рама иллюминатора летательного аппарата

Формула изобретения

1. Рама иллюминатора летательного аппарата, устанавливаемая во внешнем корпусе, которая содержит по меньшей мере один внешний фланец, имеющий разную толщину в различных радиальных зонах, по меньшей мере один внутренний фланец и по меньшей мере один вертикальный фланец, размещенный между по меньшей мере одним внешним фланцем и по меньшей мере одним внутренним фланцем перпендикулярно по отношению к ним, причем соединение с несущей конструкцией летательного аппарата осуществляется по меньшей мере по одному внешнему фланцу, и прозрачную часть иллюминатора, которая закреплена по меньшей мере на одном внутреннем фланце, который удерживается по меньшей мере одним вертикальным фланцем, изготовленная из смолы, армированной пучками волокон (20, 23, 24, 25), размещенными в одном направлении, причем пучки волокон во всех внешних зонах и во всех внешних зонах, отходящих от внешнего фланца к внутреннему фланцу, размещены под углом к направлению окружного движения вдоль рамы иллюминатора.

2. Рама иллюминатора по п.1, отличающаяся тем, что направление пучков волокон (20, 23, 24, 25) соответствует направлению действия механических нагрузок.

3. Рама иллюминатора по п.2, отличающаяся тем, что направление пучков волокон (20, 23, 24, 25) выбирается следующим образом:

внешний фланец (2):

квазиизотропная радиальная структура в зоне прохождения пояса заклепок (6);

внутренний фланец (3):

преимущественное направление - 0°;

слои под углами ±60° на внешних поверхностях;

угол 90° для усиления конструкции;

вертикальный фланец (4):

центральная часть, воспринимающая основную нагрузку под углом 0°;

слои под углом ±60° на внешней поверхности.

4. Способ изготовления рамы иллюминатора по любому из пп.1-3, при котором заготовка (10), изготовленная из пучков волокон (20, 23, 24, 25), размещенных в одном направлении, вставляется в пресс-форму (11), в которую под давлением инжектируется разогретая смола, и затем часть (1), полученная таким образом, отверждается в пресс-форме (11).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к рамам иллюминаторов для установки во внешнем корпусе летательного аппарата, которые содержат по меньшей мере один внешний фланец, один внутренний фланец и один вертикальный фланец, размещенный между внешним и внутренним фланцами перпендикулярно по отношению к ним, причем соединение с несущей конструкцией летательного аппарата осуществляется по внешнему фланцу, и прозрачная часть иллюминатора, которая должна удерживаться, закреплена во внутреннем фланце, который удерживается вертикальным фланцем. Кроме того, изобретение относится к способам изготовления таких рам иллюминаторов.

В большинстве выпускаемых и эксплуатирующихся пассажирских летательных аппаратов используются рамы иллюминаторов, выполненные из алюминия, при изготовлении которых используются процессы штамповки и дополнительной обработки в размер. Рама иллюминатора состоит из следующих основных частей: внешнего фланца, внутреннего фланца и вертикального фланца, размещенного между этими фланцами перпендикулярно по отношению к ним. Для соединения рам иллюминаторов с несущей конструкцией летательного аппарата или с его внешним корпусом обычно используются два ряда заклепок, проходящих по внешнему фланцу. Прозрачная часть иллюминатора опирается на внутренний фланец и обычно содержит два элемента остекления и размещенное между ними уплотнение, и фиксируется в нужном положении с помощью прижимного фиксатора, который соединен с вертикальным фланцем.

Кроме функции фиксации прозрачной части иллюминатора такая рама также обеспечивает поглощение повышенного механического напряжения, возникающего на краю сравнительного большого выреза для иллюминатора, который монтируется во внешнем корпусе, передающем нагрузки. Таким образом, с одной стороны, внешний фланец рамы иллюминатора служит для усиления этого выреза и, с другой стороны, посредством внешнего фланца с помощью заклепок осуществляется соединение рамы с внешним корпусом.

Поскольку изготовление известных алюминиевых рам иллюминаторов обычно осуществляется штамповкой, то невозможно получить такое поперечное сечение профиля рамы, которое бы оптимально распределяло силу действия заклепок, из-за того, что максимальный уклон фланца может составлять около двух градусов для облегчения процесса клепания.

Внутренний фланец служит для непосредственного удерживания прозрачной части иллюминатора, и здесь наклон упрощает установку иллюминатора. В то же время существующая нагрузка, вызываемая внутренним давлением, которая является главной силой для пассажирской кабины, передается через внутренний фланец на внешний корпус летательного аппарата.

Вертикальный фланец обычно служит исключительно в качестве ребра усиления рамы, минимизирующего напряжение во внешнем корпусе при минимально возможном весе. К этому вертикальному фланцу также прикреплены болты с проушиной, с помощью которых держатель или прижимной фиксатор для элементов остекления иллюминатора удерживается в нужном положении. В то же время вертикальный фланец образует направляющую для установки прозрачной части иллюминатора.

