СИСТЕМА КРЕПЛЕНИЯ ХВОСТОВОГО ОПЕРЕНИЯ К ПОВЕРХНОСТИ КРЕПЛЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
SYSTEM TO ATTACH TAIL UNIT TO AIRCRAFT ATTACHMENT SURFACE

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к системе крепления и к способу прикрепления хвостового оперения к фюзеляжу летательного аппарата.
ПРЕДПОСЫЛКИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
До настоящего времени вертикальное хвостовое оперение прикрепляется к фюзеляжу с помощью нескольких горизонтально проходящих болтов. В такой конструкции стенки вертикального хвостового оперения сначала вводятся в отверстия в фюзеляже и затем прикрепляются с помощью горизонтально установленных болтов. Болты проходят во втулках, которые в каждом случае прикрепляются к обшивкам центрального кессона и к монтажным креплениям фюзеляжа. В частности, в случае вертикального хвостового оперения на всю поверхность хвостового оперения действуют очень большие поперечные нагрузки, в результате чего в основании вертикального хвостового оперения возникают большие растягивающие и сжимающие напряжения. Поэтому болты должны отводить на фюзеляж очень значительные растягивающие и сжимающие напряжения, так что для обеспечения передачи этих сил стенки обшивок центрального кессона в области соединения должны содержать очень большие утолщенные части для получения прочной конструкции. Кроме того, монтажные крепления фюзеляжа, к которым прикрепляются болты на фюзеляже, должны иметь соответствующие размеры. Кроме того, возле болтов в монтажных креплениях фюзеляжа может возникать высокая концентрация напряжений, которые должны передаваться на фюзеляж, так что их размеры должны быть дополнительно увеличены.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Целью изобретения является создание системы крепления хвостового оперения, которое отличается прочностью и в то же время имеет сравнительно небольшой вес.
В настоящем изобретении термин "хвостовое оперение" относится к поверхности летательного аппарата, такой как, например, вертикальное хвостовое оперение или горизонтальное хвостовое оперение.
Термин "поверхность крепления" относится к поверхности летательного аппарата, к которой могут быть прикреплены хвостовые оперения, например к фюзеляжу.
В соответствии с первым вариантом осуществления изобретения предлагается система крепления хвостового оперения к поверхности крепления летательного аппарата, которая содержит хвостовое оперение, поверхность крепления и крепежное устройство с первой опорной поверхностью, которая прижимается к хвостовому оперению, и второй опорной поверхностью, которая опирается на поверхность крепления. При таком устройстве первая опорная поверхность и вторая опорная поверхность содержат общую линию контакта. Первая опорная поверхность определяет первую плоскость, и вторая опорная поверхность определяет вторую плоскость, причем угол между первой и второй плоскостями может изменяться в диапазоне от 0° до 180°.
В соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения предлагается способ крепления хвостового оперения к поверхности крепления летательного аппарата, который содержит следующие стадии: установку крепежного устройства первой опорной поверхностью на хвостовое оперение, затем установку крепежного устройства второй опорной поверхностью на поверхность крепления, причем первая опорная поверхность и вторая опорная поверхность содержат линию контакта. Первая опорная поверхность определяет первую плоскость, и вторая опорная поверхность определяет вторую плоскость, причем угол между первой и второй плоскостями может изменяться в диапазоне от 0° до 180°.
Еще в одном варианте осуществления изобретения предлагается применение системы крепления для крепления хвостового оперения к поверхности крепления летательного аппарата. Еще в одном варианте осуществления изобретения предлагается летательный аппарат с системой крепления для крепления хвостового оперения к поверхности крепления.
