專利名稱：由復(fù)合面板和金屬面板構(gòu)成的飛機機翼的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機翼組件，更為具體地，涉及具有復(fù)合面板和金屬面板二 者的機翼組件。
背景技術(shù)：
近代商用飛機的機翼組件一般包括由鋁制面板、桁梁以及肋板制成的 機翼箱。雖然采用先前技術(shù)的機翼組件已經(jīng)取得所希望的結(jié)果，但仍有改 進的余地。比如，減輕飛機結(jié)構(gòu)重量通常等同于得到更好的飛機性能。在 商用飛機方面，這種性能改進有利于市場銷售。復(fù)合材料作為鋁材的替代 物已經(jīng)經(jīng)過考驗，不過，復(fù)合材料比起鋁材一般是昂貴的，并且不是很適 于承載在某些情況下經(jīng)受的很大的壓縮載荷。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目標(biāo)在于具有復(fù)合面板和金屬面板二者的機翼。符合本發(fā)明的 方法和系統(tǒng)的各項實施例之有利之處在于與現(xiàn)有技術(shù)的機翼組件相比具有明顯減輕的重量、比較牢靠的閃電/EME防護特性、更好的預(yù)估源損傷容差 特性、以及改善的成本。在一項實施例中，機翼組件包括具有適配得聯(lián)接于飛機的第一端部的 支承結(jié)構(gòu)；由金屬材料制成并聯(lián)接于支承結(jié)構(gòu)的上部面板總成；以及由復(fù) 合材料制成并聯(lián)接于支承結(jié)構(gòu)的下部面板總成。金屬材料可以是鋁、鈦， 或任何其他適當(dāng)?shù)慕饘?，?fù)合材料可以是碳纖維增強塑料(CFRP)或其他 適當(dāng)?shù)膹?fù)合材料。在另一實施例中，上部面板總成包括下懸的位置接近支 承結(jié)構(gòu)的第 一端部的第 一腹板部分，下部面板總成包括上伸的第二腹板部 分，此第二腹板部分接近第一腹板部分，機翼組件還包括設(shè)置在第一與第 二腹板部分之間的絕緣材料制成的交接件，以及將第二腹板部分、交接件 和第 一腹板部分聯(lián)接于支承結(jié)構(gòu)的至少 一個固緊件。


本發(fā)明的優(yōu)選和備選實施例將參照以下各圖在下面予以詳細說明。圖1是符合本發(fā)明一項實施例的一種機翼組件的頂視立面圖； 圖2是沿著直線2-2所取、圖l機翼組件的端視剖面圖； 圖3是符合本發(fā)明 一項實施例的交接部分的放大立面視圖； 圖4是圖3的交接部分的應(yīng)變梯度；以及圖5是具有符合本發(fā)明另 一 實施例的機翼組件的飛機的側(cè)視立面圖。
具體實施方式
本發(fā)明涉及用于具有復(fù)合面板和金屬面板二者的機翼組件。本發(fā)明某 些實施例的許多具體細節(jié)在以下說明之中和圖1-5之中予以敘述以提供對 于這些實施例的透徹了解。不過，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會理解，本發(fā)明可能 具有一些另外的實施例，以及本發(fā)明可以在沒有以下說明中所述若干細節(jié) 的情況下予以實施。一般，本發(fā)明的各實施例配置具有復(fù)合面板和鋁制面板二者的機翼組 件。某些復(fù)合材料，包括碳纖維增強塑料(CFRP)材料在抗拉伸和抗疲勞 損傷方面性能良好。鋁材具有相對良好的抗壓特性但相對低下的抗拉伸和 抗疲勞性能。因而，機翼組件，在主要承受拉伸載荷的區(qū)域內(nèi)包含復(fù)合面 板和在主要承受壓縮載荷的其他區(qū)域內(nèi)包含鋁制面板，與先前技術(shù)中的機 翼組件相比，可以顯著地降低重量，并可以提供一種機翼組件，該機翼組 件輕于完全鋁制的機翼組件或完全碳纖維增強塑料的機翼組件。在研制具有CFRP面板和鋁制面板二者的各實施例時遇到許多特別復(fù) 雜的問題，包括1)在CFRP/鋁材交接處的電腐蝕，2)熱致膨脹的不同速 率，以及3)鋁材和CFRP的不相容應(yīng)變極限。