Кессон крыла из композиционного материала
Владельцы патента RU 2532254:
Общество с ограниченной ответственностью "Научно-технологический испытательный центр АпАТэК-Дубна" (RU)
Изобретение относится к конструктивным элементам крыльев и касается конструкции кессона крыла летательного аппарата (ЛА) из композиционных материалов (КМ). Кессон крыла из КМ содержит верхнюю и нижнюю стрингерные панели. В панелях передний и задний лонжероны и нервюры делят внутреннее пространство кессона на отсеки. Стрингеры размещены в панели с внешней стороны обшивки, имеют сечение с вынесенной наверх полкой и установлены с шагом, близким к ширине этих полок. Сверху стрингеры покрыты тонким слоем КМ, образующим дополнительную внешнюю обшивку панели. Стенки стрингеров выполнены с возможностью упругой деформации при ударных нагрузках. Достигается снижение вероятности повреждения обшивки панелей под воздействием ударных эксплуатационных нагрузок, выявление ударных повреждений, упрощение конструктивного обеспечения герметичности кессона, упрощение ремонтных работ после повреждений конструкции. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к области авиации, к конструктивным элементам преимущественно крыльев, в частности к конструкции кессона крыла летательного аппарата из композиционных материалов.
Известны конструкции кессона крыла самолета, выполненного из композиционного материала, например, на самолете В-787 (http://ru.wikipedia.org/wiki/Boeing_787_Dreamliner) или на самолете А-350 (http://www.aex.ru/news/2011/ll/22/90489/). Данные конструкции принципиально не отличаются от металлических вариантов, которые можно принять за аналоги предлагаемого варианта конструкции кессона. С точки зрения конструктивной схемы, оба указанных варианта конструкции композитного кессона идентичны и любой из них может быть принят за прототип. В этих конструкциях кессон крыла из композиционного материала включает в себя верхнюю и нижнюю стрингерные панели, передний и задний лонжероны и нервюры, делящие внутреннее пространство кессона на отсеки. Как и во всех традиционных конструкциях, стрингеры панелей размещены на внутренней стороне обшивки.
Общими существенными признаками любого из указанных прототипов, совпадающими с существенными признаками предлагаемого технического решения, являются следующие: кессон крыла из композиционного материала включает в себя верхнюю и нижнюю стрингерные панели, передний и задний лонжероны и нервюры, делящие внутреннее пространство кессона на отсеки.
Главным недостатком такой конструктивной схемы в случае использования композиционного материала является то, что при ударных воздействиях на крыло (например, при погрузке-разгрузке, при ударах по крылу крупных градин, при столкновении с птицами и т.п.) сила удара приходится непосредственно на уязвимую в отношении ударного воздействия обшивку кессона. Это увеличивает риск ее повреждения и чревато потерей герметичности отсеков, содержащих топливо. Как известно, применяемый в самолетостроении слоистый композиционный материал, в отличие от металла, склонен к провоцируемому ударом межслойному растрескиванию, которое приводит к разрушению панели при нагружении ее впоследствии основной эксплуатационной нагрузкой. Особенно ощутимо это проявляется на верхней панели крыла, основной нагрузкой для которой является продольное сжатие, поскольку крыло в полете изгибается кверху. При сжатии панели отслоения в обшивке, появившиеся в результате удара, теряют устойчивость, что может привести к лавинообразному развитию разрушения по всей толщине обшивки с появлением в итоге сквозной трещины во всю ширину панели.
Еще одним минусом аналогов и прототипа является неудобство обеспечения герметичности внутреннего объема кессона. Установка специальных гермофитингов в местах, где стрингеры проходят сквозь стенку нервюры, усложняет конструкцию, увеличивает трудозатраты при проведении сборочных операций и ремонтных работ. Конструктивные узлы законцовок стрингера (которые необходимы в силу уменьшения количества стрингеров от сечения к сечению из-за сужения кессона к концу крыла) также являются слабым местом традиционной конструктивной схемы. Поскольку для обеспечения достаточной прочности и надежности конструкции конец стрингера приходится соединять с силовым поясом нервюры, конструктор вынужден подгонять соответствующим образом схему расположения стрингеров и нервюр, варьируя их шаг, что усложняет задачу весовой оптимизации конструкции кессона.
