ФЮЗЕЛЯЖ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА, ВЫПОЛНЕННЫЙ ИЗ ПРОДОЛЬНЫХ ПАНЕЛЕЙ, И СПОСОБ ВЫПОЛНЕНИЯ ТАКОГО ФЮЗЕЛЯЖА
AIRCRAFT FUSELAGE COMPOSED OF LENGTHWISE PANELS AND METHOD OF ITS PRODUCTION

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к фюзеляжу летательного аппарата, центральная секция которого выполнена из продольных панелей, собираемых непосредственно одни с другими без кольцевых соединений. Изобретение относится также к способу выполнения такого фюзеляжа.
Изобретение находит применение в авиации и, в частности, в области производства фюзеляжей летательных аппаратов.
Уровень техники
Фюзеляж летательных аппаратов, в частности летательных аппаратов, специализирующихся на перевозке пассажиров или груза, обычно выполняется из металлических панелей, собираемых одни с другими. Такие металлические панели часто изготавливаются в виде алюминиевых панелей. Они скрепляются друг с другом с помощью кольцевых и продольных соединений. Такие панели собираются вместе, образуя секции фюзеляжа, которые сами собираются для образования фюзеляжа.
Как представлено на фиг.1, фюзеляж летательного аппарата содержит несколько секций, а именно:
- носовую секцию 1 или заостренную носовую часть, которая содержит, в частности, кабину экипажа,
- хвостовую секцию 2 или хвостовой конус, содержащую обычно оперение, и
- центральную секцию 3, которая представляет собой часть фюзеляжа, соединяющую заостренную носовую часть 1 с хвостовой секцией 2. Центральная секция 3 содержит обычно пассажирскую кабину и багажный отсек, для перевозки пассажиров, и грузовой отсек для перевозки груза. Центральная секция выполнена из нескольких деталей секций или частей секций, собираемых одна с другой, для образования центральной секции, соединяющей заостренную носовую часть и хвостовой конус летательного аппарата. На сегодняшний день каждая часть центральной секции 3а, 3b, 3с и 3d фюзеляжа, представленного на Фиг.1, изготавливается независимо из нескольких металлических панелей.
На Фиг.2 представлен пример двух частей центральной секции 3, выполненной классическим способом. Каждая из этих частей 3а и 3b содержит несколько металлических панелей, собираемых друг с другом. Например, часть секции 3а содержит панели 41-46, а часть секции 3b содержит панели 47-52. Различные панели одной и той же части секции собираются с помощью продольных соединений. «Продольным соединением» называется способ скрепления, который состоит в том, чтобы поместить панели таким образом, чтобы две последовательные панели частично перекрывали друг друга, и чтобы вставлять элементы крепежа, типа заклепок, в зоны, в которых панели накладываются одна на другую.
Затем части центральной секции соединяются друг с другом. Две последовательных части центральной секции собираются с помощью кольцевых соединений. "Кольцевым соединением" называется способ скрепления, позволяющий собирать части секции по всей окружности этих частей. На самом деле, две части секции не могут быть непосредственно собраны одна с другой (внахлестку) по причинам допуска, так как невозможно выполнить две части секции, так, чтобы они идеально вставлялись одна в другую. Таким образом, для сборки двух частей секции, обычно, между двумя частями секции помещают обечайку. Обечайка представляет собой местную обшивку внутри секции и обеспечивает усиление в зоне соединения двух частей секции. Она позволяет передавать усилия одной секции на другую. Такая обечайка крепится с одной и с другой стороны на каждую часть секции. Другими словами дополнительная обшивка (выполненная из одной или нескольких деталей обшивки, смонтированных на шпангоуте) размещается в месте соединения двух частей секции и крепится элементами крепежа, типа накладок, на каждой из частей секции.
Сборка различных частей центральной секции требует, таким образом, добавления дополнительных обшивок и различных элементов крепежа этих дополнительных обшивок к металлическим панелям. Такие обшивки и такие элементы крепежа, обычно металлические, образуют столько деталей, что они увеличивают массу летательного аппарата.
