Рама проема, выполненного в фюзеляже летательного аппарата
Группа изобретений относится к области авиации. Рама двери, предусмотренной на уровне проема, выполненного в фюзеляже летательного аппарата, ограниченном обшивкой, содержит верхний продольный элемент жесткости и нижний продольный элемент жесткости, обеспечивающие соединение между двумя вертикальными узлами (62), расположенными по обе стороны от проема, на уровне которых предусмотрен упор (56), обеспечивающий восприятие радиальных усилий, создаваемых дверью. Каждый вертикальный узел (62) содержит стенки из композитного материала, соединенные между собой для образования замкнутого и полого профиля, чтобы получить конструкцию в виде кессона. Летательный аппарат содержит раму двери. Группа изобретений направлена на упрощение выполнение рамы из композиционного материала. 2 н. и 10 з.п. ф-лы, 8 ил.
Настоящее изобретение касается рамы проема, выполненного в фюзеляже летательного аппарата.
На фиг. 1-3 в качестве примера показана передняя часть летательного аппарата 10, содержащая фюзеляж 12, в котором выполнен проем 14, который предназначен, например, для прохождения пассажиров и который может закрываться дверью, называемой пассажирской дверью, отделяющей наружное пространство 16 летательного аппарата от его внутреннего пространства 18.
Как известно, фюзеляж летательного аппарата содержит обшивку 20, усиленную конструкцией, содержащей, в частности, первый ряд продольных элементов усиления (стрингеры) и второй ряд поперечных элементов усиления (шпангоуты).
Для обеспечения передачи усилий между конструкцией двери и конструкцией фюзеляжа вокруг проема 14 предусмотрена дверная рама 22.
В случае пассажирской двери она создает на уровне дверной рамы 22 в основном радиальные усилия, направленные наружу летательного аппарата (показанные на фиг. 3 стрелкой F), которые воспринимаются упорами 24, предусмотренными на уровне рамы 22.
Для восприятия усилий этого типа рама 22 содержит, с одной стороны, бордюрный каркас, содержащий верхний продольный элемент жесткости, называемый перемычкой 26, нижний продольный элемент жесткости, называемый порогом 28, вертикальные элементы 30 жесткости по обе стороны от проема 14 и, с другой стороны, вспомогательный каркас, образованный по меньшей мере двумя вертикальными элементами 32 жесткости, расположенными по обе стороны от проема на некотором расстоянии, и продольными верхним и нижним элементами 34 жесткости, отстоящими от перемычки 26 и от порога 28. Для соединения бордюрного каркаса и вспомогательного каркаса предусмотрены нервюры или усиления. Так, элементы 30 и 32 жесткости соединены нервюрами, называемыми межреберными нервюрами 36, таким образом, чтобы образовать по обе стороны от проема 12 конструкцию в виде лестницы. Такая конструкция в виде лестницы описана в документе WO03/104080.
Как показано на фиг. 3, момент, создаваемый усилием сдвига F, которое действует на уровне каждого упора 24 на раму 22, выражается двумя противоположными реакциями - первой реакцией R1 на уровне вспомогательного каркаса и второй реакцией R2 на уровне бордюрного каркаса. Согласно этому типу конструкции уравновешивание усилий происходит локально напротив каждого дверного упора благодаря соответствующей межреберной нервюре.
Нагрузка на дверную раму 22 не ограничивается этими радиальными усилиями. Дверная рама в целом должна обеспечивать целостность фюзеляжа.
Согласно первому варианту выполнения все элементы, образующие дверную раму 22, и обшивка фюзеляжа являются металлическими, при этом вертикальные элементы 30 и 32 жесткости, а также межреберные нервюры 36 выполнены из толстого листового проката, обработанного при помощи известных технологий. После обработки эти различные элементы собирают таким образом, чтобы получить узлы в виде лестницы, затем на эти полученные узлы устанавливают обшивку. Недостатком этого решения с металлической обшивкой является необходимость применения многочисленных креплений, зато ее преимуществом является возможность контроля толщины и последовательных и параллельных между собой плоскостей установки. Чтобы снизить летную массу летательных аппаратов, в настоящее время стремятся использовать композитные материалы.
