическими лентами или металлическими балками, закрепленными на каркасе и проходящими как в продольном, так и в поперечном направлениях (см. US 4776534 А). Известная конструкция отличается сложностью сборки. В первом случае сначала производят отдельную сборку нервюр с лентами посредством сварки и затем устанавливают собранные узлы по месту сборки кессона. В зоне крепления лент к нервюрам необходимо предусматривать дополнительные площадки, что усложняет процесс сборки и ведет к нежелательному увеличению массы каркаса. Процесс проведения сварочных работ, особенно в труднодоступных местах, является трудоемким. При усилении каркаса балками используют как крепежные элементы, так и шарнирные узлы. И в том и в другом случае для присоединения балок к нервюре последнюю, в местах крепления, необходимо утолщать, что приводит к увеличению веса кессона, а сам процесс сборки является малоудобным, особенно в зонах ограниченного доступа. Весьма важным является и то, что усиление каркаса кессона обеспечивается не по всему его объему, а только на определенных линейных участках, что не позволяет получить достаточно надежную в эксплуатации конструкцию.
Раскрытие изобретения.
Задачей изобретения является разработка конструкции кессона, которая позволила бы получить максимально большую несущую способность крыла при обеспечении минимального веса и технологичности.
Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения, заключается в обеспечении минимального веса и повышении эксплуатационной надежности (безопасной повреждаемости обшивки и повышенной ремонтопригодности) крыла летательного аппарата, за счет исключения: (а) стрингерного подкрепления; (б) высоконагруженных стыков композит-композит и композит-металл в зоне центроплана и в конструкции крыла; (в) необходимости обеспечения устойчивости композитной обшивки крыла, поскольку она предназначена только для восприятия аэродинамических нагрузок.
Для решения поставленной задачи предлагается конструкция кессона крыла летательного аппарата, содержащего жесткий силовой объемный каркас, образованный передним и задним металлическими лонжеронами, металлическими силовыми нервюрами, предназначенными для навески элементов механизации крыла, также служащими стенками топливных отсеков, пространственными сетчатыми нервюрами из композиционного материала с металлическими каркасами в зоне крепления к лонжеронам, и внешнюю обшивку, образующую аэродинамический контур, которая закреплена на наружной поверхности каркаса. Дополнительно используемый внутренний объемный силовой каркас набран из отдельных, поперечно расположенных относительно лонжеронов, объемных сетчатых силовых блоков (нервюр) и металлических нервюр, заполняющих пространство внутри наружного каркаса и закрепленных на последнем.
Каждый силовой блок образован парой противолежащих несущих корпусов, расположенных на расстоянии один от другого, и протянутой между ними сеткой, закрепленной на корпусах.
Несущие корпуса силового блока имеют коробчатую конструкцию, образованную основанием и боковыми стенками, и обращены своими открытыми полостями навстречу друг другу.
Сетка образована пропитанным связующим полимерным композиционным материалом (ПКМ), протянутым между корпусами и закрепленным на наружных поверхностях боковых стенок несущих корпусов. ПКМ может быть структурирован в виде длинномерных: ровингов (жгутов), нитей, лент и т.п.
Обшивка выполнена из полимерного композиционного материала и скреплена, со стороны своей внутренней поверхности, с сетками силовых блоков.
Силовые блоки закреплены на лонжеронах наружного каркаса основаниями своих несущих корпусов.
На наружных поверхностях боковых стенок несущих корпусов предусмотрены узлы, обеспечивающие соединение с сетчатой структурой.
Полимерный композиционный материал, образующий сетку, изготовлен на основе углеродного волокна, или стекловолокна, или из базальтового волокна.
Лонжероны и нервюры силового каркаса и несущие корпуса силовых блоков выполнены из металлических сплавов.
Обшивка крыла изготовлена из полимерного композиционного материала на основе углеродного волокна, стекловолокна, базальтового волокна.
Краткое описание чертежей.
Изобретение иллюстрируется чертежами, где:
на фиг. 1 изображен общий вид кессона крыла, в сборе;
на фиг. 2 - общий вид кессона крыла, разнесенный вид;
на фиг. 3 - силовой сетчатый блок в аксонометрии;
на фиг. 4 - показана принципиальная схема конструкции кессона крыла;
на фиг. 5 - силовой сетчатый блок, вид сверху;
на фиг. 6 - силовой сетчатый блок, вид сбоку;
на фиг. 7 - то же, вид с торца;
на фиг. 8 - фрагмент сетчатого силового блока, вид сверху на узел с зацепами;
на фиг. 9 - сечение по А-А на фиг. 8.
