КОМПОЗИТНЫЙ ЗАДНИЙ ЛОНЖЕРОН КЕССОНА КРЫЛА САМОЛЕТА Российский патент 2025 года по МПК B64C3/18 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0001] Изобретение относится к области авиастроения, в частности к конструкции лонжерона кессона крыла самолета, выполненного из полимерного композиционного материал.

[0002] Настоящее изобретение может быть использовано в качестве варианта конструкции крупногабаритного лонжерона кессона крыла самолета, например, крыла широкофюзеляжного дальнемагистрального самолета.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0003] Крыло самолета может включать в себя один или несколько лонжеронов, которые являются одним из основных конструктивных элементов крыла самолета и проходят по всей его длине.

[0004] Во время полета лонжероны могут испытывать изгибающие нагрузки вверх, возникающие за счет подъемных сил, действующих на крыло самолета, и могут реагировать на вертикальные поперечные нагрузки. При нахождении на земле лонжероны могут испытывать изгибающие нагрузки вниз из-за веса крыла самолета и любых элементов внутри крыла самолета или установленных на нем.

[0005] Конструкция лонжерона напрямую зависит от технологии его изготовления. На сегодняшний день существует множество вариантов конструкций лонжеронов кессона крыла самолета.

[0006] Известен вариант композитного лонжерона швелерного сечения одинаковой толщины [RU 2492049 C2, опубл. 10.09.2013].

[0007] Такая конструкция существенно проигрывает лонжеронам с переменной толщиной, также выполненным из полимерных композитных материалов, обеспечивающим снижение массы кессона, что имеет большое значение при проектировании крыла самолета.

[0008] Известен лонжерон кессона крыла самолета, включающий множество слоев композиционного материала, полученных методом диагональной намотки и множество слоев, полученных методом растяжения и/или сжатия [RU 2657645 C2, опубл. 14.06.2018].

[0009] Недостаток данного технического решения заключается в том, что технологическая оснастка включает в себя большое количество составных частей, что ведет к ее удорожанию и увеличивает трудоемкость изготовления деталей.

[0010] Известен лонжерон кессона крыла самолета, выполненный из композитного материала в виде балки с горизонтальными поясами, имеющей множество ребер и элементов жесткости, при этом композитный материал представляет собой углеродные волокна, уложенные с ориентацией 0°/±45°/90° c процентным соотношением слоев, например, 33% в направлении 0, 44% в направлении +45° или -45°, 23% в направлении 90° или 40% в направлении 0, 40% в направлении +45° или -45°, 20% в направлении 90° [US 11001363 B2, опубл. 11.05.2021].

[0011] Недостаток данной конструкции заключается в том, что процесс изготовления лонжерона предполагает совместное отверждение с панелью кессона, что значительно снижает показатель ремонтопригодности такой конструкции. Также конструкция включает в себя применение элементов жесткости (стоек), которые интегрированы в конструкцию в процессе отверждения материала. Это усложняет процесс сборки, потому что в случае возникновения неточностей в процессе изготовления, стойки, часть из которых являются фитингами нервюр, могут сместиться от положения в конструкторской документации, в результате чего сборка крыла может стать неточной.

[0012] Известна интегральная конструкция лонжерона крыла самолета, который включает балку, состоящую из стенки и горизонтальных поясов, и множество усиленных вертикальных стоек, при этом балка и усиленные вертикальные стойки представляют собой слоистые конструкции из композитных материалов, которые образуются путем склеивания и отверждения, толщина стенки балки постепенно уменьшается от центра к двум сторонам симметричным образом [CN 21456611 U, опубл. 02.11.2021].

[0013] Недостаток данного технического решения заключается в том, что интеграция вертикальных стоек в конструкции лонжерона уменьшает технологичность производства, а также уменьшает ремонтопригодность конструкции.

[0014] Также известен композитный внешний лонжерон крыла самолета, выполненный из ткани стекловолокна, содержащий верхний и нижний пояс балки, прямоугольную стенку и стенку L-образной формы, стенка L-образной формы соединена с прямоугольной стенкой и проходит к законцовке крыла, при этом форма сечения лонжерона постепенно меняется с прямоугольной на двутавровую. Конструктивную форму, количество и направление слоев можно регулировать в зависимости от расчетной нагрузки [CN 210971500 U, опубл. 10.07.2020].

[0015] Недостаток данного технического решения заключается в том, что стекловолоконные конструкции из-за низких характеристик материала имеют низкую весовую эффективность по отношению к конструкциям из углеволокна.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0016] Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в снижении общей массы кессона при сохранении его прочностных характеристик.

[0017] Технический результат, достигаемый при реализации заявляемого изобретения, состоит в создании заднего лонжерона кессона крыла большого размаха c переменной толщиной по длине (размаху крыла) из полимерного композиционного материала, что обеспечивает снижение общей массы всей конструкции кессона и повышение удельной прочности и удельной жесткости конструкции кессона.

