ДВЕРНОЕ ОБРАМЛЕНИЕ ДЛЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
AIRCRAFT DOOR FRAME

Область техники
Изобретение относится к дверному обрамлению летательного аппарата, выполненному из композитного материала, поглощающего энергию, возникающую в результате удара, обеспечивая хорошее функционирование двери, а также к оптимизированному применению композитных материалов как в плане механических эксплуатационных качеств, так и в плане промышленного изготовления.
Изобретение находит применение в аэрокосмической области и, в частности, в области конструирования дверных обрамлений.
Предшествующий уровень техники
В настоящее время в летательных аппаратах и, в частности, пассажирских транспортных летательных аппаратах стремятся наилучшим образом обеспечить безопасность лиц, находящихся на борту, и, в частности, пассажиров.
Для обеспечения безопасности пассажиров в случае аварии первостепенной задачей является быстрая эвакуация пассажиров. Для этого конструкторы летательных аппаратов стремятся создать надежные двери летательных аппаратов, то есть защитить двери во избежание любого их повреждения и деформации в случае удара с тем, чтобы обеспечить их правильное функционирование. Действительно, если дверь повреждена, в частности, при ударе, пассажиры летательного аппарата не могут выйти из фюзеляжа или же могут выйти из него лишь с трудом. Если боковая дверь в фюзеляже не может открываться, необходимо ждать вмешательства специализирующихся в оказании помощи наземных силовых структур, чтобы сломать дверь для того, чтобы проникнуть в пассажирский отсек летательного аппарата и оказать помощь пассажирам, на что может потребоваться относительно большое время. Однако известно, что самолет может загореться в короткий промежуток времени, в течение порядка нескольких минут после аварии. Напротив, если дверь защищена, может функционировать и быть открыта лицами на борту летательного аппарата, то непострадавшие пассажиры могут быстро покинуть летательный аппарат, не ожидая прибытия специализированных силовых структур, и спасательные работы по оказанию помощи пострадавшим могут начаться намного раньше.
В летательном аппарате может быть предусмотрено несколько выходных дверей, а именно:
одна дверь или несколько дверей для пассажиров в передней части фюзеляжа летательного аппарата,
одна дверь или несколько дверей для пассажиров в задней части фюзеляжа,
одна дверь или несколько дверей в кабине пассажиров,
одна или несколько боковых дверей в грузовом отсеке под фюзеляжем летательного аппарата.
В современных летательных аппаратах каждая дверь устанавливается в фюзеляже летательного аппарата. Такая металлическая конструкция содержит рамы и набор жестких креплений, которые вместе образуют дверное обрамление. Дверь, таким образом, монтируется на металлический каркас, например каркас из алюминия. На самом деле алюминий имеет преимущество, являясь устойчивым металлом, просто принимающим форму и способным деформироваться под действием удара для поглощения энергии, порождаемой ударом.
Пример классического дверного обрамления представлен на фиг.1. Такое дверное обрамление 1 установлено в фюзеляже 2 летательного аппарата для удержания двери, не показанной на фиг.1 и предназначенной для установки в пустом пространстве 3 обрамления 1. Дверное обрамление 1 содержит каркас, выполненный с помощью внутренней рамы 5, внешней рамы 6 и ребра 4, расположенного между внутренней рамой 5 и внешней рамой 6. Внутренняя рама 5 предназначена для установки на ней средств крепления двери. Внешняя рама 6 образует связь между обрамлением двери 1 и фюзеляжем 2. Ребро 4 используется для поглощения энергии, возникающей от удара. Ребро 4 соединяет внутреннюю раму 5 и внешнюю раму 6.
Каждая рама 5 и 6 дверного обрамления 1 содержит две горизонтальные перекладины, соответственно 5а, 5b и 6а, 6b, и две вертикальные стойки, соответственно 5с, 5d и 6с, 6d. Комплект, образованный верхней перекладиной 5а и нижней перекладиной 5b, правой стойкой 5с и левой стойкой 5d, соединяемые одни с другими, образует раму 5.
В классическом случае перемычка 4 между внутренней рамой 5 и внешней рамой 6 выполняется с помощью множества жестких креплений 4а, 4b, 4c,... 4n, называемых межреберными элементами каркаса. Эти межреберные элементы каркаса являются независимыми и, более точно, горизонтальными жесткими креплениями между вертикальными стойками дверного обрамления и вертикальными жесткими креплениями между перекладинами дверного обрамления. Эти межреберные элементы каркаса крепятся с одной и с другой стороны на внутреннюю раму 5 и на внешнюю раму 6. В настоящее время металлический каркас дверного обрамления оптимизирован таким образом, чтобы межреберные элементы каркаса от удара деформировались. При деформации межреберные элементы каркаса поглощают энергию удара, защищая таким образом дверь. Такой каркас позволяет таким образом соблюдать требования стандарта по запасу прочности, касающегося дверей летательных аппаратов.
