ВЫСОКОНАГРУЖЕННЫЙ ШПАНГОУТ ФЮЗЕЛЯЖА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА СО СТЕНКОЙ РЕШЕТЧАТОЙ КОНСТРУКЦИИ
HIGH LOADED AIRCRAFT FUSELAGE FRAME WITH FRAMED STRUCTURED WALL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к высоконагруженным шпангоутам фюзеляжей летательных аппаратов, а более точно к шпангоутам, которые принимают нагрузки вертикального хвостового стабилизатора.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Силовые шпангоуты являются конструктивными элементами в фюзеляже летательного аппарата, которые отличаются тем обстоятельством, что они выдерживают и передают специфичные локальные нагрузки от других конструктивных компонентов, таких как вертикальный хвостовой стабилизатор, горизонтальный хвостовой стабилизатор и крыло. В дополнение, они, конечно, удовлетворяют стандартным требованиям придания формы и придания жесткости фюзеляжу летательного аппарата.
Традиционно силовые шпангоуты делались из металлических материалов с разными сечениями, наиболее общепринятыми являются I-образное и J-образное сечения, которые благодаря процессам механической обработки снабжены сетью нервюр, которые укрепляют стенку шпангоута.
Вопреки тенденции расширять использование композитных материалов для большинства компонентов летательного аппарата из-за снижения веса, которое влечет за собой этот материал, относительно металлических материалов, в определенных компонентах, таких как силовые шпангоуты, очень трудно, вследствие их сложности, добиваться конструкции из композитного материала, которая может конкурировать как по весу, так и по стоимости с современными металлическими конструкциями.
Производство силовых шпангоутов с композитными материалами с формой, подобной металлическим конструкциям, возможно, но, кроме стоимости, являющейся результатом сложности их конструкции, оно, среди прочего, имеет недостаток, что очень трудно получать оптимальные многослойные материалы для выдерживания требуемых нагрузок с этими конструкциями, что означает неконкурентоспособность по весу.
В случае силовых шпангоутов, очень трудно конкурировать с подвергнутыми механической обработке металлическими шпангоутами, так как вследствие высоких и разных нагрузок, которые они должны выдерживать, альтернативные шпангоуты из композитного материала часто ставят различные производственные проблемы, обусловленные их более сложной конструкцией с большими изменениями сечения и зонами, где необходимы все разновидности ориентаций ткани в многослойном материале.
Известны некоторые предложения в этом отношении, такие как раскрытые в патентных заявках WO 2008/092970, U.S. 2009/0026315, WO 2009/030731 и EP 2 343 237, но авиационная промышленность продолжает испытывать потребность в силовых шпангоутах из композитного материала, которые могут успешно конкурировать с металлическими шпангоутами.
Настоящее изобретение направлено на удовлетворение такой потребности.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Цель настоящего изобретения состоит в том, чтобы предоставить силовой шпангоут для фюзеляжей летательных аппаратов, который может быть полностью изготовлен из композитных материалов или других материалов и который может быть конкурентоспособным по стоимости и весу с традиционными металлическими шпангоутами.
Эта и другие цели достигаются шпангоутом секции фюзеляжа летательного аппарата, который принимает внешние нагрузки, содержащим первый участок, специально выполненный с возможностью выдерживать эти внешние нагрузки, и второй участок вдоль оставшегося периметра фюзеляжа, где первый участок содержит следующие конструктивные элементы: a) опорную деталь, которая должна присоединяться к обшивке фюзеляжа; b) верхнюю деталь, c) стенку, содержащую одну или более арматурных деталей для приема внешних нагрузок и множество X-образных деталей, присоединенных своими концами к упомянутой опорной детали и упомянутой верхней детали, d) две соединительных детали концов упомянутой опорной детали и упомянутой верхней детали со вторым участком шпангоута.
Поэтому эти конструктивные элементы имеют признаки, которые, с одной стороны, предоставляют возможность создания каждого из них из надлежащих материалов для их отдельных функциональных возможностей, а с другой стороны, разных уровней интеграции процесса производства, включая полностью интегрированный процесс производства.
