Узел передней кромки, в частности, для воздухозаборника гондолы двигателя летательного аппарата

Группа изобретений относится к узлу (1) передней кромки, воздухозаборнику и гондоле летательного аппарата. Узел (1) передней кромки для воздухозаборника гондолы летательного аппарата включает переднюю кромку (2) и внутреннюю перегородку (3), ограничивающую внутри указанной передней кромки (2) продольное отделение (5). Передняя кромка (2) и внутренняя перегородка (3) выполнены из многоосевых композитных материалов. Воздухозаборник содержит узел (1) передней кромки. Гондола для двигателя летательного аппарата содержит воздухозаборник. Группа изобретений направлена на снижение веса. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Настоящее изобретение относится к узлу передней кромки, в частности, для воздухозаборника гондолы двигателя летательного аппарата.

Как известно, гондола двигателя летательного аппарата образует обтекатель этого двигателя, при этом она выполняет множество функций, в частности ее передняя часть содержит узел, называемый «воздухозаборник», который имеет в целом цилиндрическую форму и назначение которого, в частности, состоит в направлении наружного воздуха в сторону двигателя.

Как показано на фиг.1, где схематически в продольном разрезе показана половина такого воздухозаборника, в передней зоне этой части гондолы имеется узел 1 передней кромки, включающий в себя, во-первых, собственно переднюю кромку 2, которую обычно называют «кромкой воздухозаборника», и, во-вторых, первую внутреннюю перегородку 3, которая ограничивает отделение 5, в котором, как правило, располагаются противообледенительные средства 6.

Кромка 2 воздухозаборника прикреплена заклепками к задней части 7 воздухозаборника, которая снабжена на наружной стороне защитным кожухом 9, а на внутренней стороне - звукопоглощающими средствами 11 (их называют обычно «акустическим экраном»), причем задняя часть 7 воздухозаборника ограничивает своего рода короб, закрытый второй перегородкой 13.

Все перечисленные выше элементы выполнены, как правило, из сплавов металлов: как правило, кромка 2 воздухозаборника и защитный кожух 9 выполнены на основе алюминия, а обе перегородки 3 и 13 - на основе титана. Кожух 9 может быть также выполнен из композитного материала.

Такой традиционный воздухозаборник имеет ряд недостатков: он относительно тяжел; для его сборки требуется проведение множества операций; из-за наличия большого количества заклепок ухудшаются его аэродинамические характеристики.

Для устранения указанных недостатков были проведены многочисленные исследования, направленные на разработку конструкции из композитных материалов, в частности, для передней кромки 1.

Однако эти исследования тормозились, главным образом, из-за свойственных композитным материалам проблем с прочностью - она оказывалась недостаточной, в частности, при ударном воздействии инструментами, применяемыми при техобслуживании (с энергией удара порядка 50 джоулей), столкновениях с птицами (согласно стандарту CS 25.631, масса порядка 1,82 кг (4 фунта), воздействующая на конструкцию при скорости порядка 350 узлов) и попадании града.

Кроме того, по результатам испытаний композитов были выявлены серьезные трудности с расслоением и отставанием различных составляющих их слоев.

Таким образом, настоящее изобретение направлено на разработку технического решения, обеспечивающего возможность использования для узлов передних кромок летательных аппаратов, в частности для гондол, композитных материалов, которые не имеют недостатков, присущих уровню техники.

Для достижения указанной цели предложен узел передней кромки, в частности, для воздухозаборника гондолы летательного аппарата, содержащий переднюю кромку и внутреннюю перегородку, ограничивающую внутри этой передней кромки продольное отделение, и отличающийся тем, что указанная передняя кромка и указанная внутренняя перегородка выполнены из многоосевых композитных материалов.

Многоосевой композитный материал - это многослойный композит, то есть композит, содержащий несколько одномерных слоев (UD - с волокнами, идущими в одном направлении) и/или двумерных слоев (2D - с волокнами, идущими в двух направлениях), которые связаны друг с другом волокнами, проходящими через них по толщине.