Также существенным недостатком прототипа является отсутствие возможности посредством внешнего осмотра обеспечить надежный контроль целостности конструкции после возможного ударного воздействия, поскольку традиционно используемые в авиастроении слоистые композитные материалы при ударах расслаиваются без характерных и легко обнаруживаемых в металлических конструкциях вмятин и сквозных трещин. Принципиально, что для композитного кессона вполне возможна ситуация, когда не обнаруживаемые визуально последствия ударов угрожают разрушением крыла в полете. Кроме того, ремонт поврежденных мест в традиционной композитной конструкции представляет сложную задачу. Так, наложение заплаты после удаления поврежденного участка нередко влечет за собой и замену части одного или даже нескольких стрингеров, что требует сложной доработки конструкции, в особенности, когда необходима перестыковка стрингера, что делает неизбежной дорогостоящую разборку всего кессона.
Предлагаемым изобретением решается комплекс технических задач:
- предотвращения (или резкого снижения вероятности) повреждения обшивки панелей под воздействием ударных эксплуатационных нагрузок;
- обеспечения гарантированного выявления повреждений конструкции при ударах (визуализация критических ударных повреждений);
- упрощения конструктивного обеспечения герметичности кессона;
- упрощения ремонтных работ после локальных (например, ударом) повреждений конструкции.
Для достижения перечисленных технических результатов в кессоне крыла из композиционного материала, включающем верхнюю и нижнюю стрингерные панели, передний и задний лонжероны и нервюры, делящие внутреннее пространство кессона на отсеки, в отличие от прототипа, стрингеры размещены в панелях с внешней стороны обшивки, имеют сечение с вынесенной наверх (наружу) полкой и установлены с шагом, близким к ширине полок стрингеров, сверху стрингеры покрыты тонким слоем композиционного материала, образующим дополнительную внешнюю обшивку панели, а стенки стрингеров выполнены с возможностью упругой деформации при ударных нагрузках.
Как частный вариант, наиболее предпочтительный к реализации, предлагается конструкция стенок стрингеров с чередующимися в шахматном порядке стойками и перемычками, которые образуют два ряда сквозных щелевидных пазов, так что перемычки между ними обеспечивают необходимый амортизирующий эффект в отношении ударной нагрузки.
Как возможный вариант, для упрощения операций сборки и повышения ремонтопригодности кессона как минимум полки и перемычки стрингеров, а также дополнительная обшивка могут быть выполнены из композиционного материала с термопластическим связующим. Это позволит при относительно небольших повреждениях, когда имеет место только расслоение материала элементов конструкции, перейти от замены поврежденных ее частей с дорогостоящей технологией перестыковки стрингеров к восстановлению расслоившихся элементов посредством так называемой технологии «сварки».
Отличительными признаками предложенного технического решения от известного - прототипа - являются следующие: стрингеры размещены на наружных поверхностях панелей, имеют сечение с вынесенной наверх полкой и установлены с шагом, близким к ширине полок стрингеров, снаружи стрингеры покрыты тонким слоем композита, образующим сплошную дополнительную обшивку, а стенки стрингеров выполнены с возможностью упругой деформации при ударных нагрузках. В качестве наиболее предпочтительного частного варианта реализации упругих стрингеров предлагается конструкция их стенок с чередующимися в шахматном порядке стойками и перемычками, которые образуют два ряда сквозных щелевидных пазов. Как возможный вариант, как минимум полки и перемычки стрингеров, а также дополнительная обшивка могут быть выполнены из композиционного материала с термопластическим связующим.
