КОМПОЗИТНЫЙ РУЛЬ НАПРАВЛЕНИЯ САМОЛЕТА Российский патент 2025 года по МПК B64C5/02 B64C9/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0001] Изобретение относится к области авиастроения, а именно, к элементам вертикального оперения самолета, в частности к рулю направления, выполненного из композиционного полимерного материала.

[0002] Настоящее изобретение может применяться в конструкции вертикального оперения широкофюзеляжного дальнемагистрального самолета.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0003] Из уровня техники известен руль направления самолета, который представляет собой конструкцию, изготовленную из композиционных материалов, и содержащую балку (лонжерон), первую концевую нервюру, вторую концевую нервюру, промежуточные нервюры и обшивку. Первая концевая нервюра внутренней стороной приклеена к одному концу балки, внутренняя сторона стенки второй концевой нервюры приклеена к другому концу балки, а передняя кромка промежуточной нервюры приклеена к средней части балки. Законцовка руля приклеена к внешней стороне стенки второй концевой нервюры. Поперечное сечение балки, первой концевой нервюры, второй концевой нервюры и промежуточной нервюры представляет собой желобчатую конструкцию [CN109625245A, дата публикации 16.04.2019].

[0004] Недостаток руля направления самолета заключается в том, что использование данной конструкции не позволяет создать руль направления больших размеров для широкофюзеляжных дальнемагистральных самолетов.

[0005] Из уровня техники известна конструкция руля направления самолета из композитных сэндвич-панелей, содержащая верхнюю стеновую панель, нижнюю стеновую панель и полосу задней кромки, выполненную из композитного материала. При этом верхняя панель состоит из внешней обшивки панели, внутренней обшивки и сердечника жесткого пенопласта, сформированных в одно целое. Сердечник из жесткого пенопласта расположен между внешней обшивкой и внутренней обшивкой в середине верхней стеновой панели, таким образом, что внешняя обшивка верхней панели является плоской, внутренняя обшивка выступает внутрь. Передний край верхней панели имеет первую соединительную дугу, задний край верхней стенки представляет собой удлиненную плоскую пластину, а нижняя стенка также образована как единое целое из внешней обшивки, внутренней обшивки и сердцевины из жесткого пенопласта. Сердечник из жесткого пенопласта расположен посередине нижней стенки, внешняя панель нижней стеновой панели плоская, внутренняя панель выступает внутрь, передний край нижней стеновой панели имеет вторую соединительную дугу [CN109606637A, дата публикации 12.04.2019].

[0006] Недостаток конструкции заключается в том, что ее применение не оптимально с точки зрения весовой эффективности агрегата широкофюзеляжного дальнемагистрального самолета.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0007] Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в создании конструкции руля направления большого размера из полимерного композиционного материала для применения при проектировании широкофюзеляжного дальнемагистрального самолета.

[0008] Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, заключается в получении руля направления больших размеров и сложной формы из полимерного композиционного материла с высокими показателями прочности и устойчивости, снижении массы и повышении эффективности конечного изделия.

[0009] Заявляемый технический результат достигается за счет того, что композитный руль направления самолета включает в себя передний лонжерон в виде балки швеллерного сечения и задний лонжерон в виде балки Z-образного сечения, выполненные из полимерных композиционных материалов на основе лент углеродного волокна, левую и правую интегральную стрингерную панель, выполненные из полимерных композиционных материалов на основе лент углеродного волокна, набор нервюр, включающий корневую нервюру и промежуточные нервюры, выполненные из полимерного композиционного материала, и концевую нервюру, выполненную из алюминиевого сплава, диафрагмы, выполненные из полимерного композиционного материала, лобовики, выполненные из полимерного композиционного материала, которые крепятся к диафрагмам по передней кромке, при этом передний лонжерон, задний лонжерон, левая и нижняя панели выполнены с укладкой полимерного композиционного материала, включающей от 1 до N пакетов, состоящих от 1 до n слоев с углами направления укладки 0°/±45º/90º, с процентным содержанием слоев в укладке: 38,88% в направлении 0°, 38,88% в направлениях ±45°, 11,11% в направлении 90º, причем передний лонжерон по длине имеет участки различной толщины.

