ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ, СОДЕРЖАЩИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ И ДЕТАЛИ ИЗ КОМПОЗИТНОГО МАТЕРИАЛА Российский патент 2015 года по МПК H01R4/64 B64D45/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение касается электрического оборудования, установленного на борту летательных аппаратов.

Уровень техники

Самолет содержит многочисленное электрическое оборудование или приборы различного назначения. Речь может идти о двигателях или об электронных устройствах, таких как компьютеры.

Среди этого оборудования многие получают питание однофазным электрическим током. Для этого оборудование подключают к положительному полюсу генератора при помощи провода. Что касается соединения с отрицательным полюсом генератора, то его осуществляют посредством соединения другого полюса оборудования с металлической массой самолета, с которой также соединяют отрицательный полюс генератора. Речь идет о цепи так называемых функциональных токов.

Необходимо также предусмотреть отвод возможных аварийных токов, связанных с оборудованием. Ток этого типа является, например, током утечки или током короткого замыкания и может появляться в случае неисправности. Если основная часть самолета выполнена из металла, аварийные токи можно отводить так же, как и функциональные токи, поскольку оборудование соединено с металлическими деталями самолета.

Иначе обстоит дело, если часть самолета выполняют из композитного материала, который содержит матрицу из пластического материала, усиленную неметаллическими волокнами. Действительно, такой материал хуже проводит электрический ток, чем металл.

Чтобы подключить на металлическую массу аппарата оборудование, присутствующее на самолете такого типа, и отводить, таким образом, функциональные токи, каждое оборудование соединяют с этой массой при помощи специального провода. Как известно, для этого предусматривают специальную металлическую сеть, которую на уровне фюзеляжа называют термином «электрическая сеть конструкции» или на английском языке electrical structure network или ESN.

Кроме того, необходимо предусмотреть, чтобы возможный аварийный ток оборудования смог достичь металлической массы. Для этого используют специальную сеть, называемую аварийной металлической сетью или на английском языке metallic bonding network (сеть металлизации) или MBN. Эта сеть частично совпадает с конструктивными металлическими деталями самолета, такими как направляющие кресел, для получения решетки самолета, позволяющей отводить аварийные токи оборудования. В этом контексте, как известно, предусматривают специальные компоненты, такие как металлические полосы на каждом шпангоуте или на каждой поперечной балке самолета, чтобы, несмотря на присутствие композитного материала, обеспечивать электрическую непрерывность между металлическими деталями, которая позволяет отводить аварийные токи через массу самолета.

Однако в совокупности эти металлические элементы образуют сложную решетку и создают много проблем. Так, добавление специальных компонентов приводит к увеличению веса самолета. Оно увеличивает также продолжительность комплекса операций монтажа. Соответственно увеличиваются расходы. Эти элементы усложняют также цепь возврата тока. Наконец, эти элементы требуют специального проектирования, касающегося размерности, обслуживания, коррозии и соединения частей сети ESN между собой.

Сущность изобретения

Настоящее изобретение призвано предложить более простое решение для отвода аварийных токов на борту летательного аппарата, содержащего детали из композитного материала.

В этой связи изобретением предлагается летательный аппарат, который содержит, по меньшей мере, одно электрическое оборудование и деталь из композитного материала, с которой оборудование соединено, при этом летательный аппарат выполнен таким образом, чтобы цепь аварийного тока оборудования проходила через деталь.

Таким образом, отвод возможных аварийных токов оборудования происходит при помощи смешанной сети, выполненной из композитного материала и металла. Металлическая часть сети соответствует металлической массе летательного аппарата. Речь идет о главной сети. Деталь или детали из композитного материала образуют сеть доставки, позволяющую направлять аварийный ток к этой главной сети. Таким образом, сами детали из композитного материала служат для отвода аварийных токов оборудования. Изобретение исходит из того, что электрические свойства композитных материалов на борту летательных аппаратов не позволяют им отводить функциональные токи на массу летательного аппарата, но зато позволяют отводить аварийные токи. Реализация изобретения не требует добавления большого числа специальных компонентов. Она не приводит к чрезмерному увеличению веса или к значительному увеличению продолжительности операций монтажа. Расходы существенно не увеличиваются, и цепь возврата тока не становится сложной. Наконец, нет необходимости в вышеуказанном специальном проектировании для соединения между собой частей сети ESN.

