本發(fā)明總體上涉及飛行器主結(jié)構(gòu)，該飛行器主結(jié)構(gòu)形成有抗扭盒、并且主要以復(fù)合材料——比如碳纖維增強塑料(CFRP)材料——制造。

本發(fā)明的目的是提供一種抵抗扭轉(zhuǎn)變形的多翼梁式抗扭盒結(jié)構(gòu)，并且該結(jié)構(gòu)同時具有減小的重量并且該結(jié)構(gòu)制造簡單。

本發(fā)明可以有利地在飛行器升力面——例如水平尾翼面(HTP)或機翼——的制造中使用。

背景技術(shù)：

用于抗扭盒的最普遍的結(jié)構(gòu)由前和后翼梁以及多個翼肋形成，多個翼肋橫向布置并裝配到前和后翼梁從而例如一起形成盒狀構(gòu)型?？古ず羞€包括在內(nèi)部由桁條加強的上和下蒙皮面板。翼肋的主要功能是：提供扭轉(zhuǎn)剛性，從而縱向限制蒙皮和桁條以便使屈曲載荷分散，維持空氣動力表面的形狀并且支撐由直接緊固到前和后翼肋的致動器配件、支撐軸承和類似裝置引起的局部載荷引入。

用于抗扭盒的另一已知的結(jié)構(gòu)概念是“多翼梁”，其中，翼肋被省略，并且若干翼梁被引入用于生成封閉室以便取代先前概念的翼肋的功能。多翼梁概念通常用于飛行器的水平尾翼面(HTP)——也被稱為水平安定面——的構(gòu)造。

圖1A、1B示出從碳纖維增強塑料(CFRP)材料獲得的用于HTP的多翼梁式抗扭盒的示例。HTP 1由兩個側(cè)向抗扭盒1'、1”(右手側(cè)和左手側(cè)抗扭盒)形成，它們在HTP 1的中央?yún)^(qū)域處彼此接合、并相對于水平尾翼面的對稱軸線對稱地布置。

抗扭盒借助于成對地分組的八個C形翼梁以三個室3被劃分。中間C形翼梁4具有延伸的翼梁凸緣并且在自由邊緣處被折疊以與相鄰 的翼梁一起形成桁條腹板9。該示例的多翼梁結(jié)構(gòu)還結(jié)合了后和前翼梁7、8以及上和下穹形體(蒙皮)5、6。HTP結(jié)構(gòu)的其它部件——比如前緣和后緣以及升降舵——與抗扭盒組裝。

歐洲專利申請EP-2153979A1更詳細(xì)地描述了多翼梁式抗扭盒。

多翼梁式抗扭盒具有其構(gòu)造簡單的優(yōu)點，但是已知的是多翼梁式抗扭盒具有傳遞高度集中的橫向載荷的問題，因此它們會受到由橫向載荷引起的變形的影響。這一缺點的原因在于在多翼梁式抗扭盒中沒有橫向翼肋。因此，由于這樣的多翼梁概念不具有大的扭轉(zhuǎn)剛度，因此有時有必要通過使用裝配在結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵區(qū)域處的附加加強元件——例如翼肋、桿或其它類型的加強元件——來加強結(jié)構(gòu)。

這是在美國專利申請US2009/0001218A1中所提出的方案，其中，若干支架和對角桿裝配至結(jié)構(gòu)以便針對扭轉(zhuǎn)變形加強該結(jié)構(gòu)。

然而，抗扭盒內(nèi)這些加強元件的安裝是麻煩的和費時的，因為多翼梁式抗扭盒是封閉結(jié)構(gòu)，因此接近內(nèi)部是困難的。此外，這些加強元件的安裝增加了制造和組裝成本并且也增加了結(jié)構(gòu)的重量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明在本文中限定，并且本發(fā)明通過提供結(jié)合有呈帶或條的形式的加強元件——該加強元件圍繞多翼梁式抗扭盒結(jié)構(gòu)的外周延伸并且相對于沿抗扭盒的翼展方向定向的軸線橫向地布置——的多翼梁式抗扭盒以便針對扭轉(zhuǎn)載荷對多翼梁式抗扭盒進行加強而克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點。

