КОРПУС ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА (ВАРИАНТЫ)
AIRCRAFT BODY (VERSIONS)

Изобретение касается легких конструкций, состоящих из внешней оболочки, а также связанных с ней структурных элементов.
Легкие конструкции, применяемые, в частности, в области воздушной и космической техники, состоят обычно из внешней оболочки, которая усилена по внутренней стороне посредством двухмерных элементов жесткости. Например, таким образом построен фюзеляж самолета, чья внешняя оболочка усилена с помощью стрингеров и шпангоутов. При использовании таких легких конструкций особое значение придается уменьшению веса, при этом легкие конструкции все же должны соответствовать в зависимости от каждого случая применения различным прочностным, усталостным требованиям и устойчивости к разрушению. В частности, в самолетостроении существуют определенные требования относительно устойчивости к разрушению применяемых там легких конструкций.
Повышения устойчивости к разрушению таких легких конструкций можно достичь различным образом, и среди прочего путем повышения толщины оболочки или согласования толщины оболочки с требованиями по нагрузке на конкретных участках и т.п. Эти методы, однако, приводят также к повышению веса легкой конструкции. Другая возможность состоит в применении материалов с улучшенными свойствами в отношении предела допустимых разрушений, как, например, описанные в DE 10238460 A1 металлические слоистые материалы или упрочненные волокнами ламинаты, известные под товарным знаком GLARE.
К преимуществам упрочненных волокнами ламинатов относят помимо очень хороших свойств сопротивления разрушению их относительно небольшую плотность по сравнению с монолитными металлическими материалами. Однако упрочненные волокнами ламинаты имеют к настоящему времени по сравнению с монолитными материалами частично худшие статические прочностные свойства. За счет этого достигают уменьшения веса легких конструкций только в некоторых областях, в которых важной является устойчивость к разрушению. Кроме того, получение упрочненных волокнами ламинатов из-за частично сложной предварительной обработки склеиванием тонких листов, применения дополнительных предварительно профилированных пленок, а также необходимости ручного позиционирования и подготовки для последующего склеивания сравнительно дорого. В результате стоимость производства может лежать существенно выше, чем при применении монолитных листов. Можно ожидать существенно более низкой стоимости при производстве металлических слоистых материалов без усиления волокнами, как описано в DE 10238460 A1.
Задача изобретения - подготовить легкую конструкцию упомянутого вначале вида, которая имеет существенно улучшенную устойчивость к разрушению, в частности, в отношении поведения усталостных трещин.
Изобретение решает поставленную задачу за счет того, что предусмотрено в конструкциях такого рода на внешней оболочке между структурными элементами располагать также наносимые склеиванием дополнительные выполненные в виде полос, состоящие из устойчивого к разрушениям материала элементы усиливающей структуры. Предпочтительное усовершенствование изобретения дано в зависимых пунктах формулы.
Благодаря предусмотренному согласно изобретению применению подобных дополнительных усиливающих элементов, которые в виде полос наклеены на основной лист оболочки, состоят из материала с высокой устойчивостью к разрушению и образуют фахверковую структуру, достигается желаемое повышение устойчивости к разрушению легкой конструкции за счет того, что при росте усталостной трещины в области внешней оболочки дополнительно нанесенная фахверковая структура значительно большее время сопротивляется росту трещины, что ведет к существенному замедлению роста усталостной трещины.
Было установлено, что применение предусмотренных согласно изобретению подобных дополнительных локально нанесенных усиливающих элементов с фахверковой структурой ведет к существенному улучшению устойчивости к разрушению, как при монолитном, так и многослойном материале. В частности, расположение дополнительных полос в фахверковой структуре между предусмотренными конструкцией самолета стрингерами позволяет обеспечить существенное снижение скорости роста трещин. Также было установлено, что при находящихся долгое время в исправности промежуточных полосах в форме дополнительных доплеров между двумя стрингерами рост трещины во внешней оболочке замедляется настолько, что время эксплуатации легкой конструкции можно повысить в пять раз. При росте усталостной трещины, длина которой превышает расстояние между двумя соседними стрингерами, слоистые металлические материалы с дополнительной фахверковой структурой показывают лучшую стойкость к разрушению, чем легкая конструкция с внешней оболочкой из монолитного листа, тогда как при длине трещины, составляющей двойное расстояние между стрингерами, рост трещины в таком материале выше, чем в традиционно применяемых легких конструкциях с листом оболочки из монолитного материала.