Конструкторы летательных аппаратов стремятся максимально уменьшить массу летательных аппаратов с тем, чтобы получить выигрыш в потреблении аппаратом топлива. Для этого одно из средств состоит в выборе более легких материалов.
Современная тенденция в аэрокосмической области состоит в том, чтобы заменить металлические элементы элементами из композитных материалов. Однако в случае дверного обрамления недостаточно заменить алюминий композитным материалом. На самом деле замена алюминиевых межреберных элементов каркаса на межреберные элементы каркаса из композитных материалов приведет к появлению проблемы поглощения энергии, поскольку композитные материалы имеют низкую способность поглощения энергии. Композитный материал, подверженный сильному давлению, не деформируется. Он ломается. В случае аварии усилие в дверном обрамлении, которое только что было описано, но с межреберными элементами каркаса из композитных материалов, полностью будет передано на дверь с вероятностью деформации, которая могла бы помешать ее последующему функционированию. Энергия, возникающая от удара, таким образом, не будет поглощена дверным обрамлением, что приведет к повреждению двери.
Кроме того, классическая компоновка заставляет работать жесткие крепления при деформации сдвига на уровне усилия среза последних, что является слабым местом композитных материалов.
Кроме того, изготовление межреберных элементов каркаса из композитного материала для выполнения дверного обрамления, которое было описано ранее, является относительно дорогостоящей операцией, с точки зрения производства. На самом деле изготовление повышенного числа межреберных элементов каркаса и крепление каждого элемента каркаса между внутренней и внешней рамами приведет к значительному увеличению стоимости продукции, а также слишком значительным циклам изготовления по отношению к современным требованиям.
Раскрытие изобретения
Задача изобретения состоит, по существу, в устранении недостатков технологии, изложенной выше. Для решения задачи предлагается дверное обрамление, в котором ребро каркаса выполнено из композитного материала и имеет непрерывную конструкцию, способную поглощать энергию удара, с уменьшенным числом деталей для снижения стоимости, и обеспечивающую отвод сил напряжений при растяжении/сжатии для механических характеристик, оптимизированных для композитных материалов. Для этого ребро каркаса имеет форму гармошки.
Более точно изобретение относится к дверному обрамлению в фюзеляже летательного аппарата, содержащего дверной каркас, внутри которого установлена дверь, причем этот каркас содержит:
внешнюю раму,
внутреннюю раму и
ребро, установленное между внутренней рамой и внешней рамой, способное поглощать энергию, возникающую от удара, отличающееся тем, что ребро представляет собой жесткое крепление в виде гармошки, выполненное из композитного материала.
Предпочтительно, чтобы жесткое крепление гармошкой содержало последовательность вставок, имеющих вид V или инверсии V.
Предпочтительно также, чтобы каждая вставка жесткого крепления гармошкой содержала закругленную вершину.
Предпочтительно также, чтобы жесткое крепление гармошкой было выполнено в виде одной детали.
Предпочтительно также, чтобы деталь, образующая жесткое крепление гармошкой, содержала четыре стороны в виде гармошки, соединенные углами, имеющими вид зубца.
Предпочтительно также, чтобы жесткое крепление гармошкой содержало по меньшей мере два независимых элемента жесткого крепления, устанавливаемых встык, между внутренней и внешней рамами.
Предпочтительно также, чтобы жесткое крепление гармошкой содержало два вертикальных элемента жесткого крепления и два горизонтальных элемента жесткого крепления.
Целесообразно, чтобы жесткое крепление фиксировалось на внешней раме и/или внутренней раме вершинами своих вставок.
Целесообразно также, чтобы композитный материал, из которого выполнено жесткое крепление гармошкой, содержал волокна из углерода.
Целесообразно также, чтобы композитный материал, из которого выполнено жесткое крепление гармошкой, содержал волокна из кевлара.
Целесообразно также, чтобы жесткое крепление гармошкой было выполнено по методу RTM.
Изобретение относится также к летательному аппарату, содержащему дверное обрамление описанного выше типа.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 изображает классическое дверное обрамление из алюминия.
Фиг.2 - дверное обрамление по изобретению.
Фиг.3 - ребро из композитного материала в дверном обрамлении по изобретению.
Фиг.4 - дверное обрамление по фиг.2 типа установленного на фюзеляже летательного аппарата.