Благодаря наличию данных отличительных признаков в совокупности с известными достигается следующий технический результат:
Благодаря наличию данных существенных признаков достигаются следующие технические эффекты:
- удары в зону между стрингерами амортизируются за счет изгибной податливости их полок с растяжением тонкой дополнительной обшивки и с разрушением их при сильных ударах, что в любом случае значительно ослабит воздействие удара на основную обшивку, а удары в стенку стрингера амортизируются в основном за счет ее упругой податливости;
- поскольку защитное амортизирующее покрытие кессона состоит в основном из элементов продольного подкрепления, это позволяет получить высокое весовое качество предлагаемого варианта конструкции кессона. В силовом подкреплении панелей напрямую не участвуют только стойки, вес которых, как показывают расчеты, составляет не более 20% от массы стрингера;
- наличие эффективной защиты от ударов в предлагаемой конструкции дает в итоге преимущество в весе, поскольку в традиционной конструкции, где удар воспринимается непосредственно обшивкой панели, ради обеспечения остаточной (послеударной) прочности композитного кессона приходится идти на существенное увеличение толщины обшивки. Кроме того, предлагаемая конструкция кессона свободна от критически важного недостатка - невозможности простого визуального обнаружения следов критически опасных для прочности крыла ударов. Во-первых, эффект амортизации сам по себе является фактором, значительно нивелирующим последствия удара, поскольку сила удара пропорциональна, как известно, контактной жесткости в точке удара. При наличии предлагаемой амортизации удары с относительно небольшой энергией вообще не вызовут разрушений, а во-вторых, удары с опасным для прочности крыла уровнем энергии будут оставлять хорошо заметные следы повреждений на тонкой верхней обшивке. Только в случае ударов высокой интенсивности появляется вероятность, что ударник, преодолев защиту, все же «доберется» до основной обшивки. Но при этом значительная часть его разрушительного потенциала будет уже потеряна;
- изготовление стрингеров с применением термопластического связующего может существенно упростить не только изготовление стрингеров и их монтаж на уже установленных панелях, но и ремонт кессона после разрушений от ударных и других воздействий. Если ремонт в случае традиционной конструкции кессона зачастую требует его разборки, в предложенной конструкции во многих случаях (при повреждениях, не затрагивающих основную обшивку) вообще не понадобится демонтаж панелей и проведение дорогостоящей операции замены поврежденных участков панелей с перестыковкой стрингеров. Использование удобной и дешевой технологии «сварки» может позволить восстанавливать целостность элементов стрингеров простым местным нагревом конструкции с расплавлением связующего. Наличие защитного покрытия в виде полок стрингеров и дополнительной обшивки, как и само расположение стрингеров на наружной стороне панелей, кардинально упрощает ремонт композитного кессона предлагаемой конструкции;
- вопрос прочности и надежности узлов законцовок стрингеров тоже решается в данной конструкции достаточно просто и эффективно. Для этого устанавливаемые в первую очередь над полками лонжеронов более мощные крайние стрингеры (параллельные краям панелей) должны иметь высоту стенок на толщину полок стрингеров меньше, чем остальные. Обрывающиеся стрингеры свободными концами своих полок заходят на полки этих крайних стрингеров и скрепляются с ними, к примеру, за счет использования технологии «сварки» и, при необходимости, дополнительного механического крепежа.
Предложенное конструктивное решение может быть использовано в авиации - в конструкции, преимущественно, кессона крыла летательного аппарата из композиционных материалов.
Предлагаемая конструкция поясняется чертежами фиг.1 и 2.
На фиг.1 изображен общий вид участка кессона крыла.
На фиг.2 изображен стрингер (фрагмент и сечение), стенка которого выполнена с чередующимися в шахматном порядке стойками и перемычками, которые образуют два ряда сквозных щелевидных пазов. При этом (как вариант) полки и перемычки стрингеров, а также дополнительная обшивка выполнены из композиционного материала с термопластическим связующим.
Изображенный на фиг.1 кессон крыла из композиционного материала включает в себя верхнюю 1 и нижнюю 2 стрингерные панели, в которых стрингеры 3 закреплены на обшивке 4, передний 5 и задний 6 лонжероны и нервюры 7 (на фиг.1 видны фрагментарно), делящие внутреннее пространство кессона на отсеки. Стрингеры 3 размещены на внешней стороне обшивок 4 и имеют Т-образное сечение с вынесенной наверх (наружу) полкой 8. Стрингеры 3 установлены с шагом, примерно равным ширине полки 8. Небольшой зазор между полками затрудняет проникновение через него вероятного ударника (например, градины, камня из-под колеса шасси или куска разорвавшегося пневматика этого колеса). С другой стороны, он необходим для предотвращения распространения в поперечном направлении местных расслоений композиционного материала после удара. Полки 8 стрингеров 3 покрыты слоем композиционного материала, образующим сплошную дополнительную тонкостенную обшивку 9 панели, а стенки 10 стрингеров 3 выполнены упругими в отношении ударной нагрузки. В данном случае (см. фиг.2) стенки 10 стрингеров 3 выполнены с чередующимися в шахматном порядке верхними 11 и нижними 12 стойками и перемычками 13, которые образуют два ряда сквозных щелевидных пазов, так что перемычки 13 между ними обеспечивают требуемый амортизирующий эффект при ударах. При этом перемычки 13 представляют собой участки одной детали с длиной, равной длине стрингера 3. Кроме рядовых стрингеров 3 на каждой панели 1 и 2 имеются также по два боковых стрингера 14, которые отличаются от рядовых только своими размерами. Высота их меньше на толщину полок 8 рядовых стрингеров 3, а остальные размеры определяются исходя из требований прочности.