Преимущества изобретения проявляются в возможности уменьшения веса легкой конструкции, в частности фюзеляжа самолета, с сохранением высоких характеристик устойчивости к разрушению. Данные требования являются особенно важными для внешней оболочки фюзеляжа самолетов. За счет применения дополнительных элементов, выполненных из материала с высокой стойкостью к разрушению и образующих усиливающую структуру, согласно изобретению достигается возможность использовать листы на 20% меньшей толщины, и за счет этого значительно снизить общий вес легкой конструкции.
Далее изобретение поясняется при помощи примеров выполнения, которые изображены на чертежах.
Фиг.1-4 - схематичное изображение усиленной легкой конструкции.
Фиг.5 - изображение роста трещины во внешней оболочке, выполненной из монолитного и из металлического многослойного материала с дополнительно нанесенной на каждой из них фахверковой структурой из материала с высокой стойкостью к разрушению.
На фиг.1-4 показаны различные варианты выполнения легких конструкций, причем во всех случаях на внешнем листе оболочки при помощи приклеивания нанесена фахверковая структура из материала с высокой устойчивостью к разрушению. Эта фахверковая структура выполняет задачу повышения устойчивости к разрушению всей конструкции и уменьшения образования трещин во внешнем листе оболочки.
На фиг.1 показана состоящая из устойчивого к разрушению материала фахверковая структура 1, которая при помощи клеящего слоя 3 нанесена на внешний лист 2 оболочки, который состоит из слоистого материала. На фиг.2 показан аналогичный вариант выполнения легкой конструкции, в которой также состоящая из устойчивого к разрушению материала фахверковая структура 11 при помощи клея 13 нанесена на внешний лист 12 оболочки, состоящий из монолитного материала. На фиг.3 и 4 показаны, в принципе, однотипные усиливающие структуры, в которых соответственно одна состоящая из ламинированного слоистого материала фахверковая структура 23 или 31 расположена на внешнем листе 22 оболочки, выполненном из слоистого материала, или на внешнем листе 32 из монолитного материала.
Во всех случаях фахверковые структуры 1, 11, 21, 31 состоят из полос, ширина которых варьируется в интервале от около 10 до 80 мм. Образующие фахверковую структуру элементы 1, 11 при этом могут состоять, как это показано на фиг.1 и фиг.2, из монолитного материала, в частности из сплава алюминия и лития, предпочтительно с примерно 1-3% лития, или из композитного материала. В последнем случае в матрицу из сплава алюминия, магния или титана внедряют волокна из углерода, полиароматического амида, оксида алюминия, карбида кремния или базальта в качестве усиливающего материала.
Как показано на фиг.3 и 4, образующие фахверковую структуру элементы 21, 31 могут состоять и из слоистого материала, в котором отдельные слои в виде алюминиевых, магниевых или титановых листов усилены за счет расположенных между ними слоев 23, 33 из пластмассы, предпочтительно эпоксидной смолы, в которые внедрены волокна стекла, углерода, полиароматического амида, оксида алюминия, карбида кремния или базальта. Эти усиливающие волокна 24, 34 имеют длину от, по меньшей мере, около 5 мм и предел текучести не менее 500 МПа.
В качестве внешних листов оболочки могут применяться как монолитные листы из сплавов алюминия, титана, магния, так и слоистые материалы из двух или более склеенных листов, при необходимости снабженных промежуточными слоями из пленки. В одной легкой конструкции могут одновременно применяться несколько дополнительных слоев и фахверковых структур.
На фиг.5 показано существенное увеличение устойчивости к разрушению легкой конструкции, достигаемое за счет описанной выше структуры. Наклеенные на внешний лист оболочки из монолитного или слоистого материала, образующие фахверковую структуру усиливающие элементы, на левом краю изображения обозначены как 1 и 2 доплер, уменьшают рост усталостной трещины во внешней оболочке и соответственно преждевременный выход легкой конструкции из строя.