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

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

[0001] Изобретение относится в области авиастроения, в частности к конструкции руля высоты, являющегося частью горизонтального оперения самолета.

[0002] Изобретение может быть использовано в конструкции руля высоты горизонтального оперения самолета, выполняющего функцию управления самолетом, осуществляя его вращение вокруг поперечной оси. Заявляемый руль высоты может быть использован при проектировании горизонтального оперения широкофюзеляжного дальнемагистрального самолета.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0003] Из уровня техники известен руль высоты самолета, который включает в себя нижнюю сотовую панель, выполненную из углеродного волокна, композитную переднюю и заднюю балку (лонжерон), композитные ребра жесткости (нервюры), стальную торцевую балку [CN103754353A, дата публикации 30.04.2014].

[0004] Недостаток конструкции руля высоты заключается в том, что применение данной конструкции невозможно в конструкции дальнемагистрального самолета ввиду иного расположения оси вращения и отличной кинематической схемы.

[0005] Из уровня техники известен руль высоты самолета, который содержит каркас из композитного материала, наполнитель сотового заполнителя, который имеет сотовую сэндвич-структуру во всю высоту, обшивку из композитного материала, при этом каркас из композитного материала включает в себя переднюю балку, заднюю балку, верхнюю внешнюю нервюру, верхнее внутреннее ребро, нижнее внешнее ребро, нижнее внутреннее ребро. Верхнее внутреннее ребро и нижнее внутреннее ребро соединены с передней балкой и задней балкой. В средней части верхнее внутреннее ребро и нижнее внутреннее ребро также доходят до переднего и заднего концов передней балки и задней балки, а верхнее внешнее ребро и нижнее внешнее ребро для соединения верхнего и нижнего концов передней балки и задней балки [CN219056554, дата публикации 03.05.2023].

[0006] Недостаток заключается в увеличении веса по сравнению с однолонжеронной конструкцией.

РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0007] Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, состоит в повышении технологичности конструкции руля высоты и сокращения цикла производства с соблюдением требований прочности и жёсткости конструкции.

[0008] Технический результат, достигаемый при реализации изобретения, состоит в получении конструкции руля высоты из полимерного композиционного материала больших размеров с требуемыми прочностными и массовыми характеристиками.

[0009] Заявляемый технический результат достигается за счет того, что композитный руль высоты самолета содержит верхнюю и нижнюю силовые панели, которые стыкуются по задней кромке с помощью сухаря, по передней кромке с помощью съемных лобовиков, поперечный силовой набор, продольный силовой набор, при этом

поперечный силовой набор включает в себя пятнадцать нервюр швеллерного сечения, выполненных из полимерного композиционного материала, и двенадцать алюминиевых диафрагм;

продольный силовой набор включает лонжерон из полимерного композиционного материала на основе углеродного волокна, при этом укладка слоев из углеродного волокна состоит из пакетов от 1 до N со слоями от 1 до n с углами направления укладки 0°/±45° с процентным содержанием слоев в укладке: 42,9% в направлении 0°, 57,1% в направлениях ±45°, причем по длине лонжерона участки имеют различную толщину;

верхняя панель представляет собой трёхслойную сотовую панель, включающую верхнюю и нижнюю обшивки, между которыми размещены сотоблоки, причем обшивки выполнены из полимерного композиционного материала на основе углеродного волокна, при этом укладка слоев из углеродного волокна состоит из пакетов от 1 до N со слоями от 1 до n с углами направления укладки 0°/±45° с процентным содержанием слоев в укладке: 42,9% в направлении 0°, 57,1% в направлениях ±45°, причем обшивки имеют зоны с различными толщинами;

нижняя панель представляет собой трёхслойную сотовую панель, включающую верхнюю и нижнюю обшивки, между которыми размещены сотоблоки, причем обшивки выполнены из полимерного композиционного материала на основе углеродного волокна, при этом укладка слоев из углеродного волокна состоит из пакетов от 1 до N со слоями от 1 до n с углами направления укладки 0°/±45° с процентным содержанием слоев в укладке: 42,9% в направлении 0°, 57,1% в направлениях ±45°, причем обшивки имеют зоны с различными толщинами;

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

[0011] Кроме того, в частном случае реализации изобретения поперечный силовой набор крепится к верхней и нижней панелям с помощью заклепок высокого сопротивления срезу с корпусом из титанового сплава.

