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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft einen Druckrumpf eines Luft- oder Raumfahrzeuges, der in Längserstreckungsrichtung aus mehreren Rumpfsektionen zusammengesetzt ist, wobei hierin mindestens eine Druckkalotte zur Bildung eines Druckbereichs integriert ist, zu deren innenseitiger Befestigung an mindestens einer Rumpfsektion ein bogenförmiges Spantprofil vorgesehen ist, wobei das bogenförmige Spantprofil einen Y-Querschnitt aufweist, mit einem langen Profilschenkel zur Verbindung an mindestens einer Rumpfsektion und einem vom Mittelbereich nach innen unter einem spitzen Winkel sich erstrecken den kurzen Profilschenkel zur Verbindung mit der Druckkalotte. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verkehrsflugzeug zum Transport von Personen und/oder Gütern, das einen derartigen Druckrumpf aufweist.
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Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich vornehmlich auf die Verkehrsflugzeugtechnik. Zum Transport von vornehmlich Personen oder Gütern kommen Verkehrsflugzeuge mit einem großvolumigen Rumpf zum Einsatz, der in mehrere Ebenen aufgeteilt sein kann. Vornehmlich ist der Rumpf derartiger Flugzeuge in Schalenbauweise aufgebaut, welche die krafttragende Struktur bildet. In diesen Rumpfschalen werden längswirkende Kräfte und senkrecht zur Längsrichtung in Umfangsrichtung wirkende Torsionskräfte unter anderem von den Tragflächen, den Triebwerken und dem Leitwerk eingeleitet. Die hohe mechanische Steifigkeit der Außenhülle gegenüber der wirkenden Kräften ergibt sich aufgrund des im Wesentlichen rohrförmig langgestreckten Aufbaus des Rumpfes. Innerhalb des Schalenaufbaus sind längsverlaufende Stringer und quer zu den Stringern angeordnete, dem Querschnitt des Rumpfes entsprechende Spante vorgesehen. Die Stringer und Spante verhindern, dass sich in der Außenhaut Beulen oder dergleichen bilden können, welche die mechanische Tragfähigkeit in der Außenhaut gegenüber Längs-, Quer- und Torsionskräften verringern könnten.
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Zum Transport in größeren Flughöhen ist es insbesondere für die sich im Flugzeugrumpf befindlichen Personen überlebenswichtig, dass der Atmosphärendruck beibehalten wird. Hierfür weist der Rumpf einen unter Druck stehenden Bereich für die Personen auf. In der Regel steht der Frachtraum eines Flugzeuges ebenfalls unter Atmosphärendruck. Außerhalb des unter Druck stehenden Bereichs des Rumpfes werden vornehmlich Aggregate und dergleichen angeordnet. Ein Rumpf dieser Art wird im Rahmen der Erfindung als Druckrumpf bezeichnet.
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Die
EP 0 847 916 A2 offenbart einen Druckspant in Form einer Kalotte, insbesondere zum heckseitigen Abschluss eines druckbelüfteten Bereiches eine Flugzeugrumpfes, wobei zur Aufnahme von Ringkräften ein Ringspant vorgesehen ist. Der Ringspant wird in der Weise durch den Rand der Kalotte gebildet, dass der Rand mit einem Übergangsbereich mit dem inneren Krümmungsradius in einem spitzen Winkel derart zum Rumpfheck hin umgestülpt ist, dass er sich von innen an die Rumpfstruktur in einem umlaufenden Kontaktstreifen mit vorbestimmter Breite anschmiegt. Dadurch wird der Fertigungsaufwand reduziert, die Korrosionsgefahr beseitigt und die Dauerfestigkeit erhöht.
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Aus der
US 2008/0179459 A1 geht ein gekrümmtes Flugzeugverbunddruckschott aus einem Verbundwerkstoff hervor, bestehend aus drei Schichten. Zwischen einer äußeren Schicht und einer inneren Schicht, die symmetrisch zueinander aufgebaut sind und aus einem Faserlaminat hergestellt sind, ist eine Zwischenschicht aus einem leichten Material angeordnet. Die Sandwichbauweise des Druckschotts ermöglicht das Standhalten von Biegebeanspruchungen des Flugzeugrumpfes ohne eine durch Versteifungselemente hervorgerufene Steifigkeitserhöhung des Druckschotts. Das Druckschott umfasst ferner einen Ring, der an den Enden des Druckschotts befestigt ist und in mehrere Abschnitte aufgeteilt ist, um die Montage des Flugzeugverbunddruckschotts an der Rumpfhaut zu erleichtern.