Полки 8 и перемычки 13 стрингеров 3, а также дополнительная тонкостенная обшивка 9 могут быть выполнены из композиционного материала с термопластическим связующим, что позволяет использовать технологию «сварки», существенно упрощающую операции сборки и ремонта кессона.
Сборка кессона крыла производится в следующем порядке. На панелях, не имеющих изначально стрингеров, закрепляют (например, механическим крепежом) нижние стойки 12, после чего кессон собирают по традиционной технологии. Отличие заключается лишь в том, что теперь в нервюрах 7 нет отверстий для стрингеров 3, что избавляет от необходимости установки гермофитингов и существенно упрощает сборку. После установки замыкающего крепежа приступают к закреплению на кессоне стрингеров 3. Предварительно полки 8 стрингеров 3 соединяют (например, с применением технологии «сварки» и/или механического крепежа) с верхними стойками 11 и перемычками 13, которые представляют собой участки одной детали - во всю длину стрингеров 3 и 14. В первую очередь, стингеры 3 и 14 устанавливают по краям панелей 1 и 2. Эти боковые стрингеры 14 должны быть более мощными, т.к. на них крепятся концы тех рядовых стрингеров 3, которые приходится обрезать из-за сужения кессона к периферии. Соответственно, высота боковых стрингеров 14 должна быть меньше на высоту полок 8 рядовых стрингеров 3. Стрингеры 3 и 14 закрепляют на нижних стойках 12 посредством, например, механического крепежа, для чего на полках 8 предусмотрены отверстия 15. Края полок 8, обрывающихся из-за сужения кессона стрингеров 3, могут закрепляться на полках 8 боковых стрингеров 14 посредством крепежа и технологии «сварки». После установки стрингеров 3 и 14 на их полки накладывают внешнюю обшивку 9, которая может представлять собой композит на термопластическом связующем. Это делает возможным применять технологию «сварки», что упрощает данную операцию.
При ремонте повреждений, не затрагивающих основную обшивку 4 панелей 1 и 2, заменяют поврежденные участки тонкой внешней обшивки 9, полок 8 и перемычек 13 стрингеров 3 и 14. Если повреждения привели только к расслоению этих деталей, восстановление их целостности может быть достигнуто применением технологии «сварки», что делает ремонт относительно простым и малозатратным. Такой ремонт может быть сделан даже в полевых условиях, что невозможно в случае традиционной конструкции композитного крыла.
1. Кессон крыла из композиционного материала, включающий верхнюю и нижнюю стрингерные панели, в которых, передний и задний лонжероны и нервюры, делящие внутреннее пространство кессона на отсеки, отличающийся тем, что стрингеры размещены в панели с внешней стороны обшивки, имеют сечение с вынесенной наверх полкой и установлены с шагом, близким к ширине этих полок, сверху стрингеры покрыты тонким слоем композиционного материала, образующим дополнительную внешнюю обшивку панели, а стенки стрингеров выполнены с возможностью упругой деформации при ударных нагрузках.
2. Кессон крыла по п.1, отличающийся тем, что стенки стрингеров образованы чередующимися в шахматном порядке стойками и перемычками, которые образуют два ряда сквозных щелевидных пазов.
3. Кессон крыла по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что как минимум полки и перемычки стрингеров, а также дополнительная обшивка выполнены из композиционного материала на термопластическом связующем.