[0018] Заявляемый технический результат достигается за счет того, что задний лонжерон кессона крыла самолета выполнен в виде балки из полимерного композиционного материала на основе углеродного волокна, состоящей из корневой и концевой части, включающей стенку с верхним и нижним поясами, развернутыми вовнутрь кессона, и состыкованных при помощи титанового фитинга в зоне излома, а стенка концевой части имеет дополнительный излом по нервюре тридцать три кессона крыла, причем укладка полимерного композиционного материала включает в себя от 1 до N пакетов, состоящих из 1 до n слоев с углами укладки 0°/±45/90° с процентным содержанием слоев в укладке: 9,1% в направлении 0°, 72,7% в направлениях ±45°, 18,2% в направлении 90°, при этом в каждом сечении по хорде лонжерон имеет в стенке и поясах одинаковую по направлению укладку слоев полимерного композиционного материала, а стенки и пояса лонжерона имеют переменную толщину по длине.

[0019] Большой процент содержания слоев 45° и -45° в пакете, воспринимающих сдвиговые нагрузки в сечении, обеспечивает высокую весовую эффективность конструкции, т.к. лонжероны преимущественно воспринимают сдвиговые нагрузки.

[0020] Кроме того, в частном случае реализации изобретения, на корневую часть лонжерона установлены кронштейны основной опоры шасси, выполненные из материала ВТ6 и предназначенные для передачи нагрузок с основной опоры шасси на стенку лонжерона.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0021] На чертежах, поясняющих сущность изобретения, изображены:

фиг.1 - общий вид конструкции переднего лонжерона кессона крыла самолета;

фиг.2 - расчетная схема распределения усилий в переднем лонжероне кессона крыла самолета;

[0022] На фигурах цифрами обозначены следующие позиции:

1 - корневая часть;

2 - концевая часть;

3 - верхний пояс лонжерона;

4 - нижний пояс лонжерона;

5 - стенка лонжерона;

6 - перестыковочный фитинг;

7 - верхняя панель кессона.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0022] Осуществление изобретения поясняется приведенным ниже примером реализации с ссылками на чертежи.

[0024] Задний лонжерон кессона крыла самолета (фиг.1) состоит из корневой 1 и концевой 2 части, выполненных в виде балок их полимерного композиционного материала на основе углеродного волокна, имеющих швеллерное сечение.

[0025] Лонжерон изготавливается методом вакуумной инфузии, что обеспечивает упрощение технологического процесса.

[0026] Лонжерон включает стенку 5 с верхним 3 и нижним 4 поясом, развернутыми вовнутрь кессона.

[0027] В качестве армирующего наполнителя композиционного материла используют ленту на основе углеродного волокна, например, РОБОЛЕН® c последующей пропиткой термореактивным связующим и отверждением.

[0028] Укладка лент из углеродного волокна состоит из пакетов от 1 до N, содержащих от 1 до n слоев с углами направления укладки с углами укладки 0°/±45/90° с процентным содержанием слоев в укладке: 9,1% в направлении 0°, 72,7% в направлениях ±45°, 18,2% в направлении 90°.

[0029] Количество пакетов N полимерного композиционного материала и количество слоев n в пакете для формирования необходимой толщины лонжерона подбирается в зависимости от необходимых показателей прочности сечения, при этом толщина стенок 5 и поясов 3 и 4 лонжерона выполнена переменной по длине (размаху крыла) и имеет утолщение в местах установки фитингов навески пилона (на чертежах не показаны). За счет переменной толщины лонжерона по размаху крыла достигается снижение массы конструкции лонжерона, что, как следствие, ведет к повышению показателей удельной прочности и удельной жесткости конструкции.

[0030] В каждом сечении по хорде лонжерон имеет одинаковую укладку слоев полимерного композиционного материала по направлению в стенке 5 и верхнем 3 и нижнем 4 поясах, что обеспечивает симметричность укладки в сечении и исключает возможность образования поводок и коробления в процессе формования лонжерона. Образование поводок и коробления снижает качество конечного изделия, которое становится непригодным для дальнейшего использования.

[0031] Корневая 1 и концевая 2 части соединены между собой в зоне излома стыковочным фитингом 6, изготовленном из титанового сплава ВТ6ч.

[0032] На корневую часть заднего лонжерона 1 установлены кронштейны основной опоры шасси (ООШ) (на чертежах не показаны), выполненные из материала ВТ6 и предназначенные для передачи нагрузок с ООШ на стенку 5 лонжерона.

[0033] Слои укладки полимерного композиционного материала, ориентированные под углом 0°, необходимы для восприятия основной продольной нагрузки. Слои укладки полимерного композиционного материала, ориентированные под углом ±45°, необходимы для восприятия сдвиговой нагрузки. Слои укладки полимерного композиционного материала, ориентированные под углом 90°, необходимы для восприятия поперечной нагрузки и сил внутреннего давления топлива.

[0034] Выбор углов направления укладки слоев лент на основе углеродного волокна и процентное соотношение углов укладки слоев определенного направления оптимизирован в отношении действия сдвиговых сил, что обеспечивает статическую прочность и устойчивость лонжерона, в том числе локальных зон. Выбор оптимальных параметров укладки полимерного композиционного материала для формирования заднего лонжерона крыла большого размера с обеспечением необходимых прочностных характеристик подтвержден экспериментальными данными, в том числе испытаниями конструктивно-подобных образцов на прочность.

