ФЮЗЕЛЯЖНАЯ КОНСТРУКЦИЯ ВОЗДУШНОГО СУДНА И СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЭТОЙ КОНСТРУКЦИИ
AIRCRAFT FUSELAGE STRUCTURE AND MANUFACTURING METHOD

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к фюзеляжной конструкции согласно вводной части пункта 1 формулы изобретения, а также к способу изготовления фюзеляжной конструкции этого типа согласно вводной части пункта 9 формулы изобретения.
Уровень техники
В настоящее время фюзеляжные конструкции коммерческого воздушного судна, как правило, изготавливаются из множества оболочек, состоящих из однородного материала обшивки, имеют приблизительно круглые поперечные сечения и обычно имеют поперечные элементы жесткости в форме крестовины (главной крестовины) в области вертикали, проходящей через центр фюзеляжа. Совокупность крестовин выполняет также роль несущей решетчатой системы для пассажирского салона. Близкое к круглому или овальное поперечное сечение обеспечивает устойчивость фюзеляжа к действию внутреннего давления салона. Наиболее современные типы обшивки фюзеляжа изготавливают из углепластиков, и, следовательно, для создания замкнутого контура фюзеляжа используется однородный материал. Повышение жесткости в поперечном направлении при помощи упомянутых крестовин, как правило, разделяет фюзеляж, имеющий в основном круглое поперечное сечение, на две секции, образуя таким образом верхнюю и нижнюю палубы.
Раскрытие изобретения
Задачей настоящего изобретения является обеспечение фюзеляжной конструкции воздушного судна и способа изготовления конструкции такого типа, которая позволяет избежать пространственных ограничений, имеющих место при использовании традиционных крестовин, и в то же время обладает высокой степенью устойчивости.
Эта задача решается, во-первых, за счет фюзеляжной конструкции воздушного судна с признаками пункта 1 формулы изобретения. Во-вторых, эта задача решается за счет способа изготовления фюзеляжной конструкции воздушного судна с признаками пункта 9 формулы изобретения.
Изобретение предлагает фюзеляжную конструкцию воздушного судна, выполненную из множества соединенных вместе оболочек, каждая из которых формирует часть фюзеляжа воздушного судна и содержит несущую конструкцию и обшивку, которая закреплена на несущей конструкции и герметизирует снаружи фюзеляж воздушного судна с обеспечением устойчивости к сжатию, причем указанная фюзеляжная конструкция содержит верхнюю и боковую оболочку и нижнюю оболочку, при этом нижняя оболочка имеет радиус, по существу значительно больший, чем радиус верхней и боковой оболочки, верхняя и боковая оболочка и нижняя оболочка соединены в переходных зонах, проходящих в продольном направлении воздушного судна, а несущая конструкция нижней оболочки имеет такие прочностные характеристики, что она способна воспринимать нагрузку от внутреннего давления нижней оболочки без использования главной крестовины.
В предпочтительном варианте осредненный по окружности радиус нижней оболочки превышает осредненный по окружности радиус верхней и боковой оболочки более чем в 1,2 раза.
В предпочтительном варианте осредненный по окружности радиус нижней оболочки превышает осредненный по окружности радиус верхней и боковой оболочки более чем в 1,5 раза.
В предпочтительном варианте осредненный по окружности радиус нижней оболочки превышает осредненный по окружности радиус верхней и боковой оболочки более чем в 2 раза.
В предпочтительном варианте верхняя и боковая оболочка имеет по существу постоянный радиус.
В предпочтительном варианте нижняя оболочка имеет центральную зону, проходящую от центра воздушного судна к боковым сторонам и имеющую по существу постоянный радиус, и имеет меньший радиус на сторонах вблизи переходных зон, так что нижняя оболочка плавно переходит в верхнюю и боковую оболочку.
В предпочтительном варианте нижняя оболочка изготовлена в виде единого целого в окружном направлении.
В предпочтительном варианте верхняя и боковая оболочка изготовлена из множества отдельных оболочек в окружном направлении.
В предпочтительном варианте нижняя оболочка изготовлена из компонентов из легкого металла.
В предпочтительном варианте верхняя и боковая оболочка изготовлена из компонентов из армированного волокном материала.
