СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АРМИРОВАННОЙ ОБОЛОЧКИ ДЛЯ КОМПОНЕНТОВ ВОЗДУШНОГО СУДНА И ОБОЛОЧКА ДЛЯ ТАКИХ КОМПОНЕНТОВ
METHOD OF PRODUCING REINFORCED SHELL FOR AIRCRAFT COMPONENTS AND SHELL FOR SAID COMPONENTS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к способу изготовления оболочки для формирования компонентов воздушного судна с высокой стабильностью размеров, в частности оболочки фюзеляжа, оболочки крыла, оболочки горизонтального стабилизатора или оболочки вертикального стабилизатора, армированной множеством элементов жесткости, при этом элементы жесткости и покрытие оболочки изготавливаются с использованием эпоксидной смолы из по меньшей мере частично отвержденных заготовок, армированных углеродными волокнами.
Кроме того, изобретение относится к оболочке для формирования компонентов воздушного судна с высокой стабильностью размеров, в частности к оболочке фюзеляжа, оболочке крыла, оболочке горизонтального стабилизатора или оболочке вертикального стабилизатора, изготавливаемой в соответствии со способом по изобретению и содержащей множество элементов жесткости, размещенных на покрытии оболочки, при этом элементы жесткости и покрытие оболочки изготавливаются с использованием эпоксидной смолы из по меньшей мере частично отвержденных заготовок, армированных углеродными волокнами.
Уровень техники
Благодаря малому весу и высокой механической прочности эпоксидные смолы, армированные углеродными волокнами, все больше и больше используются для производства оболочек несущих компонентов воздушного судна, таких как отсеки (ячейки) фюзеляжа, профили крыльев, горизонтальные стабилизаторы и вертикальные стабилизаторы. Такие компоненты воздушного судна изготавливаются обычно по меньшей мере из двух соединяемых вместе оболочек. Например, вертикальный стабилизатор изготавливается из зеркально-симметричных полуоболочек, соединяемых своими соответствующими продольными краями.
Оболочки могут изготавливаться несколькими различными способами с использованием так называемых "препрегов". Термин "препрег" обозначает заготовку, изготавливаемую из армированной углеродными волокнами отверждаемой эпоксидной смолы. Такие препреги, как правило, имеют форму пластины или форму полосы, однако, они также могут представлять собой фасонные детали или профили, которые имеют, например, L-образное поперечное сечение.
До процесса отверждения препреги являются пластичными, следовательно, им можно придать фактически любую желаемую форму. Только после завершения отверждения оболочки для компонентов воздушного судна, которая изготавливается из этих препрегов, они приобретают свои характерные механические свойства, такие как чрезвычайно высокая механическая прочность в сочетании с очень маленьким весом. Отверждение оболочек, изготовленных из этих препрегов для формирования компонентов, обычно выполняется в автоклавах при температуре в диапазоне между 120°С и 180°С и при давлении до 10 бар. Срок хранения препрегов ограничен вследствие постоянно проходящих процессов химического сшивания (структурирования), и, как правило, при комнатной температуре этот срок колеблется в диапазоне между 10 и 30 днями. В остальной части настоящего описания вместо термина "препреги" используется термин "заготовки".
Оболочки формируются, главным образом, из покрытия оболочки и множества элементов жесткости и расположенных на них соединительных уголковых элементов, предназначенных для армирования. Обычно два соединительных уголковых элемента, проходящих по всей длине элемента жесткости, выполняются с возможностью соединения с покрытием оболочки с обеих сторон каждого элемента жесткости. Обшивка оболочки, соединительные уголковые элементы, а также элементы жесткости изготавливаются из заготовок.
Из уровня техники известно несколько процессов производства таких оболочек из заготовок.
В так называемом процессе "совместного отверждения" вся оболочка целиком, включающая, в частности, покрытие оболочки, элементы жесткости и соединительные уголковые элементы, заключается в один вакуумный мешок. Этот вакуумный мешок затем помещается в автоклав, где, в результате, выполняется отверждение всей оболочки. Таким образом, в процессе "совместного отверждения" процесс отверждения занимает один технологический этап.