[0010] Кроме того, в частном случае реализации изобретения нервюры стыкуются с лонжеронами с помощью уголков, выполненных из титанового сплава посредством титановых болтов.

[0011] Кроме того, в частном случае реализации изобретения нервюры стыкуются с правой и левой панелью при помощи заклепок с высоким сопротивлением срезу с корпусом из титанового сплава.

[0012] Кроме того, в частном случае реализации изобретения лобовики соединяют с верхней и нижней панелью болтами из коррозионно-стойкой стали через металлические ленты.

[0013] Кроме того, в частном случае реализации изобретения нервюры №1-18 имеют швеллерное сечение, торцевая нервюра №19 имеет двутавровое сечение.

[0014] Кроме того, в частном случае реализации изобретения на торцевую нервюру №19 крепится законцовка, представляющая собой оболочку из полимерного композиционного материала без каркаса.

[0015] Кроме того, в частном случае реализации изобретения правая и левая панель по задней кромке стыкуются между собой при помощи сухаря, изготовленного из стеклотекстолита.

[0016] Кроме того, в частном случае реализации изобретения по корневой нервюре установлен сухарь, выполненный из стеклотекстолита, закрывающий зазор между панелями в хвостовой части по корневой части руля.

[0017] Кроме того, в частном случае реализации изобретения руль направления дополнительно включает девять кронштейнов навески и три кронштейна привода, выполненные из алюминиевого сплава, закрепленные на переднем лонжероне с помощью болтов из коррозионно-стойкой стали,

[0018] Кроме того, в частном случае реализации изобретения стрингеры левой и правой панелей имеют тавровое сечение и расположены на панелях с шагом 140 мм.

[0019] Кроме того, в частном случае реализации изобретения панели и лонжероны выполнены методом вакуумной инфузии.

[0020] Кроме того, в частном случае реализации изобретения промежуточные нервюры имеют пазы под стрингеры левой и правой панели.

[0021] Кроме того, в частном случае реализации изобретения руль направления имеет длину 10840 мм по передней кромке, максимальную величину хорды 2574 мм, минимальную величину хорды 1106 мм, максимальную строительную высоту 520 мм.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0022] На чертежах, поясняющих сущность изобретения, изображены:

фиг.1 – конструкция руля направления в разборе

фиг.2 – поперечное сечение руля направления

фиг.3 – общий виду руля направления

[0023] На фигурах цифрами обозначены следующие позиции:

1 – передний лонжерон;

2 – задний лонжерон;

3 – правая стрингерная панель;

4 – левая стрингерная панель;

5 – нервюры;

6 – диафрагмы;

7 – лобовики;

8 – слой молниезащиты;

9 – сухарь для стыковки панелей;

10 – сухарь корневой нервюре;

11 – алюминиевые ленты;

12 – кронштейны навески;

13 – кронштейны приводов;

14 – законцовка руля направления.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0024] Осуществление изобретения поясняется приведенным ниже примером реализации с ссылками на чертежи.

[0025] Руль направления - орган управления, предназначенный для управления самолетом по углу рысканья.

[0026] Руль направления, предназначенный для использования в конструкции широкофюзеляжного дальнемагистрального самолета, имеет длину 10840 мм по передней кромке, максимальную величину хорды 2574 мм, минимальную величину хорды 1106 мм, максимальную строительную высоту – 520 мм.

[0027] Руль направления (фиг.1) включает в себя продольные силовые элементы в виде переднего лонжерона 1 и заднего лонжерона 2, силовые стрингерные панели – правая 3 и левая 4 и набор поперечных элементов жесткости – 19 (девятнадцать) нервюр 5 (№1 - №19) и 23 (двадцать три) диафрагмы 6, лобовики 7, которые крепятся к диафрагмам 6 с образованием передней кромки руля направления.