В предпочтительном варианте несущая конструкция нижней оболочки содержит шпангоуты, которые расположены по окружности и имеют значительно большую высоту, чем соответствующие шпангоуты верхней и боковой оболочки.
В предпочтительном варианте шпангоуты нижней оболочки, расположенные по окружности, имеют высоту, увеличивающуюся к центру.
В предпочтительном варианте шпангоуты нижней оболочки имеют усиленные внутренние хорды.
В предпочтительном варианте шпангоуты нижней оболочки имеют усиливающие ребра, проходящие в радиальном направлении.
В предпочтительном варианте верхняя и боковая оболочка включает несущую конструкцию со шпангоутами и стрингерами, изготовленными из армированного волокном материала, и обшивку, также изготовленную из армированного волокном материала.
В предпочтительном варианте обшивка верхней и боковой оболочки изготовлена из углепластика.
В предпочтительном варианте обшивка верхней и боковой оболочки изготовлена из композиционного материала из алюминия и стекловолокна.
В предпочтительном варианте заклепочное соединение содержит титановые заклепки.
Краткое описание чертежей
Примеры осуществления изобретения описаны ниже со ссылкой на чертежи,
где:
Фиг.1 показывает, весьма схематично, вид в поперечном сечении фюзеляжной конструкции воздушного судна, представляющей пример осуществления изобретения; конструкции, которая может быть изготовлена в соответствии со способом согласно изобретению;
Фиг.2 показывает вид сечения обшивки фюзеляжной конструкции воздушного судна согласно примеру осуществления изобретения; указанный вид иллюстрирует соединение обшивки верхней и боковой оболочки и нижней оболочки фюзеляжной конструкции воздушного судна согласно изобретению;
Фиг.3 и Фиг. 4а) и 4b) показывают иллюстрации поперечного сечения с целью объяснить конструкцию соединительных планок, которые служат, согласно примерам осуществления изобретения, для соединения обшивки верхней и боковой оболочки и нижней оболочки.
Осуществление изобретения
Фиг.1 показывает, весьма схематично, иллюстрацию поперечного сечения фюзеляжа 10 воздушного судна, сформированного верхней и боковой оболочкой 11 и нижней оболочкой 12. Верхняя и боковая оболочка 11 имеет несущую конструкцию, образованную соответственно шпангоутами 13 и стрингерами 13а, из которых частично и в схематичном виде проиллюстрированы только некоторые. Аналогично, нижняя оболочка 12 имеет несущую конструкцию, образованную шпангоутами 14 и стрингерами 14а, которые также проиллюстрированы только в схематичном виде. Соответствующие обшивки 15 и 16, герметизирующие снаружи фюзеляж 10 воздушного судна таким образом, что обеспечивается устойчивость к сжатию, закреплены на несущих конструкциях в виде шпангоутов и стрингеров 13, 13а и 14, 14а верхней и боковой оболочки 11 и нижней оболочки 12.
Как показано на Фиг.1, нижняя оболочка 12 имеет радиус R2, который в основном существенно больше, чем радиус R1 верхней и боковой оболочки 11. Верхняя и боковая оболочка 11 и нижняя оболочка 12 соединены по обеим сторонам фюзеляжа 10 в переходных зонах 18, 19, которые проходят в продольном направлении воздушного судна. Несущая конструкция в виде шпангоутов и стрингеров 14, 14а нижней оболочки 12 спроектирована в отношении прочности таким образом, что она способна воспринимать нагрузку от внутреннего давления нижней оболочки 12 без необходимости повышения жесткости фюзеляжа воздушного судна в поперечном направлении при помощи традиционной крестовины (главной крестовины).
Осредненный по окружности радиус R2 нижней оболочки 12 может превышать осредненный по окружности радиус R1 верхней и боковой оболочки более чем в 1,2 раза, более чем в 1,5 раза или более чем в 2 раза, при этом упомянутые значения не должны пониматься как ограничения.
Верхняя и боковая оболочка 11 может иметь в основном постоянный радиус R1.