[0012] Кроме того, в частном случае реализации изобретения по торцевым нервюрам установлены сухари, закрывающие зазор между панелями в хвостовой части по торцам руля.

[0013] Кроме того, в частном случае реализации изобретения сухари выполнены из стеклопластика.

[0014] Кроме того, в частном случае реализации изобретения руль высоты дополнительно содержит семь алюминиевых кронштейнов навески и два кронштейна привода из титанового сплава, закрепленных на лонжероне с помощью болтов из коррозионно-стойкой стали.

[0015] Кроме того, в частном случае реализации изобретения лонжерон выполнен в виде балки монолитной конструкции швеллерного сечения с полками, направленными вперёд по направлению полёта.

[0016] Кроме того, в частном случае реализации изобретения съемные лобовики состоят их двенадцати элементов, выполненных из полимерного композиционного материала, соединенных с алюминиевыми диафрагмами.

[0017] Кроме того, в частном случае реализации изобретения в местах контакта узлов из алюминиевых сплавов с узлами из полимерного композиционного материала расположен изолирующий слой стеклоткани.

[0018] Кроме того, в частном случае реализации изобретения соединение лонжерона с верхней и нижней панелями выполнено при помощи рядов заклепок высокого сопротивления срезу с корпусом из титанового сплава, установленного в шахматном порядке.

[0019] Кроме того, в частном случае реализации изобретения нервюры, лонжерон, верхняя и нижняя панель выполнены методом вакуумно-автоклавного формования.

[0020] Кроме того, в частном случае реализации изобретения на внешней поверхности верхней панели со стороны теоретического контура расположен слой молниезащиты в виде медной сетки.

[0021] Кроме того, в частном случае реализации изобретения в регулярной зоне в качестве сотового заполнителя используют полимерсотопласт плотностью 48, в зоне установки приводных кронштейнов используют полимерсотопласт плотностью 64.

[0022] Кроме того, в частном случае реализации изобретения руль высоты имеет длину 9180,0 мм по передней кромке, максимальную величину хорды 1746,0 мм, минимальную величину хорды 675,0 мм, максимальную строительную высоту 364,0 мм.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0023] На чертежах, поясняющих сущность изобретения, изображены:

Фиг. 1 - общий вид руля высоты;

Фиг. 2 - соединение нервюр с лонжероном.

[0024] На фигурах цифрами обозначены следующие позиции:

1 – верхняя панель

2 – нижняя панель

3 – лобовики

4 – лонжерон

5 – нервюра 1

6 – нервюра 15

7 – кронштейн привода

8 – кронштейн навески

9 – диафрагмы

10 – сухарь

11 – уголки стыковки нервюр с лонжероном

12 – сухари по нервюрам.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0025] Осуществление изобретения поясняется приведенным ниже примером реализации с ссылками на чертежи.

[0026] Руль высоты - аэродинамический орган управления самолетом, осуществляющий его управление по тангажу (вокруг поперечной оси).

[0027] Руль высоты представляет собой рулевые поверхности, расположенные по задней кромке горизонтального оперения. Максимальные углы отклонения руля высоты «плюс» 27° и «минус» 22°.

[0028] Руль высоты широкофюзеляжного дальнемагистрального самолета имеет длину 9180,0 мм по передней кромке, максимальную величину хорды 1746,0 мм, минимальную величину хорды 675,0 мм, максимальную строительную высоту – 364,0 мм.

[0029] Руль высоты (фиг.1) состоит из панелей силовых верхней 1 и нижней 2, поперечного силового набора (нервюр 5,6 и диафрагмы 9) и продольного силового набора (лонжерона 4), узлов навески 8, узлов привода 7, лобовиков 3.