[0028] Передний лонжерон 1 выполнен в виде балки монолитной конструкции швеллерного сечения из полимерного композиционного материала, полки переднего лонжерона направлены вперёд по направлению полёта. Полки переднего лонжерона 1 сжатием и растяжением воспринимают изгибающий момент. Стенка переднего лонжерона 1 воспринимает перерезывающую силу и образует с силовыми панелями 3 и 4 замкнутый контур, воспринимающий крутящий момент.

[0029] В качестве армирующего наполнителя композиционного материла для изготовления переднего лонжерона используют ленту на основе углеродного волокна, например, РОБОЛЕН^® c последующей пропиткой термореактивным связующим и отверждением.

[0030] Укладка лент из углеродного волокна состоит из N пакетов со слоями n с углами направления укладки 0°/±45°/90º с процентным содержанием слоев в укладке: 38,88% в направлении 0°, 38,88% в направлениях ±45°, 11,11% в направлении 90º. Количество и ориентация укладки слоёв подобрана на основании выбранных критериев прочности для передачи действующих нагрузок.

[0031] Количество пакетов от 1 до N и слоев от 1 до n в укладке композиционного материала для формирования необходимой толщины переднего лонжерона 1 подбирается в зависимости от необходимых показателей прочности сечения, при этом по длине лонжерона участок между нервюрой №2 и нервюрой №14 имеет толщину больше, чем участки между нервюрой №1 и №2 и нервюрой №14 и №19, что обеспечивает соответствие конструкции выбранным критериям прочности.

[0032] Передний лонжерон 1 руля направления изготавливают методом вакуумной инфузии, что обеспечивает предъявленные к детали требования прочности и технологичности конструкции при существенных габаритах изделия.

[0033] Задний лонжерон 2 руля направления в основном выполняет роль стрингера для обеих силовых панелей 3 и 4 одновременно, конструктивно выполнен из монолитного полимерного композиционного материала и имеет Z-образное сечение для увеличения жесткости панелей 3 и 4, не подкрепленных в этой зоне стрингерами.

[0034] В качестве армирующего наполнителя композиционного материла для изготовления заднего лонжерона 2 используют ленту на основе углеродного волокна, например, РОБОЛЕН^® c последующей пропиткой термореактивным связующим и отверждением.

[0035] Укладка лент из углеродного волокна состоит из N пакетов со слоями n с углами направления укладки 0°/±45º/90º с процентным содержанием слоев в укладке: 38,88% в направлении 0°, 38,88% в направлениях ±45°, 11,11% в направлении 90º. Количество и ориентация укладки слоёв подобрана на основании выбранных критериев прочности для передачи действующих нагрузок.

[0036] Количество пакетов N и слоев n в укладке композиционного материала для формирования необходимой толщины заднего лонжерона 2 подбирается в зависимости от необходимых показателей прочности сечения.

[0037] Задний лонжерон 2 изготавливают методом вакуумной инфузии, что обеспечивает предъявленные к детали требования прочности и технологичности конструкции при существенных габаритах изделия.

[0038] Правая 3 и левая 4 силовые панели руля направления аналогичны друг другу. Конструктивно панели 3 и 4 руля направления представляет собой интегральную стрингерную панель, изготовленную из полимерного композиционного материала методом вакуумной инфузии.

[0039] В качестве армирующего наполнителя композиционного материла для изготовления силовых панелей 3 и 4 используют ленту на основе углеродного волокна, например, РОБОЛЕН^® c последующей пропиткой термореактивным связующим и отверждением.

[0040] Укладка лент из углеродного волокна состоит из пакетов от 1 до N со слоями от 1 до n с углами направления укладки 0°/±45º/90º с процентным содержанием слоев в укладке: 38,88% в направлении 0°, 38,88% в направлениях ±45°, 11,11% в направлении 90º, что обеспечивает предъявленные к детали требования прочности и технологичности конструкции при существенных габаритах изделия.

[0041] Количество пакетов от 1 до N и слоев от 1 до n в укладке композиционного материала для формирования необходимой толщины панелей 3 и 4 подбирается в зависимости от необходимых показателей прочности сечения.