Предпочтительно летательный аппарат содержит, по меньшей мере, один контактный орган, соединенный к оборудованию и смонтированный с деталью при помощи плотной посадки органа в детали.

Таким образом, обеспечивают хорошее электрическое соединение оборудования с деталью из композитного материала для нормального отвода аварийных токов. В частности, эта посадка позволяет свести к минимуму и даже практически делает ничтожным контактное сопротивление между органом и деталью, что облегчает отвод аварийных токов через деталь из композитного материала.

Предпочтительно контактный орган проходит в отверстии детали, при этом диаметр v органа и диаметр е отверстия отвечают следующему условию:

(ν-е)/ν≥0,0025.

Такое соотношение между диаметрами обеспечивает ничтожность контактного сопротивления.

Предпочтительно композитный материал содержит пластический материал, усиленный углеродными волокнами.

Предпочтительно цепь аварийного тока содержит в большей части, по отношению к длине цепи, металлические детали летательного аппарата.

Таким образом, сеть в основной части состоит из металлических элементов, в частности конструктивных элементов летательного аппарата, что обеспечивает ей минимально возможное электрическое сопротивление ячейки.

Предпочтительно число электрического оборудования и деталей из композитного материала равно по меньшей мере двум, при этом летательный аппарат содержит металлическую конструкцию, соединенную с деталями из композитного материала таким образом, чтобы цепь аварийного тока каждого оборудования проходила через связанную с ним деталь и металлическую конструкцию, не проходя через деталь, связанную с каждым другим оборудованием.

Предпочтительно летательный аппарат содержит устройство контроля, выполненное с возможностью обнаружения аварийного тока, связанного с оборудованием.

Это устройство позволяет предохранять оборудование от возможных последствий появления аварийного тока.

Предпочтительно устройство выполнено с возможностью отключения питания током оборудования, когда оно обнаруживает аварийный ток, связанный с оборудованием.

Предпочтительно устройство контроля является частью оборудования.

Таким образом, устройство предназначено для оборудования. В случае появления аварийного тока оно может изолировать оборудование, не останавливая работу другого оборудования. Кроме того, оно не требует специальной операции монтажа на конвейере.

Объектом изобретения является также способ выполнения летательного аппарата, в котором электрическое оборудование летательного аппарата соединяют с деталью из композитного материала и летательный аппарат выполняют таким образом, чтобы цепь аварийного тока оборудования проходила через деталь.

Предпочтительно с оборудованием соединяют, по меньшей мере, один контактный орган и контактный орган соединяют с деталью при помощи плотной посадки органа на детали.

Краткое описание чертежей

Другие отличительные признаки и преимущества настоящего изобретения будут более очевидны из нижеследующего описания варианта выполнения и его версии, представленных в качестве не ограничительных примеров, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 - вид в перспективе самолета в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.2 - электрическая схема подключения оборудования на борту самолета, показанного на фиг.1.

Фиг.3 - вид оборудования и его соединения с частью конструкции самолета, показанного на фиг.1.

Фиг.4 - вид соединения в разрезе по плоскости IV-IV фиг.3.

Фиг.5 - кривые, показывающие изменение сопротивления связи в зависимости от взаимодействия двух материалов.

Фиг.6 - электрическая схема, иллюстрирующая в варианте принцип устройства контроля.

Фиг.7 - электрическая схема подключения оборудования, содержащего это устройство контроля.

Подробное описание

На фиг.1 показан летательный аппарат в соответствии с настоящим изобретением. В данном случае речь идет о летательном аппарате тяжелее воздуха, в частности о самолете. Самолет 2 содержит фюзеляж 4, два крыла 6 с установленными на них соответствующими двигателями 8, а также хвостовое оперение 10.

Самолет 2 содержит на борту множество электрического оборудования, представляющего собой самые разные устройства и приборы. Речь идет, например, о двигателях или электронных устройствах, таких как вычислители. Одно из такого оборудования 12 показано на фиг.3.