[0030] Поперечный силовой набор включает в себя 15 (пятнадцать) нервюр 5,6 швеллерного сечения, выполненных их полимерного композиционного материала, и 12 (двенадцать) алюминиевых диафрагм 9. Нервюры 5,6 подкрепляют панели 1 и 2 и стыкуются с лонжероном 5 с помощью уголков 11, выполненных из титанового сплава ОТ4, через титановые болты (на чертежах не показаны). К верхней 1 и нижней 2 панелям нервюры 5, 6 крепятся с помощью заклепок высокого сопротивления срезу (ЗВСС) с корпусом из титанового сплава (на чертежах не показаны). Нервюры 5,6 выполнены из полимерного композитного материала методом вакуумной инфузии.

[0031] Для стыковки верхней 1 и нижней 2 панели по задней кромке используется сухарь 10, изготовленный из стеклотекстолита. По торцевым нервюрам 3 (№1 и №15) также установлены сухари 12 из стеклотекстолита, закрывающие зазор между панелями 1 и 2 в хвостовой части по торцам руля.

[0032] К диафрагмам 9 крепятся съемные лобовики 3, выполненные из полимерного композиционного материала методом вакуумной инфузии, образующие переднюю кромку руля высоты.

[0033] Продольный силовой набор состоит из лонжерона 4 балочного типа, который выполнен из полимерного композиционного материала монолитной конструкции, имеет швеллерное сечение, верхние и нижние полки лонжерона 4 направлены вперёд по направлению полёта. Полки лонжерона 4 сжатием и растяжением воспринимают изгибающий момент. Стенка лонжерона 4 воспринимает перерезывающую силу и образует с нижней 1 и верхней 2 панелями замкнутый контур, воспринимающий крутящий момент.

[0034] На лонжероне 4 установлены 5 (семь) алюминиевых (сплав 1933Т3) кронштейнов навески 8 и два кронштейна 7 привода из титанового сплава ВТ6ч, которые закреплены с помощью болтов из коррозионно-стойкой стали (на чертежах не показано).

[0035] В местах контакта деталей из алюминиевых сплавов (диафрагм 9 и кронштейнов навески 8) с лонжероном 4 расположен изолирующий слой стеклоткани, например, типа ACM102-G100S для защиты от коррозии (на чертежах не показан).

[0036] В качестве армирующего наполнителя полимерного композиционного материла используют препрег на основе углеродного волокна, например, ACM102-C200T.

[0037] Укладка полимерного композиционного материал из углеродного волокна состоит из пакетов от 1 до N со слоями n с углами направления укладки 0°/±45° с процентным содержанием слоев в укладке: 42,9% в направлении 0°/90°, 57,1% в направлениях ±45°. Процентное содержание слоев в укладке подбиралось на основании расчётов на прочность.

[0038] Количество пакетов N и слоев n в укладке полимерного композиционного материала для формирования необходимой толщины лонжерона 5 подбирается в зависимости от необходимых показателей прочности сечения, при этом по длине лонжерона участки имеют различную толщину, что обеспечивает соответствие конструкции выбранным критериям прочности.

[0039] Лонжерон 4 изготовлен методом вакуумно-автоклавного формования.

[0040] Лонжерон 4 соединяют с верхней 1 и нижней 2 панелями при помощи регулярных рядов механического крепежа, установленного в шахматном порядке, преимущественно ЗВСС с корпусом из титанового сплава (на чертежах не показано).

[0041] Верхняя панель 1 представляет собой трёхслойную сотовую панель, состоящую из двух обшивок - верхней и нижней и сотовых блоков, расположенных между обшивками в регулярных зонах, в зонах установки нервюр 3 соты отсутствуют.

[0042] В качестве армирующего наполнителя композиционного материла используют препрег на основе углеродного волокна, например, ACM102-C200T.

[0043] Укладка полимерного композиционного материал из углеродного волокна состоит из пакетов от 1 до N со слоями n с углами направления укладки 0°/±45° с процентным содержанием слоев в укладке: 42,9% в направлении 0°/90°, 57,1% в направлениях ±45°. Процентное содержание подбиралось на основании расчётов на прочность.