Фиг.5 - схематический вид передачи усилий в жестком креплении.
Фиг.6А и 6В иллюстрируют способ поглощения энергии жестким креплением в случае удара.
Подробное описание варианта осуществления изобретения
На фиг.2 представлен пример дверного обрамления для фюзеляжа летательного аппарата по изобретению. Дверное обрамление, показанное на фиг.2, представляет собой дверное обрамление пассажирской кабины. Все двери, разрешающие выход лиц, пассажиров или экипажа летательного аппарата, могут быть реализованы с обрамлением по изобретению. Такое дверное обрамление 10 содержит каркас, образованный внешней рамой 60 и внутренней рамой 50. Эти рамы, внутренняя и внешняя, могут быть идентичны рамам предшествующего уровня техники, то есть они выполнены из металла, например из алюминия. Они могут быть также из любого другого материала, используемого обычно для дверных каркасов летательного аппарата.
Такой каркас содержит также ребро 40, расположенное между внутренней рамой 50 и внешней рамой 60. Это ребро представляет собой жесткое крепление, выполненное из композитного материала. Это жесткое крепление 40 имеет форму гармошки. «Форма гармошки» - так называется форма в виде зубьев пилы, содержащая последовательность V-вставок и инвертированных V-вставок, образованных одна за другой. Это жесткое крепление 40 гармошкой установлено по всему контуру каркаса, то есть на всей длине пространства, расположенного между внутренней рамой 50 и внешней рамой 60.
Как будет показано в примере по фиг.2, внутренняя и внешняя рамы являются, по существу, прямоугольными. Внутренняя рама 50 может иметь закругленные углы для обеспечения лучшей адаптации к форме двери в проеме 3 дверного обрамления 10.
Жесткое крепление 40 гармошкой может быть изготовлено из одной детали и установлено целиком вокруг внутренней рамы 50, причем внешняя рама затем крепится вокруг жесткого крепления гармошкой. Жесткое крепление гармошкой затем крепится на внутреннюю и внешнюю рамы с помощью классического крепежа из композитного материала, который образует с жестким креплением гармошкой сэндвич-структуру между рамами и фланцем, который образован в закруглении V-вставки так, чтобы передавать усилия равномерно. В этом случае жесткое крепление содержит четыре стороны в виде зубьев пилы. В каждом углу между двух сторон зубьев пилы жесткое крепление имеет форму зубца 45, 46, 47, 48, то есть форму в виде неполного квадрата, причем разрыв расположен напротив угла внутренней рамы 50. Другими словами, стороны жесткого крепления гармошкой соединены одни с другими с помощью углов, имеющих форму зубца.
В другом варианте осуществления изобретения жесткое крепление гармошкой содержит несколько независимых элементов, установленных встык между внутренней и внешней рамами. Жесткое крепление гармошкой может содержать, например, четыре элемента жесткого крепления, а именно два коротких элемента 42 и 44, расположенных горизонтально между двумя перекладинами 50а, 60а и 50с, 60с внутренней и внешней рам и два длинных элемента 41, 43, расположенных вертикально между стойками 50b, 60b и 50d, 60d внутренней и внешней рам. В этом варианте реализации каждый элемент жесткого крепления является независимым и независимо изготовленным. В областях, где фюзеляж имеет постоянное сечение, идентичными становятся два горизонтальных элемента жесткого крепления и идентичными становятся два вертикальных элемента жесткого крепления. Каждый элемент жесткого крепления имеет форму элемента жесткого крепления, представленного на фиг.3, длина которого согласуется с длиной рам.
В примере согласно фиг.3 представленный элемент является вертикальным элементом 41 жесткого крепления.
Каждый элемент жесткого крепления содержит последовательность V-вставок 70а и инверсных V-вставок 70b. V-вставки, расположенные на двух концах элемента жесткого крепления для обеспечения крепления элемента в углу внутренней и внешней рам имеют более широкое основание. Этот элемент жесткого крепления может заканчиваться с одной и с другой стороны пластинчатым выводом 80, предназначенным для образования опоры против одной из стоек или одной из перекладин внутренней рамы для возможного закрепления в этом месте. Жесткое крепление содержит, при необходимости, пластинчатые выводы 20а, 20b,... 20n, позволяющие соединить конструкцию с обшивкой фюзеляжа таким образом, чтобы взять на себя нагрузку повышенного давления.