因此，本發(fā)明的一個方面涉及一種多翼梁式抗扭盒結(jié)構(gòu)，其包括多個復(fù)合材料制的翼梁，該翼梁縱向布置而構(gòu)成多室結(jié)構(gòu)，該多室結(jié)構(gòu)具有沿抗扭盒的翼展方向延伸的兩個或更多個室。該結(jié)構(gòu)包括至少一個帶狀(或條狀)加強元件，該加強元件順著抗扭盒的外周的形狀延伸、并且固定至多室結(jié)構(gòu)的上表面和下表面，并且該加強元件相對于沿翼展方向定向的軸線橫向地布置。

帶狀加強元件由金屬或復(fù)合材料制成，并且其尺寸，也就是說其寬度和厚度，針對每個特定應(yīng)用而被計算，以承受扭轉(zhuǎn)載荷和避 免抗扭盒的變形。

優(yōu)選地，帶狀加強元件被構(gòu)造為閉環(huán)——這意味著其不具有端部，并且?guī)罴訌娫@抗扭盒延伸并且為此帶狀加強元件具有與扭轉(zhuǎn)盒的輪廓的形狀和外周相似的形狀。

在本發(fā)明的替代性實施方式中，帶狀加強元件還延伸圍繞該結(jié)構(gòu)的其它部分，例如在HTP的情況下，帶狀加強元件還延伸圍繞結(jié)構(gòu)的前緣和/或后緣，使得前緣和/或后緣可以被結(jié)合在結(jié)構(gòu)中。在這種情況下，帶狀加強元件的形狀與由抗扭盒以及前緣和/或后緣形成的組件的輪廓的外周相似。

當(dāng)加強元件由金屬材料制成的，加強元件通過合適的機械或粘結(jié)方式而固定到抗扭盒以及前緣和/或后緣——一旦結(jié)構(gòu)的這些部分被固化。

當(dāng)由復(fù)合材料制得帶狀加強元件時，加強元件作為形成帶構(gòu)型的復(fù)合材料的層片堆疊體而制得，并且特別地，堆疊體的層片優(yōu)選地沿載荷引入方向、橫向于沿翼展方向設(shè)置的軸線而布置，使得纖維在該加強元件必須承受的扭轉(zhuǎn)力的方向上定向，由此實現(xiàn)這種加強元件的功能。

由復(fù)合材料制得的帶狀加強元件在該結(jié)構(gòu)的同一制造過程中形成，使得加強元件是結(jié)構(gòu)的一體部分。例如，加強元件形成為放置在蒙皮蓋上、或替代性地插入在室與蒙皮蓋之間的預(yù)成形件，然后整個組件被共固化在一起。

在本發(fā)明的其它實施形式中，帶狀加強元件獨立地固化，然后與結(jié)構(gòu)共粘結(jié)或二次粘結(jié)。

本發(fā)明還涉及一種用于飛行器的水平尾翼面，該水平尾翼面具有兩個對稱地布置的根據(jù)本發(fā)明的多翼梁式抗扭盒結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的一些優(yōu)點可歸納如下：

-在與現(xiàn)有技術(shù)的多翼梁概念相比以最小的制造和裝配的時間和成本，針對扭轉(zhuǎn)變形對抗扭盒進行加強。

-由于加強元件被放置在該結(jié)構(gòu)的外表面，其安裝是非常簡單的，因為不需要進入到多翼梁式抗扭盒的內(nèi)部?？梢员苊庖砝呋蚱? 它內(nèi)部結(jié)構(gòu)元件在多翼梁式抗扭盒內(nèi)的安裝。

-由于加強元件是條帶狀，也就是說是薄體，因此加強元件的重量得以最優(yōu)化并且結(jié)構(gòu)的重量——總體重量——不顯著增加。

-通過使用帶狀加強元件作為用于對前緣和/或后緣的一些面板或罩體進行裝配的支撐件，該結(jié)構(gòu)的其它部分——比如前緣和后緣——可以結(jié)合在結(jié)構(gòu)中。