[0035] Пояса 3 и 4 лонжерона работают на растяжение и сжатие, воспринимая изгибающий момент. В процессе полета крутящий момент и перерезывающая сила воспринимаются стенкой 5 лонжерона, которая замыкает контур кессона и работает на сдвиг. Применение в укладке заднего лонжерона, заданного процентного содержания продольных слоев в направлении ±45°, позволяет нивелировать существующую разницу в характеристиках композиционного материала при сдвиге.

[0036] Изготовление заявляемого композитного заднего лонжерона кессона крыла самолета с применением полимерных композиционных материалов возможно осуществить с использованием известных средств и методов.

[0037] Для изготовления заявляемого заднего лонжерона кессона крыла самолета применяется метод вакуумной инфузии с последующим отверждением волокнистой заготовки, пропитанной термореактивным олигомерным связующим - смолой, при повышенной температуре в условиях вакуума.

[0038] Метод вакуумной инфузии (инжекции) использует силу вакуумного давления для ввода смолы в преформу. Преформа - сухая заготовка на основе волокнистого композита - изготавливается из нескольких типов армирующего наполнителя, например, однонаправленной ленты, ткани различного плетения, мультиаксиальной непереплетенной ткани. При изготовлении преформ обеспечивается требуемая сложная форма деталей, например, деталей с интегрированными элементами усиления, а также достигается максимальное объемное содержание волокна и требуемые размеры детали.

[0039] Более детально используемый метод вакуумной инфузии раскрыт, например, в патентах RU 2480334 C1 (опубл. 27.04.2013), RU 2480335 C1 (опубл. 27.03.2013), RU 2722530 C1 (опубл. 01.06.2020).

[0040] Процесс изготовления заявляемого заднего лонжерона крыла самолета включает в себя следующие основные технологические операции, которые возможно осуществить с использованием известных средств и методов:

- подготовку оснастки и материала для выкладки лент из углеродного волокна;

- автоматизированную выкладку на оснастке пакетов лент из углеродного волокна с ориентацией слов в укладке в соответствии с заявленной схемой;

- сборку технологического пакета для вакуумной инфузии и контроль герметичности;

- пропитку и формование (вакуумная инфузия) лонжерона на оснастке;

- разборку технологического пакета и снятие изделия с оснастки.

[0041] На фиг.2 приведены расчетная схема распределения нагрузок в лонжероне.

[0042] Задний лонжерон в каждом сечении по хорде имеет одинаковую по направлению укладку пакета N в стенке 5 и верхнем 3 и нижних поясах 4. Пояса 3 и 4 лонжерона воспринимают изгибающий момент крыла, представленный на фиг.2 в виде пар сил P, и работают на растяжение и сжатие. Стенка 5 воспринимает поперечную силу Q и участвует в восприятии крутящего момента M, замыкая контур кессона и работая на сдвиг, представленный на фиг.2, потоком

Изобретение относится к конструкции самолета. Композитный задний лонжерон кессона крыла самолета выполнен в виде балки из полимерного композиционного материала на основе углеродного волокна. Лонжерон включает стенку (5) с верхним (3) и нижним (4) поясами, развернутыми вовнутрь кессона. Укладка полимерного композиционного материала включает в себя от 1 до N пакетов, состоящих из 1 до n слоев с углами укладки 0°/±45/90° с процентным содержанием слоев в укладке: 9,1% в направлении 0°, 72,7% в направлениях ±45°, 18,2% в направлении 90°. В каждом сечении по хорде лонжерон имеет в стенке и поясах одинаковую по направлению укладку слоев полимерного композиционного материала. Стенки и пояса лонжерона имеют переменную толщину по длине. Достигается снижение общей массы всей конструкции кессона и повышение удельной прочности и удельной жесткости конструкции кессона. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Композитный задний лонжерон кессона крыла самолета, выполненный в виде балки из полимерного композиционного материала на основе углеродного волокна, состоящей из корневой и концевой части, включающей стенку с верхним и нижним поясами, развернутыми вовнутрь кессона, и состыкованных при помощи титанового фитинга в зоне излома, а стенка концевой части имеет дополнительный излом по нервюре тридцать три кессона крыла, причем укладка полимерного композиционного материала включает в себя от 1 до N пакетов, состоящих из 1 до n слоев с углами укладки 0°/±45/90° с процентным содержанием слоев в укладке: 9,1% в направлении 0°, 72,7% в направлениях ±45°, 18,2% в направлении 90°, при этом в каждом сечении по хорде лонжерон имеет в стенке и поясах одинаковую по направлению укладку слоев полимерного композиционного материала, стенки и пояса лонжерона имеют переменную толщину по длине.

2. Композитный задний лонжерон кессона крыла самолета по п.1, отличающийся тем, что на корневую часть лонжерона установлены кронштейны ООШ, выполненные из материала ВТ6 и предназначенные для передачи нагрузок с основной опоры шасси на стенку лонжерона.