Кроме того, выполнение центральной секции с помощью такого количества панелей, собираемых по одной, представляет собой относительно длительный процесс. Сборка таких многочисленных панелей означает, таким образом, важный показатель продолжительности изготовления фюзеляжа летательного аппарата.
С появлением композиционных материалов в области аэронавтики конструкторы летательных аппаратов стремятся к тому, чтобы максимум элементов фюзеляжа были выполнены из композиционных материалов. На самом деле, композиционные материалы имеют то преимущество, что они относительно легкие по сравнению с металлом, что позволяет существенно уменьшить общую массу летательного аппарата. Для этого, конструкторы летательных аппаратов обычно стремятся изготовить центральную секцию из композиционного материала. Далее они стремятся воссоздать единую обшивку, которая охватила бы центральную секцию по всей ее окружности или на 360°. Другими словами они стремятся выполнить центральную секцию в виде одной детали. Поскольку выполнить такую центральную секцию трудно, был разработан способ выполнения частей секции в виде одной детали для сборки одних с другими для образования центральной секции. Каждая часть секции, таким образом, представляет собой цилиндр, который должен затем собираться с другими последовательными частями секции. Такая сборка выполняется с помощью кольцевых соединений, типа описанных выше, для которых дополнительные обшивки выполнены из композиционного материала.
Пример такого изготовления фюзеляжа из композиционного материала описан в заявке на патент РСТ WO 2006/001860.
Однако, как было описано выше, кольцевые соединения в массе являются дорогостоящими. Кроме того, они требуют относительно повышенного времени сборки, тем более, что они представляют трудности сборки, поскольку аэродинамический профиль требует точной подгонки различных частей секции и регулировки стыковки подструктур, когда элементы подструктур устанавливаются на частях секции. Кроме того, кольцевые соединения требуют многочисленных деталей сопряжения для крепления дополнительной обшивки на обеих частях секции.
Кроме того, учитывая реальную разбивку центральной секции на различные части секции, фюзеляж летательного аппарата перемещается с одной площадки на другую, часть секции за частью секции. Другими словами, каждая часть секции является объектом особой транспортировки на транспортном средстве соответствующего назначения.
Раскрытие изобретения
Цель изобретения состоит именно в устранении недостатков технологий, описанных ранее. С этой целью изобретение предлагает фюзеляж летательного аппарата, центральная секция которого выполняется из продольных панелей, собранных непосредственно одна с другой, то есть без дополнительных обшивок. Таким образом, центральная секция не требует применения кольцевых соединений по всей ее окружности. Изобретение предлагает также выигрыш в общей массе фюзеляжа. Кроме того, сборка панелей продольными соединениями проще, чем кольцевыми соединениями, что позволяет иметь более быстрое внедрение.
Если быть более точным, изобретение касается фюзеляжа летательного аппарата, содержащего заостренную носовую часть, хвостовую секцию и центральную секцию,
отличающегося тем, что, центральная секция содержит продольные панели, собираемые непосредственно одни с другими, причем, по меньшей мере, одна из этих продольных панелей, имеет длину, соответствующую расстоянию между заостренной носовой частью и хвостовой частью, для соединения упомянутой носовой части с упомянутой хвостовой секцией.
Изобретение может содержать также одну или несколько следующих характеристик:
- продольные панели выполняются из композиционных материалов;
- непосредственная сборка первой панели со второй панелью содержит частичное наложение первой и второй панелей и элементы крепежа, проходящие через упомянутые панели;
- продольная панель имеет длину, соответствующую расстоянию между заостренной носовой частью и центральным кессоном крыла летательного аппарата;
- продольная панель имеет длину, соответствующую расстоянию между центральным кессоном крыла и хвостовой секцией;
- продольная панель имеет длину, соответствующую ширине центрального кессона крыла;
- продольная панель включает в себя подконструкцию, придающую жесткость, или конструкцию пола;
- продольная панель включает в себя элементы усиления обшивки;
- продольная панель соответствует зоне фюзеляжа с одинарной кривизной;
- продольная панель соответствует зоне фюзеляжа с двойной кривизной.