Основной недостаток данной технологии заключается в том, что она требует очень сложного приспособления для расположения и закрепления элементов жесткости относительно покрытия оболочки в течение процесса отверждения, что приводит к непропорционально высоким затратам, в частности в случае оболочек больших габаритов для формирования сложных компонентов, например таких как профили крыльев.
В так называемом процессе "совместного связывания" сначала в ходе первой операции отверждаются элементы жесткости. После этого на элементы жесткости помещается пока еще не отвержденное покрытие оболочки. В ходе окончательного процесса отверждения покрытия оболочки происходит одновременное соединение элементов жесткости с покрытием оболочки. В качестве варианта процесса "совместного связывания" возможен также и обратный подход, при котором сначала выполняется отверждение покрытия оболочки, а затем отверждение еще не отвержденных элементов жесткости вместе с покрытием оболочки, тем самым осуществляется их соединение. В любом случае отверждение осуществляется в вакуумных мешках, помещаемых в автоклав. В соответствии с двумя этими способами процесс отверждения оболочки осуществляется в два этапа.
Основной недостаток этого варианта процесса заключается в том, что еще не отвержденным компонентам, таким как элементы жесткости или покрытие оболочки, например, свойственна неустойчивость свойств, что нельзя не учитывать. Эта неустойчивость свойств может, в частности, приводить к неблагоприятному распределению волокон в матрице смолы, деформации, а также к образованию пор и воздушных пузырей, что вызывается, в первую очередь, остаточным движением отверждаемого компонента в ходе процесса отверждения.
В соответствии с технологией так называемого "вторичного связывания" покрытие оболочки, а также элементы жесткости отверждаются заблаговременно за две отдельные операции, а затем соединяются вместе с помощью склеивания.
Недостатки такого подхода включают в себя большое количество необходимых технологических операций, а также требуют точности подгонки элементов жесткости, соединительных уголковых элементов и покрытия оболочки, что, как правило, при оболочках больших габаритов гарантировать невозможно.
Раскрытие изобретения
Таким образом, задачей настоящего изобретения является исключение вышеописанных недостатков известных технологий и обеспечение более простого изготовления оболочек, включающих покрытие оболочки и элементы жесткости.
Эта задача решается посредством способа с признаками, содержащимися в п.1 формулы изобретения.
В соответствии с одним из аспектов настоящего изобретения способ изготовления оболочки для формирования компонентов воздушного судна с высокой стабильностью размеров, в частности оболочки фюзеляжа, оболочки крыла, оболочки горизонтального стабилизатора или оболочки вертикального стабилизатора, армированной множеством элементов жесткости, причем элементы жесткости и покрытие оболочки изготовлены с использованием эпоксидной смолы из по меньшей мере частично отвержденных заготовок, армированных углеродными волокнами, включает в себя следующие шаги:
- размещение элементов жесткости на покрытии оболочки,
- приведение в контакт соединительных элементов с покрытием оболочки и элементами жесткости,
- отверждение соединительных элементов для формирования оболочки.
В соответствии с предпочтительным вариантом данного способа перед отверждением на соединительные элементы наносится клеящий материал. В результате этого можно получить лучшую компенсацию допуска между покрытием оболочки и элементами жесткости. Кроме того, достигается более жесткое соединение между элементами жесткости и покрытием оболочки, а также соединительными элементами. Нанесение клеящего материала на соединительные элементы в соответствии со способом по изобретению является необязательным. Как правило, можно получить достаточно прочное соединение элементов жесткости с покрытием оболочки с помощью соединительных элементов, которые частично отверждены, а следовательно, могут быть деформированы и имеют возможность склеивания.
Задача настоящего изобретения решается также с помощью оболочки по п.8 формулы изобретения.