Предлагаемая в изобретении система крепления обеспечивает вариант конструкции соединения, которая существенно легче и прочнее, чем известные до настоящего времени конструкции крепления. До настоящего времени, например, необходимо было использовать большие утолщенные части в зоне основания хвостовых оперений и на фюзеляже, для того чтобы обеспечивать передачу на фюзеляж изгибающих моментов, которые действуют на вертикальное хвостовое оперение. Такие утолщенные части существенно увеличивают общий вес и значительно повышают затраты на производство. В предлагаемой в изобретении системе крепления за счет использования крепежного устройства отпадает необходимость в использовании таких утолщенных частей хвостовых оперений в зоне основания и фюзеляжа. В то же время предотвращается возникновение концентраций напряжений и, соответственно, обеспечивается возможность равномерной передачи очень больших нагрузок. Таким образом, снижается вес и уменьшаются затраты за счет уменьшения количества используемого материала. Предлагаемая в изобретении система крепления может, например, обеспечивать крепление хвостового оперения к фюзеляжу или соединение двух поверхностей хвостового оперения. С помощью предлагаемой в изобретении системы крепления можно, например, обеспечивать соединение двух вертикальных хвостовых оперений в случае V-образной схемы оперения.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения первая опорная поверхность и хвостовое оперение содержат первую контактную зону, имеющую первую форму поверхности, которая соответствует первой форме поверхности хвостового оперения. Кроме того, вторая опорная поверхность и поверхность крепления содержат вторую контактную зону, имеющую вторую форму поверхности, которая соответствует форме поверхности крепления. В этом случае обеспечивается соответствие формы крепежного устройства форме поверхности крепления или форме контактной зоны хвостового оперения, в результате чего может быть установлено соединение с хорошим прилеганием частей.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения первая опорная поверхность и вторая опорная поверхность крепежного устройства проходят вдоль линии контакта. При этом крепежное устройство проходит вдоль всей линии контакта между хвостовым оперением и поверхностью крепления. В этом случае обеспечивается равномерная передача нагрузок вдоль всей линии контакта, так что концентрации напряжений исключаются.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения хвостовое оперение содержит внешнюю и внутреннюю части, причем первая опорная поверхность устроена так, чтобы она опиралась по меньшей мере на внутреннюю или внешнюю часть хвостового оперения. Современные конструкции хвостовых оперений содержат тонкостенную внешнюю обшивку с внутренними усиливающими элементами, например с ребрами жесткости или с каркасом. Это обеспечивает прикрепление крепежного устройства к внутренней или внешней части стенки или поверхности хвостового оперения. Прикрепление крепежного устройства к внутренней части первой или второй поверхности хвостового оперения позволяет получить гладкую поверхность без выступающих краев, в результате чего обеспечиваются оптимальные характеристики воздушного потока, так что исключаются срывы воздушного потока в результате возникновения турбулентности на краях или углах крепежного устройства.
В соответствии еще с одним вариантом осуществления изобретения система крепления содержит дополнительно по меньшей мере первый соединительный элемент и второй соединительный элемент, причем хвостовое оперение соединяется с первой опорной поверхностью с помощью первого соединительного элемента, а поверхность крепления соединяется со второй опорной поверхностью с помощью второго соединительного элемента.
В соответствии еще с одним вариантом осуществления изобретения первые соединительные элементы или вторые соединительные элементы по меньшей мере в первом ряду расположены параллельно линии контакта. В соответствии еще с одним вариантом осуществления изобретения по меньшей мере первые соединительные элементы или вторые соединительные элементы расположены в несколько рядов, параллельных линии контакта. В этом случае соединительные элементы могут передавать существенно более высокие нагрузки. Например, различные ряды соединительных элементов могут быть расположены со смещением друг относительно друга, так что в этом случае обеспечивается оптимальное распределение нагрузок, которые должны быть переданы.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения первый соединительный элемент проходит в первом направлении, а второй соединительный элемент проходит во втором направлении, причем первое и второе направления отличаются друг от друга. Таким образом, обеспечивается возможность оптимальной передачи растягивающих и сжимающих нагрузок, например, от хвостового оперения на фюзеляж.
В соответствии еще с одним вариантом осуществления изобретения первое направление первого соединительного элемента примерно перпендикулярно хвостовому оперению, а второе направление второго соединительного элемента примерно перпендикулярно поверхности крепления. В результате обеспечивается оптимальное и однородное распределение нагрузок и оптимальная передача сил, например, для двух поверхностей, находящихся под прямым углом друг к другу. В этом случае растягивающие и сжимающие действующие нагрузки могут передаваться более эффективно.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения по меньшей мере первый или второй соединительный элемент обеспечивают разъемное соединение. В этом случае некоторые операции по установке существенно упрощаются, поскольку может быть обеспечена бóльшая свобода при присоединении крепежного устройства к соответствующим поверхностям. При таком устройстве первый соединительный элемент и второй соединительный элемент могут быть выбраны из группы, содержащей винтовые соединения, болтовые соединения, сварные соединения, клеевые соединения, клепаные соединения и вставные соединения.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения первая опорная поверхность содержит первый зубчатый профиль, и хвостовое оперение в первой контактной зоне содержит второй зубчатый профиль, который выполнен таким образом, чтобы он мог входить в зацепление с первым зубчатым профилем первой опорной поверхности.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения вторая опорная поверхность содержит третий зубчатый профиль, и поверхность крепления во второй контактной зоне содержит четвертый зубчатый профиль, который выполнен таким образом, чтобы он мог входить в зацепление с третьим зубчатым профилем второй опорной поверхности. В этом случае посредством взаимодействия зубчатых профилей обеспечивается в высшей степени равномерная передача нагрузок, исключающая возникновение нежелательных концентраций напряжений, так что могут быть переданы существенно более высокие нагрузки.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения по меньшей мере один зубчатый профиль прикреплен с возможностью съема. В этом случае упрощается установка системы крепления.