Целью изобретения является создание рамы иллюминатора вышеописанного типа, в которой достигается существенное уменьшение веса по сравнению с рамами иллюминаторов, используемыми в настоящее время. В то же время себестоимость изготовления такой рамы иллюминатора должна быть как можно более низкой. Кроме того, целью изобретения является создание простого и экономичного способа изготовления такой рамы иллюминатора.

Первая цель изобретения достигается за счет того, что в конструкции рамы иллюминатора предусматривается использование смолы, армированной пучками волокон, имеющими одно определенное направление. Вторая цель изобретения достигается за счет использования способа, в котором заготовка, изготовленная из пучков волокон, имеющих одно определенное направление, вставляется в пресс-форму, в которую под давлением инжектируется смола, разогретая до некоторой температуры, и затем часть, полученная таким образом, отверждается в пресс-форме.

Поскольку в изобретении предусматривается использование конструкции рамы иллюминатора, которая изготовлена из волокнистого материала, направления волокон которого соответствуют направлениям действия нагрузок, то это позволяет получить снижение веса до 50 процентов по сравнению с алюминиевыми рамами иллюминаторов, используемыми до настоящего времени. Благодаря использованию в предлагаемой в изобретении раме иллюминатора оптимизированной многослойной структуры обеспечивается дополнительное снижение веса рамы примерно на 20 процентов по сравнению с рамами иллюминаторов, изготовленными из заготовки из волокнистого материала, состоящей из квазиизотропных слоев. Несмотря на столь значительное потенциальное снижение веса конструкции, стоимость ее изготовления не превышает стоимости рам иллюминаторов, изготовленных из штампованных алюминиевых частей.

В то же время в соответствии с изобретением обеспечивается возможность изготовления рамы иллюминатора из волокнистого материала, имеющей допуск всего около 0,2 мм при средней толщине стенки 5 мм, что соответствует допуску на изготовление около 4 процентов. Что касается штампованных алюминиевых рам, то для них в зависимости от способа изготовления принимается допуск порядка 1,5 мм, что соответствует допуску изготовления примерно 30 процентов для той же толщины стенки. Поэтому изобретение позволяет не только существенно уменьшить отклонения весов отдельных рам иллюминаторов, но также одновременно может быть значительно упрощена установка рамы на летательном аппарате или монтаж в раме прозрачной части иллюминатора. Наконец, в качестве дополнительных достоинств можно назвать повышение безопасности, а также существенное улучшение тепловой изоляции предлагаемой в изобретении рамы иллюминатора.

Изобретение будет описано ниже более подробно со ссылками на один из вариантов реализации, который представлен на прилагаемых чертежах. На чертежах показано:

Фиг.1 - вид рамы иллюминатора в перспективе.

Фиг.2 - вид сечения рамы иллюминатора, показанной на фиг.1, установленной на летательном аппарате.

Фиг.3 - вид части пресс-формы для изготовления рамы иллюминатора, показанной на фиг.1, в открытом положении.

Фиг.4 - вид пресс-формы, показанной на фиг.3, в закрытом положении.

Фиг.5 и 6 - иллюстрации основных направлений для рамы иллюминатора, показанной на фиг.1, причем на фиг.6 представлен более детальный вид зоны, которая обозначена позицией VI на фиг.5.

Фиг.7 - иллюстрация направлений структуры слоев, обеспечивающей устойчивость к высоким нагрузкам, для рамы иллюминатора, показанной на фиг.1.

Фиг.8 - вид сечения конструкции преформы, иллюстрирующий ее структуру.

Фиг.9-12 - иллюстрации направления волокон в различных зонах рамы иллюминатора, показанного на фиг.1.

Рама 1 иллюминатора, представленная на фиг.1, изготовлена из волокнистого материала, и так же, как известные штампованные алюминиевые рамы, имеет внешний фланец 2, внутренний фланец 3 и вертикальный фланец 4, размещенный между внешним и внутренним фланцами. Однако в отличие от обычных алюминиевых рам иллюминаторов краевая охватывающая часть внешнего фланца 2 в данном случае имеет постоянную ширину. Кроме того, внешний фланец 2 в отличие от соответствующей штампованной алюминиевой части имеет разную толщину в различных радиальных зонах. Это обеспечивает существенное улучшение использования материала в зоне крепления заклепками и выреза в корпусе летательного аппарата. На фиг.2 это более наглядно иллюстрируется на детальном сечении, где показана рама 1 иллюминатора, установленная во внешнем корпусе 5 летательного аппарата. Также на этой фигуре показаны положения 6 заклепок, с помощью которых рама соединяется с внешним корпусом 5, а также два элемента 7 и 8 остекления иллюминатора, которые вместе с уплотнением 9 формируют прозрачную часть иллюминатора.