В одном из вариантов осуществления изобретения, стенка первого участка шпангоута дополнительно может содержать радиальные распорки, присоединенные к опорной детали и верхней детали. Поэтому для стенки шпангоута имеются два конструктивных элемента.
X-образные детали могут быть изготовлены из двух одинаковых прутьев, соединенных по их центру, или из единых деталей, в частности, с двойным T-образным поперечным сечением.
В одном из вариантов осуществления изобретения, все конструктивные элементы изготовлены из композитного материала. Разные типы композитных материалов и процессов/технологий производства могут использоваться для разных конструктивных элементов, предоставляя возможность оптимизации по весу и стоимости.
В одном из вариантов осуществления изобретения, X-образные детали и, если присутствуют, дополнительные распорки присоединены к опорной детали и к верхней детали химическим связующим. Таким образом, в этом варианте осуществления, различные детали изготавливаются раздельно и соединяются с использованием технологий, таких как совместное связывание или совместная инжекция.
В варианте осуществления изобретения, где конструктивные элементы первого участка шпангоута производятся раздельно, а затем химически связываются, верхняя деталь сформирована двумя C-образными составляющими деталями, чьи стенки присоединены к упомянутым X-образным деталям, а опорная деталь имеет π-образный профиль, причем упомянутые X-образные детали присоединены к ее стенкам. Опорная деталь этого шпангоута дополнительно может содержать поперечные элементы жесткости своих стенок.
В одном из вариантов осуществления изобретения, X-образные детали и, если присутствуют, дополнительные распорки присоединены к опорной детали и к верхней детали механическим соединением. Таким образом, в этом варианте осуществления, различные детали изготавливаются раздельно и соединяются одним или более крепежей, например, таких как заклепки или болты, для какой цели, такие X-образные детали и, если присутствуют, дополнительные распорки предпочтительно сконфигурированы с ушком на каждом конце, чтобы облегчать соединение.
В варианте осуществления изобретения, где конструктивные элементы первого участка шпангоута производятся раздельно, а затем механически соединяются, X-образные детали присоединяются к стенке T-образной опорной детали с усиленными стенками и к стенке C-образной верхней детали.
В варианте осуществления изобретения, где конструктивные элементы первого участка шпангоута производятся раздельно, а затем механически соединяются, опорная деталь является T-образной, верхняя деталь является L-образной, а X-образные детали скомпонованы в двух наборах по обеим сторонам стенок опорной детали и верхней детали.
Объект изобретения - шпангоут предпочтительно является шпангоутом, расположенным в задней части фюзеляжа летательного аппарата, которая принимает нагрузки от вертикального хвостового стабилизатора.
Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения будут ясны из последующего подробного описания вариантов осуществления, иллюстрирующих его объект относительно приложенных чертежей.
ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1a - вид в перспективе задней секции летательного аппарата, где расположены силовые шпангоуты, которые выдерживают нагрузки, вызванные вертикальным хвостовым стабилизатором и горизонтальным хвостовым стабилизатором, фиг.1b - вид в перспективе фюзеляжа в упомянутой задней секции, показывающий металлические силовые шпангоуты, известные в данной области техники, и фиг.1c - вид спереди верхней секции одного из них.
Фиг.2a - схематический вид в перспективе, показывающий первый участок силового шпангоута согласно варианту осуществления настоящего изобретения в фюзеляже летательного аппарата, и фиг.2b - увеличенный вид спереди упомянутого участка.
Фиг.3 – вид спереди еще одного варианта осуществления первого участка силового шпангоута, произведенного с высоким уровнем интеграции.
Фиг.4a и 4b - виды спереди и в поперечном разрезе первого варианта осуществления арматурных деталей, включенных в первый участок силового шпангоута.
фиг.5 – вид спереди второго варианта осуществления арматурных деталей, включенных в первый участок силового шпангоута.
Фиг.6a, 6b, 6c, 6d, 6d - схематические виды в поперечном разрезе разных конфигураций первого участка силового шпангоута.
Фиг.7a и 7b - виды спереди двух вариантов осуществления X-образных деталей, используемых в первом участке силового шпангоута, и фиг.7c - вид в поперечном разрезе вдоль плоскости A-A по фиг.7a и 7b.
