ФЮЗЕЛЯЖ САМОЛЕТА
AIRCRAFT FUSELAGE

Изобретение относится к фюзеляжу самолета, герметизированная кабина которого имеет множество смотровых отверстий и/или сквозных отверстий. В частности, но не исключительно, изобретение относится к фюзеляжу самолета согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.
Фюзеляж самолета состоит по существу из оболочки или обшивки, усиленной на ее внутренней стороне поперечными ребрами, называемыми также шпангоутами, и продольными ребрами, называемыми также стрингерами. В частности, в герметической кабине оболочка самолета подвергается наряду с нагрузками, возникающими при движении самолета, также нагрузкам колебаний давления, возникающих из-за различия между высотой крейсерского полета и атмосферным давлением у земли. Вследствие этого обшивка подвергается в целом многочисленным изменениям нагрузки. При этом основная нагрузка оболочки возникает в направлении окружности, поэтому, в частности, шпангоуты должны воспринимать эти усилия. Исходя из этого, шпангоуты проходят в современных фюзеляжах по всей окружности фюзеляжа, не прерываясь в каком-либо месте.
Например, такой фюзеляж известен из публикации DE3900167. Фюзеляж летательного аппарата согласно этому уровню техники представляет собой корпус, усиленный проходящими вдоль и поперек элементами усиления. Корпус состоит из непрерывного внешнего элемента и внутреннего элемента, соединенных по всей поверхности друг с другом с возможностью передачи усилий, причем внутренний элемент имеет форму внешнего элемента и сетчатую структуру, перемычки которой лежат вдоль элементов усиления.
Другими критическими участками фюзеляжа являются участки, в которых находятся иллюминаторы. Вследствие обусловленных иллюминаторами вырезов в оболочке фюзеляжа несущее поперечное сечение оболочки в этих местах уменьшается, так что требуются соответствующие усиления. В известных самолетах прежде названного типа заклепки всегда расположены вне участков иллюминаторов. С другой стороны, это означает, что смотровые отверстия или сквозные отверстия, в частности, иллюминаторы всегда должны устанавливаться между двумя шпангоутами. Вследствие этого возможности, касающиеся компоновки иллюминаторов, ограничены, а иллюминаторы не должны превышать определенный размер, заданный расстоянием между двумя соседними шпангоутами. Возможности для экономии затрат и веса не используются.
Вследствие этого в основе изобретения лежит задача создания такой оболочки фюзеляжа самолета, чтобы имелась возможность произвольного и гибкого выбора, как размера, так и компоновки смотровых отверстий или сквозных отверстий в оболочке фюзеляжа.
Эта задача решается согласно изобретению при помощи фюзеляжа с признаками пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты выполнения являются предметом зависимых пунктов формулы изобретения.
В основу изобретения положена идея использовать рамы иллюминаторов в качестве элемента усиления от прогиба конструкции фюзеляжа и для обвода усилий по окружности вокруг иллюминаторов. Тем самым достигается оптимальное распределение нагрузки или усилий в конструкции фюзеляжа.
В изобретении предлагается фюзеляж самолета с обшивкой, усиленной несколькими вертикально проходящими шпангоутами и несколькими горизонтально проходящими стрингерами, причем обшивка имеет несколько иллюминаторов, содержащих соответственно раму иллюминатора, причем, по меньшей мере, один шпангоут проходит через раму иллюминатора таким образом, что шпангоут заканчивается в верхнем участке рамы иллюминатора и в нижнем участке рамы иллюминатора.
Предпочтительно предложенный в изобретении фюзеляж имеет в качестве другого признака или, если это технически целесообразно, в качестве других признаков, что
- переход между шпангоутом и рамой иллюминатора имеет разветвление шпангоута, так что шпангоут и рама иллюминатора образуют в разветвлении треугольник;
- высота шпангоута соответствует высоте рамы иллюминатора;
- от рамы иллюминатора выходят, по меньшей мере, четыре косых шпангоута с заданной длиной.
При этом, в частности, предпочтительно, что шпангоуты между иллюминаторами отсутствуют. Вследствие этого зазор между двумя соседними иллюминаторами можно использовать по-другому, например, для прокладки питающих трубопроводов и трубопроводов, предназначенных для кондиционирования воздуха. Кроме этого упрощается изготовление, а при необходимости достигается более низкий вес конструкции.