[0042] На внешней поверхности панелей 3 и 4 со стороны теоретического контура приформован слой молниезащиты 8 в виде медной сетки.

[0043] Стрингеры панелей 3 и 4 руля направления имеют тавровое сечение и расположены на панели с шагом 140 мм.

[0044] Поперечный силовой набор включает 17 (семнадцать) типовых (промежуточных) нервюр 5 швеллерного сечения, выполненных из полимерного композиционного материала, в полках которых выполнены вырезы под стрингеры силовых панелей 3 и 4, корневую нервюру швеллерного сечения, выполненную из полимерного композиционного материала, концевую нервюру двутаврового сечения, выполненную из алюминиевого сплава 1163Т. Также в поперечный силовой набор входят диафрагмы 6 монолитной и сборной конструкции, выполненные из полимерного композиционного материала.

[0045] Нервюры 5 стыкуются с лонжеронами 1 и 2 с помощью уголков 9, выполненных из титанового сплава ОТ4 через титановые болты (на чертежах не показаны). К силовым панелям 3 и 4 нервюры 5 крепятся с помощью заклепок с высоким сопротивлением срезу (ЗВСС) с корпусом из титанового сплава (на чертежах не показаны).

[0046] Для стыковки правой 3 и левой 4 панели по задней кромке используется сухарь 10, изготовленный из стеклотекстолита, закрывающий зазор между панелями 3 и 4 в хвостовой части по корневой части руля.

[0047] К диафрагмам 6 крепятся съемные лобовики 7, включающие 19 (девятнадцать) элементов, выполненные из полимерного композиционного материала, образующие переднюю кромку руля направления. Лобовики 7 соединяется с панелями 3 и 4 болтами из коррозионно-стойкой стали через алюминиевые ленты 11.

[0048] На передний лонжерон 1 с помощью болтов из коррозионно-стойкой стали (на чертежах не показано) установлены девять кронштейнов навески 13 и три кронштейна привода 14, выполненные из алюминиевого сплава.

[0049] По местам контакта узлов из полимерного композиционного материала с деталями из алюминиевых сплавов расположен изолирующий слой стеклоткани (не чертежах не показан) для защиты от коррозии.

[0050] На торцевую нервюру руля направления с помощью болтов (на чертежах не показано) устанавливается законцовка 14, выполненная из полимерного композиционного материла без каркаса.

[0051] Руль направления крепится к килю на девяти кронштейнах навески 12, управление осуществляется тремя кронштейнами привода 13. Стрингерные панели 3, 4 руля направления – силовой элемент конструкции, который воспринимает сосредоточенные усилия в местах установки узлов навески и работает в условиях сложнонапряженного состояния. Нервюры 5 передают перерезывающую силу и подкрепляет панели 3,4 для обеспечения их устойчивости. Диафрагма 1 и законцовка 14, установленные по торцам, обеспечивают герметичность конструкции.

[0053] 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.

[0054] Более детально используемый метод вакуумной инфузии раскрыт, например, в патентах RU2480334C1 (дата публикации 27.04.2013), RU2480335C1 (дата публикации 27.03.2013), RU 2 722 530 C1 (дата публикации 01.06.2020).

[0055] Процесс изготовления панелей и лонжерона 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 слоев 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.

[0056] Каждая деталь из полимерного композиционного материала, входящая в состав руля направления, изготавливается отдельно. Затем изготовленные таким образом детали механически собираются между собой и с другими деталями с получением конечного изделия.