[0044] Количество пакетов N и слоев n в укладке полимерного композиционного материала для формирования необходимой толщины верхней панели 1 подбирается в зависимости от необходимых показателей прочности сечения, при этом различные зоны верхней панели 1 имеют различную толщину, что обеспечивает соответствие конструкции выбранным критериям прочности.

[0045] Технология изготовления верхней 1 и нижней 2 панели – метод вакуумно-автоклавного формования. На внешней поверхности верхней панели со стороны теоретического контура приформован слой молниезащиты, выполненный в виде медной сетки (на чертежах не показан).

[0046] В регулярной зоне верхней панели 1 в качестве сотового заполнителя используется полимерсотопласт (плотность 48), в зоне установки приводных кронштейнов – полимерсотопласт (плотность 64).

[0047] Нижняя панель 2 представляет собой также трёхслойную сотовую конструкцию, аналогичную верхней панели 1 за исключением зоны установки приводных кронштейнов, которая на нижней панели выполнена монолитной. Материалы и технология изготовления нижней панели 2 также аналогичны материалам и технологии изготовления верхней панели 1, в качестве сотового заполнителя используется полимерсотопласт (плотность 48).

Изобретение относится к области авиастроения, в частности к рулю высоты, который может найти применение в конструкции оперения самолета, а именно в конструкции оперения широкофюзеляжного дальнемагистрального самолета. Композитный руль высоты самолета содержит верхнюю и нижнюю силовые панели, которые стыкуются по задней кромке с помощью сухаря, по передней кромке с помощью съемных лобовиков, поперечный силовой набор, продольный силовой набор. При этом поперечный силовой набор включает в себя пятнадцать нервюр швеллерного сечения и двенадцать алюминиевых диафрагм. Продольный силовой набор включает лонжерон из полимерного композиционного материала на основе углеродного волокна, при этом укладка слоёв из углеродного волокна состоит из пакетов от 1 до N со слоями от 1 до n с углами направления укладки 0°/±45° с процентным содержанием слоев в укладке: 42,9% в направлении 0°/90°, 57,1% в направлениях +45°, причем по длине лонжерона участки имеют различную толщину сечения. Верхняя панель представляет собой трёхслойную сотовую панель, включающую верхнюю и нижнюю обшивки, между которыми размещены сотоблоки, причем обшивки выполнены из полимерного композиционного материала на основе углеродного волокна, при этом укладка слоёв из углеродного волокна состоит из пакетов от 1 до N со слоями от 1 до n с углами направления укладки 0°/±45° с процентным содержанием слоев в укладке: 42,9% в направлении 0°/90°, 57,1% в направлениях ±45°, причем обшивки имеют зоны с различными толщинами. Нижняя панель представляет собой трёхслойную сотовую панель, включающую верхнюю и нижнюю обшивки, между которыми размещены сотоблоки, причем обшивки выполнены из полимерного композиционного материала на основе углеродного волокна, при этом укладка слоёв из углеродного волокна состоит из пакетов от 1 до N со слоями от 1 до n с углами направления укладки 0°/±45° с процентным содержанием слоев в укладке: 42,9% в направлении 0°/90°, 57,1% в направлениях ±45°, причем обшивки имеют зоны с различными толщинами. Технический результат – получение конструкции руля высоты самолета из полимерного композиционного материала больших размеров с требуемыми прочностными и весовыми характеристиками. 14 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Композитный руль высоты самолета, содержащий верхнюю и нижнюю силовые панели, которые стыкуются между собой по задней кромке с помощью сухаря, по передней кромке с помощью съемных лобовиков, поперечный силовой набор, продольный силовой набор, при этом

поперечный силовой набор включает в себя пятнадцать нервюр швеллерного сечения, выполненных из полимерного композиционного материала, и двенадцать алюминиевых диафрагм;