Согласно первому варианту выполнения дверной рамы из композитного материала выполняют первый узел, содержащий бордюрный каркас, вспомогательный каркас и межреберные нервюры. Выполнение этого узла в виде единой детали требует применения сложной оснастки. Кроме того, соединение с обшивкой из композитного материала требует использования вставок по причине усадки объема обшивки, выполненной из предварительно пропитанных слоев, что значительно увеличивает время сборки.
Согласно другому варианту выполнения дверной рамы из композитного материала все элементы выполняют из композитного материала отдельно, а затем их соединяют аналогично элементам металлической дверной рамы. Однако это решение не является удовлетворительным, так как экономичное выполнение деталей из композитного материала создает проблемы размерных допусков при стыковке различных деталей. Наконец, сборка по такой же архитектуре, что и для металлических деталей (бордюрный каркас, вспомогательный каркас, межреберные нервюры), для элементов из композитного материала не позволяет оптимизировать восприятие усилий по причине невысокой стойкости деталей из композитного материала по отношению к усилиям, действующим за пределами плоскости слоев, образующих упомянутые детали.
Настоящее изобретение призвано устранить недостатки известных технических решений и предложить раму проема, выполненного в фюзеляже летательного аппарата, архитектура которой позволяет оптимизировать восприятие усилий. Архитектура должна также позволить упростить выполнение рамы из композитного материала.
В этой связи объектом настоящего изобретения является рама двери, предусмотренной на уровне проема, выполненного в фюзеляже летательного аппарата, ограниченном обшивкой, при этом упомянутая рама содержит верхний продольный элемент жесткости и нижний продольный элемент жесткости, обеспечивающие соединение между двумя вертикальными узлами, расположенными по обе стороны от проема, на уровне которых предусмотрен по меньшей мере один упор, обеспечивающий восприятие радиальных усилий, создаваемых дверью, отличающаяся тем, что каждый вертикальный узел содержит по меньшей мере три стенки из композитного материала, соединенные между собой для образования замкнутого и полого профиля, чтобы получить конструкцию в виде кессона.
Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания изобретения, представленного исключительно в качестве примера, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:
Фиг. 1 - схематичный вид передней части летательного аппарата.
Фиг. 2 - вид в перспективе известной дверной рамы изнутри летательного аппарата.
Фиг. 3 - вид в разрезе по плоскости, содержащей межреберную нервюру, дверной рамы в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг. 4 - вид в перспективе дверной рамы в соответствии с настоящим изобретением изнутри летательного аппарата.
Фиг. 5 - вид в продольном разрезе борта дверной рамы, показанной на фиг. 4.
Фиг. 6 - вид в перспективе внутреннего пространства усиления, образующего борт дверной рамы, показанный на фиг. 5.
Фиг. 7 - вид в перспективе дверной рамы в соответствии с настоящим изобретением, иллюстрирующий выигрыш в месте по сравнению с известным техническим решением.
Фиг. 8 - вид в продольном разрезе с показом двух частей, образующих борт дверной рамы в соответствии с настоящим изобретением, перед их сборкой.
На фиг. 4 показан фюзеляж летательного аппарата, в котором необходимо выполнить проем 40, который можно закрыть дверью (не показана).
Фюзеляж содержит обшивку 42, установленную на конструкции, образованной элементами жесткости, в частности первым рядом продольных элементов 44 усиления, называемых стрингерами, и вторым рядом поперечных элементов 46 усиления, называемых шпангоутами.
Обшивка 42 позволяет изолировать внутреннее пространство летательного аппарата, обозначенное на фиг. 5 позицией 48, от окружающей среды, обозначенной позицией 50.
Согласно неограничительному варианту применения этот проем 40 обеспечивает прохождение пассажиров снаружи внутрь и наоборот.
В частности, для обеспечения передачи усилий между дверью и конструкцией летательного аппарата проем 40 ограничен рамой 52.