在此項披露內(nèi)容中論及了這 些被關(guān)切的方面，并已經(jīng)由本發(fā)明的各項實施例至少部分地予以緩解，一 如以下更為完整地所述。圖1是符合本發(fā)明一項實施例的機翼組件100的頂視立面圖。圖2是 沿著直線2-2所取、圖1機翼組件100的端^L剖面圖。在此實施例中，才幾翼 組件100包4舌上部面板總成102以及各上部街梁弦桿104。在一項當(dāng)前優(yōu)選 實施例中，上部面板總成102和上部桁梁弦桿104是由鋁或其他適當(dāng)?shù)慕?屬材料諸如鈦制成的。同樣，機翼組件100包括下部面板總成112和下部
街梁弦桿114。在一項實施例中，下部面板總成112和下部桁梁弦桿114是 由復(fù)合材料諸如CFRP制成的。
如圖3所示，上部面板總成102包括上部蒙皮108和許多上部腹板件 106。這些上部腹板件106將上部蒙皮108聯(lián)接于機翼組件100的支承結(jié)構(gòu) 110。同樣，下部面板總成112包括下部蒙皮和許多下部腹板件116,后者 將下部蒙皮118聯(lián)接于支承結(jié)構(gòu)110。
位于支承結(jié)構(gòu)110的相對端處的一對交接部分120將每一上部桁梁弦 桿104聯(lián)接于下部桁梁弦桿114。更為具體地說，如圖3最為清楚地示出， 下部桁梁弦桿114包括腹板部分115，該部分向上伸展以覆蓋上部街梁弦桿 104的向下伸展的腹板部分105。肋板件122沿著上部桁梁弦桿104和下部 桁梁弦桿114的腹板部分105和115向上伸展。交接件126設(shè)置在下部桁梁 弦桿114的腹板部分115與上部桁梁弦桿104的腹板部分105之間，并同時 在下部街梁弦桿114的腹板部分115與支承結(jié)構(gòu)110之間。在一項實施例中， 交接件126是玻璃纖維網(wǎng)層材料。許多固緊件124穿過肋板件122、 一或多 個上部和下部軒梁弦桿104、 114的腹^1部分105、 115，以及交4妻件126， 將這些部件固牢于支承結(jié)構(gòu)110。在一項實施例中，各固緊件124是鈦制螺 栓。許多填料密封件128設(shè)置在金屬部件(比如上部桁梁弦桿104和支承 結(jié)構(gòu)110)鄰近或充分接近復(fù)合部件(比如下部街梁弦桿114)的多個邊緣 或交會處。
在一項特定實施例中，為防止金屬的上部桁梁弦桿104的電腐蝕，采 用以下特征(1 )交接件126使下部桁梁弦桿114的腹板部分115絕緣于上 部桁梁弦桿104的腹板部分105, (2)上部桁梁弦桿104敷以一或多個非導(dǎo) 電材料敷層，(3)交接部分120敷以密封劑薄層，以及(4)各固緊件124 裝有濕的密封劑，在接近上部銜梁弦桿104的一側(cè)上具有絕緣套圈(未示 出)。在另一實施例中，固緊件124的端頭可以是用蓋帽密封的而各套圈可 以是自密封的。確保復(fù)合材料與金屬材料物理隔絕，并防止各交接面處濕 氣的侵入，就可以減少并消除電腐蝕的威脅。其次，交接部分120位于機 翼組件100的上部之內(nèi)可以用以保持接合部沒有任何儲集水分。
復(fù)合材料(比如CFRP材料)和金屬材料(比如鋁材)可以展現(xiàn)出顯 著不同的熱致應(yīng)變速率。因而，裝接于承受熱循環(huán)的復(fù)合材料下部面板總 成112的金屬上部面板總成102將表現(xiàn)出彎曲應(yīng)變(受冷時上傾，受熱時
