DE102012202504A1

DE102012202504A1 - Strukturbauteil für ein Luft- oder Raumfahrzeug

Info

Publication number: DE102012202504A1
Application number: DE102012202504A
Authority: DE
Inventors: Alexei Vichniakov; Johannes Maslennikov; Robert Alexander Goehlich; Cihangir Sayilgan
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2012-02-17
Filing date: 2012-02-17
Publication date: 2013-08-22
Also published as: US20130216850A1; EP2628677A1; EP2628677B1

Abstract

Strukturbauteil für ein Luft- oder Raumfahrzeug Die vorliegende Erfindung betrifft ein Strukturbauteil für ein Luft- oder Raumfahrzeug mit einer Außenhaut 10 mit zumindest einem Spantelement 12 zur Versteifung der Außenhaut 10. Das Spantelement 12 ist entsprechend einer inneren Kontur der Außenhaut 10 bogenförmig gekrümmt, wobei das Spantelement 12 eine Mehrzahl von ersten Ausschnitten 15 zur Aufnahme von Längsversteifungen 16 und zumindest einen zweiten Ausschnitt 20 aufweist, welcher zwischen benachbarten ersten Ausschnitten 15 eines oder mehrerer Spantelemente 12 ausgebildet ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Luft- oder Raumfahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Strukturbauteil.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Strukturbauteil für ein Luft- oder Raumfahrzeug, und insbesondere ein Strukturbauteil, das ein Spantelement aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Luft- oder Raumfahrzeug mit einem derartigen Strukturbauteil.
Obwohl auf beliebige Leichtbaustrukturen mit einer versteiften Außenhaut anwendbar, werden die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Problematik in Bezug auf die Innenseite eines Flugzeugrumpfes näher erläutert.
Üblicherweise werden Rumpfschalen für Flugzeuge in sogenannter Leichtbauweise aus einer Außenhaut hergestellt, die an der Innenseite durch eine Struktur aus in Längsrichtung des Flugzeugs verlaufenden Stringern bzw. Längsversteifungen und quer zur Längsrichtung des Flugzeugs verlaufenden Spanten als Versteifungselemente verstärkt ist. Im Inneren des Flugzeugrumpfes sind Bauteile und Strukturen, die mit der Nutzung des Flugzeugs zusammenhängen, wie z. B. Frachtraum- oder Passagierraumfußböden an den Spanten befestigt.
Ferner wird der Rumpfdurchmesser durch aerodynamische Anforderungen auf der einen Seite und ein gefordertes Platzangebot für Passagiere auf der anderen Seite bestimmt. Ein zur Verfügung stehender Platz für Struktur-, System- und Kabinenelemente ist stark limitiert. Dieses Volumen kann nur geringfügig genutzt werden, da ein Hauptanteil von Routen bzw. Leitungen in Flugrichtung angeordnet sind und Hinterschneidungen zwischen den Spanten kaum genutzt werden.
Durch Segregationsvorschriften und dem geringen zur Verfügung stehenden Raum wird die Systemarchitektur erschwert. Darüber hinaus müssen Minimalabstände zur Struktur eingehalten werden. Die Aufnahme der Routen erfolgt punktuell durch Halter. Bei optionalen bzw. kundenspezifischen Systemen müssen Primärhalterpositionen geändert werden. Diese Halter müssen eingemessen und manuell positioniert werden. Kabinenelemente werden nach einer Systeminstallation eingebracht.
Diese Faktoren führen zu einer Architektur, die einem Zwiebelschichtmodell ähnelt, wobei die Strukturelemente, Systemausrüstung und Kabinenintegration die einzelnen Schichten darstellen.
Die Installation muss vorwiegend Teil für Teil erfolgen. Dies führt zu einer schlechten Raumausnutzung. Ferner ist die kundenspezifische Anpassung der Primärstruktur fehleranfällig, was zu gesteigerten Fertigungskosten führt.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Strukturbauteil für ein Luft- oder Raumfahrzeug bereitzustellen, welches eine bessere Raumausnutzung sowie eine einfachere Anpassung der Primärstruktur ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Strukturbauteil für ein Luft- oder Raumfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung schafft ein Strukturbauteil für ein Luft- oder Raumfahrzeug mit einer Außenhaut mit zumindest einem Spantelement zur Versteifung der Außenhaut, welches entsprechend einer inneren Kontur der Außenhaut bogenförmig gekrümmt ist. Das Spantelement weist eine Mehrzahl von ersten Ausschnitten zur Aufnahme von Längsversteifungen und zumindest einen zweiten Ausschnitt auf, welcher zwischen benachbarten ersten Ausschnitten eines oder mehrerer Spantelemente ausgebildet ist.