Как и в известных решениях, дверная рама 52 содержит упоры 56, на которые может опираться дверь и которые обеспечивают, в частности, восприятие усилий, направленных наружу и показанных стрелкой F. Предпочтительно эти упоры располагают на уровне вертикальных стоек упомянутой рамы.
В дальнейшем тексте описания под продольной осью летательного аппарата следует понимать ось, которая проходит от носа к хвосту летательного аппарата по существу параллельно образующим фюзеляжа. Под поперечной плоскостью следует понимать плоскость, перпендикулярную к продольной оси. Радиальное направление содержится в поперечной плоскости и проходит через продольную ось. Под продольной плоскостью следует понимать плоскость, содержащую продольную ось и радиальное направление.
Дверная рама 52 содержит верхний продольный элемент 58 жесткости, называемый перемычкой, и нижний продольный элемент 60 жесткости, называемый порогом, при этом перемычка 58 и порог 60 обеспечивают соединение между двумя вертикальными узлами 62, расположенными по обе стороны от проема 40. Перемычка и порог выполнены в виде нервюр, расположенных в продольных плоскостях. Как правило, эти элементы 58 и 60 жесткости имеют С-образное сечение с центральной частью, расположенной в продольной плоскости, и с отбортованными кромками, одна из которых входит в контакт с обшивкой летательного аппарата.
Эти элементы 58 и 60 жесткости выполнены из композитного материала. Вместе с тем их можно выполнить из другого материала, например из металла. Их дальнейшее описание опускается, так как они могут иметь разные формы для обеспечения, в частности, соединения между вертикальными узлами 62.
Согласно изобретению вертикальные узлы 62 выполнены из композитного материала и не имеют архитектуры в виде лестницы, как в известных технических решениях, а имеют архитектуру в виде кессона.
Под кессонной архитектурой следует понимать то, что узел 62 содержит по меньшей мере три стенки, соединенные между собой таким образом, чтобы образовать замкнутый и полый профиль.
Для этого, как показано на фиг. 5, узел 62 содержит первую стенку 64, расположенную на уровне кромки проема, вторую стенку 66, расположенную по существу перпендикулярно к первой стенке 64 в плоскости обшивки летательного аппарата после соединения рамы с фюзеляжем, при этом упомянутая вторая стенка 66 соединена и является смежной с первой стенкой 64, и наклонную третью стенку 68, соединяющую конец первой стенки 64, направленный внутрь, и конец второй стенки 66, удаленный от кромки проема, таким образом, чтобы получить кессонную форму.
Как показано на фиг. 5, кессонная форма позволяет уравновесить моменты, создаваемые усилиями упоров под нагрузкой кручения на эту кессонную форму, показанной стрелками 70. Этот поток кручения создает усилия сдвига на уровне кессонных узлов 62, которые являются более предпочтительными при выполнении из композитных материалов, чем известные конструкции в виде лестницы, так как усилия остаются все время в плоскости стенок, которые, как правило, выполнены в виде слоистых элементов.
Согласно другому отличительному признаку эти потоки кручения, создаваемые в узлах 62, уравновешиваются на уровне зон их соединения с перемычкой 58 и с порогом 60.
Согласно варианту выполнения каждый узел 62 содержит первую часть 72, содержащую первую стенку 64 и наклонную стенку 68, и вторую часть 74, содержащую вторую стенку 66 и образующую часть обшивки фюзеляжа.
Первая часть 72 кессонной формы детально показана на фиг. 5 и 6. Она образована пластиной, имеющей сечение с первой гранью, образующей первую стенку 64, со второй гранью 76, по существу перпендикулярной к первой грани, с третьей гранью, образующей наклонную стенку 68, и с четвертой гранью 78, служащей опорной поверхностью для второй части 74 и, в случае необходимости, для обшивки 42 фюзеляжа.