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Darüber hinaus geht aus der
DE 1 214 091 A ein unter innerem Überdruck setzbarer Luftfahrzeugrumpf mit einer oberen Wand von im Wesentlichen kreisförmigem Profil hervor. Die Wand erstreckt sich über einen Winkel, der größer als 180° ist. Ferner umfasst der Luftfahrzeugrumpf einen Boden, der sich von dem einen Rand der oberen Wand zu deren anderen Rand erstreckt, und eine untere Wand, deren Krümmungsradius mindestens gleichgroß dem der oberen Wand ist. Die benachbarten Ränder dieser drei Elemente sind miteinander durch Längsprofilteile verbunden. Jedes Längsprofilteil weist ein Mittelstück und zwei dünne biegsame Schenkel auf. Das Mittelstück ist an dem Boden befestigt und die dünnen biegsamen Schenkel sind an den jeweiligen Rändern der Wände befestigt, zu denen sie im Wesentlichen parallel verlaufen.
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Aus der
DE 10 2006 027 707 A1 geht ferner ein Druckrumpf eines gattungsgemäßen Luft- oder Raumfahrzeuges hervor. Im Bereich der Heckstruktur des Druckrumpfes geht der unter Druck stehende Bereich – die Kabine – in einen nicht unter Druck stehenden Bereich über. In diesem Bereich wird die tragende Außenhülle durch innenliegende längs verlaufende Stringer und quer dazu angeordnete Spanten gestützt. Die Spanten weisen eine Form entsprechend dem Querschnitt der Außenhülle auf. Das Gerippe, welches durch die Stringer und die Spanten gebildet wird, besitzt selbst keine oder nur eine geringe mechanische Tragfähigkeit. Die Tragfähigkeit wirkt in dieser Rumpfsektion erst in Verbindung mit der Außenhülle.
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Aufgrund des Druckunterschiedes zwischen Druckrumpf und dem nicht unter Druck stehenden Heckbereich wirken Kräfte in Längsrichtung auf ein die Grenze bildendes Druckschott. Damit das Druckschott eine ausreichende mechanische Stabilität gegenüber diesen Kräften erhält, sind diverse Verstrebungen vorhanden. Zusätzlich wird eine nach außen in Richtung des nicht unter Druck stellenden Heckbereichs gewölbte Druckkalotte in das Druckschott integriert. Die Verbindung zwischen dem Randbereich der gewölbten Druckkalotte mit dem angrenzenden Spant muss druckdicht und entsprechend den herrschenden Beanspruchungen stabil ausgeführt sein.
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Nachteilhaft bei diesem Stand der Technik erscheint die recht aufwendige Verbindung mit den diversen Verstrebungen.
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Aus der
DE 10 2007 052 140 A1 geht eine andere technische Lösung für die Befestigung einer Druckkalotte innerhalb eines Druckrumpfes eines Luft- oder Raumfahrzeuges hervor. Die Rumpfstruktur weist ein ringförmiges Hauptsegment auf, welches eine Querschnittsöffnung besitzt, die über eine Druckkalotte verschlossen ist. Mehrere Zugstreben verbinden die Druckkalotte mit dem ringförmigen Hauptsegment und nehmen dabei die auf die Druckkalotte wirkenden Lasten als Zuglasten auf. Durch diese technische Lösung können biegebeanspruchte Verstärkungselemente vermieden werden. Hierdurch lassen sich die Zugstreben auch mit einem kleineren Querschnitt ausbilden, woraus sich eine Gewichtseinsparung ergibt.
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Allerdings sind für die druckdichte Verbindung der Druckkalotte mit der benachbarten Rumpfsektion weitere Bauteile erforderlich, insbesondere U-förmig gebogene Ringspante mit speziellen Biegeradien, die über Abstützwinkel stabil an der Rumpfsektion zu befestigen sind.