Das Vorsehen des zumindest einen zweiten Ausschnitts zwischen benachbarten ersten Ausschnitten des Spantelements ermöglicht eine verbesserte Raumausnutzung, da der zumindest eine zweite Ausschnitt zur Durchführung bzw. Halterung von Routen genutzt werden kann.
Des Weiteren resultiert das Vorsehen von zweiten Ausschnitten in einer Reduzierung des Gewichts des Flugzeugs. Zusätzlich kann eine verbesserte Zugänglichkeit der Spantelemente erreicht werden. Hierdurch können beispielsweise bei Vorsehen einer Mehrzahl von Spantelementen notwendige Spantkupplungen an den jeweiligen zweiten Ausschnitten befestigt und somit eine einfache Montage erreicht werden. Ebenfalls kann durch die verbesserte Zugänglichkeit der Spantelemente die Systeminstallation erleichtert werden. Die Mehrzahl der zweiten Ausschnitte können beispielsweise für die Installation von Haltern ohne das Vorsehen zusätzlicher Bohrungen des Spantelements verwendet werden. Zudem ergibt sich die Möglichkeit für die Verwendung von Click- o. ä. Prinzipien von Haltern. Darüber hinaus kann eine Verringerung von nicht wertschöpfenden Tätigkeiten bei der Montage wie beispielsweise einem Wegfall von Messungen für Bohrungen von Haltern zur Halterung von Routen erreicht werden. Des Weiteren ergibt sich die Möglichkeit einer visuellen Kontrolle von installierten Nieten.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der zweite Ausschnitt jeweils als Öffnung in gegenüberliegenden Seitenwänden des Spantelements ausgebildet ist. Dies ermöglicht eine erleichterte Zugänglichkeit des Spantelements.
In vorteilhafter Weise ist vorgesehen, dass die Öffnung in den gegenüberliegenden Seitenwänden jeweils an gleicher Position angeordnet ist. Der zweite Ausschnitt eignet sich somit ebenfalls zur Halterung der Kabel- bzw. Hydraulikleitungen, so dass gesonderte Halterungen nicht vorgesehen werden müssen. Ferner wird ein einfaches Durchführen von Kabel- bzw. Hydraulikleitungen durch die in gegenüberliegenden Seitenwänden des Spantelements ausgebildeten zweiten Ausschnitte ermöglicht.
Mit Vorteil ist vorgesehen, dass die Öffnung in den gegenüberliegenden Seitenwänden jeweils an unterschiedlichen Positionen angeordnet ist. Damit kann eine leichtere Zugänglichkeit der Innenwand der der Öffnung gegenüberliegenden Seitenwand ermöglicht werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Öffnung in den gegenüberliegenden Seitenwänden entlang einer Querachse des Spantelements ausgebildet ist. Aufgrund der Verlegung der Spantelemente quer zur Flugrichtung können die in Flugrichtung angeordneten Routen geradlinig geführt und durch den zweiten Ausschnitt des Spantelements durchgeführt werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Spantelement (12) ein Omega-förmiges, kreisförmiges, elliptisches, rundeckiges oder vieleckiges Profil aufweist. Dies ermöglicht eine Anpassung an jeweilige räumliche oder strukturelle Anforderungen.
Gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der zweite Ausschnitt ausgebildet ist, ein Kupplungselement zur Kupplung benachbarter Spantelemente aufzunehmen. Somit kann eine einfache Befestigung des Kupplungselements an dem Spantelement sowie eine sichere Verbindung benachbarter Spantelemente durch Vorsehen des Kupplungselements erreicht werden. Das Vorsehen eines Flansches bzw. sonstiger Verbindungselemente an den jeweiligen Spantelementen zur Verbindung benachbarter Spantelemente kann somit entfallen.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass der zweite Ausschnitt ausgebildet ist, Kabel- oder Hydraulikleitungen entlang einer Längsachse des Luft- oder Raumfahrzeugs durch das Spantelement zu führen. Dadurch kann eine optimale Raumausnutzung erreicht werden. Darüber hinaus können die Kabel- oder Hydraulikleitungen geradlinig geführt werden, so dass Verzweigungen bzw. Biegungen der Leitungsführung vermieden werden können.
Das Strukturbauteil dient so als Halter für die Kabel- oder Hydraulikleitungen, so dass zusätzliche Halter nicht vorgesehen werden müssen.
Vorzugsweise ist vorgesehen,
dass der zweite Ausschnitt ausgebildet ist, Halter, Beschläge oder sonstige Strukturverbindungselemente zur Befestigung von Komponenten wie insbesondere Gepäckablagefächer oder Seitenwandpaneele aufzunehmen. Aufgrund der verbesserten Zugänglichkeit des Spantelements kann dieses für die Installation der vorstehend genannten Komponenten verwendet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Spantelement aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff, einem Metall, einer Metalllegierung oder einem Hybridwerkstoff ausgebildet ist. Dies ermöglicht eine hohe Materialfestigkeit sowie ein geringes Gewicht des Spantelements.
In vorteilhafter Weise ist des Weiteren ein Luft- oder Raumfahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Strukturbauteil vorgesehen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Von den Figuren zeigen:
1 eine schematische Ansicht eines Abschnitts eines Flugzeugrumpfs mit dem erfindungsgemäßen Strukturbauteil gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel;
2 eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Strukturbauteils gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel;
3 eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Strukturbauteils gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel; und
4 eine schematische Ansicht einer Mehrzahl von erfindungsgemäßen Strukturbauteilen gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Komponenten.
1 zeigt eine schematische Ansicht eines Abschnitts eines Flugzeugrumpfs mit dem erfindungsgemäßen Strukturbauteil. Der Flugzeugrumpf weist eine Außenhaut 10, ein Spantelement 12 sowie eine Mehrzahl von Längsversteifungen 16 auf.
Die Außenhaut 10 des Flugzeugrumpfs ist bogenförmig gekrümmt. Das Spantelement 12 ist quer zur Flugrichtung verbaut und entsprechend einer inneren Kontur der Außenhaut 10 ebenfalls bogenförmig gekrümmt. Das Spantelement 12 weist gemäß der bevorzugten Ausführungsform in einem Querschnitt des Spantelements 12 eine Omega-Form auf. Das Spantelement 12 kann jedoch ebenfalls eine beliebige andere Form wie beispielsweise eine viereckige Form, eine viereckige Form mit abgerundeten Kanten, eine Trapezform, eine Trapezform mit abgerundeten Kanten, eine dreieckige Form sowie eine dreieckige Form mit abgerundeten Kanten aufweisen.
Das Spantelement 12 weist ferner eine erste Seitenwand 22 und eine zweite Seitenwand 23 auf, welche an ihren oberen Enden durch einen waagerechten Abschnitt verbunden sind. Die Seitenwand 22 weist überdies an einem der Außenhaut 10 benachbarten Abschnitt eine waagerechte Fortsetzung bzw. einen waagerechten Abschnitt auf, welcher durch eine Mehrzahl von beispielsweise Nieten an der Außenhaut 10 befestigbar ist. Die zweite Seitenwand 23 weist ebenfalls an einem der Außenhaut 10 benachbarten Abschnitt eine waagerechte Fortführung bzw. einen waagerechten Abschnitt auf, welcher durch eine Mehrzahl von Nieten an der Außenhaut befestigbar ist.
Das Spantelement 12 weist eine Mehrzahl von ersten Ausschnitten 15 und eine Mehrzahl von zweiten Ausschnitten 20 auf. Die Mehrzahl von ersten Ausschnitten 15 dient der Aufnahme von Längsversteifungen 16. Zwischen benachbarten ersten Ausschnitten 15 des Spantelements 12 ist jeweils der zweite Ausschnitt 20 angeordnet. Die Mehrzahl der ersten Ausschnitte 15 ist an die Kontur bzw. Form der jeweiligen Längsversteifungen 16 angepasst.