Эта первая часть 72 кессонной формы содержит элементы усиления, препятствующие разгибанию граней. Так, первая часть 72 кессонной формы содержит первый ряд нервюр 80, расположенных перпендикулярно к поверхности третьей и четвертой граней, обращенной внутрь летательного аппарата, и второй ряд нервюр 82, расположенных перпендикулярно к поверхности первой, второй и третьей граней, обращенной наружу летательного аппарата.
Нервюры 80 и 82 содержат отбортованные кромки только на уровне краев, входящих в контакт с первой частью 72.
Предпочтительно нервюры 80 и 82 расположены напротив дверных упоров 56.
Вторая часть 74 кессонной формы имеет вид пластины и образует часть обшивки фюзеляжа летательного аппарата.
Чтобы обеспечить соединение между двумя частями 72 и 74, можно предусмотреть уголок 84 для обеспечения соединения между второй частью 74 и первой гранью, образующей первую стенку 64 первой части 72, при этом вторую часть 74 прижимают к четвертой грани 78. Этот уголок 84 обеспечивает функцию предохранительной детали и способствует упрощению стыковки между двумя частями 72 и 74 кессонной формы.
Предпочтительно нервюры 82 имеют соответствующие размеры, чтобы оставлять промежуток 86 между упомянутыми нервюрами 82 и второй частью 74, как показано на фиг. 5, чтобы упомянутые нервюры 82 не сталкивались с упомянутой второй частью 74 во время соединения двух частей 72 и 74 кессонной формы.
Согласно другому преимуществу, поскольку вторая часть 74, образующая обшивку фюзеляжа на уровне рамы, входит в контакт только на уровне уголка 84 и четвертой грани 78, то это позволяет локализовать зоны изменения толщины (например, по причине расслоения) в зонах, которые не служат опорой для другой детали, в частности, первой части 72 кессонной формы.
Предпочтительно наклонная стенка 68 содержит отверстия 88 для обеспечения доступа внутрь кессонной формы, например доступа к креплениям упоров 56 и возможных контрупоров 90.
Изготовление первой части 72 кессонной формы из композитного материала упростилось и не требует сложной оснастки, так как нервюры 80 и 82 не содержат подошв, входящих в контакт с обшивкой и образующих опорные поверхности.
Кроме того, за счет отказа от этих подошв упростилась стыковка между частями 72 и 74 кессонной формы.
Согласно другому преимуществу эта кессонная форма позволяет уменьшить габариты дверной рамы, как показано на фиг. 7, в частности, когда проем выполнен в зонах фюзеляжа, имеющих форму, близкую к цилиндру.
В этих зонах фюзеляж содержит конструкцию, образованную стрингерами и шпангоутами, расположенными через равномерные промежутки, постоянные во всей зоне. Когда проем имеет ширину, по существу равную двум шагам шпангоутов, как показано на фиг. 7, рама с кессонной формой позволяет уменьшить на 50% габариты межшпангоутной части по сравнению с известной конструкцией в виде лестницы, границы которой показаны пунктирной линией 92.
Еще одним преимуществом этой кессонной формы является упрощение соединения между дверной рамой и остальной частью обшивки.
Предпочтительно, как показано на фиг. 5, первая часть 72 кессонной формы и, в частности, четвертая грань 78 может обеспечивать функцию накладки и может быть продолжена за пределы второй части 74 таким образом, чтобы образовать единую установочную плоскость для второй части 74, образующей обшивку фюзеляжа на уровне рамы, и для обшивки 42 фюзеляжа. Это решение позволяет уменьшить число деталей.
Согласно еще одному отличительному признаку узел в виде кессона упрощает стыковку рамы с остальной частью фюзеляжа за счет присутствия единой установочной плоскости в отличие от известных решений, которые содержат несколько установочных плоскостей по причине отбортовки кромок межреберных нервюр и элементов жесткости, входящих в контакт с обшивкой.