Нижняя оболочка 12 может иметь центральную зону 12а, которая проходит от центра воздушного судна к обеим сторонам и имеет в основном постоянный радиус R2, а также имеет меньший радиус на сторонах 12b, 12с в районе переходных зон 18, 19, в которых верхняя и боковая оболочка 11 переходит в нижнюю оболочку 12 и, соответственно, нижняя оболочка 12 плавно переходит в верхнюю и боковую оболочку 11. В этом случае нижняя оболочка 12 может иметь в центральной зоне 12а радиус R2, который превышает радиус R1 верхней и боковой оболочки 11 более чем в 1,3 раза, более чем в 2 раза или более чем в 2,5 раза, при этом упомянутые значения не должны пониматься как ограничения.
Нижняя оболочка 12 может быть изготовлена цельной в направлении по окружности. Однако она также может быть изготовлена, при необходимости, из множества частей в вышеупомянутом направлении.
Верхняя и боковая оболочка 11 может быть изготовлена из множества отдельных оболочек в направлении по окружности. Однако при необходимости она также может быть изготовлена в виде единой оболочки, сформированной в вышеупомянутом направлении.
Выражение «верхняя и боковая оболочка» для обозначения верхней части 11 фюзеляжной конструкции воздушного судна должно пониматься здесь таким образом, что эта верхняя часть 11 также включает боковые зоны фюзеляжа в дополнение к его верхним зонам, в то время как нижняя часть 12 фюзеляжа воздушного судна, называемая нижней оболочкой, включает, главным образом, только нижние зоны фюзеляжной конструкции. Поскольку, как показывает Фиг.1, как верхняя часть 11, так и нижняя часть 12 включают боковые зоны фюзеляжа воздушного судна, такое обозначение не должно пониматься в относительно узком смысле и как ограничивающее; оно означает, что часть 11 охватывает преимущественно верхнюю зону фюзеляжа и его боковые стороны, а часть 12 охватывает преимущественно нижнюю зону фюзеляжа.
Нижняя оболочка 12 может быть изготовлена из компонентов из легкого металла. Принципиально, как верхняя и боковая оболочка 11, так и нижняя оболочка 12, могут быть изготовлены из компонентов из легких металлов, в случае традиционной конструкции, или из компонентов из армированных волокном материалов, в случае современной конструкции.
В проиллюстрированном примере осуществления изобретения фюзеляжная конструкция воздушного судна выполнена в виде гибридной конструкции, в которой нижняя оболочка 12 изготовлена из компонентов из легкого металла, а верхняя и боковая оболочка 11 изготовлена из компонентов из армированного волокном материала. Несущая конструкция нижней оболочки 12 содержит шпангоуты 14 (поперечный набор), которые расположены по окружности и, как видно из Фиг.1, имеют значительно большую высоту, чем соответствующие шпангоуты верхней и боковой оболочки 11. В частности, шпангоуты 14 нижней оболочки 12, расположенные по окружности, имеют высоту, увеличивающуюся к центру в соответствии с эпюрой нагрузки на нижнюю оболочку 12. Большая высота шпангоутов 14 нижней оболочки 12 необходима для того, чтобы воспринимать нагрузку от внутреннего давления, возникающую из-за большего радиуса R2. Однако большая высота шпангоута является также преимуществом, поскольку он может быть использован в качестве защиты для нижней оболочки 12 в условиях тяжелой нагрузки, а также в качестве несущей конструкции салона. Палуба 30 может размещаться на шпангоутах 14 нижней оболочки 12. Палуба 30 обозначена на Фиг.1 пунктирными линиями и не является объектом данной заявки.
Шпангоуты 14 нижней оболочки 12 могут иметь усиленные внутренние хорды 17а и усиливающие ребра 17, которые располагаются в радиальном направлении и служат для придания требуемой прочности шпангоутам 14.
В описанном здесь примере осуществления изобретения верхняя и боковая оболочка 11 включает несущую конструкцию из шпангоутов 13 и стрингеров 13а, изготовленных из армированного волокном материала, и обшивку 15, также изготовленную из армированного волокном материала. Обшивка 15 верхней и боковой оболочки 11 может быть изготовлена из углепластика или композиционного материала из алюминия и волокнистого материала и, в частности, композиционного материала из алюминия и стекловолокна.