Рама 1 иллюминатора изготавливается с использованием технологии формования с инжекцией смолы или так называемой RTM-технологии. При этом сначала из волокна изготавливается часть 10 для отливки, так называемая преформа. Далее, преформа помещается в пресс-форму 11, состоящую из двух частей, как показано на фиг.3 и 4. Внутри нижней части 12 и верхней части 13 пресс-формы размещен внутренний литейный элемент 14 и внешний литейный элемент 15, в данном случае сформированные из двух частей. Преформа 10 помещается между двумя литейными элементами 14 и 15, пресс-форма 11 закрывается, и в нее под давлением инжектируется смола, имеющая некоторую температуру. Затем готовая часть 1 отверждается внутри пресс-формы 11. Преформа 10 может быть выполнена как цельная заготовка или по технологии составления преформы из отдельных элементов, при которой полная рама 1 иллюминатора формируется из отдельных конструктивных элементов или элементов преформы.

В любом случае преформа 10 содержит отдельные слои, которые состоят из пучков волокон, расположенных в одном направлении. Направление отдельных слоев волокон или их положение являются критическими для снижения веса, которое достигается в описанной конструкции рамы 1 иллюминатора. Если направление волокон не соответствует направлению окружного движения вдоль рамы, то невозможно получить снижение веса, потенциально достижимое в описываемой конструкции. Общее направление слоев с основными направлениями 0°, 45° и 90° показано на фиг.5 и 6. Поэтому направление под углом 0° представляет направление окружного движения вдоль рамы 1 иллюминатора, 90° - радиальное направление, и направление под углом 45° представляет направление в переходной зоне от вертикального фланца 4 к внешнему фланцу 2.

Направление волокон более детально показано на фиг.7-12. Сначала на фиг.7 показана общая схема направлений в многослойной структуре рамы 1 иллюминатора, способной выдерживать большие нагрузки, и на фиг.8 показан вид сечения многослойной структуры пучка волокон. На этой фигуре ссылочный номер 20 обозначает витую центральную часть внутреннего фланца под углом 0°, ссылочный номер 23 обозначает пучки волокон, размещенных под углом ±60° во всех внешних зонах, а также размещенных под углом ±60° во всех внешних зонах, отходящих от внешнего фланца 2 к внутреннему фланцу 3, ссылочный номер 24 обозначает пучки волокон, размещенных под углами 0° и 90° в зоне вертикального фланца 4, и ссылочный номер 25 обозначает пучки волокон, размещенных под углами ±45° в зоне внешнего фланца 2. Эти направления слоев определяются на поверхностях контакта внешнего фланца 2, внутреннего фланца 3 и вертикального фланца 4. Для того чтобы получить направление волокон, которые будут соответствовать направлению действия нагрузки, для рамы 1 иллюминатора выбирается структура, для которой в целом выполняются следующие условия:

внешний фланец 2:

- квазиизотропная радиальная структура в зоне прохождения пояса заклепок;

вертикальный фланец 4:

- центральная часть, воспринимающая основную нагрузку, под углом 0°;

- слои под углом ±60° на внешних поверхностях;

внутренний фланец 3:

- преимущественное направление - 0°;

- слои под углами ±60° на внешних поверхностях;

- угол 90° для усиления конструкции.

Как можно видеть на фиг.9-12, на которых фрагмент рамы 1 иллюминатора, указанный в квадрате слева на общем виде, увеличен, следующие условия выполняются для размещения волокон:

вертикальный фланец 4:

- все волокна остаются в том же направлении, которое было определено;

внутренний фланец 3 и внешний фланец 2:

- волокна под углом 0° остаются в том же направлении, которое было определено (фиг.9);

- волокна под углом ±45° изменяют свое направление и устанавливаются под углом ±60° (фиг.10);

- волокна под углом ±60° изменяют свое направление и устанавливаются под углом ±70° (фиг.11).

Наконец, на фиг.12 показаны волокна под углом 90° в радиальном направлении. В результате обеспечивается радиальная квазиизотропная структура, в которой прямолинейные волокна всегда проходят в направлении действия нагрузки.

Вес рамы 1 иллюминатора, изготовленной вышеописанным способом, составляет примерно 50 процентов от веса обычных алюминиевых рам иллюминаторов, причем себестоимость производства в обоих случаях примерно одинакова. Допуски такой рамы при промышленном производстве существенно меньше, чем допуски соответствующих алюминиевых изделий. В то же время предлагаемая в изобретении рама обеспечивает повышение безопасности и улучшение тепловой изоляции по сравнению с обычными алюминиевыми рамами иллюминаторов.