Фиг.8a, 8b, 8c - схематические виды спереди, иллюстрирующие три варианта осуществления соединений между деталью стенки и опорной деталью первого участка силового шпангоута.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Объект изобретения – силовые шпангоуты, представляют собой шпангоуты, расположенные в зонах фюзеляжа, которые принимают большие внешние локальные нагрузки от других компонентов конструкции летательного аппарата, таких как металлические шпангоуты 1, расположенные в задней секции 2 фюзеляжа летательного аппарата (см. фиг.1c, 1b и 1c), где должны выдерживаться нагрузки от вертикального хвостового стабилизатора 3 и горизонтального хвостового стабилизатора 4.
Эти металлические шпангоуты 1, широко известные в авиационной промышленности, содержат первый участок 6 с зонами 9 приема нагрузок и стенку с зонами 7, 8, усиленными нервюрами в двух направлениях.
Чтобы быть вполне конкурентоспособным с металлическими шпангоутами, участок силового шпангоута, который принимает внешние локальные нагрузки (в оставшейся части шпангоута нет существенных различий между силовыми шпангоутами и формообразующими шпангоутами), сконструирован набором частей, изготовленных из композитного материала, чтобы, с одной стороны, облегчать оптимизацию многослойных материалов, а с другой стороны, предоставлять возможность оптимизации по весу.
Каждая из этих частей должна удовлетворять разным конструктивным требованиям, которые облегчают их отдельную оптимизацию по весу и стоимости. В этом отношении должно быть отмечено, что, в пределах этого участка шпангоута, такие требования меняются вдоль его периметра, в принципе, приводя к изменениям поперечного сечения и колебаниям толщины многослойных материалов, которым может быть уделено внимание более оптимальным образом, если они исследуются по отдельности для каждой из этих частей вместо того, чтобы исследоваться на глобальном уровне.
Фиг.2a и 2b показывают участок 11 силового шпангоута, который принимает внешние локальные нагрузки (оставшаяся часть шпангоута, которая является обычной, не показана), согласно этому изобретению, который скомпонован поперек обшивки 13 фюзеляжа, усиленной стрингерами 14.
В упомянутом участке 11 силовой шпангоут содержит:
- опорную деталь 21, которая должна присоединяться к обшивке 13 фюзеляжа, оставляя пространство для стрингеров 14, которая совместима с оставшейся частью шпангоута, облегчая изменение поперечного сечения, таким образом, вызывая экономию затрат и оптимизацию по весу;
- деталь 25 стенки, содержащая арматурную деталь 27 в зоне введения нагрузки, множество X-образных деталей 31, сформированных двумя скрещенными элементами с целью, чтобы один из них работал на сжатие, а другой на растяжение, и, по выбору, радиальные распорки 32;
- верхнюю деталь 23, которая служит для стабилизации стенки шпангоута и содействует распределению нагрузки, принятой в арматурной детали 27;
- две соединительных детали 39, 39' между концами опорной и верхней деталей 21, 23 и оставшейся частью шпангоута, благоприятствующие соответствующему переносу нагрузки.
Разделение участка 11 шпангоута на вышеупомянутые детали предоставляет возможность оптимизации их соответствующих многослойных материалов согласно нагрузкам, которые должны выдерживаться каждой одной из них. Таким образом, разделение требований к силовому шпангоуту между разными деталями, из которых сконструирован шпангоут, предоставляет возможность достижения более легкого производства, а потому, снижения стоимости.
При вышеупомянутой конструкции предусмотрены различные возможности производства участка 11 шпангоута, от раздельного производства каждой из вышеприведенных деталей и их сборки посредством механических соединений до производства с высокими уровнями интеграции, например, с использованием процессов совместного отверждения и/или совместной инжекции. В этом отношении, должно быть понятно, что значение термина «деталь», в качестве используемого в этом изобретении, включает в себя значение, данное в технологии композитных материалов термину «заготовка»: изделию, которое требует отдельного процесса изготовления слоистого материала, чтобы сделать его соответствующим определенным характеристикам, и которое предназначается для объединения с другими элементами в процессе производства изделия, к которому оно принадлежит.