Как показывает Фиг.2, верхняя и боковая оболочка 11 и нижняя оболочка 12 соединены в переходной зоне 18, 19 при помощи планки 20 из композиционного материала GLARE, представляющего собой слоистый материал, в котором чередуются слои 21 волокнистого материала, в частности, стекловолокна, и слои 22 легкого металла, в частности, алюминиевого сплава. На обшивке оболочек 11, 12, напротив композитной планки 20 из алюминия и стекловолокна предусмотрена тонкая пластина 23. Композитные планки этого типа служат для компенсации разницы коэффициентов температурного расширения для сплавов легких металлов и армированных волокном пластиков. Их композитная структура обеспечивает согласование разных коэффициентов расширения используемых материалов.
Соединение верхней и боковой оболочки 11 с одной стороны и нижней оболочки 12 с другой стороны осуществляется при помощи многорядного заклепочного соединения 24, 25, в частности, при помощи трехрядного заклепочного соединения в каждом случае. Заклепочные соединения 24, 25 могут содержать титановые заклепки или титановые болты.
Структура соединения верхней и боковой оболочки 11 с одной стороны и нижней оболочки 12 с другой стороны проиллюстрирована согласно другому примеру осуществления изобретения на Фиг.3. С одной стороны соединения также расположена композитная планка 20 из алюминия и стекловолокна, а с другой стороны - тонкая пластина 23.
Фиг. 4а) и 4b) схематично показывают иллюстрацию поперечного сечения и, соответственно, схематично, в перспективе, иллюстрацию строения упомянутой выше композитной планки 20 из алюминия и стекловолокна, с поочередно расположенными слоями стекловолокна 21 и легкого металла 22.
Согласно примеру осуществления изобретения изготовление фюзеляжной конструкции воздушного судна в соответствии с изобретением, как описано выше, осуществляют путем изготовления в процессе склеивания верхней и боковой оболочки 11 из волокнистого композиционного материала, включая несущую конструкцию указанной оболочки, которая может быть образована стрингерами 13а и шпангоутами 13; изготовления нижней оболочки 12 из алюминия или иного легкого металлического материала, включая ее несущую конструкцию, которая может быть, в свою очередь, образована стрингерами 14а и шпангоутами 14; соединения верхней и боковой оболочки 11 с композитной планкой 20 из алюминия и стекловолокна (в первую очередь для того, чтобы лучше скомпенсировать допуски на волокнистый композиционный материал); установки верхней и боковой оболочки 11 на нижнюю оболочку 12 так, чтобы композитная планка 20 из стекловолокна и алюминия, соединенная с верхней и боковой оболочкой 11, входила в нижнюю оболочку. Соединение композитной планки 20 из алюминия и стекловолокна с нижней оболочкой 12 может осуществляться при помощи заклепок и, в частности, при помощи титановых болтов. Все сегменты фюзеляжа соединяют описанным образом. Затем сегменты фюзеляжа соединяют в единую фюзеляжную конструкцию путем фиксации поперечных стыков, в свою очередь, при помощи заклепок, в частности, титановых заклепок или титановых болтов.
Описанная гибридная конструкция является выгодной, поскольку для изготовления верхней и боковой оболочки 11, на которую действует меньшая нагрузка от внутреннего давления благодаря форме фюзеляжа с меньшим радиусом R1, и для которой риск внешнего воздействия ниже, используются уменьшающие вес волокнистые композиционные материалы. В то же время использование легкого металла или алюминиевого материала для изготовления нижней оболочки 12 выгодно, поскольку обеспечивает более высокую способность сопротивления внешним воздействиям. Такую конструкцию относительно легко испытывать и ремонтировать, и она является выгодной с точки зрения свойств гальванического покрытия и электрического экранирования: как средство снятия электрического заряда с верхней оболочки 11 и как средство экранирования магистралей и электронного оборудования от окружающей среды.
Перечень ссылочных обозначений
10 - фюзеляж воздушного судна; 11 - верхняя и боковая оболочка; 12 - нижняя оболочка; 12а - центральная зона; 13 - шпангоут; 13а - стрингер; 14 - шпангоут; 14а - стрингер; 15 - обшивка; 16 - обшивка; 17 - усиливающие ребра; 17а - внутренняя хорда; 18 - переходная зона; 19 - переходная зона; 20 - композитная планка из стекловолокна и алюминия; 21 - слои стекловолокна; 22 - слои легкого металла; 23 - тонкая пластина; 24 - заклепочное соединение; 25 - заклепочное соединение; 30 - палуба.