КОНСТРУКЦИЯ УЗЛА ГЕРМЕТИЧЕСКОЙ ПЕРЕГОРОДКИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
AIRCRAFT PRESSURE BULKHEAD ASSEMBLY STRUCTURE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к авиационной промышленности, в частности к проектированию и конструированию летательных аппаратов.
Цель изобретения
Целью настоящего изобретения, как указано в его названии, является разработка конструкции узла герметической перегородки летательного аппарата.
Герметическая перегородка - это элемент конструкции летательного аппарата, замыкающий герметический отсек летательного аппарата со стороны хвоста. Конструктивно этот элемент (который также называют гермоднищем) выполняется вогнутым со стороны герметического отсека и имеет, по существу, вид полусферической оболочки, что обеспечивает наилучшие условия работы материала перегородки на восприятие нагрузок, обусловленных разностью давлений и называемых ниже нагрузками от давления.
Еще одной целью настоящего изобретения является создание сборной конструкции, все составные части которой могут легко изготавливаться из композиционного материала с сопутствующим этому уменьшением веса, что в авиационной промышленности является определяющим фактором.
Уровень техники
Обычно герметические перегородки устанавливаются на летательный аппарат посредством шпангоута, который отделяет переднюю секцию фюзеляжа от задней секции, причем в этих секциях находятся, соответственно, герметический и негерметический отсеки летательного аппарата. При такой конструктивной схеме узел перегородки главным образом должен, помимо восприятия нагрузок от давления, обеспечивать должную прочность для соединения между собой передней и задней секций фюзеляжа, а также должен придавать фюзеляжу достаточную жесткость.
С этой целью известные конструкции узла герметической перегородки включают в себя цилиндрически симметричный шпангоут (проходящий по контуру фюзеляжа), который в поперечном сечении плоскостью симметрии характеризуется составом его элементов, описанным ниже.
Шпангоут состоит из расположенной посередине (центральной) стенки, верхнего (внутреннего) пояса и нижнего (наружного) пояса. Верхний пояс шпангоута обычно имеет переднюю часть и заднюю часть.
Герметическая перегородка присоединяется к задней части верхнего пояса шпангоута, причем эта задняя часть проходит вверх и назад с наклоном к обшивке под определенным углом. Этот наклон определяется касательной к герметической перегородке, которая, как направляющая, расположена приблизительно под углом 60°. Обычно перегородка крепится к шпангоуту с помощью механических средств, таких как заклепки.
Помимо вышеизложенного, обшивка передней секции и задней секции фюзеляжа крепится к нижнему поясу шпангоута посредством подкрепляющей пластины, известной как стыковая накладка и расположенной между нижним поясом шпангоута и обшивкой. Соединение между нижним поясом шпангоута и обшивкой обычно реализуется с помощью механических средств, таких как заклепки.
Для обеспечения неразрывности силовой связи передней и задней секций фюзеляжа, а значит, и непрерывности усилий, воспринимаемых стрингерами и обшивкой соответствующих секций, известная конструкция включает в себя передние и задние работающие на растяжение фитинги. Эти работающие на растяжение фитинги обеспечивают перестыковку стрингеров и обшивок передней и задней секций фюзеляжа через шпангоут, т.е. соединение соответствующих стрингеров и обшивок у шпангоута. Каждый из этих работающих на растяжение фитингов прикреплен с помощью механических средств, таких как заклепки, с одной стороны к стрингеру, а с другой стороны - к шпангоуту. Работающие на растяжение фитинги обычно крепятся как к стенке, так и к передней части верхнего пояса шпангоута. Задние работающие на растяжение фитинги обычно крепятся только к стенке шпангоута.
Также в целях обеспечения непрерывности силовой связи между передней и задней секциями фюзеляжа, а также усиления для восприятия нагрузок от давления и тем самым для разгрузки шпангоута, известно применение силовых элементов, которые, располагаясь со стороны герметического отсека, по существу, представляют собой распорки, включенные между шпангоутом и другим усиливающим шпангоутом, соединенным со стрингерами передней секции фюзеляжа.