附圖說明

下面參照附圖描述本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，在附圖中：

圖1A和圖1B示出了用于HTP的構(gòu)造的現(xiàn)有技術(shù)的常規(guī)的多翼梁式抗扭盒結(jié)構(gòu)。圖1A是HTP的立體圖，而圖1B是抗扭盒中的一個抗扭盒的分解圖。

圖2A中示出了包括根據(jù)本發(fā)明的加強元件的抗扭盒的立體圖。圖2B-2D以俯視平面圖示出了用于加強件的其它優(yōu)選布置。箭頭“Y”表示在每個特定情況中在HTP中載荷引入的方向。軸線“X”表示抗扭盒的翼展方向。

圖3A和圖3B示出了包括根據(jù)本發(fā)明的加強元件的多室抗扭盒的截面圖，其中，圖3A示出了加強元件是緊固或粘結(jié)到抗扭盒的單獨元件，圖3B示出了加強元件為在制造過程中放置在蓋與室或翼梁的預(yù)成形件之間的一體元件。

圖4A-4F示出了與圖3A和3B類似的圖示，其中，圖4A示出了加強元件是緊固或粘結(jié)到抗扭盒的單獨元件，該單獨元件作為連續(xù)元件在前緣上并且在圖4B中作為不連續(xù)元件在前緣上延伸。圖4C-4F示出了加強元件為在制造過程中的一體元件，并且該一體元件順著前緣延伸，并且在不同的位置中，在蒙皮蓋預(yù)成形件上延伸(圖4C，4D)，以及在蒙皮蓋預(yù)成形件與室/翼梁預(yù)成形件之間延伸(圖4E，4F)。

圖5示出了抗扭盒的局部立體圖，該抗扭盒具有在用于后緣的配件的外表面上延伸的加強元件。

圖6A-6F示出了與圖4A-4F類似的圖示，但是加強元件在后緣上而不是在前緣上延伸。在圖6A，6B中加強元件是緊固或粘結(jié)到抗扭盒的單獨元件，而在圖6C-6F中加強元件是在同一制造過程中在蒙皮蓋預(yù)成形件上(圖6C，6D)以及在蒙皮蓋預(yù)成形件與室/翼梁預(yù)成形件之間(圖6E，6F)獲得的一體元件。

圖7A-7D示出這樣的圖示，在該圖示中加強元件在抗扭盒以及在前緣和后緣兩者上延伸，并且加強元件構(gòu)造為緊固或粘結(jié)到抗扭盒的單獨的元件。

圖8A-8F示出這樣的圖示，在該圖示中加強元件在抗扭盒以及在前緣和后緣兩者上延伸，并且加強元件被構(gòu)造為位于蒙皮蓋預(yù)成形件上(圖8A-8D)以及位于蒙皮蓋預(yù)成形件與室/翼梁預(yù)成形件之間(圖8E，8F)的一體元件。

圖9A和9B示出了用于制造在前緣周圍延伸的加強元件的輔助工具的細(xì)節(jié)。

圖10示出了沿著翼展軸線的HTP盒的扭轉(zhuǎn)。

圖11示出了加強元件的扭轉(zhuǎn)慣性矩。

圖12示出了加強元件和翼肋的簡化幾何形狀。

具體實施方式

圖3至圖8示出了抗扭盒1的多室(室)結(jié)構(gòu)10，其中，該多室結(jié)構(gòu)由復(fù)合材料制得并且具有在抗扭盒處沿翼展方向延伸的三個室11a、11b、11c，從而限定出上表面18和下表面19。室為由若干桁條限定成的縱向通道，所述若干桁條以相繼的方式放置并固定(共固化)，并且以相對于彼此對稱布置的方式成對地分組成使得每一對限定一個室。例如，在圖3至圖8中，室11a由第一對翼梁12a、13a限定，室11b由第二對翼梁12b、13b限定，等等。