Еще в одном варианте осуществления изобретения каждый зубчатый профиль содержит выступы и выемки с боковыми поверхностями. Боковые поверхности зубчатых профилей выполнены таким образом, чтобы они были расположены под прямым углом к направлению передачи сил. В этом случае могут быть переданы существенно более высокие нагрузки, и, соответственно, предотвращается повреждение зубчатых профилей.
Еще в одном варианте осуществления настоящего изобретения каждый профиль может быть выбран из группы, содержащей формы сечения "ласточкин хвост", Т-образные формы, продольные формы и трапециевидные формы.
Еще в одном варианте осуществления настоящего изобретения между боковыми поверхностями зубчатых профилей прикреплены компенсаторы для обеспечения более равномерного распределения нагрузок. Для обеспечения идеальной передачи нагрузок зубчатые профили должны изготавливаться с очень высокой точностью, для того чтобы предотвратить возникновение концентраций напряжений, вызванных неточностями изготовления профилей. Поскольку это приводит к резкому повышению стоимости изготовления, то между зубцами (то есть, между их боковыми поверхностями) закрепляются компенсаторы, так что отпадает необходимость в выдерживании очень высокой точности изготовления. Компенсаторы могут быть изготовлены из таких материалов, как мягкие металлы, древесное волокно или пластмассы, например политетрафторэтилен.
В соответствии еще с одним вариантом осуществления настоящего изобретения крепежное устройство содержит третью опорную поверхность или несколько опорных поверхностей, к которым прижимаются поверхности хвостовых оперений и/или фюзеляжей. Это означает, что можно, например, прикрепить поверхности двух хвостовых оперений к фюзеляжу с использованием только одного крепежного устройства.
В соответствии еще с одним вариантом осуществления настоящего изобретения между по меньшей мере одной из первых опорных поверхностей и хвостовым оперением введено крепление фюзеляжа. В соответствии еще с одним вариантом осуществления настоящего изобретения между по меньшей мере одной из вторых опорных поверхностей и поверхностью крепления введено крепление фюзеляжа. Крепление фюзеляжа может сгладить любые отклонения форм, например, фюзеляжа и крепежного устройства и, соответственно, оптимизировать распределение нагрузок. В этом случае из неровной поверхности можно сформировать ровную опорную поверхность с помощью адаптивного крепления фюзеляжа, в результате чего любые растягивающие и сжимающие нагрузки могут быть переданы на фюзеляж более качественно.
В соответствии с другим вариантом осуществления изобретения по меньшей мере первая или вторая опорные поверхности содержат по меньшей мере один вырез. С помощью одного такого выреза или нескольких таких вырезов можно обеспечить существенное снижение вероятности растрескивания, и кроме того, улучшается распределение нагрузок.
При таком устройстве предлагаемая в изобретения система крепления может обеспечивать соединение вертикальных хвостовых оперений и горизонтальных хвостовых оперений с другими поверхностями крепления, например фюзеляжа. Также возможно, например, прикрепить V-образное хвостовое оперение или горизонтальное хвостовое оперение или вертикальное хвостовое оперение к поверхности крепления одновременно с помощью одного крепежного устройства.
В соответствии еще с одним вариантом осуществления способа на дополнительной стадии форму первой опорной поверхности с первой контактной зоной выполняют соответствующей контуру хвостового оперения и на следующей дополнительной стадии форму второй опорной поверхности со второй контактной зоной выполняют соответствующей контуру поверхности крепления.
В соответствии еще с одним вариантом осуществления способа на дополнительной стадии формы первой опорной поверхности и второй опорной поверхности выполняют соответствующей форме линии контакта.
В соответствии еще с одним вариантом осуществления способа первую опорную поверхность прикрепляют по меньшей мере к внутренним частям или к внешним частям хвостовых оперений или поверхностей крепления.
В соответствии еще с одним вариантом осуществления способа на дополнительной стадии хвостовое оперение соединяют с первой опорной поверхностью с помощью первого соединительного элемента и на следующей дополнительной стадии хвостовое оперение соединяют со второй опорной поверхностью с помощью второго соединительного элемента.