В варианте осуществления изобретения, проиллюстрированном на фиг.3, показан (изображен в идеальном виде) участок 11 шпангоута, содержащего такие же изделия, что упомянуты выше, изготовленный с высоким уровнем интеграции.
Фиг.4a и 4b показывают конфигурацию плоской единой арматурной детали 27, которая принимает внешние нагрузки, прикладываемые вертикальным хвостовым стабилизатором к арматурам 28, присоединенным к ней, которая соответствует варианту осуществления, проиллюстрированному на фиг.2a, сформированным набором заготовок с преобладающими ориентациями под +45 градусов, где две пары арматур 28 объединены, а фиг.5 показывает конфигурацию двух арматурных деталей 27, 27' (каждая с двумя парами арматур 28, 28' для приема внешних нагрузок), соединенных X-образной деталью 31, которая соответствует варианту осуществления, проиллюстрированному на фиг.3.
Фиг.6c и 6d показывают два варианта осуществления изобретения с двумя разными конфигурациями опорной детали 21, верхней детали 23 и X-образных деталей 31, ориентированных по направлению к химической связи (то есть объединение, достигаемое благодаря таким технологиям, как совместное отверждение, совместное связывание или совместная инжекция) между ними.
Опорная деталь 21 имеет π-образный профиль, а верхняя деталь 23 сформирована двумя C-образными составляющими деталями. Концы X-образных деталей 31 соответственно прикреплены к двум стенкам 22, 22’ опорной детали 21 и к двум стенкам 24, 24' верхней детали 23.
В случае по фиг.6d опорная деталь 21 включает в себя поперечные элементы 25, 25' жесткости.
Фиг.6a, 6b и 6e показывают три варианта осуществления изобретения с разными конфигурациями опорной детали 21, верхней детали 23 и X-образных деталей 31, ориентированных по направлению к механическому соединению между ними, изготовленному с помощью таких крепежей, как заклепки.
В случае фиг.6a и 6b, опорная деталь 21 имеет T-образный профиль с усиленной стенкой, а верхняя деталь 23 имеет C-образный профиль. Концы X-образных деталей 31 соответственно присоединены к стенке 41 опорной детали 21 (посредством соединительного элемента 51 в случае фиг.6a и нескольких соединительных элементов 55 в случае фиг.6b) и к стенке 43 верхней детали 23 (посредством соединительного элемента 51 в случае фиг.6a и посредством различных соединительных элементов 55 в случае фиг.6b).
В случае фиг.6e опорная деталь 21 имеет T-образный профиль, а верхняя деталь 23 имеет L-образный профиль. Концы X-образных деталей 31, скомпонованные в двух параллельных наборах соответственно присоединены к стенке 41 опорной детали 21 и к стенке 43 верхней детали 23 соответственно посредством соединительных элементов 51, 53.
Все упомянутые конфигурации предусматривают вариации размера и толщины вышеприведенных деталей вдоль периметра участка 11 шпангоута, таким образом давая возможность его оптимизации по весу и стоимости.
X-образная деталь 31 может быть сформирована двумя независимыми прутьями 33, 33’, соединенными в их центральной части посредством заклепки или болта, как показано на фиг.7a, или посредством сборной конструкции, как показано на фиг.7b. В предпочтительном варианте осуществления поперечное сечение плеч X-образной детали 31, которые должны иметь размер, чтобы удовлетворять соответствующим минимальным значениям инерции и жесткости в зависимости от требований по нагрузке, имеет двойной T-образный профиль.
Концы упомянутых X-образных деталей X 31 и упомянутых распорок 32 могут быть сконфигурированы с ушками 35, чтобы облегчать их присоединение к верхней детали 23, как проиллюстрировано на фиг.8a, 8b и 8c, и, подобным образом к опорной детали 21.
Хотя настоящее изобретение предпочтительно сосредоточено на шпангоутах, сделанных полностью из композитного материала, оно также содержит шпангоуты, в которых вышеупомянутые части изготовлены из металлических материалов.
Хотя настоящее изобретение было описано в связи с различными вариантами осуществления, из описания изобретения можно понять, что различные комбинации элементов, варианты или усовершенствования в нем могут быть осуществлены и находятся в пределах объема изобретения.