продольный силовой набор включает лонжерон из полимерного композиционного материала на основе углеродного волокна, при этом укладка слоёв из углеродного волокна состоит из пакетов от 1 до N со слоями n с углами направления укладки 0°/±45° с процентным содержанием слоев в укладке: 42,9% в направлении 0°/90°, 57,1% в направлениях ±45°, причем по длине лонжерона участки имеют различную толщину;

верхняя панель представляет собой трёхслойную сотовую панель, включающую верхнюю и нижнюю обшивки, между которыми размещены сотоблоки, причем обшивки выполнены из полимерного композиционного материала на основе углеродного волокна, при этом укладка слоёв из углеродного волокна состоит из пакетов от 1 до N со слоями n с углами направления укладки 0°/±45° с процентным содержанием слоев в укладке: 42,9% в направлении 0°/90°, 57,1% в направлениях ±45°, причем обшивки имеют зоны с различными толщинами;

нижняя панель представляет собой трёхслойную сотовую панель, включающую верхнюю и нижнюю обшивки, между которыми размещены сотоблоки, причем обшивки выполнены из полимерного композиционного материала на основе углеродного волокна, при этом укладка слоёв из углеродного волокна состоит из пакетов от 1 до N со слоями n с углами направления укладки 0°/±45° с процентным содержанием слоев в укладке: 42,9% в направлении 0°/90°, 57,1% в направлениях ±45°, причем обшивки имеют зоны с различными толщинами.

2. Композитный руль высоты по п.1, отличающийся тем, что нервюры стыкуются с лонжероном с помощью уголков, выполненных из титанового сплава посредством титановых болтов.

3. Композитный руль высоты по п.1, отличающийся тем, что поперечный силовой набор крепится к панелям с помощью заклепок высокого сопротивления срезу с корпусом из титанового сплава.

4. Композитный руль высоты по п.1, отличающийся тем, что по торцевым нервюрам установлены сухари, закрывающие зазор между панелями в хвостовой части по торцам руля.

5. Композитный руль высоты по п.1 или 4, отличающийся тем, что cухари выполнены из стеклопластика.

6. Композитный руль высоты по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит семь алюминиевых кронштейнов навески и два кронштейна привода из титанового сплава, закрепленных на лонжероне с помощью болтов из коррозионно-стойкой стали.

7. Композитный руль высоты по п.1, отличающийся тем, что лонжерон выполнен в виде балки монолитной конструкции швеллерного сечения с полками, направленными вперёд по направлению полёта.

8. Композитный руль высоты по п.1, отличающийся тем, что съемные лобовики состоят их двенадцати элементов, выполненных из полимерного композиционного материала, соединенных с алюминиевыми диафрагмами.

9. Композитный руль высоты по п.6, отличающийся тем, что по местам контакта узлов из алюминиевых сплавов с узлами из полимерного композиционного материала расположен изолирующий слой стеклоткани.

10. Композитный руль высоты по п.1, отличающийся тем, что соединение лонжерона с верхней и нижней панелями выполнено при помощи рядов заклепок высокого сопротивления срезу с корпусом из титанового сплава, установленного в шахматном порядке.

11. Композитный руль высоты по п.1, отличающийся тем, что лонжерон, нервюры, верхняя и нижняя панель выполнены методом вакуумно-автоклавного формования.

12. Композитный руль высоты по п.1, отличающийся тем, что на внешней поверхности верхней панели со стороны теоретического контура расположен слой молниезащиты.

13. Композитный руль высоты по п.12, отличающийся тем, что слой молниезащиты выполнен в виде медной сетки.

14. Композитный руль высоты по п.1, отличающийся тем, что в регулярной зоне в качестве сотового заполнителя используют полимерсотопласт плотностью 48, в зоне установки приводных кронштейнов используют полимерсотопласт плотностью 64.

15. Композитный руль высоты по любому из пп.1-14, отличающийся тем, что имеет длину 9180,0 мм по передней кромке, максимальную величину хорды 1746,0 мм, минимальную величину хорды 675,0 мм, максимальную строительную высоту 364,0 мм.