В соответствии еще с одним вариантом осуществления способа на дополнительной стадии хвостовое оперение соединяют с первой опорной поверхностью с помощью первого и второго зубчатого профиля и/или на следующей дополнительной стадии поверхность крепления соединяют со второй опорной поверхностью с помощью третьего и четвертого зубчатого профиля.
Варианты осуществления системы крепления также применимы к способу, и наоборот.
Таким образом, предлагаемые в изобретении система и способ крепления обеспечивают значительно более легкую и более эффективную систему крепления поверхностей хвостового оперения к фюзеляжам. Использование настоящего изобретения позволяет серьезно снизить вес и стоимость конструкции. Кроме того, с использованием соединительных элементов изобретения может быть сокращено время установки хвостового оперения на фюзеляже.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Ниже описываются более подробно несколько вариантов осуществления настоящего изобретения в целях его иллюстрации и обеспечения лучшего понимания, и при этом делаются ссылки на прилагаемые чертежи, на которых показано:
фиг. 1 - вид известной системы крепления хвостового оперения на фюзеляже;
фиг.2 - схематический вид вертикального хвостового оперения, которое прикреплено к фюзеляжу с помощью предлагаемой в изобретении системы крепления (вариант);
фиг.3 - схематический вид одного из вариантов осуществления настоящего изобретения, в котором вертикальное хвостовое оперение прикреплено к фюзеляжу с использованием зубчатых профилей;
фиг.4 - увеличенный вид вертикального хвостового оперения, прикрепленного к фюзеляжу с использованием зубчатых профилей;
фиг. 5 - схематический вид прямоугольных зубчатых профилей в в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения;
фиг.6 - схематический вид зубчатого профиля, имеющего в сечении форму "ласточкин хвост" в соответствии с одним из вариантов осуществления изобретения; и
фиг.7 - схематический вид системы крепления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На фиг.2 приведен схематический вид предлагаемой в изобретении системы 1 крепления (вариант), обеспечивающей присоединение хвостового оперения 2 к крепежной поверхности 3 летательного аппарата. В такой конструкции крепежное устройство 6 содержит первую опорную поверхность 17, которая прижимается к хвостовому оперению 2, и вторую опорную поверхность 18, которая опирается на поверхность 3 крепления. В такой конструкции первая опорная поверхность 17 и вторая опорная поверхность 18 взаимодействуют по линии 16 контакта, причем угол между плоскостями первой опорной поверхности 17 и второй опорной поверхности 18 может находиться в диапазоне 0°-180°.
На фиг.1 показана обычно используемая система крепления вертикального хвостового оперения 2 к фюзеляжу 3. Поскольку используются горизонтальные крепежные болты 7, соединяющие основание вертикального хвостового оперения 2 с фюзеляжем 3, то возникает необходимость в использовании утолщенных частей у основания вертикального хвостового оперения для усиления всей конструкции. Это влечет за собой значительное увеличение веса и затрат на материалы.
На фиг.2 также показана конструкция современного вертикального хвостового оперения 2. В этой конструкции вертикальное хвостовое оперение 2 содержит две стенки, каждая из которых содержит внутреннюю часть 4 и внешнюю часть 5. У основания хвостового оперения 2 на так называемой оболочке центрального кессона в первой контактной зоне 13 прикреплено крепежное устройство 6, 6′, которое проходит по всей длине вертикального хвостового оперения 2 и форма которого соответствует форме первой контактной зоны 13. В то же время крепежное устройство прикреплено во второй контактной зоне 14 к фюзеляжу 3 с использованием второй опорной поверхности 18. Вторая опорная поверхность 18 имеет такую же форму, что и фюзеляж 3 во второй контактной зоне 14.
В такой конструкции первая опорная поверхность 17 и вторая опорная поверхность 18 крепежного устройства 6, 6′ прикреплены к вертикальному хвостовому оперению 2 или к фюзеляжу 3 с помощью соединительных элементов 7, 7′. В то же время между фюзеляжем и крепежным устройством 6, 6′ может быть установлено крепление 15 фюзеляжа для улучшения распределения нагрузок между контуром фюзеляжа 3 и контуром крепежного устройства 6, 6′.
Соединительные элементы 7, 7′ также могут проходить через обе стенки вертикального хвостового оперения 2 и, соответственно, могут в то же время обеспечивать присоединение второго внешнего крепежного устройства 6'. В такой конструкции между двумя стенками 2′, 2″ могут быть установлены распорные втулки 7″. Далее, направления соединительных элементов 7, 7′ в каждом случае ориентированы вдоль линий поверхностей, перпендикулярных к соответствующим опорным поверхностям 17, 18. Таким образом, передача нагрузок существенно улучшается, и при этом с помощью одностороннего соединения предотвращается передача дополнительных моментов.