Конструкция самолета содержит конструктивные детали из металла, такие как направляющая 14 кресел, показанная на фиг.3. Самолет содержит также конструктивные детали из композитного материала, такие как поперечная балка 16, показанная на этой же фигуре.

В данном случае под композитным материалом следует понимать соединение, по меньшей мере, двух материалов, не смешивающихся друг с другом, но обладающих способностью сильного сцепления. Композитный материал содержит каркас или усиление, которое обеспечивает его механическую прочность, и защитную матрицу. В данном случае матрица является пластическим материалом, а усиление образовано углеродными волокнами. Таким образом, материал является пластическим материалом, усиленным углеродными волокнами. Направляющая 14 опирается на поперечную балку 16 и расположена перпендикулярно к ней, будучи закрепленной на этой балке при помощи конструктивного соединительного элемента 18.

На фиг.2 показана электрическая схема подключения оборудования 12 к генератору 20 тока на борту самолета 2. В данном случае речь идет об однофазном генераторе. Оборудование 12, символически показанное на схеме своим сопротивлением ZI, подключено к положительному полюсу генератора через проводник, такой как провод 22, имеющий сопротивление Rf. Кроме того, он соединен в направлении отрицательного полюса генератора проводником заземления, таким как провод 24, имеющий сопротивление Rg. В свою очередь, этот провод подсоединен к сети ESN 26 самолета, которая на пути возврата функционального тока оборудования 12 имеет сопротивление Rr. Эти элементы образуют цепь заземления оборудования 12 для возврата функциональных токов, при этом цепь показана на фиг.2 сплошной линией и обозначена позицией 28. Речь идет о нормальном пути, по которому следует электрический ток, выдаваемый генератором 20 и питающий оборудование 12 во время его нормальной работы.

На фиг.2 показана ветвь 30, проходящая параллельно ветви 32, на которой последовательно подключены оборудование 12 и провод 24. Ветвь 30 иллюстрирует возможность короткого замыкания, символически показанного подключенным на ней выключателем 34. Во время такого короткого замыкания ток от положительного полюса генератора 20, по меньшей мере, частично проходит через ветвь 30, затем через этот выключатель в замкнутом положении и следует по цепи аварийного тока, проходящей через узел 36, символически показанный в виде сопротивления Rb, затем через сеть ESN 26.

В данном случае, как показано на фиг.3, элемент 36 представляет собой соединение оборудования 12 с деталью 16 из композитного материала при помощи провода 40, который, в свою очередь, соединен с металлическим элементом 42, таким как пластина, закрепленная на детали 16. Это крепление осуществляют при помощи нескольких металлических органов, таких как винты 43, каждый из которых проходит через пластину 42 и проникает в деталь 16.

Как показано на фиг.4, осуществляют плотную посадку каждого винта 43 в деталь 16. Для этого в данном случае винт 43 содержит на своем стержне гладкий цилиндрический участок, входящий в контакт с деталью 16. В данном случае резьба 45 выполнена только на части стержня винта, а именно на его дистальном концевом участке. Винт заходит в калиброванное отверстие 41 детали 16, выполненное до установки винта. Диаметр v винта 43 и диаметр е отверстия отвечают следующему отношению:

(ν-е)/ν≥0,0025

Такая плотная посадка позволяет создать давление между стороной стержня винта и стороной отверстия детали из композитного материала. Таким образом, создают радиальное давление между винтом и деталью, чтобы получить контактное давление между винтом и отверстием, которое превышает 100 МПа. Этот порог обеспечивает, по существу, постоянное и минимальное электрическое сопротивление контакта между винтом и деталью.

Значение 0,0025 позволяет сделать ничтожным контактное сопротивление. Еще лучших результатов можно добиться, продолжая уменьшать контактное сопротивление, сделав минимальное значение равным 0,0030 и даже 0,0035. Естественно, с другой стороны, предпочтительно ограничить соотношение (ν-е)/ν таким образом, чтобы оно не превышало, например, 0,0083, чтобы не превышать механические возможности пластического материала.