Осуществление изобретения
Предлагаемая конструкция кессона крыла, представленного на фиг. 1, состоит из лонжеронов 1 и 2, нервюр 3, образующих наружный жесткий силовой объемный каркас, и внешней аэродинамической обшивки 4. Лонжероны и нервюры выполнены из титана, или из дюралюминия, или из металлокомпозитов. Обшивка 4 выполнена из полимерного композиционного материала, например углепластика (предпочтительно), или стеклопластика, или базальтопластика.
Внутри наружного силового каркаса расположен внутренний объемный силовой каркас 5, набранный из отдельных силовых сетчатых блоков 6. Блоки 6 расположены поперечно относительно лонжеронов 1, 2 и заполняют пространство внутри силового каркаса, прилегая вплотную друг к другу. Каждый силовой блок 6 простирается от вертикальной стойки одного лонжерона до вертикальной стойки другого лонжерона.
Силовой блок 6 включает пару противолежащих формообразующих металлических несущих корпусов 7 и 8, расположенных на расстоянии один от другого. Каждый корпус 7, 8 имеет коробчатую конструкцию, образованную основанием 9 и боковыми стенками 10, 11, 12, 13.
Корпуса 7, 8 каждого силового блока 6 соединены между собой сеткой (сетчатой структурой) 14, которая образует совместно с корпусами единую жесткую конструкцию. Корпуса 7, 8 в силовом блоке 6 обращены друг к другу своими открытыми полостями. Блоки 6 основаниями 9 закреплены посредством механического или клеемеханического крепежа на лонжеронах 1, 2. На боковых стенках 10, 11, 12, 13 корпусов 7, 8 имеются узлы 18, обеспечивающие соединение с сетчатой структурой. Эти узлы включают головки-зацепы 15, которые петлеобразно охватываются элементами сетки. Для предотвращения соскальзывания сетки с зацепов 15 предусмотрены упоры 16, блокирующие петлю сетки в зацепе.
Сетка 14 в каждом блоке выполнена из полимерного композиционного материала, пропитанного полимерным связующим, структурированным в виде ровинга (жгута), нити, ленты и т.п. Каждая из четырех боковых граней блока 6 образована соответствующими парами боковых стенок (10-10, 11-11, 12-12, 13-13) корпусов 7, 8 и сетчатой структурой из полимерного композиционного материала, например длинномерного ровинга, протянутого между парами боковых стенок корпусов. Полимерный композиционный материал сетки изготовлен на основе углеродного волокна, или стекловолокна, или базальтового волокна. В результате монолитный сетчатый силовой каркас состыкован с боковыми металлическими коробчатыми блоками с помощью специальных зацепов. Один из предпочтительных вариантов образования сетки показан на фиг. 3, 5, 6. Формирование начинают натягиванием между корпусами 7, 8 опорных отрезков 17 ровинга, которые в натянутом состоянии фиксируются в узлах 18. Опорные отрезки 17 формируются несколькими ручьями на каждой из четырех поверхностей блока 6, образуя промежуточный каркас. После натяжения и фиксации на корпусах 7, 8 опорных отрезков 17 наматывают длинномерный ровинг по спирали (позиция 19) в прямом и в обратном направлениях, огибая при этом головки зацепов 15. В процессе намотки длинномерный ровинг опирается на ранее протянутые и находящиеся под натяжением отрезки 17, что исключает провисание объемной сетчатой структуры.
Обшивка 4 своей внутренней поверхностью скреплена с прилегающей к ней сеткой 14.
Обшивка образует внешний контур крыла и воспринимает аэродинамическое давление, которое через сетку 14 передается на лонжероны 1, 2 и металлические нервюры 3 наружного каркаса крыла. Сетка 14 вместе с боковыми корпусами 7, 8 образует пространственный элемент внутреннего силового каркаса и обеспечивает необходимую крутильную жесткость крыла.
Герметичность конструкции обеспечивается внешней обшивкой 4, склеенной с лонжеронами 1, 2, нервюрами 3 и сетчатыми блоками 6. Восприятие аэродинамических нагрузок также обеспечивается внешней обшивкой 4, склеенной с лонжеронами 1, 2 и нервюрами 3 и армированной изнутри объемными сетчатыми блоками 6.
Очень существенно то, что композитная сетка объемных сетчатых блоков 6, находящихся внутри наружного объемного каркаса, сформированного лонжеронами 1, 2 и нервюрами 3, склеена с внешней обшивкой 4 по всему контуру, образуя, таким образом, единую жесткую структуру, позволяющую надежно хранить топливо при различных условиях полета.