Изобретение относится также к способу выполнения такого фюзеляжа. Этот способ содержит изготовление заостренной носовой части, хвостовой секции и центральной секции. Изготовление центральной секции отличается следующими этапами:
- выполнение продольных панелей, причем, по меньшей мере, одна из этих продольных панелей, имеет длину, соответствующую расстоянию между заостренной носовой частью и хвостовой секцией, и
- сборку этих продольных панелей непосредственно одну с другой.
Способ в соответствии с изобретением может содержать также один или несколько следующих признаков:
- продольные панели выполняются из композиционных материалов;
- непосредственная сборка первой панели со второй панелью состоит в частичном наложении друг на друга первой и второй панелей и скреплении двух панелей с помощью крепежных элементов.
Изобретение относится также к летательному аппарату, содержащему такой фюзеляж, как описан выше. Оно относится также к летательному аппарату, выполненному согласно такому способу, как описан выше.
Краткое описание чертежей
Фиг.1, которая уже описана, представляет собой пример фюзеляжа летательного аппарата известного уровня техники, образованного из нескольких секций.
Фиг.2, которая уже описана, представляет собой пример частей центральной секции по известному уровню техники.
Фиг.3 представляет собой пример центральной секции в соответствии с изобретением.
Фиг.4 представляет собой другой пример центральной секции в соответствии с изобретением.
Фиг.5 представляет собой пример центральной секции с одинарной кривизной и хвостовую секцию с двойной кривизной в соответствии с изобретением.
Подробное описание вариантов осуществления изобретения
Изобретение предлагает выполнять центральную секцию летательного аппарата из продольных панелей, то есть из панелей большой длины, каждая из которых выполнена в виде одной детали. Предпочтительно, чтобы размер каждой из этих продольных панелей соответствовал, максимально, расстоянию между заостренной носовой частью летательного аппарата и хвостовой частью летательного аппарата, и, минимально, расстоянию между заостренной носовой частью летательного аппарата и центральным кессоном крыла или между хвостовой секцией летательного аппарата и центральным кессоном крыла. Само собой разумеется, что между панелями большой длины могут быть установлены другие панели, как, например, панель, длина которой соответствует ширине центрального кессона крыла. По меньшей мере, одна продольная панель соединяет заостренную носовую часть летательного аппарата с хвостовой секцией упомянутого летательного аппарата.
Факт выполнения центральной секции фюзеляжа из нескольких продольных панелей позволяет иметь более простую сборку панелей между собой. На самом деле, продольные панели могут быть собраны посредством продольных соединений, то есть путем частичного наложения одной панели на другую панель и скреплением двух панелей одной с другой с помощью элементов крепежа, проходящих через обе панели в их зоне наложения, или же путем плотной подгонки двух панелей с внутренней накладкой (обечайкой), для обеспечения неразрывности соединения.
Сборка двух продольных панелей происходит, таким образом, непосредственно без необходимости в местных элементах усиления между двумя панелями.
В соответствии с изобретением панели могут быть выполнены из композиционных материалов. На самом деле, композиционные материалы позволяют выполнять цельные детали больших размеров. Такие детали могут быть панелями, размер которых выбирается в зависимости от летательного аппарата, подлежащего конструированию, а не в зависимости от технических трудностей выполнения упомянутой детали. Когда панели делаются из композиционных материалов, элементами крепежа являются известные элементы, приспособленные для крепления таких материалов.
На Фиг.3 представлен пример центральной секции фюзеляжа, выполненной в соответствии с изобретением. В этом примере центральная секция 3 содержит пять продольных панелей 31-35, собранных непосредственно одни с другими. В частности, две панели 31 и 32 собираются для образования верхней части фюзеляжа. Эти две панели имеют длину, заключенную между заостренной носовой частью и хвостовым конусом летательного аппарата. Панели 33, 34 и 35 скрепляются каждая с одной стороны с панелью 31 и с другой стороны с панелью 32. Панель 33 имеет длину, соответствующую расстоянию между заостренной носовой частью летательного аппарата и центральным кессоном крыла. Панель 34 имеет длину соответствующую расстоянию между хвостовой секцией летательного аппарата и центральным кессоном крыла. Панель 35 имеет длину, соответствующую ширине центрального кессона крыла.