下斜)。作為熱彎曲的幾何后果，掠翼飛機也將經(jīng)受機翼扭曲。這些機翼扭 曲可以以非掠翼結(jié)構(gòu)予以緩解。在翼箱的靜力和疲勞評估中必須計及熱負 荷。這些負荷一般附加于機械負荷。圖4是圖3交接部分120的應(yīng)變梯度200。在一項特定的實施例中，在 上部面板總成102由鋁材制成和下部面板總成112由當(dāng)前優(yōu)選的CFRP材料 制成的地方，鋁材的壓縮軸向應(yīng)變極限是大約0.007in/in，而包含CFRP纖 維在內(nèi)的當(dāng)前優(yōu)選復(fù)合材料在壓縮作用下軸向受載時的應(yīng)變極限大致上是 0.005in/in。因而，如果鋁制上部面板總成102真的在最大應(yīng)力區(qū)域處裝接 于CFRP下部面板總成112，則鋁制面板的設(shè)計會受到CFRP應(yīng)變中斷的限 制而不會實現(xiàn)重量節(jié)省。圖4表明，裝接兩種材料的上部和下部街梁弦桿 104、 114， CFRP軸向應(yīng)變峰值在接合部處顯著減小。通過在高壓縮軸向應(yīng) 變區(qū)域內(nèi)從下部街梁弦桿114 (和肋板部分122)中去除軸向纖維，可以進 一步增強應(yīng)變相容性。因而，兩種材料可以用在彎曲方面并仍然達到較高 的鋁材應(yīng)變水平(以及因而降低重量)。應(yīng)該理解，可能希望將兩種材料的 裝接設(shè)置在上部和下部街梁弦桿104、 114的腹板部分105、 115上(即接近 翼箱的中性軸)，允許鋁制上部面板總成102實現(xiàn)其全部應(yīng)變潛力而同時在 材料交接處維持應(yīng)變相容性。在接合部處的熱致疲勞載荷也由于接合部相 對于中性軸的位置而較小。本發(fā)明的各項實施例可以提供超過現(xiàn)有技術(shù)的各種優(yōu)點。比如，通過 設(shè)計一種如上所述的翼箱，可以實現(xiàn)顯著的重量節(jié)省。在一些實施例中， 可能實現(xiàn)重量節(jié)省，以致本發(fā)明的各項實施例輕于完全復(fù)合材料(比方 CFRP)翼箱，并大致上輕于全部鋁材翼箱20%。另外一些好處可以包括提 供比起完全復(fù)合材料機翼設(shè)計來更為牢靠的閃電/EME防護特性，以及比起 具竟?fàn)幮缘耐耆珡?fù)合材料觀念來更好的預(yù)估源損傷容差。吊艙、機體一側(cè) 和主著陸裝置的整合也可以采用本發(fā)明各項實施例，與完全復(fù)合材料設(shè)計 相比，予以簡化。另外的好處是，相比于完全復(fù)合材料翼箱設(shè)計，具有成 本效益。符合本發(fā)明的機翼組件的各項實施例可以用在廣為多樣的飛行器之 中。比如，圖5示出具有一對符合本發(fā)明另一實施例的一對機翼組件304 的飛機300的側(cè)視立面圖。飛機300 —般包括聯(lián)接于機翼組件304的一或 多部推進裝置302,或者可選擇地，聯(lián)接于機身306、設(shè)置在機身306之內(nèi)
的飛機搶架307或者甚至飛機300的其他各部分之內(nèi)。另外，飛機300還 包括聯(lián)接于機身306和/或飛機搶架307的著陸組件310和機尾組件308。 飛機300還包括一般為飛機300的正確運行所需的多種其他系統(tǒng)和子系統(tǒng)。 比如，飛機300包括飛機控制系統(tǒng)312，以及許多其他的電氣、機械和機電 系統(tǒng)，協(xié)同執(zhí)行飛機300運行所必需的各種任務(wù)。雖然圖3所示的飛機300 —般代表一種商用客機，包括比如伊利諾伊 斯州芝加哥市波音^^司(The Boeing Co匪any of Chicaqo Illinois )出售的 737、 747、 757、 767和777客機，^旦在備選實施例中，本發(fā)明也可以裝入 其他類型的飛行器。這種飛行器的一些實例包括有人和無人駕駛的軍用飛 機、旋翼飛機、導(dǎo)彈、火箭，或者沖擊飛行器， 一如較為完整地示于多種 說明性書巻之中，諸如英國薩瑞郡考斯頓市的簡氏資訊集團有限公司(Jane，s Information Group Ltd. Of Coulsdon， Surrey, UK )出售的簡氏世界飛機全書 (Jane's All The World's Aircraft )。雖然已經(jīng)圖示和說明了本發(fā)明的優(yōu)選的和另外的實施例， 一如上述， 但在不偏離本發(fā)明的精神和范疇的情況下可以作出許多改變。于是，本發(fā) 明的范疇不為這些優(yōu)選和另外實施例的披露所限。相反，本發(fā)明應(yīng)當(dāng)完全 通過參照下隨的各項權(quán)利要求予以確定。