Элементы обычной конструкции узла герметической перегородки, т.е. шпангоут, стыковая накладка, работающие на растяжение фитинги, усиливающие шпангоуты и распорки, обычно изготавливаются из металла. В частности, шпангоут приходится изготавливать из металла методом механической обработки, принимая по внимание усилия, которые должны воспринимать его рассмотренные выше составные элементы, и с учетом того, что это обеспечивает оптимальную прочность и минимальный вес при невысокой стоимости. Таким образом, идея применения композиционного материала посредством известного метода трансферного формования пластмасс (RTM - Resin Transfer Molding) - прямого решения по изготовлению шпангоута из состава известной конструкции этим методом, которое считалось бы идеальным для данного случая, по-прежнему сопряжено с серьезными недостатками. Прежде всего, это повлекло бы непропорциональность конструкции шпангоута, принимая во внимание число слоев направленных волокон, которые пришлось укладывать слоями для получения шпангоута с должной прочностью. Во-вторых, изготовленный таким образом шпангоут был бы подвержен проблеме расслаивания (отделения слоев), в особенности в зоне пересечения стенки и верхнего пояса, где концентрировались бы силы, действующие в направлении, перпендикулярном плоскости наслоения. В-третьих, ввиду относительно сложной формы сечения шпангоута это потребовало бы использования относительно сложной оснастки.
Описание изобретения
Для разработки решения, устраняющего недостатки уровня техники, в настоящем изобретении предлагается конструкция узла герметической перегородки, которую можно легко изготовить полностью из композиционного материала.
Предлагаемая в изобретении конструкция узла герметической перегородки так же, как и обычная конструкция, предназначена для соединения передней и задней (хвостовой) секций фюзеляжа, соответствующих герметическому и негерметическому отсекам летательного аппарата. Таким образом, конструкция узла перегородки должна быть способна, помимо восприятия нагрузок от давления, обеспечивать должную прочность соединения между передней и задней секциями фюзеляжа, а также придание фюзеляжу поперечной жесткости.
С этой целью заявленная конструкция узла герметической перегородки включает в себя, в отличие от конструкции известного узла, нормальный (простой) шпангоут и стыковой угольник в виде обода, или кольца, причем оба этих элемента: нормальный шпангоут и стыковой угольник, имеют цилиндрическую симметрию (проходят по контуру фюзеляжа, повторяя этот контур), а их форма в сечении плоскостью симметрии рассматривается ниже.
Назначение стыкового угольника заключается в восприятии от перегородки нагрузок от давления. Он характеризуется тем, что в поперечном сечении имеет форму уголка с двумя прямыми частями: передней частью и задней частью. Таким образом, герметическая перегородка присоединена к задней части стыкового угольника, причем эта задняя часть проходит вверх и назад с определенным наклоном к обшивке, который определяется касательной к герметической перегородке.
Помимо вышеизложенного, нормальный шпангоут предназначен для придания жесткости поперечному сечению фюзеляжа таким образом, чтобы эта его функция не была связана с функцией восприятия нагрузок от давления, передаваемых с перегородки посредством стыкового угольника. Для этого шпангоут имеет верхний (внутренний) пояс, расположенную посередине (центральную) стенку и нижний (наружный) пояс.
Нормальный шпангоут соединен со стыковым угольником, а шпангоут и стыковой угольник совместно соединены с обшивкой посредством подкрепляющей пластины, называемой стыковой накладкой и расположенной между передней частью стыкового угольника и обшивкой. Как передняя, так и задняя секции обшивки прикреплены к передней части стыкового угольника, в результате чего указанная передняя часть стыкового угольника обеспечивает восприятие сил соединения секций фюзеляжа.
При установке нормального шпангоута на стыковом угольнике стенку шпангоута целесообразно расположить вблизи угла между передней и задней частями стыкового угольника, чтобы создать эффект прижатия стыкового угольника нормальным шпангоутом, что позволяет улучшить распределение нагрузок от давления на стыковом угольнике. В частности, нормальный шпангоут может иметь нижний пояс, выступающий от стенки только вперед, что позволяет оптимизировать технический эффект.
Для обеспечения неразрывности силовой связи передней и задней секций фюзеляжа, а значит, и непрерывности усилий, воспринимаемых стрингерами и обшивкой соответствующих секций, конструкция включает в себя работающие на растяжение фитинги, передние и задние, соединяющие стрингеры со стыковой накладкой.
При такой конфигурации устраняется необходимость работы нормального шпангоута на растяжение, как в случае обычного шпангоута, и поэтому отпадает необходимость выполнения шпангоута из металла. Таким образом, усилия, обусловленные нагрузками от давления, перераспределяются в направлении секций фюзеляжа, а не воспринимаются обычным шпангоутом.