Вследствие того, что элементы жесткости прикрепляются к покрытию оболочки с помощью соединительных элементов, которые отверждаются позднее, оболочку по настоящему изобретения можно легко изготовить. Поскольку элементы жесткости, а также покрытие оболочки по меньшей мере частично отверждены, и полностью отверждать нужно только соединительные элементы, то средства размещения соединительных элементов на покрытии оболочки могут быть простыми. Благодаря высокой собственной устойчивости по меньшей мере частично отвержденного покрытия оболочки и по меньшей мере частично отвержденных элементов жесткости необходимые средства размещения или устройства размещения могут быть расположены и вне вакуумного мешка. Независимо от того, что покрытие оболочки и элементы жесткости уже были отверждены, компенсация допуска возможна посредством еще не отвержденных соединительных элементов. Более того, с оболочкой по изобретению все еще пластичные соединительные элементы позволяют размещать элементы жесткости в областях покрытия оболочки, содержащих утолщенный участок или подобный ему. В этом случае на элементах жесткости должны быть предусмотрены углубления.
Предпочтительные варианты осуществления способа по изобретению и оболочки по изобретению охарактеризованы в зависимых пунктах формулы.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 изображает частичный перспективный вид оболочки с элементом жесткости, который прикреплен в соответствии с первым вариантом осуществления способа по изобретению,
Фиг.2 изображает частичное поперечное сечение оболочки в соответствии с первым вариантом осуществления элемента жесткости,
Фиг.3 изображает частичное поперечное сечение оболочки в соответствии со вторым вариантом осуществления элемента жесткости.
Осуществление изобретения
Далее со ссылкой на Фиг.1-3 приводится объяснение способа и оболочки по настоящему изобретению.
Фиг.1 изображает частичный перспективный вид оболочки с элементом жесткости, который был прикреплен в соответствии с первым вариантом осуществления настоящего изобретения.
Оболочка 1 содержит покрытие 2 оболочки, элемент 3 жесткости, а также соединительные элементы 4 и 5. Как показано на фиг.1, элемент 3 жесткости имеет, по существу, прямоугольное поперечное сечение. Однако элемент 3 жесткости может иметь также и другие формы поперечного сечения. Соединительные элементы 4 и 5 представляют собой соединительные уголковые элементы, имеющие, по существу, L-образное поперечное сечение. Покрытие 2 оболочки, элемент 3 жесткости и соединительные элементы 4 и 5 изготавливаются из множества заготовок в виде отвержденных препрегов. Препреги представляют собой армированные углеродными волокнами листовые элементы, которые вымочены или пропитаны отверждаемой эпоксидной смолой. В неотвержденном состоянии препрегам может быть придана фактически любая геометрическая форма. Таким образом, с помощью препрегов, используемых в качестве заготовок, могут быть сформированы, например, покрытия оболочек или элементы жесткости с L-образным поперечным сечением, изогнутые в двух пространственных направлениях.
Чтобы изготовить оболочку 1 в соответствии со способом по изобретению, предпочтительно, чтобы на первом шаге покрытие 2 оболочки и элемент 3 жесткости были полностью отверждены. В качестве альтернативы можно также выполнить только частичное отверждение покрытия оболочки и элемента 3 жесткости с тем, чтобы получить возможность компенсации допуска в большей степени. Помимо этого можно использовать и предварительно изготовленное, то есть уже отвержденное покрытие 2 оболочки и предварительно изготовленные и предварительно вырезанные элементы 3 жесткости. В этом случае первый шаг можно исключить без всякой замены.
На втором шаге элемент 3 жесткости помещается на покрытие 2 оболочки, после чего на третьем шаге соединительные элементы 4 и 5, которые в соответствии с изобретением отверждены только частично, приводятся в контакт, предпочтительно, с обеими сторонами элемента 3 жесткости. Благодаря соединительным элементам 4 и 5, которые в соответствии с настоящим изобретением отверждены не полностью, может быть осуществлена компенсация допуска между покрытием 2 оболочки и элементом 3 жесткости. В случае необходимости элемент 3 жесткости перед помещением в вакуумный мешок может быть зафиксирован с помощью вспомогательных средств, которые на фигурах не показаны. После этого вся конструкция помещается в вакуумный мешок, который для отверждения размещается в автоклаве.
В соответствии с одним из вариантов помещать в вакуумный мешок всю конструкцию не обязательно. Наоборот, для каждого элемента 3 жесткости может быть предусмотрен отдельный вакуумный мешок меньшего объема, благодаря чему опасность течи уменьшается, а общий риск получения дефектных изделий минимизируется. Кроме того, отверждение конструкции может выполняться и без автоклава, что позволяет уменьшить производственные затраты. Отверждение может выполняться, например, в вакуумном мешке, который помещается в обычную печь. Более того, отверждение может осуществляться с помощью внешнего нагрева до температуры в диапазоне от 60°С до 180°С.