Для обеспечения улучшенной прочности соединения может быть использован вариант расположения соединительных элементов 7, 7′, в отличие от конструкции, показанной на фиг.2, в несколько рядов, параллельных линии 16. Например, соединительные элементы 7, 7′ могут составлять первый рад, параллельный линии 16, и по меньшей мере второй рад соединительных элементов 7, 7′, также параллельный линии 16. При таком устройстве может использоваться любое количество радов, при этом наиболее предпочтительным будет три или четыре ряда.
На фиг.3 показана конструкция, аналогичная конструкции, показанной на фиг.2, за исключением того, что вместо соединительного элемента 7, 7′ используется соединение "шип-паз" с первым зубчатым профилем 8 и вторым зубчатым профилем 9. С использованием зубчатых профилей 8, 9 крепежные устройства 6 и 6′ могут быть идеальным образом прикреплены к вертикальному хвостовому оперению 2. В качестве альтернативного варианта крепежные устройства 6, 6′ могут быть также прикреплены к фюзеляжу 3 с использованием третьего и четвертого зубчатых профилей. На фиг.2-4 формы крепежных устройств 6, 6′ соответствуют формам соответствующих опорных поверхностей 17, 18 вертикального хвостового оперения 2 или фюзеляжа 3. С помощью зубчатых профилей 8, 9 действующие нагрузки могут передаваться на фюзеляж 3 исключительно равномерно. То есть концентрации напряжений могут быть эффективно устранены. В каждом случае в продольном направлении первого и второго зубчатых профилей 8, 9 имеются вырезы 12, которые обеспечивают снижение вероятности появления трещин, в результате чего улучшается распределение напряжений. Зубчатые профили 8, 9, в свою очередь, могут быть прикреплены к внутренним или внешним частям стенок вертикального хвостового оперения 2.
На фиг.4 показан еще один вид вертикального хвостового оперения 2, которое прикреплено к фюзеляжу с использованием системы 1 крепления. На фиг.4 четко показано, что если для соединения вертикального хвостового оперения 2 с фюзеляжем 3 используется зубчатый профиль, то может быть обеспечена очень тонкая конструкция в первой контактной зоне 13.
На фиг.5 приведен вид первого зубчатого профиля 8 и второго зубчатого профиля 9, которые находятся в зацеплении друг с другом. При таком устройстве каждый зубчатый профиль 8, 9 содержит боковые поверхности 10, которые на фиг.5 являются боковыми поверхностями прямоугольных зубцов. Для лучшей и более равномерной передачи нагрузок между боковыми поверхностями 10 помещены компенсаторы 11. Если, как показано в этом варианте, растягивающие или сжимающие нагрузки действуют на вертикальное хвостовое оперение 2, то напряжения распространяются в вертикальном направлении. При таком устройстве нагрузки передаются оптимальным образом, если боковые поверхности 10 установлены под прямым углом к направлению действия нагрузок, которые должны быть переданы.
На фиг.6 также показан первый зубчатый профиль 8 и второй зубчатый профиль 9, обеспечивающие соединение в форме "ласточкина хвоста". При таком устройстве боковые поверхности 10 находятся под некоторым углом α, который является углом боковых поверхностей 10 относительно направления передачи силы F и нагрузки.
На фиг.7 показан общий вид вертикального хвостового оперения 2. У основания вертикального хвостового оперения 2 показана система 1 крепления, которая соединяет вертикальное хвостовое оперение 2 с фюзеляжем 3. Очевидно, что без использования каких-либо утолщенных частей в зоне основания вертикального хвостового оперения 2 создана оптимальная система 1 крепления, и в то же время может быть обеспечено более устойчивое соединение, части которого имеют меньший вес.
Перечень ссылочных обозначений
1 Летательный аппарат
2 Хвостовое оперение
3 Фюзеляж, поверхность прикрепления
4 Внутренняя часть стенки хвостового оперения
5 Внешняя часть стенки хвостового оперения
6/6′ Крепежное устройство
7/7′ Первый и второй соединительные элементы
7″ Распорная втулка
8 Первый зубчатый профиль
9 Второй зубчатый профиль
10 Боковые поверхности
11 Компенсаторы
13 Первая контактная зона
14 Вторая контактная зона
15 Крепление фюзеляжа
16 Линия контакта
17 Первая опорная поверхность
18 Вторая опорная поверхность