Der zweite Ausschnitt 20 weist gemäß der bevorzugten Ausführungsform eine dreieckige Form auf. Alternativ kann der zweite Ausschnitt 20 ebenfalls eine beliebige andere Form wie beispielsweise eine Rundform, eine Ovalform, eine viereckige Form, eine Trapezform o. ä. aufweisen. Der zweite Ausschnitt 20 ist hierbei jeweils in den Seitenwänden 22, 23 des Spantelements 12 ausgebildet. Der zweite Ausschnitt 20 ist insbesondere in einem mittigen Bereich der Seitenwände 22, 23 sowie jeweils in den gegenüberliegenden Seitenwänden 22, 23 an gleicher Position angeordnet. Gemäß 1 ist ein einzelnes Spantelement 12 dargestellt. Das Spantelement 12 weist ein Omega-förmiges Profil auf. Alternativ kann das Strukturbauteil ein kreisförmiges, elliptisches, rundeckiges oder vieleckiges Profil aufweisen. Darüber hinaus kann das Strukturbauteil eine Mehrzahl von Spantelementen 12 aufweisen, welche benachbart zueinander angeordnet sind und durch geeignete Spantkupplungen verbunden sind. Ein Längs- und/oder Querprofil des Strukturbauteils kann offen oder geschlossen sein.
Das in 1 dargestellte Strukturbauteil ist entlang einer Längsachse des Flugzeugs in regelmäßigen Abständen angeordnet. Im vorliegenden Fall ist jedoch nur ein Strukturbauteil gezeigt. Durch Vorsehen einer Mehrzahl von Strukturbauteilen in regelmäßigen Abständen entlang der Längsachse des Flugzeugs können die jeweiligen Strukturbauteile durch die in den Strukturbauteilen ausgebildeten zweiten Ausschnitte 20 als Halterungen für nicht gezeigte Kabel- oder Hydraulikleitungen verwendet werden.
2 zeigt eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Strukturbauteils in einer perspektivischen Seitenansicht gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind eine Mehrzahl zweiter Ausschnitte 20 zwischen benachbarten ersten Ausschnitten 15 des Spantelements 12 ausgebildet. Ein jeweiliger Ausschnitt der Mehrzahl von zweiten Ausschnitten 20 weist eine dreieckige Form auf. Die Orientierung der Dreiecke unterscheidet sich derart voneinander, dass jeweils benachbart zueinander angeordnete Ausschnitte 20 in ihrer Orientierung jeweils um 180° gedreht sind. Durch Vorsehen der Mehrzahl von zweiten Ausschnitten 20 zwischen jeweils benachbarten ersten Ausschnitten 15 des Spantelements 12 können dementsprechend eine Mehrzahl von nicht dargestellten Kabel- oder Hydraulikleitungen geführt werden. Die jeweiligen Ausschnitte 20 können jedoch ebenfalls eine beliebige andere Form aufweisen.
3 zeigt eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Strukturbauteils gemäß dem bevorzugten Ausführungsbeispiel. Gemäß dem Ausführungsbeispiel ist ein einzelnes Spantelement 12 des Strukturbauteils dargestellt. Das Spantelement 12 weist eine Omega-Form mit zwei gegenüberliegenden Seitenwänden 22, 23 auf. Die Seitenwände 22, 23 sind in dem der Außenhaut 10 benachbarten Abschnitt jeweils mit einer Fortführung bzw. einem waagerechten Abschnitt versehen. Die Seitenwänden 22, 23 sind des Weiteren an einem jeweiligen distalen Abschnitt durch einen waagerechten Abschnitt miteinander verbunden. Das Spantelement 12 kann jedoch ebenfalls eine beliebige andere Form aufweisen. Mögliche andere Spantformen sind beispielsweise eine viereckige Form, eine viereckige mit abgerundeten Kanten, eine Trapezform, eine Trapezform mit abgerundeten Kanten, und eine dreieckige Form sowie eine dreieckige Form mit abgerundeten Kanten.