На фиг.5 показаны две экспериментальные кривые, показывающие на оси ординат изменение сопротивления связи или сопротивления контакта в зависимости от затягивания соединения между винтом и соответствующим отверстием, которое его принимает. На оси абсцисс показана величина (ν-е)/ν, обозначаемая термином «взаимодействие» и измеряемая в процентах. Верхняя кривая 37 показывает результаты испытаний на термопластическом материале, тогда как нижняя кривая 38 касается термопластического материала. Отмечается, что, начиная от значения взаимодействия 0,25%, сопротивление связи остается ниже 5 мОм для обоих материалов.

Таким образом, оборудование 12 оказывается электрически соединенным с деталью 16, которая соединена через направляющую 14 с сетью ESN 26 самолета. Элемент 36, показанный на цепи на фиг.2, в данном случае образован проводом 40, пластиной 42, винтами 43 и участком детали 16, через который, в случае необходимости, может проходить аварийный ток.

Таким образом, при наличии короткого замыкания, символически показанного замыканием выключателя 34, ток больше не проходит по ветви 32, а проходит по ветви 30. Таким образом, аварийный ток отводится через цепь, проходящую, в частности, через деталь 16 из композитного материала. Эта цепь 44 аварийного тока показана на фиг.2 пунктирной линией.

В версии, показанной на фиг.6 и 7, можно предусмотреть защиту оборудования 12 от аварийных токов при помощи устройства 46 контроля. Состав и работа такого устройства показаны на фиг. 6 для случая питания трехфазным током. Однако принцип остается таким же, как и при питании однофазным током. Так, ветвями 48, 50 и 52 показаны три вывода А, В и С бортового источника питания трехфазным током. Устройство 46 содержит тор 54, через который проходят эти три ветви. Источник 20 питания однофазным током показан с его положительным полюсом, обозначенным ветвью х1, тогда как масса показана в виде ветви х2. Устройство 46 содержит центральный модуль 47 управления, обмотку 56 вокруг тора 54, соединенную с модулем 47 и с массой, и катушку 58, соединенную с источником 20 питания и с модулем 47. Когда на эту катушку подают ток, она приводит в действие выключатели 60, расположенные на каждой из ветвей А, В и С и обеспечивающие прерывание тока в каждой из них.

В режиме нормальной работы, то есть в сбалансированном трехфазном режиме, сумма токов, циркулирующих в фазах А, В и С, является нулевой. Следовательно, в торе 54 отсутствует какой-либо магнитный поток. Выключатели 60 остаются, таким образом, замкнутыми.

В случае неисправности, например, если на уровне нагрузки, питаемой этим трехфазным током, возникает короткое замыкание, сумма токов в фазах А, В и С больше не равна нулю, поэтому в торе 54 появляется магнитный поток. Этот поток генерирует ток в обмотке 56, который передается на модуль 47. Этот модуль включает питание током катушки 58 для размыкания выключателей 60, которые прерывают циркуляцию тока в ветвях А, В и С.

Устройство 46 содержит тестовую ветвь, проходящую параллельно ветви, питающей катушку 58. Тестовая ветвь соединена с ветвью х1 источника питания 20 и содержит кнопку 61 и обмотку 62 вокруг тора 54. Эта обмотка также связана с массой. При нажатии на кнопку 61 обмотка 62 начинает получать питание током от генератора 20, что приводит к появлению магнитного потока в торе 54 и к появлению тока в обмотке 56. Как и в предыдущем случае, ток прерывается в каждой из ветвей А, В и С.

На фиг.7 этот принцип показан для подключения оборудования 12. Это оборудование получает питание током от положительного полюса генератора 20 через провод 22, имеющий сопротивления Rf1 и Rf2.

В режиме нормальной работы ток отводится на массу самолета через провод 24 с сопротивлениями Rg1 и Rg2. На каждом из проводов 22 и 24 установлено устройство 46 контроля. При наличии аварийного тока ток больше не проходит через провод 22, а проходит через цепь аварийного тока, содержащую элемент 36 с сопротивлением Rb.

Устройство 46 контроля содержит выключатель 60 для каждого из проводов 22 и 24. В режиме нормальной работы эти два выключателя замкнуты, поэтому провода 22 и 24 пропускают ток. В случае неисправности ток проходит через цепь аварийного тока провода 36, что приводит к разбалансировке токов, проходящих через провода 22 и 24. Как следствие, устройство 46 контроля вызывает размыкание двух выключателей 60, прерывая, таким образом, любое соединение оборудования 12 с генератором. Таким образом, оборудование 12 оказывается защищенным.