每個翼梁12a、13a、12b、13b、12c、13c均具有C形截面形狀，從而具有腹板14、上凸緣15'和下凸緣15”、以及位于翼梁的自由端處的折疊邊緣16'和16”。如圖中所示的，每對對稱翼梁的折疊邊緣均搭疊并且接觸從而共同形成該結(jié)構(gòu)的桁條17。

該抗扭盒結(jié)構(gòu)還包括同樣由復(fù)合材料制成的上蒙皮蓋5和下蒙皮蓋6，上蒙皮蓋5和下蒙皮蓋6分別接合至多室結(jié)構(gòu)的上表面18和下表面19。

根據(jù)本發(fā)明，該結(jié)構(gòu)設(shè)置有至少一個帶狀(或環(huán)狀)加強元件20，該加強元件20呈帶或條的形式，即，相對于該結(jié)構(gòu)的總體尺寸而言薄而窄的物體。這種加強元件20是構(gòu)造成閉環(huán)(沒有端部)的單一體，如例如在圖3B、4E、6F和8E的實施方式中示出的。然而，在替代性實施方式中，加強元件29由兩個或更多個單獨的段形成，例如在圖3A、4B、4D、6A、6B、6C、6D、7B、7D、8B、8D的實施方式中。

此外，在其它替代性實施方式中，加強元件為構(gòu)造成開環(huán)(具有兩個端部)的單一體，如在圖4A、4C、4F、6E、7A、7C、8A、8C、8F的實施方式中作為示例示出的。加強元件的在前部部分具有間隙的這種構(gòu)型提供了如下優(yōu)點：優(yōu)化了內(nèi)側(cè)前緣和外側(cè)前緣的組裝并且在需要的情況下能夠裝配輔助的附接翼肋。

然而，在所有這三種替代方案中，無論加強元件20是形成為單一體還是形成為若干單獨的段，加強元件均順著抗扭盒的外周的一些部分延伸或著順著抗扭盒的整個周邊延伸，并且加強元件相對于如圖2中所示的沿翼展方向設(shè)置或定向的軸線X橫向地布置。這意味著加強元件的縱向軸線橫向于翼展方向。

加強元件20由金屬或諸如CFRP的復(fù)合材料制成。加強元件20的一些部分被固定至多室結(jié)構(gòu)的上表面18和下表面19，這種固定在金屬加強件的情況下能夠通過緊固手段實現(xiàn)或者在復(fù)合加強件的情況下通過共固化、共粘結(jié)或二次粘結(jié)過程實現(xiàn)。

優(yōu)選地，加強元件20是由復(fù)合材料制成的一疊層片(或薄片)，其中，每個層片均具有單向纖維。根據(jù)本發(fā)明，加強元件的大部分層片大致地沿與載荷引入方向Y相同的方向并且橫向于翼展軸線X布置。這種特征在圖2B至2D中被更詳細(xì)地示出，圖中能夠觀察到的是加強元件沿與載荷引入方向Y相同的方向傾斜，載荷引入方向Y例如在裝配點或樞軸點24處出現(xiàn)并且取決于每個特定的抗扭盒的設(shè)計。

在一些實施方式中，例如在實施方式3B、6F中，加強元件僅圍繞多室結(jié)構(gòu)延伸，并且因此其具有“矩形”構(gòu)型，而在其它實施方式中，加強元件由分別接合至上表面18和下表面19的兩個段20a、20b形成，如圖3A、4B、6A、6B、6C、6D的形式示例的情形。

抗扭盒結(jié)構(gòu)通常具有裝配至抗扭盒的前翼梁的前緣輪廓件21和裝配至抗扭盒的后翼梁的后緣輪廓件22，如圖2中所示。本發(fā)明提出：加強元件20的一部分還圍繞前緣和/或后緣延伸。以此方式并且通過加強元件20適當(dāng)?shù)某叽缭O(shè)定，加強元件20能夠用作用于接納前緣和/或后緣的罩體或面板的支撐件或配件。

當(dāng)加強元件20圍繞后緣延伸時，這能夠通過以下方式實現(xiàn)：僅結(jié)合后緣的上面板(圖6B、6D)或者結(jié)合后緣的上面板和下面板(圖6A、6C)。出于維修的需要，后緣的下面板必須是可移除的，因此，當(dāng)加強元件20在后緣的上面板和下面板兩者上延伸時，如圖5所示，加強元件的這些后部部分被裝配在后緣翼肋(TER)或支承緣翼肋(BER)24上。