權(quán)利要求
1.一種用在飛機上的機翼組件，包括支承結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有適于聯(lián)接于飛機的第一端部；上部面板總成，該上部面板總成由金屬材料制成并聯(lián)接于支承結(jié)構(gòu)；以及下部面板總成，該下部面板總成由復(fù)合材料制成并聯(lián)接于支承結(jié)構(gòu)。
2. 按照權(quán)利要求1所述的機翼組件，其中金屬材料包括鋁和鈦之中的 至少一種，其中復(fù)合材料包括碳纖維增強塑料(CFRP)材料。
3. 按照權(quán)利要求1所述的機翼組件，其中上部面板總成包括下懸的位 于支承結(jié)構(gòu)的第 一端部附近的第 一腹板部分，下部面板總成包括上伸的第 二腹板部分，第二腹板部分接近第一腹板部分，機翼組件還包括設(shè)置在第 一與第二兩腹板部分之間的絕緣材料的交接件，以及將第二腹板部分、交 接件和第 一腹板部分聯(lián)接于支承結(jié)構(gòu)的至少 一 個固緊件。
4. 按照權(quán)利要求3所述的機翼組件，還包括肋板件，該肋板件沿著第 一和第二腹板其中的至少一個伸展并聯(lián)接于它。
5. 按照權(quán)利要求3所述的機翼組件，其中上部面板總成包括接近支承 結(jié)構(gòu)第一端部的上部桁梁弦桿，第一腹板部分是一部分上部桁梁弦桿，以 及其中下部面板總成包括下部街梁弦桿，第二腹板部分是一部分下部桁梁弦桿。
6. 按照權(quán)利要求3所述的機翼組件，其中上部蒙皮通過許多第一腹板 部分聯(lián)接于支承結(jié)構(gòu)，而第二蒙皮通過許多第二腹板部分聯(lián)接于支承結(jié)構(gòu)。
7. 按照權(quán)利要求3所述的機翼組件，還包括至少一個填料密封件，其 設(shè)置在第一和第二兩腹板部分其中至少一個的至少一個邊緣部分上。
8. 按照權(quán)利要求3所述的機翼組件，其中交接件是由玻璃纖維絕緣網(wǎng) 層材料制成的。
9. 一種用在飛機上的機翼組件，包括 支承結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有適于聯(lián)接于飛機的第一端部； 上部面板總成，該上部面板總成聯(lián)接于支承結(jié)構(gòu)的上部并具有由金屬材料制成的下懸構(gòu)件；以及 材料制成的上伸構(gòu)件，上伸構(gòu)件聯(lián)接于下懸構(gòu)件。
10. 按照權(quán)利要求9所述的機翼組件，其中金屬構(gòu)件包括鋁和鈦之中的至少一種，其中復(fù)合材料包括碳纖維增強塑料(CFRP)材料。
11. 按照權(quán)利要求9所述的機翼組件，其中上部面板總成完全由金屬材 料制成。
12. 按照權(quán)利要求9所述的機翼組件，其中下部面板總成完全由復(fù)合材 料制成。
13. 按照權(quán)利要求9所述的機翼組件，還包括設(shè)置在下懸構(gòu)件與上伸構(gòu) 件之間的至少 一 個交接件。
14. 一種用在飛機上的機翼組件，包括 支承結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有適于聯(lián)接于飛機的第一端部； 上部面板總成，該上部面板總成具有聯(lián)接于支承結(jié)構(gòu)的上部蒙皮并包括位于支承結(jié)構(gòu)第一端部附近的下懸第一腹板部分，此第一腹板部分由金 屬材料制成；下部面板總成，該下部面板總成具有聯(lián)接于支承結(jié)構(gòu)的下部蒙皮并包 括由復(fù)合材料制成的上伸第二腹板部分，此第二腹板部分接近第 一腹板部 分；設(shè)置在第 一與第二腹板部分之間的絕緣材料的交接件；以及 將第二腹板部分、交接件和第 一腹板部分聯(lián)接于支承結(jié)構(gòu)的至少 一個 固緊件。