На четвертом шаге способа по изобретению соединительные элементы 4 и 5 полностью отверждаются в автоклаве. После полного отверждения соединительных элементов 4 и 5 в автоклаве оболочка 1 в соответствии со способом по изобретению считается законченной. При этом вакуумный мешок полностью заключает в себя покрытие 2 оболочки, элемент 3 жесткости и соединительные элементы 4 и 5. Благодаря отрицательному давлению в вакуумном мешке соединительные элементы 4 и 5 плотно прижимаются к элементу 3 жесткости и покрытию 2 оболочки давлением окружающего воздуха или высоким положительным давлением в автоклаве. Отверждение в автоклаве выполняется при температурах от 120°С до 180°С и при давлении до 10 бар. Одновременно с отверждением соединительных элементов 4 и 5 происходит неразъемное соединение, то есть химическое сшивание между элементом 3 жесткости, соединительными элементами 4 и 5 и покрытием 2 оболочки. В ходе процесса отверждения покрытие 2 оболочки и элемент 3 жесткости должны удерживаться в предварительно заданных положениях относительно друг друга с помощью удерживающих устройств или зажимных устройств, которые на чертеже не показаны.
Как правило, удерживающее устройство или зажимное устройство, не изображенное на чертеже, необходимо для того, чтобы разместить и закрепить элемент 3 жесткости на покрытии 2 оболочки. По сравнению со способами изготовления, известными из уровня техники, удерживающее устройство может быть конструктивно менее сложным и более легким по весу, поскольку покрытие 2 оболочки и элементы 3 жесткости уже подверглись отверждению, так что их требуется лишь удерживать в соответствующих положениях, а необходимость в сохранении предварительно заданной геометрической формы этих компонентов в ходе процесса отверждения отсутствует. Более того, соединительные элементы, не отвержденные полностью в начале процесса отверждения, поддерживаются с помощью уже отвержденных элементов 3 жесткости, так что никаких удерживающих устройств внутри вакуумного мешка, в который заключены покрытие 2 оболочки и элемент 3 жесткости, не требуется. Благодаря малому весу удерживающего устройства, как правило, необходимого в способе по изобретению, уменьшается та масса, которую нужно нагревать в автоклаве, что, в результате, дает дополнительную экономию во времени и энергии.
Тем не менее благодаря не полностью отвержденным соединительным элементам 4 и 5 способ по изобретению обеспечивает достаточную компенсацию допуска между элементом 3 жесткости и покрытием 2 оболочки с тем, чтобы сформировать оболочку 1 с высокой стабильностью размеров, что не может быть достигнуто путем простого приклеивания отвержденных элементов 3 жесткости к покрытию 2 оболочки ("вторичное связывание"). Благодаря расположению удерживающего устройства вне вакуумного мешка процесс становится проще и короче, что очень выгодно, принимая во внимание ограниченный срок хранения препрегов или заготовок, в особенности в случае крупноразмерных оболочек, таких как оболочки крыльев и т.п.
Удерживающее устройство может представлять собой, например, элемент в форме бруска, снабженный углублением для принятия элемента 3 жесткости, заключенного в вакуумный мешок. Благодаря помещению удерживающего устройства на покрытие 2 оболочки в вакуумном мешке с элементом 3 жесткости удается избежать наклона элемента 3 жесткости по отношению к покрытию 2 оболочки во время процесса отверждения в автоклаве соединительных элементов 4 и 5. При этом соединительные элементы 4 и 5 прижимаются вакуумным мешком к элементу 3 жесткости и покрытию 2 оболочки, так что становится возможным прочное химическое сшивание и соединение. Поскольку покрытие 2 оболочки уже отверждено, то для удержания покрытия 2 оболочки требуется обеспечить только легкое поддерживающее устройство. Предпочтительно, чтобы это поддерживающее устройство было подогнано к геометрической форме покрытия 2 оболочки и могло быть, следовательно, изогнуто в двух пространственных направлениях. Альтернативные варианты осуществления удерживающего устройства и/или поддерживающего устройства также возможны и включаются в основной принцип изобретения.