Кроме того, для достижения большого ресурса применяются следующие принципы, которые отличают предлагаемую конструкцию.
- Сетки блоков 6 соединены с корпусами 7, 8, выполненными предпочтительно из титана, а корпуса 7, 8 вставляются внутрь конструкции из лонжеронов 1, 2 и нервюр 3, формируя схему (сетка + титан = исключение электрохимической коррозии) + титан. То есть соединением армирующей сетки с корпусами 7, 8 из титана исключается возникновение электрохимической коррозии между углепластиком и легкими сплавами и обеспечивается дальнейший контакт только титан + титан или титан + металлокомпозиты.
- Применение системы фрезерованных элементов соединения (зацепов 15, 16), к которым крепится армирующая сетка из полимерного композиционного материала. Это позволяет обеспечить максимальную прочность конструкции соединений, и, соответственно, обеспечить прочность соединения пары, состоящей из зацепа и сетки.
Сборка кессона крыла осуществляется следующим образом.
На отдельных сборочных местах собирают силовые блоки 6. Для каждого блока 6 сначала формируют два коробчатых корпуса 7, 8, либо фрезерованием из цельной заготовки, либо собирая каждый из них из основания 9 и расположенных по его периметру и перпендикулярно к нему боковых стенок 10, 11, 12, 13. При этом предварительно на верхних поверхностях боковых стенок 10, 11, 12, 13 выфрезировывают зацепы 15, 16, после чего все стенки приваривают к основанию 9 и сваривают между собой по прилегающим сторонам, получая коробчатую конструкцию. Каждую пару полученных коробчатых корпусов 7, 8 размещают в специальной технологической оснастке, разнеся их один от другого на расстояние, определяемое параметрами силового объемного блока 6, и ориентируя их открытыми полостями коробок друг к другу. Между корпусами 7, 8 протягивают армирующий полимерный композиционный материал (ровинги), пропитанный полимерным, например эпоксидным, связующим. Ровинги проводят от одного корпуса блока к другому, огибая при этом зацепы 15, выфрезированные на внешних поверхностях боковых стенок 10, 11, 12, 13, постепенно формируя верхнюю, нижнюю и боковые сетчатые поверхности блока 6. Концы ровинга фиксируют на зацепах 15. При помощи оснастки разводят корпуса 7, 8 в противоположные стороны, обеспечивая тем самым необходимое натяжение ровингов между корпусами. Сформированный блок вместе с оснасткой помещают в термопечь, нагревают до заданной температуры и обеспечивают необходимую выдержку. Происходит отверждение полимерного связующего, которым пропитаны ровинги, при этом в местах контакта с зацепами ровинги схватываются с зацепами. Извлеченные из термопечи блоки 6 охлаждают. На фиг. 3, 5, 6 показана сетчатая структура блока 6 в том виде, какой она имеет на выходе из термопечи. Готовыми блоками 6 заполняют все пространство наружного силового каркаса, устанавливая блоки вплотную друг к другу и вплотную к металлическим нервюрам, и крепят их на лонжеронах 1, 2 механическим или клеемеханическим крепежом. Наносят ровный слой клея на внутренние поверхности обшивки и приклеивают обшивку к поверхностям лонжеронов 1, 2 и к сеткам из ровингов. Площадь сетки должна обеспечивать прочность скрепления ее с обшивками и выдерживать аэродинамические нагрузки.
Вследствие того, что в данном изобретении учтены основные недостатки конструкций кессонов крыла, применяемых в настоящее время, предлагаемая конструкция имеет следующие принципиальные преимущества, заключающиеся в том, что:
- из конструкции крыла исключаются подкрепленные стрингерами панели;
- применение блочной конструкции, собранной воедино, позволяет увеличить жесткость, сопротивление изгибу и кручению при минимальной массе конструкции, обеспечить высокие характеристики герметичности в самых жестких режимах эксплуатации;
- применение принципа композитная армирующая сетка плюс титан позволяет исключить образование электрохимической коррозии между углепластиком и легкими сплавами и обеспечить контакт титан + титан или титан + металлокомпозит;
- применение фрезерованных зацепов для фиксации элементов композитной сетки позволяет увеличить прочность, жесткость и ресурс работы конструкции.
Предлагаемый кессон крыла может применяться как один из основных силовых элементов крыла в авиации, в многоразовых космических системах.
Для создания предлагаемого кессона крыла, способного работать в самых жестких условиях в течение самого длительного времени и при самых минимальных эксплуатационных затратах, - есть все необходимые материалы и производственные технологии.