Другие признаки и преимущества изобретения следуют из последующего описания предпочтительных примеров выполнения, со ссылкой на фигуру приложенного чертежа.
На фиг.1 показан в перспективе участок обшивки фюзеляжа с несколькими иллюминаторами с предложенной согласно изобретению установкой шпангоутов.
На фиг.1 показана структура фюзеляжа самолета с обшивкой 1. Эта структура фюзеляжа самолета может состоять из нескольких сегментов или элементов. Из элементов показаны верхний конструктивный элемент 2 корпуса, нижний конструктивный элемент 3 корпуса и сегмент 4 иллюминатора. В сегменте 4 иллюминатора расположены несколько иллюминаторов 5, соответственно содержащих раму 6 иллюминатора.
При монтаже самолета сегмент 4 иллюминатора устанавливают на нижний конструктивный элемент 3 корпуса, а верхний конструктивный элемент 2 корпуса устанавливают в свою очередь на него. Элементы 2, 3, 4 соединяют друг с другом несколькими вертикально проходящими шпангоутами. Как уже было упомянуто, шпангоуты 7 служат для фиксирования элементов 2, 3, 4 друг с другом и, кроме того, для восприятия нагрузочных усилий, действующих на обшивку 1 самолета. Наряду со шпангоутом 7 обшивку самолета укрепляют несколькими горизонтально проходящими стрингерами 8.
В то время как согласно уровню техники шпангоуты 7 проводят сбоку мимо иллюминаторов 5, чтобы не оказывать отрицательное влияние на механическую грузоподъемность фюзеляжа прерыванием шпангоутов на высоте иллюминаторов, согласно изобретению предлагается проводить шпангоуты 7 через рамы 6 иллюминаторов, так чтобы рамы 6 иллюминаторов были интегрированы в шпангоуты 7. В частности это означает, что шпангоут 7, проходящий от верхнего конструктивного элемента 2 корпуса, заканчивается в верхнем участке 9 рамы 6 иллюминатора. Так же проходящий от нижнего конструктивного элемента 3 корпуса шпангоут 7 заканчивается в нижнем участке 10 рамы 6 иллюминатора. Таким образом шпангоут 7 проходит через раму 6 иллюминатора 5, соединяя друг с другом верхний конструктивный элемент 2 корпуса и нижний конструктивный элемент 3 корпуса, обвязывая сегмент 4 иллюминатора.
В частности, переход между шпангоутом 7 и рамой 6 иллюминатора имеет разветвление 11 шпангоута. Обе стороны разветвления 11 прижимают затем к раме 6 иллюминатора, так что стороны разветвления 11 и верхний участок рамы 9 иллюминатора или нижний участок рамы 10 иллюминатора образуют треугольник 12. Таким образом, достигают, что производимые шпангоутами 7 усилия оптимально могут вводиться в раму иллюминатора. Точное придание формы переходу между шпангоутом 7 на высоте верхнего конструктивного элемента 2 корпуса или нижнего конструктивного элемента 3 корпуса и рамой 6 иллюминатора можно рассчитать в бионическом процессе оптимизации.
Разумеется, что высота шпангоута 7 над обшивкой 1 соответствует высоте рамы 6 иллюминатора над обшивкой. Из этого не следует, что она должна обязательно быть одинаковой или идентичной в обоих элементах. Нужно только обеспечивать, чтобы воспринимаемые шпангоутом 7 и рамой иллюминатора усилия были одинаковыми. При определении высоты шпангоута и рамы иллюминатора учитывают также толщину рамы 6 иллюминатора или шпангоута 7.
Если толщину, в частности, рамы 6 иллюминатора нельзя увеличивать сколько угодно и вследствие этого нельзя согласовать с допускаемой нагрузкой шпангоута 7, то согласно форме выполнения изобретения для подпирания рамы 6 иллюминатора предусмотрены косые шпангоуты, или распорки 13 жесткости. Эти косые шпангоуты 13 способствуют также гашению нагрузки от толкающих нагрузок. Их длина зависит от воспринимаемых нагрузок, а также от толщины обшивки под косым шпангоутом, и это также относится к форме и ширине косого шпангоута, также зависимых от этих параметров. На фиг.1 в качестве примера косые шпангоуты 13 показаны у среднего иллюминатора заостренными. Разумеется, количество и позиционирование косых шпангоутов 13 относительно рамы иллюминатора могут также зависеть от соответствующих условий распределения усилий и, исходя из этого, могут быть предусмотрены даже больше чем четыре косых шпангоута 13. Все три параметра - количество, толщина, позиционирование - могут быть также предметом бионических процессов оптимизации.