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Insgesamt sind recht viele einzelne Verbindungs- und Stützelemente erforderlich, die aufwendig einzeln zu montieren sind.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, einen Druckrumpf eines Luft- oder Raumfahrzeuges zu schaffen, dessen Druckkalotte sich mit wenigen einfachen Verbindungsmitteln sicher und zeitsparend montieren lässt, wodurch eine Material- und Kostenersparnis resultieren.
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Die Aufgabe wird ausgehend von einem Druckrumpf gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung an.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass im Sinne einer Funktionsintegration gleichzeitig mit dem Anschluss der Druckkalotte auch zwei benachbarte Rumpfsektionen über deren Randbereiche durch Überbrückung mittels des langen Profilschenkels miteinander verbunden sind.
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Das erfindungsgemäße Spantprofil dient als Anschluss der Druckkalotte, welche über diesen mit der Beplankung, also der Außenhaut des Druckrumpfes im Bereich der zugeordneten Rumpfsektionen verbunden wird. Ferner bietet das Spantprofil mit dem speziellen Y-Querschnitt alle erforderlichen Anschlüsse zu den benachbarten Bauteilen und ist durch seine Formgebung stabil ausgeführt. Damit ist das erfindungsgemäße Spantprofil ein einfaches Bauteil mit integriertem Anschluss für die Druckkalotte.
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Ist an der Position des Spantprofils eine Trennstelle in Folge benachbarter Rumpfsektionen vorgesehen, so kann über das Spantprofil auch die Verbindung dieser aneinandergrenzenden Rumpfsektionen vorgenommen werden. Zusätzliche Streben und dergleichen sind mithin entbehrlich. Dadurch ergibt sich eine Material- und Kostenersparnis.
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Vorteilhafterweise sollte die Verbindung der beiden benachbarten Rumpfsektionen über den langen Profilschenkel des Spantprofils durch Vernieten erfolge. Einheitlich hiermit und insoweit montagetechnisch einfach sollte die Verbindung zwischen dem kurzen Profilschenkel und der Druckkalotte ebenfalls vorzugsweise durch Vernieten erfolgen. Hierbei sind entsprechend den Beanspruchungen ggf. mehrere Nietreihen zu setzen.
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Um einen statisch günstigen geradlinigen Übergang zwischen der Druckkalotte und dem kurzen Profilschenkel des Spantprofil zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass der spitze Winkel α in etwa der Hälfte des Kalottenwinkels entsprechen sollte. Hierdurch wird der kurze Profilschenkel sowie die sich hieran anschließende Druckkalotte im Verbindungsbereich bei einer unter Druck stehenden Kabine vorwiegend auf Zug beansprucht.
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Das im Zentrum dieser Erfindung stehende Spantprofil mit dem speziellen Y-Querschnitt kann entsprechend der folgenden zwei bevorzugten Alternativen hergestellt werden:
Gemäß einer ersten Alternative wird empfohlen, das Spantprofil als ein einstückiges Urformteil aus Faserverbundwerkstoff (FVW) herzustellen. So kann das aus Faserverbundwerkstoff bestehende Spantprofil in Form eines Faser-Kunststoff-Verbundes aus Kohlefasern und einem Kunstharz als Matrix bestehen. Diese lässt sich beispielsweise durch das Herstellungsverfahren des Laminierens unter Zuhilfenahme einer geeigneten Form herstellen.
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Sollte eine zusätzliche Verstärkung des so hergestellten Spantprofils erforderlich sein, so kann vorzugsweise im Bereich des spitzen Winkels α ein U-förmig gebogenes Versteifungselement aus FVW oder aus Metall eingesetzt werden, das durch Auf- oder Einlaminieren oder durch Vernieten oder dergleichen mit den hierin zur Anlage kommenden Schenkelabschnitten des Spantprofils verbunden ist. Das U-förmige Versteifungselement ist in seiner Längserstreckung bogenförmig, so dass dieses dem bogenförmigen Verlauf des Spantprofils folgt. Der von den beiden Schenkeln des U-förmigen Versteifungselement eingeschlossene Bodenbereich sollte derart hinreichend beabstandet vom Scheitelpunkt des Spitzenwinkels α im Spantprofil angeordnet sein, dass sich der gewünschte Versteifungseffekt ergibt. Das U-förmige Versteifungselement kann als metallisches Frästeil oder als Metallblech gefertigt sein, das durch Biegen den gewünschten Konturverlauf erhält.