Благодаря тому, что элемент 3 жесткости предпочтительно уже полностью отвержден, как правило, вполне достаточно предусмотреть удерживающее устройство только на начальном участке и конечном участке элемента 3 жесткости. Тогда для отверждения удерживающее устройство для элемента 3 жесткости прижимается к поддерживающему устройству для покрытия 2 оболочки с помощью зажимных элементов, таких как винтовые зажимы или подобные приспособления. Благодаря тому, что удерживающее устройство или поддерживающее устройство может размещаться вне вакуумного мешка, вакуумный мешок может быть выполнен более простым, что уменьшает вероятность течи.
Если покрытие 2 оболочки включает большое количество элементов 3 жесткости, то в элементе удерживающих устройств в виде бруска следует предусмотреть соответствующее количество углублений для приема элементов жесткости, которые располагаются на надлежащих расстояниях друг от друга. Кроме того, контур элементов в виде бруска, по которому они ложатся на покрытие 2 оболочки, необходимо подогнать к геометрии поверхности покрытия 2 оболочки, которая может быть изогнута, например, в двух пространственных направлениях. Помимо этого на обеих сторонах углублений могут быть предусмотрены контактные уголковые элементы для увеличения площади контакта для элементов жесткости. Более того, удерживающие устройства могут быть соединены друг с другом, например, с помощью подпорок, ребер и т.п.
В отличие от плоской конфигурации, показанной на Фиг.1, покрытие 2 оболочки также по меньшей мере частично может быть искривлено в одном или двух пространственных направлениях. Кроме того, на покрытии 2 оболочки может располагаться множество элементов 3 жесткости, причем фактически с любой геометрической компоновкой и/или с различными длинами.
Чтобы получить более прочное химическое сшивание, а следовательно и более прочное механически соединение между элементом 3 жесткости и соединительными элементами 4 и 5 или между соединительными элементами 4 и 5 и покрытием 2 оболочки, может оказаться необходимым дополнительно нанести клеящий материал по меньшей мере на две части контактирующих участков 6 и 7 или соединительных элементов 4 и 5. В качестве клеящего вещества в этом случае предпочтительно использовать отверждаемую эпоксидную смолу такого же типа, который используется для вымачивания или пропитывания заготовок или препрегов. Однако, вообще говоря, избытка эпоксидной смолы, который всегда присутствует на верхней стороне вследствие вымачивания заготовок или препрегов, вполне достаточно для того, чтобы получить достаточно прочное механически соединение между элементом 3 жесткости и покрытием 2 оболочки.
Фиг.2 изображает частичное поперечное сечение оболочки с элементом жесткости в соответствии с первым вариантом осуществления.
Оболочка 8 изготовлена из покрытия 9 оболочки, элемента 10 жесткости и соединительных элементов 11 и 12. Элемент 10 жесткости имеет, по существу, прямоугольное поперечное сечение. Элемент 10 жесткости может также иметь и другую форму поперечного сечения. Соединительные элементы 11 и 12 имеют, по существу, L-образное поперечное сечение, причем плечи соединительных элементов 11 и 12 имеют, по существу, одинаковую длину. Соединительные элементы 11 и 12 армируются углеродными волокнами 13 и 14. Углеродные волокна 13 и 14 проходят, по существу, параллельно поверхности элемента 10 жесткости или поверхности покрытия 9 оболочки. Для того чтобы предотвратить отслаивание соединительных элементов 11 и 12 на концевых участках 15, 16, 17, 18, углеродные волокна 13, 14 идут не параллельно поверхности элемента 10 жесткости или поверхности покрытия 9 оболочки в концевых участках 15, 16, 17, 18, а заканчиваются под углом от 5° до 90° относительно этих поверхностей. Углеродные волокна 13, 14, показанные на чертежах, представляют множество углеродных волокон, которые проходят приблизительно параллельно плоскости чертежа и которые вместе с другими углеродными волокнами, не проходящими параллельно плоскости чертежа, составляют армирование заготовок или препрегов углеродными волокнами для формирования соединительных элементов 11, 12.