Благодаря использованию таких композитных материалов для формирования узла передней кромки удается придать ему исключительно высокую устойчивость к различным возможным ударным воздействиям, а также устранить все проблемы, связанные с расслоением и отставанием, свойственные известным системам.

В соответствии с другими опциональными признаками узла передней кромки согласно изобретению:

- указанная передняя кромка является конструктивной и выполнена из многоосевого монолитного композитного материала, при этом указанная внутренняя перегородка является конструктивной и выполнена из многоосевого монолитного композитного материала; под термином «конструктивный» здесь понимается, что соответствующая деталь является «несущей», то есть выполнена так, чтобы придавать узлу необходимые жесткость и прочность; под термином «неконструктивный» здесь понимается, что соответствующая деталь непригодна для обеспечения таких жесткости и прочности, но, с другой стороны, может выполнять иные функции (аэродинамические, защитные, разделительные); под термином «монолитный» - что различные образующие композитный материал слои (то есть слои, состоящие каждый из волокон, заделанных в смолу) соединены друг с другом без размещения между ними какой-либо прослойки;

- указанная передняя кромка является конструктивной и выполнена из многоосевого монолитного композитного материала, при этом указанная внутренняя перегородка является конструктивной и выполнена из многоосевого слоистого композитного материала; под термином «слоистый» понимается, что между слоями или группами слоев зажаты одна или несколько прослоек, выполненных, например, из материала с сотовой структурой или из пеноматериала);

- указанная передняя кромка является конструктивной и выполнена из многоосевого слоистого композитного материала, при этом указанная внутренняя перегородка является конструктивной и выполнена из многоосевого монолитного композитного материала;

- указанная передняя кромка является конструктивной и выполнена из многоосевого слоистого композитного материала, при этом указанная внутренняя перегородка является конструктивной и выполнена из многоосевого слоистого композитного материала;

- указанная передняя кромка является конструктивной и выполнена из многоосевого слоистого композитного материала, при этом указанная внутренняя перегородка является неконструктивной и выполнена из многоосевого монолитного композитного материала;

- указанная передняя кромка является конструктивной и выполнена из многоосевого слоистого композитного материала, при этом указанная внутренняя перегородка является неконструктивной и выполнена из многоосевого слоистого композитного материала.

Как вариант, можно предусмотреть неконструктивную кромку воздухозаборника из слоистого или монолитного композитного материала, связанную с конструктивной перегородкой согласно ранее рассмотренным вариантам.

Предпочтительно заявленный узел имеет по меньшей мере одну переходную зону между участком из слоистого композитного материала и участком из монолитного композитного материала, отличающуюся тем, что переход осуществляется посредством монолитного наложения с многоосевым тканым переплетением.

Предпочтительно также предусмотреть, чтобы передняя кромка имела толщину, изменяющуюся вдоль ее профиля, а в частности, например, большую толщину в местах с большой кривизной и меньшую толщину у ее концов.

Заявленное изобретение также относится к воздухозаборнику, отличающемуся тем, что он содержит узел передней кромки, выполненный в соответствии с изложенным выше.

Заявленное изобретение также относится к гондоле для двигателя летательного аппарата, отличающейся тем, что она содержит воздухозаборник, выполненный в соответствии с изложенным выше.

Остальные признаки и преимущества изобретения явствуют из нижеследующего описания и рассмотрения приложенных чертежей, на которых:

- фиг.1 представляет собой схематическое изображение в продольном разрезе половины воздухозаборника, известного из уровня техники (см. преамбулу настоящего описания);

- фиг.2-6 - иллюстрации пяти различных вариантов осуществления узла передней кромки согласно заявленному изобретению.

На всех чертежах одинаковые или сходные элементы и группы элементов обозначены одними и теми же номерами позиций.

На фиг.2 показан узел передней кромки согласно изобретению, выполненный, в частности, с возможностью объединения с воздухозаборником гондолы двигателя летательного аппарата.