Как показано на фиг.2, жесткое крепление 40 гармошкой, которое выполнено в виде одной детали или которое состоит из нескольких элементов, может быть закреплено на внутренней и внешней рамах с помощью одного или нескольких элементов крепежа. Предпочтительно, чтобы оно крепилось на уровне острого конца каждой V или инверсной V-вставки, как это показано по ссылке 90 на фиг.2. Элементы крепежа могут быть заклепками или любыми другими средствами крепления, используемыми обычно для крепления элементов из композитного материала.
Как будет подробно показано ниже, вставки 70а, 70b жесткого крепления гармошкой имеют свои вершины, предпочтительно закругленные с тем, чтобы улучшить поглощение энергии удара, распределяя нагрузку. Эти закругленные вершины позволяют также более легко крепить жесткое крепление между двумя рамами.
На фиг.4 представлено дверное обрамление по фиг.2, когда оно покрыто внешней обшивкой 85 фюзеляжа. Фиг.4 изображает таким образом дверное обрамление изобретения на виде летательного аппарата снаружи, когда дверь еще не установлена в пространство 3.On.
На фиг.5 схематически представлено распределение нагрузки при нормальной работе. Для этого на фиг.5 показано сечение дверного обрамления по изобретению с его внешней рамой 60, его внутренней рамой 50 и вставкой 70 жесткого крепления гармошкой. Эта вставка 70 имеет закругленную вершину 71, которая позволяет увеличить контакт между жестким креплением и внутренней рамой 50. Эта вставка 70 воспринимается как сэндвич-структура между фланцем 72 и внутренней рамой 50. Это позволяет передавать усилия постепенно и равномерно между рамами и жестким креплением. Имея таким образом закругленные контактные поверхности, жесткое крепление гармошкой не содержит никакого острого угла, который мог бы привести к появлению сдвига. Такое закругление позволяет полностью преобразовать напряжение сил в жестком креплении в усилия растяжения, которые в наибольшей степени соответствуют композитным материалам.
На фиг.6А и 6В показано, каким образом поглощается жестким креплением энергия удара. Удар вызывает появление очень значительных сил, которые распределяются конструкцией до внешнего дверного обрамления 60. Под действием этих сил жесткое крепление выполняет функцию демпфера, принимающего на себя нагрузку, которое деформируется для поглощения энергии и защиты непосредственной рамы 50 двери, позволяя таким образом эвакуироваться пассажирам.
Для этого жесткое крепление будет разрушено путем нарастающего разделения на пластинки. Оно помещает таким образом непосредственную раму 50 двери в защитный короб.
Композитный материал, из которого выполнено жесткое крепление гармошкой, может быть образован из волокон углерода и эпоксидной пластмассы. Он может быть также выполнен из кевлара. Эти два вида композитных материалов имеют преимущество в том, что они могут быть особенно прочными, что позволяет изготавливать дверное обрамление, способное выдерживать тяжелую дверь.
Жесткое крепление гармошкой может быть изготовлено методом литья под давлением в вакууме, называемым методом RTM (в англосаксонских выражениях - трансферное формование пластмасс). Этот метод RTM состоит в нарезании формы элементов жесткого крепления, или жесткого крепления целиком, из фибровой ткани сухих непропитанных волокон. Эта ткань может быть выбрана и разрезана таким образом, чтобы волокна были ориентированы в продольном направлении жесткого крепления, чтобы выдерживать максимальную нагрузку. Эта ткань помещается в пресс-форму; в эту пресс-форму под высоким давлением впрыскивается пластмасса. Пластмасса имеет следствием размещаться в промежутках фибровой ткани, полимеризуя вышеуказанные фибровые волокна, в соответствии с пресс-формой, обеспечивающей образование формы и связности заданного элемента. Изготовление элементов с открытым контуром, то есть при котором радиус изгиба достаточно большой по отношению к общей поверхности элемента, такого как жесткое крепление гармошкой, достаточно просто выполняется таким методом RTM.
Дверное обрамление с жестким креплением из композитного материала, который был только что описан, представляет преимущество не только в уменьшении общей массы летательного аппарата, но также позволяет последнему увеличить характеристики поглощения энергии благодаря специфической геометрии. Кроме того, оно позволяет более равномерно распределить нагрузки, связанные с повышенным давлением сборного элемента, что позволяет рассматривать возможность крепления обшивки самолета на дверное обрамление, не применяя крепежных узлов. Кроме того, применение композитных материалов при нагрузках на растяжение позволяет приумножить в 10 раз их характеристики по сравнению с их работой при нагрузках на срез. Кроме того, для изготовления такого дверного обрамления требуется, по существу, меньшее количество деталей, чем при классическом дверном обрамлении, что сокращает время сборки этих деталей, следовательно, стоимость рабочей силы.