В области 19, 20 изгиба соединительных элементов 11, 12 предусмотрены угловые зоны 21 и 22. В области угловых зон 21, 22 соединение между соединительными элементами 11, 12 и покрытием 9 оболочки или элементом 10 жесткости отсутствует. Во избежание процессов коррозии и/или процессов конденсации в угловых зонах 21 и 22 угловые зоны заполняются подходящим синтетическим материалом, который может быть дополнительно снабжен волокнами после того, как будет завершен способ по изобретению. От этого синтетического материала не требуется каких-то особых механических свойств, поскольку угловые зоны 21 и 22 обычно не служат для передачи усилий.
В качестве альтернативы, угловые зоны могут быть выполнены с помощью отверждаемого синтетического материала, в частности эпоксидной смолы, полиэфирной смолы и т.п., в которую в качестве арматуры внедряются дополнительные армирующие волокна ("пучки") с тем, чтобы угловые зоны 21 и 22 могли воспринимать механические усилия - по меньшей мере до некоторой степени.
В некоторых областях покрытие 9 оболочки может быть также снабжено утолщенными участками для армирования. В этом случае элемент 10 жесткости в соответствующих местах должен быть снабжен углублениями, так чтобы элемент 10 жесткости непрерывно и всей своей поверхностью лежал на верхней стороне покрытия 9 оболочки. В отношении соединительных элементов 11 и 12 при наложении элементов жесткости в области утолщенных участков необходимо предпринимать специальные меры, поскольку соединительные элементы 11 и 12 перед процессом отверждения все еще достаточно пластичны, что обеспечивает непрерывный контакт, по существу, всей поверхностью с верхней стороной покрытия 9 оболочки в области утолщенных участков.
Фиг.3 изображает частичное поперечное сечение оболочки, на которую помещен элемент жесткости в соответствии со вторым вариантом осуществления.
Оболочка 23 снабжена покрытием 24 оболочки, на которую прикрепляется по меньшей мере один элемент 25 жесткости с соединительными элементами 26 и 27, расположенными в соответствии со способом по изобретению на каждой стороне. В отличие от элемента 10 жесткости, элемент 25 жесткости не имеет прямоугольного поперечного сечения. В нижней области 28 элемент 25 жесткости имеет прямоугольную форму, тогда как в верхней области 29 он имеет расширяющуюся часть 30. Расширяющаяся часть 30 обеспечивает большую жесткость на изгиб элемента 25 жесткости. Из-за расширяющейся части 30, выполненной в верхней области 29, может оказаться необходимым выполнить плечи 31, 32 более короткими, нежели плечи 33, 34 соединительных элементов 26, 27. Другие детали фиг.3 соответствуют деталям, показанным на фиг.2, поэтому их дальнейшее описание опущено.
В соответствии с одним из аспектов способа по изобретению оболочка для формирования компонентов воздушного судна изготавливается путем расположения, позиционирования и закрепления уже отвержденных элементов жесткости на оболочке, которая также отверждена, и путем присоединения элементов жесткости с еще по меньшей мере не полностью отвержденными соединительными элементами к покрытию оболочки посредством окончательного отверждения соединительных элементов.
Способ по изобретению позволяет изготавливать оболочки очень больших габаритов при затратах, значительно сниженных по сравнению с производством, известным из уровня техники.
Перечень ссылочных обозначений: 1 - оболочка; 2 - покрытие оболочки; 3 - элемент жесткости; 4 - соединительный элемент; 5 - соединительный элемент; 6 - контактная поверхность; 7 - контактная поверхность; 8 - оболочка; 9 - покрытие оболочки; 10 - элемент жесткости; 11 - соединительный элемент; 12 - соединительный элемент; 13 - углеродное волокно; 14 - углеродное волокно; 15-18 - концевые участки; 19 - область изгиба; 20 - область изгиба; 21 - угловая зона; 22 - угловая зона; 23 - оболочка; 24 - покрытие оболочки; 25 - элемент жесткости; 26 - соединительный элемент; 27 - соединительный элемент; 28 - нижняя область; 29 - верхняя область; 30 - расширяющийся участок; 31-34 плечи.