Дополнительно, предлагаемая в изобретении конструкция узла может содержать несколько ребер жесткости, предназначенных для предотвращения местной потери устойчивости нормального шпангоута в составе узла. Эти ребра жесткости распределены по длине шпангоута и установлены между шпангоутом и стыковым угольником.
Каждый из элементов нормального шпангоута, а также стыковой угольник и стыковая накладка может состоять из одной секции или нескольких секций, расположенных по длине контура фюзеляжа. В последнем случае, когда необходимо обеспечить силовую связь между различными секциями, на стыке секций могут применяться обычные соединительные элементы, такие как стыковые фитинги. В частности, это потребуется на шпангоуте. Таким образом, между различными секциями шпангоута может устанавливаться накладка, перекрывающая каждую пару секций.
Для соединения различных элементов, образующих конструкцию узла герметической перегородки, может рассматриваться применение как средств крепления, так и средств соединения. Средства крепления отличаются от средств соединения тем, что средства крепления предполагают использование соединительных элементов, отличных от соединяемых элементов. Средства крепления могут быть механическими (резьбовыми, такими как винты; или нерезьбовыми, такими как глухие, или потайные, заклепки или заклепки с выступающей головкой для непотайной клепки) или химическими (такими как клеи, при склеивании или склеивании предварительно отвержденного и неотвержденного элементов (cobonding), причем последний метод используется при условии, что соединяемые элементы конструкции изготовлены из композиционного материала). Средства соединения, в свою очередь, могут быть механическими (например, пазогребневое или шпунтовое соединение) или химическими (например, совместное отверждение (cocuring), при условии, что соединяемые элементы конструкции изготовлены из композиционного материала). Различие между методами совместного отверждения и склеивания предварительно отвержденного и неотвержденного элементов заключается в следующем: при совместном отверждении соединяемые элементы не являются предварительно отвержденными, при этом соединение обеспечивается отверждением двух сопряженным элементов без нанесения клея между соединяемыми элементами; при склеивании же предварительно отвержденного и неотвержденного элементов один из соединяемых элементов предварительно отвержден, и между соединяемыми элементами наносится слой клея.
Таким образом, как показано выше, для соединения различных элементов, образующих конструкцию, существует несколько возможностей, зависящих от различных средств скрепления или соединения. В частности, когда стыковой угольник, нормальный шпангоут и ребра жесткости изготовлены из композиционного материала, указанные элементы могут быть соединены друг с другом методом склеивания предварительно отвержденного и неотвержденного элементов, а также методом совместного отверждения.
Дополнительно, предусмотрена возможность выполнения стыкового угольника за одно целое с герметической перегородкой, что позволяет изготавливать перегородку заодно со стыковым угольником как ее неотъемлемой частью.
Все элементы предлагаемой в изобретении конструкции узла герметической перегородки, при их должной компоновке, легко могут изготавливаться из композиционного материала.
Композиционный материал определяется как материал, состоящий в основном из высокопрочных и жестких волокон малого диаметра, заключенных в матрицу из однородного материала.
Композиционным материалом, рассматриваемым как подходящий для изготовления элементов предлагаемой в изобретении конструкции, является материал с органической матрицей, в котором в качестве матрицы используется смола термореактивного материала (например, эпоксидная смола, полиэфир, фенольная смола, полиимид или бисмалеинимид (бисмалеимид)) или термопластичный материал. К материалам, подходящим для волокон, относятся бор или углерод (графит).
Для получения элементов предлагаемой в изобретении конструкции узла герметической перегородки могут использоваться следующие производственные технологии,
Трансферное формование пластмасс (англ. сокр. RTM от "Resin Transfer Molding"). В этом случае волокна, собранные в виде листов тканого или нетканого материала (мата), укладывают в пакет и помещают в форму. Затем внутрь формы подают материал матрицы до заполнения им промежутков между волокнами, и все это уплотняют внутри формы. Композиционный материал подвергают воздействию температуры и давления по определенному циклу, обеспечивающему отверждение смолы матрицы в печи или автоклаве.
Технология препрегов. Волокна, предварительно пропитанные материалом матрицы, распределяют по поверхности формы, укладывают слоями до получения требуемой толщины элемента конструкции, после чего уплотняют. Материал распределяется в слоях или пропитанных волокнах, что соответствует различным процессам, известным как укладка листов или намотка нити.