Изобретение относится к области авиастроения, в частности к рулю направления, который может найти применение в конструкции оперения самолета, а именно в конструкции оперения широкофюзеляжного дальнемагистрального самолета. Композитный руль направления самолета включает в себя передний лонжерон в виде балки швеллерного сечения и задний лонжерон в виде балки Z-образного сечения, выполненные из полимерных композиционных материалов на основе лент углеродного волока. Левую и правую интегральную стрингерную панель, выполненные из полимерных композиционных материалов на основе лент углеродного волокна, набор нервюр, включающий корневую нервюру и промежуточные нервюры, выполненные из полимерного композиционного материала, и концевую нервюру, выполненную из алюминиевого сплава. Диафрагмы, выполненные из полимерного композиционного материала, лобовики, выполненные из полимерного композиционного материала, которые крепятся к диафрагмам по передней кромке. При этом передний лонжерон, задний лонжерон, левая и нижняя панели выполнены с укладкой лент от 1 до N пакетов со слоями от 1 до n и углами направления укладки 0°/±45°/90° с процентным содержанием слоев в укладке: 38,88% в направлении 0°, 38,88% в направлениях ±45°, 11,11% в направлении 90°, причем передний лонжерон по длине имеет участки различной толщины. Технический результат – получение руля направления больших размеров и сложной формы, с высокими показателями прочности и устойчивости, снижение массы и эффективности конечного изделия. 12 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Композитный руль направления самолета, включающий в себя передний лонжерон в виде балки швеллерного сечения и задний лонжерон в виде балки Z-образного сечения, выполненные из полимерных композиционных материалов на основе лент углеродного волокна, левую и правую интегральную стрингерную панель, выполненные из полимерных композиционных материалов на основе углеродного волокна, набор нервюр, включающий корневую нервюру, промежуточные нервюры, выполненные из полимерного композиционного материала, и концевую нервюру, выполненную из алюминиевого сплава, диафрагмы, выполненные из полимерного композиционного материала, лобовики, выполненные из полимерного композиционного материала, которые крепятся к диафрагмам по передней кромке, при этом передний лонжерон, задний лонжерон, левая и правая панели выполнены с укладкой полимерного композиционного материала, включающей от 1 до N пакетов, состоящих от 1 до n слоев с углами направления укладки 0°/±45°/90°, с процентным содержанием слоев в укладке: 38,88% в направлении 0°, 38,88% в направлениях ±45°, 11,11% в направлении 90°, причем передний лонжерон по длине имеет участки различной толщины.

2. Руль направления по п.1, отличающийся тем, что нервюры стыкуются с лонжеронами с помощью уголков, выполненных из титанового сплава посредством титановых болтов.

3. Руль направления по п.1, отличающийся тем, что нервюры стыкуются с правой и левой панелью при помощи заклепок с высоким сопротивлением срезу с корпусом из титанового сплава.

4. Руль направления по п.1, отличающийся тем, что лобовики соединяют с верхней и нижней панелью болтами из коррозионно-стойкой стали через металлические ленты.

5. Руль направления по п.1, отличающийся тем, что нервюры №1-18 имеют швеллерное сечение, торцевая нервюра №19 имеет двутавровое сечение.

6. Руль направления по п.1, отличающийся тем, что на торцевую нервюру №19 крепится законцовка, представляющая собой оболочку из полимерного композиционного материала без каркаса.

7. Руль направления по п.1, отличающийся тем, что правая и левая панель по задней кромке стыкуются между собой при помощи сухаря, изготовленного из стеклотекстолита.

8. Руль направления по п.1, отличающийся тем, что по корневой нервюре установлен сухарь, выполненный из стеклотекстолита, закрывающий зазор между панелями в хвостовой части по корневой части руля.

9. Руль направления по п.1, отличающийся тем, дополнительно включает девять кронштейнов навески и три кронштейна привода, выполненные из алюминиевого сплава, закрепленные на переднем лонжероне с помощью болтов из коррозионно-стойкой стали.

10. Руль направления по п.1, отличающийся тем, что стрингеры левой и правой панелей имеют тавровое сечение и расположены на панелях с шагом 140 мм.

11. Руль направления по п.1, отличающийся тем, что промежуточные нервюры имеют вырезы под стрингеры левой и правой панели.

12. Руль направления по любому из пп.1-11, отличающийся тем, что имеет длину 10840 мм по передней кромке, максимальную величину хорды 2574 мм, минимальную величину хорды 1106 мм, максимальную строительную высоту 520 мм.

13. Руль направления по любому из пп.1-12, отличающийся тем, что панели и лонжероны выполнены методом вакуумной инфузии.