Как и известный из уровня техники узел передней кромки, описанный ранее, заявленный узел состоит из собственно передней кромки 2 и внутренней продольной перегородки 3, которая ограничивает отделение 5, предназначенное, в частности, для размещения противообледенительных средств (не показаны).

Один из отличительных признаков изобретения состоит в том, что в соответствии с первым вариантом осуществления передняя кромка 2 является конструктивной и выполнена из осевого монолитного композитного материала, при этом внутренняя перегородка 3 является конструктивной и выполнена из многоосевого монолитного композитного материала.

Как было разъяснено выше, это означает, что передняя кромка кроме аэродинамической функции выполняет еще и конструктивную функцию. Кроме того, нагрузки воспринимаются и внутренней перегородкой 3, выполненной соответствующим образом.

Как вариант, можно предусмотреть применение неконструктивной передней кромки, выполняющей функцию только аэродинамического элемента, при этом основная часть нагрузки будет восприниматься перегородкой, выполненной как конструктивная деталь.

Передняя кромка 2 образована в результате наложения одномерных (UD) и/или двумерных (2D) слоев, которые связаны друг с другом волокнами, проходящими через них по их толщине, причем эти волокна укладываются методом сшивания, тканья или плетения.

Волокна, расположенные внутри каждого слоя, а также волокна, обеспечивающие скрепление этих слоев друг с другом, могут быть выполнены, например, из стекла, углерода или кевлара.

Способ изготовления такого многоосевого монолитного композита состоит в сухом соединении слоев посредством сшивания, тканья или плетения с последующим введением смолы в полученный узел с использованием известной технологии инфузии или RTM (от англ. «Resin Transfer Molding»), то есть инжекции в закрытую форму.

Внутреннюю перегородку 3 изготавливают тем же способом и рассчитывают так, чтобы она могла воспринимать действующие нагрузки.

Вариант реализации заявленного изобретения, представленный на фиг.3, отличается от предыдущего тем, что внутренняя перегородка 3, которая и здесь является конструктивной, выполнена из многоосевого слоистого композитного материала.

Это означает, что указанная перегородка имеет прослойку 3а, зажатую между двумя группами слоев 3b и 3c.

Прослойка 3а может быть изготовлена из любого материала с очень хорошим соотношением прочности и веса, в частности из пенопласта или сотовой структуры.

В соответствии с первым вариантом для изготовления этой внутренней перегородки 3 выбирают многоосевые монолитные композитные материалы для формирования каждого из двух слоев 3b, 3c, затем накладывают эти два слоя на прослойку 3a и, наконец, вводят в полученный узел смолу с использованием, например, технологии инфузии или RTM.

В соответствии со вторым вариантом изготовления внутренней перегородки 3, выбирают многослойные монолитные композитные материалы для формирования каждого из двух слоев 3b, 3c, затем закрепляют их по обе стороны прослойки 3a, соединяют все эти элементы посредством сшивания, тканья или плетения и, наконец, вводят в полученный узел смолу с использованием технологии инфузии или RTM.

В соответствии с вариантом осуществления, представленным на фиг.4, на этот раз слоистую структуру, подобную структуре внутренней перегородки 3 согласно варианту по фиг.3, имеет передняя кромка 2.

Эту переднюю кромку 2 рассчитывают таким образом, чтобы обеспечить необходимые жесткость и прочность узла 1 передней кромки.

Следует иметь в виду, что передняя кромка 2 локально может быть многоосевой и монолитной.

В соответствии с рассматриваемым вариантом осуществления внутренняя перегородка 3 выполнена конструктивной монолитной, что способствует достижению исключительно высокой жесткости конструкции передней кромки.

В соответствии с вариантом осуществления, представленным на фиг.5, конструкция передней кромки 2 идентична конструкции, показанной на фиг.4.

Что же касается конструкции внутренней перегородки 3, то она здесь идентична конструкции внутренней перегородки согласно варианту выполнения по фиг.3.