Дополнительно, процесс по технологии препрегов может быть дополнен методом горячего формования/штамповки (обработки давлением), при котором тепловое воздействие и приложение давления заставляет материал принять заданную форму. Композиционный материал подвергают воздействию температуры и давления по определенному циклу, обеспечивающему отверждение смолы матрицы в печи или автоклаве.
Нормальный шпангоут или различные секции шпангоута может/могут изготавливаться методом трансферного формования пластмасс (RTM) с обеспечением приемлемой прочности и малого веса, учитывая, что шпангоут не работает на восприятие нагрузок от давления и таким образом не имеет критичных в отношении расслоения участков, что повлекло бы несовместимые с этим методом увеличение толщины и сложность форм, как было отмечено выше.
Стыковой угольник или различные секции стыкового угольника может/могут изготавливаться по этому методу или путем предварительной пропитки композиционного материала на поверхности, имеющей форму изготавливаемого стыкового угольника.
В случае если стыковой угольник выполнен за одно целое с герметической перегородкой, герметическая перегородка может изготавливаться вместе со стыковым угольником, как единое целое, по технологии препрегов, предпочтительно препрегов с многослойной волоконной структурой.
Стыковая накладка или различные секции стыковой накладки также может/могут изготавливаться путем предварительной пропитки композиционного материала на поверхности, имеющей форму изготавливаемой стыковой накладки.
Наконец, все остальные силовые элементы конструкции узла (работающие на растяжение фитинги и ребра жесткости) могут изготавливаться по технологии препрегов с горячим формованием/штамповкой для достижения дополнительного усиления.
Краткое описание чертежей
Ниже изобретение рассматривается подробнее на примере варианта его осуществления со ссылкой на чертежи, на которых показано:
на фиг.1 - схематическое перспективное изображение расположения герметической перегородки на летательном аппарате,
на фиг.2 - обозначенный на фиг.1 разрез А-А', на котором показана обычная конструкция узла герметической перегородки летательного аппарата,
на фиг.3 - обозначенный на фиг.1 разрез А-А', на котором показан один вариант выполнения предлагаемой в изобретении конструкции узла герметической перегородки летательного аппарата в одном.
Описание предпочтительного варианта осуществления изобретения
Согласно обозначениям на чертежах фиг.3 представляет собой разрез А-А' предлагаемой в изобретении конструкции узла герметичной перегородки в одном варианте ее выполнения.
Предлагаемая в изобретении конструкция позволяет получить узел герметической перегородки 1 для летательного аппарата и средства соединения передней секции 4 и задней секции 5 фюзеляжа летательного аппарата. Герметическая перегородка 1 отделяет герметический отсек 2 летательного аппарата от негерметического отсека 3.
Как показано на фиг.3, в рассматриваемом варианте осуществления изобретения предлагаемая конструкция включает в себя нормальный шпангоут 18, имеющий верхний (внутренний) пояс 19, расположенную посередине (центральную) стенку 20 и нижний (наружный) пояс 21.
К герметической перегородке 1 своей задней частью, отклоненной и проходящей с наклоном вверх и назад, приклепан стыковой угольник 22 в виде кольца или обода.
Нормальный шпангоут 18 расположен на неотклоненной передней части стыкового угольника 22, которая, в свою очередь, расположена на стыковой накладке 23. Нормальный шпангоут 18, стыковой угольник и стыковая накладка 23 сборка приклепаны к обшивке 7 задней секции фюзеляжа.
В рассматриваемом варианте предлагаемая в изобретении конструкция включает в себя ребро 26 жесткости, приклепанное своей задней отбортовкой к стенке 20 нормального шпангоута 18.
Передняя часть стыкового угольника 22 выдается вперед за пределы участка контакта нижнего пояса 21 шпангоута 18 со стыковым угольником 22. В этой выдающейся за шпангоут зоне заклепками соединены: стыковой угольник 22, ребро 26 жесткости, стыковая накладка и передняя секция 6 обшивки.
Предлагаемая в изобретении конструкция узла герметической перегородки также содержит передние работающие на растяжение фитинги 24 и задние работающие на растяжение фитинги 25, которые приклепаны, соответственно, к стрингерам 8, 9 и обшивке 6, 7 передней секции 4 и задней секции 5 фюзеляжа.