4 zeigt eine schematische Ansicht einer Mehrzahl von Spantelementen 12 des Strukturbauteils. Die Mehrzahl von Spantelementen 12 ist durch ein Kupplungselement 25 zur Kupplung der benachbarten Spantelemente 12 verbunden. Das Kupplungselement 25 ist derart ausgebildet, dass dieses mit einem jeweiligen zweiten Ausschnitt 20 jeweils benachbarter Spantelemente 12 verbunden ist. Der Kupplungsmechanismus des Kupplungselements 25 ist hier nicht näher dargestellt. Es kann sich beispielsweise um einen Doppel-L-Winkel handeln, welcher beidseitig an den jeweiligen Spantelementen 12, d. h. an jeweiligen Seitenwänden 22, 23 der Spantelemente 12 angeordnet ist. Alternativ kann ebenfalls ein anderer geeigneter Kupplungsmechanismus vorgesehen sein.
Das Strukturbauteil bzw. das Spantelement 12 ist aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff ausgebildet. Dies kann beispielsweise sogennannte Pre-Pregg-Werkstoffe, textile Werkstoffe, thermoplastische Werkstoffe, Titanwerkstoffe, Al/Al-Li/Al-Mg-Sc-Werkstoffe umfassen.
Die Spantelemente 12 können an der Außenhaut 10 auf verschiedene Weisen befestigt werden. Beispielsweise können die Spanten 12 angenietet, angeklebt, angeschweißt oder mit anderen geeigneten nietlosen Verfahren verbunden sein.
Neben der Verwendung der vorliegenden Erfindung in Luft- und Raumfahrzeugen ist ebenfalls eine Anwendung bei Raumstationen, Satelliten, Masten bzw. Türme von Windkraftanlagen sowie im Automobil- und Schiffsbau denkbar.
Bezugszeichenliste

10: Außenhaut
12: Spantelement
15: erster Ausschnitt
16: Längsversteifung
20: zweiter Ausschnitt
22: erste Seitenwand
23: zweite Seitenwand
25: Kupplungselement

Claims

Strukturbauteil für ein eine Außenhaut (10) aufweisendes Luft- oder Raumfahrzeug mit: zumindest einem Spantelement (12) zur Versteifung der Außenhaut (10), welches entsprechend einer inneren Kontur der Außenhaut (10) bogenförmig gekrümmt ist, wobei das Spantelement (12) eine Mehrzahl von ersten Ausschnitten (15) zur Aufnahme von Längsversteifungen (16) und zumindest einen zweiten Ausschnitt (20) aufweist, welcher zwischen benachbarten ersten Ausschnitten (15) eines oder mehrerer Spantelemente (12) ausgebildet ist.
Strukturbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ausschnitt (20) jeweils als Öffnung in gegenüberliegenden Seitenwänden des Spantelements (12) ausgebildet ist.
Strukturbauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung in den gegenüberliegenden Seitenwänden jeweils an gleicher Position angeordnet sind.
Strukturbauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung in den gegenüberliegenden Seitenwänden jeweils an unterschiedlichen Positionen angeordnet ist.
Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung in den gegenüberliegenden Seitenwänden entlang einer Querachse des Spantelements (12) ausgebildet ist.
Strukturbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spantelement (12) ein Omega-förmiges, kreisförmiges, elliptisches, rundeckiges oder vieleckiges Profil aufweist.
Strukturbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ausschnitt (20) ausgebildet ist, ein Kupplungselement (25) zur Kupplung benachbarter Spantelemente (12) aufzunehmen.
Strukturbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ausschnitt (20) ausgebildet ist, Kabel- oder Hydraulikleitungen entlang einer Längsachse des Luft- oder Raumfahrzeugs durch das Spantelement (12) zu führen.
Strukturbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ausschnitt (20) ausgebildet ist, Halter, Beschläge oder sonstige Strukturverbindungselemente zur Befestigung von Komponenten wie insbesondere Gepäckablagefächer oder Seitenwandpaneele aufzunehmen.
Strukturbauteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spantelement (12) aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff, einem Metall, einer Metalllegierung oder einem Hybridwerkstoff ausgebildet ist.
Luft- oder Raumfahrzeug mit einem Strukturbauteil nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10.