В изобретении сборка осуществляется продольно, то есть по длине панелей. Панели скрепляются одни с другими по продольной оси ХХ летательного аппарата. Некоторые единичные панели требуют кольцевой частичной сборки в дополнение к продольной сборке. Например, панель 35 должна быть скреплена не только с панелями 31 и 32 продольной сборкой, но также и с панелями 33 и 34. Сборка панели 35 с панелями 33 и 34 представляет собой сборку типа частично кольцевой или полукольцевой. Когда сборка не является кольцевой по всей окружности фюзеляжа, между двумя панелями, подлежащими сборке, возможен зазор.
В таком случае понятно, что панели, образующие центральную секцию, собираются только продольными соединениями. Никакого кольцевого соединения, за исключением передней и задней оконечностей центральной секции, которые должны быть скреплены с заостренной носовой частью и хвостовым конусом летательного аппарата, не требуется. Общая масса центральной секции, таким образом, облегчена по сравнению с массой, соответствующей кольцевым соединениям и другим деталям сопряжения.
Длина различных продольных панелей согласована с формой центральной секции летательного аппарата. Она может быть также согласована с видом транспортировки этих продольных панелей. На самом деле, продольные панели могут быть транспортированы упрощенным способом по отношению к части центральной секции известного уровня техники, поскольку они могут быть размещены одни над другими на транспортных машинах. Например, панели 31 и 32 Фиг.3 могут быть размещены одна в другой внутри автомобиля, а панели 34, 33 и 35 размещены одни в других над панелями 31 и 32. На самом деле, транспортировка элементов фюзеляжа в виде продольных панелей позволяет лучше занимать объем загрузки, имеющийся в распоряжении. Таким образом, можно транспортировать несколько центральных секций, разделенных на длинные панели, в объеме, в котором можно было транспортировать лишь одну центральную секцию, если последняя была бы разделена на секции.
Кроме того, сборка различных продольных панелей посредством нахлестки упомянутых панелей упрощается по сравнению с известным способом, поскольку число деталей крепежа уменьшается более, чем наполовину. Кроме того, как было указано выше, система допусков для продольных соединений более гибкая по сравнению с кольцевыми соединениями; на самом деле кольцевая сборка двух частей секции предполагает, что размеры обеих частей секции должны быть квази идентичными, чтобы обеспечить неразрывность фюзеляжа, в то время как при продольной сборке, это ограничение не существует.
В соответствии с изобретением продольные панели могут содержать отверстия и подконструкции летательного аппарата. В примере Фиг.3 панели 31 и 32 содержат отверстия, соответствующие размещению иллюминаторов 5 и дверей для пассажиров 4 и 6 летательного аппарата. Панели 33 и 34 содержат отверстия 7, соответствующие створкам отсеков посадочных люков, и створкам грузовых отсеков. На самом деле, известные технологии выполнения деталей из композиционных материалов позволяют изготавливать деталь, в частности, панель, в которой делаются отверстия заданных размеров.
Кроме того, такие технологии позволяют вставлять один или несколько элементов из композиционных материалов или других материалов в панель из композиционных материалов. Продольные панели могут, таким образом, включать в себя придающую жесткость подконструкцию летательного аппарата, такую, как стрингеры, шпангоуты, рамы дверей, рамы иллюминаторов, начальные стадии конструкций или полные конструкции полов. Такие различные панели могут также включать в себя элементы усиления обшивки типа тех, которые расположены на уровне отверстий или близко к сильно нагруженным зонам летательных аппаратов.