Изобретение не ограничивается определенным материалом для конструктивных элементов 2, 3 корпуса и сегмента иллюминатора. В частности, материал для элементов может быть алюминием, тогда как шпангоуты 7, 8 и рамы 6 иллюминаторов жестко соединяют с конструктивными элементами 2 и 3 корпуса предпочтительно клепаными соединениями. Материалом также вполне может быть волокнисто-усиленный полимерный материал, как, например, углепластик (CFK) или стеклопластик (GFK). В этом случае шпангоуты и стрингеры 7, 8 наклеивают предпочтительно на конструктивные элементы 2, 3 корпуса. Специалисту известны и другие варианты.
В зависимости от используемого материала различаются виды соединения при переходах между отдельными участками шпангоутов 7. На фиг.1 изображены три различных вида переходов. Косой переход между шпангоутом 7 на сегменте 4 иллюминатора и участком шпангоута на верхнем конструктивном элементе 2 корпуса или нижнем конструктивном элементе 4 корпуса в первом примере иллюминатора (на фиг.1 слева) выбирают, если шпангоуты 7 состоят, например, из алюминия и участки шпангоутов сваривают друг с другом. В среднем иллюминаторе на фиг.1 шпангоут 7 соединен заклепками 14 на сегменте 4 иллюминатора с участком шпангоута на верхнем конструктивном элементе 2 корпуса или нижнем конструктивном элементе 4 корпуса. Эту технику предпочтительно используют, если шпангоуты 7 состоят из волокнисто-усиленных полимерных материалов. Кроме того, шпангоут 7 можно выполнить из двух параллельных отдельных деталей и как одно целое наставить на обшивку. В этом случае рама 6 иллюминатора образуется на месте между обеими параллельными отдельными деталями шпангоута, как это изображено в правом примере выполнения иллюминатора на фиг.1. Такая же техника особенно подходит для шпангоутов, изготовленных из волокнисто-усиленного полимерного материала.
Если большие самолеты имеют несколько расположенных друг над другом пассажирских палуб с соответствующими рядами иллюминаторов, изобретение может быть предпочтительно применено ко всем рядам иллюминаторов.
Особенное преимущество изобретения состоит в том, что благодаря отсутствию шпангоута 7 между иллюминаторами образуется так называемое выигранное место, которое можно использовать для прокладки питающих трубопроводов. В частности, становится возможным, например, в двух питающих трубопроводах, разделенных друг с другом согласно уровню техники шпангоутами, совместно использовать изоляцию для обоих питающих трубопроводов, что влечет за собой другие разнообразные преимущества. Или можно увеличить поперечное сечение питающего трубопровода для увеличения объема потока, что предпочтительно, например, в частности, для вентиляции.
Из вышеупомянутого непосредственно следует, что изобретение также не ограничено наличием одного шпангоута на окно. Само собой разумеется, возможно, что два проходящих рядом шпангоута заканчиваются в раме иллюминатора одного и того же иллюминатора или интегрированы в него. Это влечет за собой, что нет больше ограничений относительно максимальной ширины иллюминаторов, заданной согласно уровню техники расстоянием между двумя соседними шпангоутами. Вместо этого ширину окна можно выбирать независимо от прохождения шпангоутов, а ширина окна может составлять, например, два или даже три расстояния между шпангоутами.
Перечень условных обозначений
1. Обшивка
2. Верхний конструктивный элемент корпуса
3. Нижний конструктивный элемент корпуса
4. Сегмент иллюминатора
5. Иллюминатор
6. Рама иллюминатора
7. Шпангоут
8. Стрингер
9. Верхний участок рамы иллюминатора
10. Нижний участок рамы иллюминатора
11. Разветвление шпангоута
12. Треугольник
13. Косой шпангоут, распорка жесткости
14. Заклепка