[發(fā)明專利]對于飛行器的具有增強殼結(jié)構(gòu)的纖維增強翼盒的無源載荷減小

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310369869.9
• 申請日: 2013-08-22
• 公開（公告）號: CN103625630A
• 公開（公告）日: 2014-03-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 帕斯夸萊·巴索;貝恩德·湯姆施克
• 申請（專利權(quán)）人: 空中客車德國運營有限責任公司;空中客車股份有限公司
• 主分類號: B64C1/06
• 分類號: B64C1/06
• 代理公司: 北京集佳知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11227
• 代理人: 田軍鋒;吳煥芳

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及具有增強殼結(jié)構(gòu)的飛行器的翼盒，該翼盒由纖維增強材料構(gòu)成，該翼盒包括用于吸收剪切載荷的蒙皮和若干個布置在翼盒內(nèi)側(cè)用于吸收軸向載荷的桁條。

通過利用復合材料的各向異性的優(yōu)點，本發(fā)明的領(lǐng)域延伸至控制機翼的變形，以便無源地減小空氣動力載荷，并且因此減小機翼結(jié)構(gòu)的重量。

在飛行器結(jié)構(gòu)的制造中使用諸如碳纖維增強塑料的纖維增強復合材料以

提供更好的重量和維護性能變得日益普遍。另外，復合材料的各向異性提供了調(diào)整機翼剛度的設(shè)計空間，即，不僅用于控制諸如蒙皮和桁條的機翼結(jié)構(gòu)部件上的載荷分配而且用于控制機翼變形的某些自由度。能夠通過結(jié)構(gòu)本身的剛度在沒有任何外部系統(tǒng)的控制規(guī)則下，引起這種通常稱為無源載荷減小的控制。

事實上，飛行器相對于空氣的相對速度會產(chǎn)生豎直載荷，通常稱為取決于攻角的升力。沿翼展的升力分布會產(chǎn)生相對于機身處的機翼附件的彎曲力矩，該機翼附件通常稱為翼根。攻角越高，升力和翼根處相關(guān)的彎曲力矩越大，導致機翼重量越高。

因此控制機翼的變形、通常稱為調(diào)整氣動彈性,用以減小外翼的攻角、通常稱作機翼前端向下扭轉(zhuǎn)。

背景技術(shù)

作為公知常識，飛行器工業(yè)需要一方面能夠承擔飛行器受到的載荷從而滿足強度和剛度上的高需求、另一方面還要盡可能輕質(zhì)的結(jié)構(gòu)。飛行器機翼的主要結(jié)構(gòu)、通常稱為翼盒，特別地是包括蒙皮和桁條。蒙皮由桁條增強以減小其厚度并因此使重量具有競爭力。

根據(jù)技術(shù)人員的公知常識，翼盒的蒙皮和桁條可由金屬材料或碳纖維增強塑料制成。這造成翼盒不得不承擔彎曲、扭轉(zhuǎn)和剪切，這一點也是公知常識。由于它們的幾何形狀，薄板狀的蒙皮更適合于抗耐由升力和扭轉(zhuǎn)造成的剪切載荷，而梁柱形的桁條更適合于抗耐由彎曲力矩造成的軸向載荷。

如果是金屬翼盒，假定蒙皮和桁條由相同的材料制成，那么翼盒的各個結(jié)構(gòu)部件例如蒙皮和桁條吸收的軸向載荷的大小僅取決于橫截面面積。

如果是復合翼盒，則軸向載荷的大小還取決于各個結(jié)構(gòu)部件的彈性材料性能。因此，將各個部件、蒙皮和桁條的主結(jié)構(gòu)剛度方向定向在合適的方向也能夠控制各個部件吸收軸向載荷的大小。例如，通過將所有蒙皮的纖維定向在關(guān)于翼盒的縱向軸線在+45°方向和-45°方向，那么桁條多吸收大約30%的載荷。蒙皮變?yōu)檩S向上不受載荷，主要用于承擔剪切載荷。

至今為止所有已知的無源載荷減小技術(shù)都是以主剛度方向關(guān)于翼軸的偏移為基礎(chǔ)。這種偏移能夠通過掠過桁條和/或蒙皮纖維關(guān)于翼軸的定向?qū)崿F(xiàn)。這種方法能夠增加前端向下扭轉(zhuǎn)，但也會造成損失彎曲剛度，該彎曲剛度需要增強。因此，設(shè)想通過外翼上更大的前端向下扭轉(zhuǎn)引起的重量優(yōu)勢最后消失。

因此，更恰當?shù)姆椒ㄊ潜３骤鞐l平行于翼軸，并使桁條主要作用于機翼的彎曲，忽略蒙皮在機翼彎曲剛度所起的類似作用。蒙皮將主要用于剪切，并且還承擔翼盒的扭曲。為了產(chǎn)生期望的外翼上的前端向下扭轉(zhuǎn)，通過利用復合材料的各向異性的優(yōu)點，通過向前/向后定向纖維僅使用蒙皮的鋪層作為設(shè)計空間。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目標是提供具有增強無源載荷減小能力的飛行器復合翼盒，以實現(xiàn)高的結(jié)構(gòu)重量效率和操作魯棒性。本發(fā)明不僅能夠提高結(jié)構(gòu)的性能，而且由于蒙皮更薄傾斜更小，該蒙皮還導致桁條更簡易，使得本發(fā)明簡化并加速了制造過程。

該目標由獨立的權(quán)利要求1的技術(shù)內(nèi)容實現(xiàn)。其它的示例性實施方式從從屬的權(quán)利要求和下面說明書中顯而易見。

根據(jù)本發(fā)明，增強殼結(jié)構(gòu)至少60%的質(zhì)量集中在桁條上，其中，桁條提供至少80%的增強殼結(jié)構(gòu)的軸向剛度。優(yōu)選地，增強殼結(jié)構(gòu)大于67%的質(zhì)量集中在桁條上，這提供了大于90%的增強殼結(jié)構(gòu)的軸向剛度。這使得能夠在殼結(jié)構(gòu)中使用薄的蒙皮，不僅不會減小增強殼結(jié)構(gòu)的強度和穩(wěn)定性反而能夠提高其損傷容限。

根據(jù)本發(fā)明的解決方法的優(yōu)點特別地包括以下事實：蒙皮和桁條由包括碳纖維增強塑料的層構(gòu)成，這允許蒙皮和桁條的結(jié)構(gòu)從重量的角度相對于金屬而言以更有效地方式規(guī)格化。另外，由于各向異性的性能，這些材料對于翼盒非常重要。使用各向異性的材料是調(diào)整氣動彈性的關(guān)鍵條件，用以通過增加外翼的前端向下扭轉(zhuǎn)提高飛行器的飛行性能。