1. Рама двери, предусмотренной на уровне проема, выполненного в фюзеляже летательного аппарата, ограниченном обшивкой, при этом упомянутая рама содержит верхний продольный элемент жесткости и нижний продольный элемент жесткости, обеспечивающие соединение между двумя вертикальными узлами (62), расположенными по обе стороны от проема, на уровне которых предусмотрен по меньшей мере один упор (56), обеспечивающий восприятие радиальных усилий, создаваемых дверью, отличающаяся тем, что каждый вертикальный узел (62) содержит по меньшей мере три стенки из композитного материала, соединенные между собой для образования замкнутого и полого профиля, чтобы получить конструкцию в виде кессона.
2. Рама двери, предусмотренной на уровне проема, выполненного в фюзеляже летательного аппарата по п. 1, отличающаяся тем, что каждый вертикальный узел (62) имеет конструкцию из композитного материала с первой стенкой (64), со второй стенкой (66), соединенной с первой стенкой (64) и расположенной по существу перпендикулярно к первой стенке (64), и с наклонной третьей стенкой (68), соединяющей первую стенку (64) и вторую стенку (66) таким образом, чтобы получить кессонную форму.
3. Рама двери, предусмотренной на уровне проема, выполненного в фюзеляже летательного аппарата по п. 2, отличающаяся тем, что первая стенка (64) образует кромку проема, при этом вторая стенка (66) выполнена с возможностью расположения в плоскости обшивки фюзеляжа.
4. Рама двери, предусмотренной на уровне проема, выполненного в фюзеляже летательного аппарата по п. 2 или 3, отличающаяся тем, что каждый кессонный узел (62) содержит первую часть (72), выполненную с возможностью образования замкнутой полости с обшивкой фюзеляжа.
5. Рама двери, предусмотренной на уровне проема, выполненного в фюзеляже летательного аппарата по п. 4, отличающаяся тем, что первая часть (72) кессонного узла образована пластиной, имеющей сечение с первой гранью, образующей первую стенку (64), со второй гранью (76), по существу перпендикулярной к первой грани, с третьей гранью, образующей наклонную стенку (68), и с четвертой гранью (78), служащей опорной поверхностью для обшивки фюзеляжа.
6. Рама двери, предусмотренной на уровне проема, выполненного в фюзеляже летательного аппарата по п. 5, отличающаяся тем, что первая часть (72) кессонного узла содержит ряд нервюр (82), расположенных перпендикулярно на поверхности первой, второй и третьей граней, обращенной наружу летательного аппарата.
7. Рама двери, предусмотренной на уровне проема, выполненного в фюзеляже летательного аппарата по п. 6, отличающаяся тем, что нервюры (82) имеют соответствующие размеры, чтобы оставлять промежуток (86) между упомянутыми нервюрами (82) и обшивкой фюзеляжа.
8. Рама двери, предусмотренной на уровне проема, выполненного в фюзеляже летательного аппарата по п. 5, отличающаяся тем, что первая часть (72) кессонного узла содержит ряд нервюр (80), расположенных перпендикулярно на поверхности третьей и четвертой граней, обращенной внутрь летательного аппарата.
9. Рама двери, предусмотренной на уровне проема, выполненного в фюзеляже летательного аппарата по любому из пп. 5-7, отличающаяся тем, что каждый кессонный узел (62) содержит уголок (84) для обеспечения соединения между первой стенкой (64) первой части (72) и обшивкой фюзеляжа.
10. Рама двери, предусмотренной на уровне проема, выполненного в фюзеляже летательного аппарата по любому из пп. 5-7, отличающаяся тем, что наклонная стенка (68) первой части (72) каждого узла (62) содержит отверстия (88) для обеспечения доступа внутрь кессонного узла.
11. Рама двери, предусмотренной на уровне проема, выполненного в фюзеляже летательного аппарата по любому из пп. 5-7, отличающаяся тем, что каждый узел (62) содержит вторую часть (74), расположенную в плоскости обшивки фюзеляжа, при этом первая часть содержит грань (78), обеспечивающую функцию накладки и образующую единую установочную плоскость для упомянутой второй части (74) и для остальной обшивки фюзеляжа.
12. Летательный аппарат, содержащий раму двери по любому из пп. 1-11.