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Gemäß der zweiten bevorzugten Alternative wird vorgeschlagen, dass das Spantprofil als ein einstückiges Urformteil ausgebildet ist, das aus einem Metall- oder eine Metalllegierung als Fräs- oder Schmiedeteil hergestellt ist.
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Sollten bei einem solchen metallischen Spantprofil zusätzliche Versteifungsmaßnahmen erforderlich sein, so wird vorgeschlagen, diese vorzugsweise direkt im Spantprofil zu integrieren, indem im Bereich des spitzen Winkels α um den Umfang herum verteilt radial verlaufend angeformte Steifen vorgesehen werden. Diese können direkt bei der urformtechnischen Herstellung des metallischen Spantprofils mit angegossen werden, so dass sich ein einstückiges Bauteil ergibt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
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1 eine perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform eines in einem Druckrumpf eingebauten Spantprofils, und
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2 einen Längsschnitt im Bereich des Spantprofils nach 1 mit Vernietungsplan,
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3 eine perspektivische Ansicht einer zweiten Ausführungsform eines in einem Druckrumpf eingebauten Spantprofils, und
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4 einen Längsschnitt im Bereich des Spantprofils nach 3 mit Vernietungsplan.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Gemäß 1 besteht der hier nur ausschnittsweise dargestellte Druckrumpf eines Verkehrsflugzeuges im Heckbereich aus zwei benachbarten Rumpfsektionen 1 und 2, wobei innenseitig eine Druckkalotte 3 montiert ist, die den Druckrumpf in einen Druckbereich 4 sowie einen außerhalb liegenden nicht unter Druck stehenden Heckbereich 5 unterteilt. Zur druckdichten Montage der Druckkalotte 3 gegenüber den beiden angrenzenden Rumpfsektionen 1 und 2 ist innenseitig ein bogenförmiges Spantprofil 6 mit den angrenzenden Bauteilen verbunden.
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Das bogenförmige Spantprofil 6 weist einen Y-Querschnitt auf und wirkt mit einem seitens des Heckbereichs 5 eingesetzten U-förmig gebogenen Versteifungselement 7 aus Metall zusammen.
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Gemäß 2 ist das U-förmig gebogene Versteifungselement 7 in einem zwischen dem langen Profilschenkel 8 sowie einem hiervon ausgehenden, angeformten kurzen Profilschenkel 9 gebildeten spitzen Winkel α eingesetzt. In diesem Ausführungsbeispiel werden über den langen Profilschenkel 8 des Spantprofils 6 die beiden benachbarten Rumpfsektionen 1 und 2 miteinander verbunden, hier durch Vernieten (parallele Strichpunktlinien). In derselben Weise ist auch der Randbereich der Druckkalotte 3 über den kurzen Profilschenkel 9 des Spantprofils 6 vernietet, wobei auch der U-förmig gebogene Versteifungswinkel 7 mit befestigt ist.
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Das Spantprofil 6 sowie das Versteifungsmittel 7 bestehen in diesem Ausführungsbeispiel aus einem Faserverbundwerkstoff (FVW) und bilden durch Urformen hergestellt ein einstückiges Bauteil.
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Gemäß 3 ist demgegenüber das Spantprofil 6' als ein Metallteil, hier aus einer Aluminiumlegierung bestehend, ausgeführt. Mit angegossen sind neben dem erforderlichen langen Profilschenkel 8' mit hiervon abgehendem kurzen Profilschenkel 9' auch mehrere entlang des Umfangs verteilt radial verlaufende Steifen 10.
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Gemäß 4 nehmen die Steifen 10 den gesamten Bereich des Winkels α zwischen dem langen Profilschenkel 8' und dem kurzen Profilschenkel 9' ein. Alle miteinander zu verbindenden Bauteile sind auch hier durch Vernieten (parallele Strichpunktlinien) aneinander befestigt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erste Rumpfsektion
- 2
- zweite Rumpfsektion
- 3
- Druckkalotte
- 4
- Druckbereich
- 5
- Heckbereich
- 6, 6'
- Spantprofil
- 7
- Versteifungselement
- 8
- langer Profilschenkel
- 9, 9'
- kurzer Profilschenkel
- 10
- Steifen
- α
- Winkel
- FVW
- Faserverbundwerkstoff