這能夠例如在圖4A-4F、7A-7D、8A-8F的實施方式中觀察得到，在這些圖中，加強元件20具有在該結(jié)構(gòu)的前緣的周邊上延伸的前部部分20c。類似地，在其它實施方式中，加強元件20具有朝向該結(jié)構(gòu)的后緣延伸的后部部分20d(見圖6A-6F)。此外，在其它實施方式中，加強元件20具有在前緣的周邊上延伸的前部部分20c以及朝向該結(jié)構(gòu)的后緣延伸的后部部分20d(見圖7A-7D、8A-8F)。

為了固化加強元件20的這些前部部分20c和后部部分20d，使用包括具有適用于所述前部部分和后部部分的期望形狀的表面的輔助工具23，該輔助工具23隨后在固化過程之后被移除。

此外，加強件可以被放置在該結(jié)構(gòu)中的任意位置處，例如，加強元件20的至少一個部分被放置在該多室結(jié)構(gòu)10與蒙皮蓋5、6之間(參見圖3B、4E、4F、6E、6F、8E、8F)。替代性地，加強元件20的至少一個部分被放置在蒙皮蓋5、6上，該蒙皮蓋5、6進而被放置在翼梁凸緣上。

為了加強元件的一體化，根據(jù)各個特定的實施方式，在蒙皮蓋的表面中的一個表面和/或翼梁凸緣上形成有凹槽(未示出)，使得 加強元件被接納在該凹槽內(nèi)。該凹槽被設(shè)定尺寸成使得加強元件與所述表面平齊并且不從該結(jié)構(gòu)中突出。

如在圖3B、4E、4F、6E、6F、8E、8F中作為示例示出的，加強元件20的一個或更多個部分被放置在翼梁腹板之間。

通常，前緣和后緣分別包括在該結(jié)構(gòu)中沿翼展方向布置的兩個或更多個部段21a、21b和22a、22b、22c。優(yōu)選地，如圖2中所示，加強元件20被放置成跟相鄰的前緣部段與后緣部段之間的分隔線相對應(yīng)，以便允許這些部段附接至該加強元件，該加強元件在這種情況下還用作用于這些部段的支撐件。

加強元件20的厚度t和寬度b針對每個特定的應(yīng)用進行計算，以減少抗扭盒的變形量。在下文中將對估算環(huán)的尺寸的簡化的方法進行介紹。

HTP盒在各個橫向部段處沿著翼展軸線的扭轉(zhuǎn)(扭力)由以下等式限定，并且該扭轉(zhuǎn)在圖10中示出：

$\mathrm{\θ}=\frac{T}{G+l_t}$

其中，

θ＝扭轉(zhuǎn)角

T＝合成扭矩

G·I_t＝等效扭轉(zhuǎn)剛度

(G＝常量，材料剪切模量；I_t＝等效扭轉(zhuǎn)慣性矩)

加強元件20應(yīng)當(dāng)提供與在該位置處由翼肋提供的剛度值相似的剛度值；因此扭轉(zhuǎn)慣性矩(圖11)應(yīng)當(dāng)是相似的。

I_{t_加強元件}～I_{t_翼肋}

在考慮加強元件和翼肋的簡化的矩形幾何形狀的情況下，通過使這些部段的慣性矩相等，能夠近似地得出加強元件的厚度t(參見圖12)。

其中:

β是常量，矩形尺寸的函數(shù)；

的數(shù)值從β(1)＝0.141至β(∞)＝0.33

c是翼肋的翼弦。

Cm是由加強元件形成的環(huán)的一個邊的尺寸

Hm是由加強元件形成的環(huán)的另一個邊的尺寸

另一方面，加強元件的寬度b將與翼肋凸緣的寬度相似。

b_mtn～b_rtb

在本文中還描述了本發(fā)明的其它優(yōu)選實施方式。