15. 按照權(quán)利要求14所述的機翼組件，其中金屬材料包括鋁和鈦二者 之中的至少一種，其中復(fù)合材料包括碳纖維增強塑料(CFRP)材料。
16. 按照權(quán)利要求14所述的機翼組件，其中上部面板總成完全由金屬 材料制成。
17. 按照權(quán)利要求14所述的機翼組件，其中下部面板總成完全由復(fù)合 材料制成。
18. 按照權(quán)利要求14所述的機翼組件，還包括設(shè)置在第一和第二腹板 部分其中至少一個的至少一個邊緣部分上的至少一個填料密封件。
19. 按照權(quán)利要求14所述的機翼組件，其中交接件是由玻璃纖維絕緣 網(wǎng)層材料制成的。
20. —種飛機，包括具有飛機艙架的機身；操作聯(lián)接于機身和飛機艙架其中至少一個上的推進系統(tǒng)；以及 至少一個4幾翼組件，包括支承結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有聯(lián)接于機身和飛機艙架二者其中至少 一個 的第一端部；上部面板總成，該上部面板總成聯(lián)接于支承結(jié)構(gòu)的上部并具有由 金屬材料制成的下懸構(gòu)件；以及下部面板總成，該下部面板總成聯(lián)接于支承結(jié)構(gòu)的下部并具有由 復(fù)合材料制成的上伸構(gòu)件，上伸構(gòu)件聯(lián)接于下懸構(gòu)件。
21. 按照權(quán)利要求20所述的飛機，其中金屬材料包括鋁和鈦二者之中 的至少一種，其中復(fù)合材料包括碳纖維增強塑料(CFRP)材料。
22. 按照權(quán)利要求20所述的飛機，其中上部面板總成包括位于支承結(jié) 構(gòu)第 一端部附近的下懸第 一腹板部分，下部面板總成包括上伸的第二腹板 部分，第二腹板部分接近第一腹板部分，機翼組件還包括設(shè)置在第一與第 二腹板部分之間的絕緣材料的交接件，以及將第二腹板部分、交接件和第 一腹板部分聯(lián)接于支承結(jié)構(gòu)的至少一個固緊件。
23. 按照權(quán)利要求22所述的飛機，其中上部面板總成包括接近支承結(jié) 構(gòu)第一端部的上部軒梁弦桿，第一腹板部分是一部分上部絎梁弦桿，其中 下部面板總成包括下部軒梁弦桿，第二腹板部分是一部分下部街梁弦桿。
24. 按照權(quán)利要求22所述的飛機，其中交接件是由玻璃纖維絕緣網(wǎng)層 材料制成的。
25. 按照權(quán)利要求20所述的飛機，其中支承結(jié)構(gòu)是由金屬材料制成的。
全文摘要
公開一種具有復(fù)合面板和金屬面板二者的飛機機翼組件。在一項實施例中，機翼組件包括支承結(jié)構(gòu)、由金屬材料制成并聯(lián)接于支承結(jié)構(gòu)的上部面板總成，以及由復(fù)合材料制成并聯(lián)接于支承結(jié)構(gòu)的下部面板總成。金屬材料可以是鋁、鈦或任何其他適當(dāng)?shù)慕饘?，而?fù)合材料可以是碳纖維增強塑料(CFRP)或其他適當(dāng)?shù)膹?fù)合材料。在另一實施例中，上部面板總成包括下懸的第一腹板部分，而下部面板總成包括上伸的第二腹板部分，第二腹板部分接近第一腹板部分，以及絕緣材料的交接件設(shè)置在第一與第二腹板部分之間。
文檔編號B64C3/00GK101160235SQ200680001703
公開日2008年4月9日 申請日期2006年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2006年1月11日
發(fā)明者丹尼爾·E·麥金蒂, 伊恩·C·伯福德, 布魯斯·R·福克斯, 斯科特·N·蘭普頓, 理查德·B·坦納, 簡·A·科德爾, 維克托·A·芒森, 詹姆斯·M·凱利, 邁爾斯·O·約翰遜 申請人:波音公司