В данном случае, как и в предыдущем, и передняя кромка, и внутренняя перегородка выполняют конструктивную функцию, то есть способствуют получению исключительно высокой жесткости конструкции передней кромки.

В соответствии с вариантом осуществления, представленным на фиг.6, конструкция передней кромки 2 идентична конструкции передних кромок по фиг.4 и 5.

Что касается внутренней перегородки 3, то она выполнена из многоосевого монолитного композитного материала и не выполняет конструктивной функции - соответственно, ее единственное назначение состоит в отграничении отделения 5 для противообледенительных средств от остальной части воздухозаборника.

В соответствии с этим вариантом конструктивная стойкость узла передней кромки обеспечивается, таким образом, практически целиком с помощью одной только передней кромки 2.

Говоря другими словами, это означает, что с конструктивной точки зрения можно было бы вообще обойтись без применения внутренней перегородки 3.

Следует также иметь в виду, что если между участком из слоистого композитного материала и участком из монолитного композитного материала предусмотрена, по меньшей мере, одна переходная зона, то ее предпочтительно выполнить посредством монолитного наложения с многоосевым тканым переплетением.

Совершенно очевидно, что настоящее изобретение никоим образом не ограничивается описанными выше вариантами осуществления, так что вполне можно предусмотреть любые другие комбинации слоистых и монолитных многоосевых композитных материалов.

1. Узел (1) передней кромки, в частности, для воздухозаборника гондолы летательного аппарата, содержащий переднюю кромку (2) и внутреннюю перегородку (3), ограничивающую внутри указанной передней кромки (2) продольное отделение (5), отличающийся тем, что указанная передняя кромка (2) и указанная внутренняя перегородка (3) выполнены из многоосевых композитных материалов.

2. Узел (1) по п.1, отличающийся тем, что указанная передняя кромка является несущей и выполнена из многоосевого монолитного композитного материала, при этом указанная внутренняя перегородка является несущей и выполнена из многоосевого монолитного композитного материала.

3. Узел (1) по п.1, отличающийся тем, что указанная передняя кромка (2) является несущей и выполнена из многоосевого монолитного композитного материала, при этом указанная внутренняя перегородка (3) является несущей и выполнена из многоосевого слоистого композитного материала.

4. Узел (1) по п.1, отличающийся тем, что указанная передняя кромка (2) является несущей и выполнена из многоосевого слоистого композитного материала, при этом указанная внутренняя перегородка (3) является несущей и выполнена из многоосевого монолитного композитного материала.

5. Узел (1) по п.1, отличающийся тем, что указанная передняя кромка (2) является несущей и выполнена из многоосевого слоистого композитного материала, при этом указанная внутренняя перегородка (3) является несущей и выполнена из многоосевого слоистого композитного материала.

6. Узел (1) по п.1, отличающийся тем, что указанная передняя кромка (2) является несущей и выполнена из многоосевого слоистого композитного материала, при этом указанная внутренняя перегородка (3) не является несущей и выполнена из многоосевого монолитного композитного материала.

7. Узел (1) по п.1, отличающийся тем, что указанная передняя кромка (2) является несущей и выполнена из многоосевого слоистого композитного материала, при этом указанная внутренняя перегородка (3) не является несущей и выполнена из многоосевого слоистого композитного материала.

8. Узел (1) по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что он включает в себя по меньшей мере одну переходную зону между участком из слоистого композитного материала и участком из монолитного композитного материала, при этом переход осуществляется посредством монолитного наложения с многоосевым тканым переплетением.

9. Узел (1) по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что передняя кромка имеет толщину, изменяющуюся вдоль ее профиля, в частности, например, большую толщину - в местах с большой кривизной и меньшую толщину - у ее концов.

10. Воздухозаборник, отличающийся тем, что он содержит узел (1) передней кромки по любому из пп.1-9.

11. Гондола для двигателя летательного аппарата, отличающаяся тем, что она содержит воздухозаборник по п.10.