В других примерах центральной секции фюзеляжа, выполненной в соответствии с изобретением, часть фюзеляжа, содержащая центральный кессон крыла (соответствующий панели 35 на Фиг.3), выполнена в продольных панелях 31, 32 или в продольных панелях 33, 34. В этом случае центральная секция 3 может содержать только четыре продольных панели. В этих примерах может быть достаточно только одной частичной кольцевой сборки и даже ни одной частичной кольцевой сборки. Все соединения, обеспечивающие сборку различных панелей между собой, могут быть продольными соединениями.
Поэтому при прочтении вышеприведенного описания понятно, что форма продольных панелей и их количество могут меняться в зависимости от различных критериев, таких как тип летательного аппарата, подлежащего построению, и транспорт, предусмотренный для этих панелей. В частности, длина панелей может изменяться таким образом, что она может включать или нет некоторые элементы летательного аппарата. Например, длина панелей 31, 32 и 34 на Фиг.3 может изменяться таким образом, что она может включать или нет отверстие, соответствующее задней двери 4. На Фиг.4 представлен пример центральной секции, выполненной из 5 панелей и не имеющей отверстия задней двери 4. В этом примере панель 37 образует крышу центральной секции, две панели 36 и 38, симметричные с одной и с другой стороны панели 37, содержат отверстия иллюминаторов 5, панель 33 содержит створку грузового отсека 7а, и панель 39 содержит створку грузового отсека 7b, а также центральный кессон 8.
В этом примере Фиг.4 продольные панели предназначены для образования зон фюзеляжа с одинарной кривизной. Под зоной с одинарной кривизной понимается зона фюзеляжа, радиус кривизны которой одинаковый на всей длине зоны. Напротив, под двойной кривизной понимают зону фюзеляжа, радиус кривизны которой отличается на длине зоны. Например, хвостовая секция летательного аппарата имеет форму конуса. Эта конусная зона типично представляет собой зону с двойной кривизной. Напротив, центральная часть центральной секции, которая может быть цилиндрической, двухдольной, трехдольной, …, образует поверхность с одинарной кривизной. С точки зрения промышленного изготовления проще изготовить панели с одинарной кривизной, в частности из композиционных материалов. На самом деле панели с одинарной кривизной могут быть выполнены с плоской поверхностью, а затем отформованы в момент коксования или укладывания с помощью специальных автоматизированных укладочных машин, ввиду того, что зоны с одинарной кривизной в отличие от зон с двойной кривизной поддаются развертыванию. Напротив панели с двойной кривизной должны выполняться с помощью относительно сложных машин, таких как машины с размещением волокна для получения возрастающей кривизны панели согласно требуемой форме центральной секции. Изготовление панелей с одинарной кривизной требует, таким образом, менее дорогостоящего оборудования, чем изготовление панелей с двойной кривизной. Кроме того, сборка панелей с одинарной кривизной может происходить путем соскальзывания панелей одни по другим, в то время как сборка панелей с двойной кривизной требует специальной укладки панелей между собой, что приводит к проблемам статической неопределимости.
Исходя из вышесказанного, изобретение предлагает вариант осуществления, в котором продольные панели применяются только в зоне фюзеляжа с одинарной кривизной. Таким образом, можно уменьшить стоимость изготовления этих панелей и уменьшить ограничения установки панелей между собой. Как показано в примере Фиг.5 такой вариант осуществления предлагает выполнять зону фюзеляжа с двойной кривизной независимо от центральной секции с одинарной кривизной. Часть фюзеляжа, представленная на фиг.5 является зоной с двойной кривизной. В центре центральной секции 3 радиус кривизны превышает радиус секции 9. Для того, чтобы избежать изготовления продольных панелей для зон с двойной кривизной, можно выбрать выполнение секции 9 независимым образом. Секция 9 в этом случае рассматривается как образующая хвостовую секцию летательного аппарата. Продольные панели 36, 37, 38, 33, 35 и 34, таким образом, выполняются, чтобы все они могли применяться только в зонах фюзеляжа с одинарной кривизной. В этом примере секция 9 может быть выполнена классическим способом, то есть в виде секции 360°, скрепляемой с остальной частью центральной секции классическим кольцевым соединением.