Принцип, представленный на фиг.6, можно применять для любого варианта питания током, то есть для питания переменным током или постоянным током.

Расчет размерности различных элементов, в частности, калибра выключателей 60, будет зависеть от сопротивления Rb, которое, в свою очередь, связано с качеством контактного сопротивления между винтом 43 и деталью 16 и с сопротивлением этой детали, которое тоже является важной величиной для прохождения тока в композитный материал.

Данное решение должно также постоянно обеспечивать циркуляцию относительно большого тока.

Например, устройство 46 можно расположить на уровне контакторов путей питания оборудования, в состав которого входит оборудование 12. Однако недостатком этого варианта выполнения является отключение электрического питания от всего оборудования, связанного с одним и тем же контактором, когда в одном из оборудования появляется аварийный ток.

Поэтому предпочтительно предусматривать функциональное действие устройства 46 на уровне каждого оборудования. Следовательно, можно предусмотреть устройство контроля, предназначенное для каждого оборудования с целью его защиты от токов перегрузки. Например, это устройство контроля можно выполнить в виде силового контактора твердого тела или solid state power contact.

Понятно, что каждое из оборудования самолета можно соединить с деталью 16, отличной от детали, с которой соединено, по меньшей мере, одно другое оборудование самолета, и даже предназначенной только для этого оборудования, причем это оборудование использует одну сеть ESN.

Как следует из вышесказанного, изобретение позволяет избежать усложнения сети возврата аварийного тока.

Разумеется, в изобретение можно вносить разнообразные изменения, не выходя за его рамки.

Органы 43 крепления могут быть отличными от винтов: речь может идти о болтах, шпильках, заклепках и т.д. Точно так же можно предусмотреть плотную посадку непосредственно между деталями 42 и 16.

Изобретение относится к электрическому оборудованию, установленному на борту летательного аппарата, а более конкретно к отводу возможных аварийных токов, связанных с оборудованием. Технический результат заключается в более простом решении для отвода аварийных токов за счёт наличия на борту летательного аппарата деталей из композитного материала. Летательный аппарат содержит, по меньшей мере, одно электрическое оборудование (12) и деталь (16) из композитного материала, с которой соединено оборудование. Летательный аппарат выполнен таким образом, что цепь аварийного тока оборудования проходит через деталь. 7 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Летательный аппарат, содержащий, по меньшей мере, одно электрическое оборудование и деталь из композитного материала, с которой оборудование соединено, при этом летательный аппарат выполнен таким образом, что цепь аварийного тока оборудования проходит через деталь, причем большая часть длины цепи аварийного тока содержит конструктивные детали летательного аппарата, которые выполнены из металла.

2. Летательный аппарат по п.1, который содержит, по меньшей мере, один контактный орган, соединенный к оборудованию и смонтированный с деталью при помощи плотной посадки органа в детали.

3. Летательный аппарат по п.2, в котором контактный орган проходит в отверстии детали, при этом диаметр ν органа и диаметр е отверстия отвечают следующему условию:
(ν-e)/ν≥0,0025.

4. Летательный аппарат по п.1, в котором композитный материал содержит пластический материал, усиленный углеродными волокнами.

5. Летательный аппарат по п.1, в котором число электрического оборудования и деталей из композитного материала равно по меньше мере двум, при этом летательный аппарат содержит металлическую конструкцию, соединенную с деталями из композитного материала таким образом, что цепь аварийного тока каждого оборудования проходит через связанную с ним деталь и металлическую конструкцию, не проходя через деталь, связанную с каждым другим оборудованием.

6. Летательный аппарат по п.1, который содержит устройство контроля, выполненное с возможностью обнаружения аварийного тока, связанного с оборудованием.

7. Летательный аппарат по п.6, в котором устройство выполнено с возможностью прерывания питания током оборудования, когда оно обнаруживает аварийный ток, связанный с оборудованием, при этом прерывание питания происходит посредством выключателя.

8. Летательный аппарат по п.6, в котором устройство контроля является частью оборудования.