DE102013114976A1

DE102013114976A1 - Selbstversteifende Haut für einen Luftfahrzeugrumpf enthaltend Stringer mit einem geschlossenen Abschnitt und zugeordnetes Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102013114976A1
Application number: DE102013114976.6A
Authority: DE
Inventors: Patrick Lieven; Romain Delahaye
Original assignee: Airbus Operations SAS
Current assignee: Airbus Operations SAS
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2013-12-30
Publication date: 2014-07-03
Also published as: FR3000470B1; FR3000470A1; US9446834B2; US20140186559A1

Abstract

Die Aufgabe der Erfindung ist die Vereinfachung der Herstellung von Rümpfen für Luftfahrzeuge aus Verbundmaterial, sowie eine Gewichtsreduktion von Rumpfabschnitten und Raumoptimierung innerhalb solcher Rumpfabschnitte. Um dies zu erreichen, wird vorgeschlagen, Stringer (20, 21') eines neuen Typs zu verwenden, die einen geschlossenen Querschnitt haben und die daher fähig sind selbst-positionierend relativ zueinander zu sein durch Kante-an-Kante Positionieren auf einer Stringer-Stützstruktur (18), wie etwa die äußere Oberfläche eines Aufspanndorns (10). Die Installation der Stringer in Rillen mit konjugierter Form wird durch diese Mittel unnötig. Die Stringer haben Ausschnitte, die zwischen umlaufenden Rahmen gelegen sind, und fähig sind, Versorgungssysteme zu beherbergen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer selbstversteifenden Haut eines Luftfahrzeugrumpfes gefertigt aus einem Verbundmaterial in der Form einer Tafel, einer Halbschale oder alternativ einer Vollschale. In dem letzteren Fall wird die selbstversteifende Haut eine „selbstversteifende Monoblock-Haut” in dem was folgt genannt.
Die Erfindung bezieht sich auch auf ein Verfahren zur Herstellung eines Abschnitts eines Luftfahrzeugrumpfs, der eine selbstversteifende Haut enthält, die mittels des obigen Verfahrens produziert wird.
Die Erfindung bezieht sich auch auf einen solchen Rumpfabschnitt und auch auf ein Luftfahrzeug, das den Selbigen enthält, wie etwa ein Flugzeug.
In der vorliegenden Beschreibung kann der Begriff „Abschnitt” irgendeinen Typ von Luftfahrzeugabschnitt bezeichnen, einschließlich eine Nasenkuppe oder Heckkuppe.
STAND DER TECHNIK
Luftfahrzeugrümpfe müssen fähig sein, den Lasten, die durch Druckaufbau bewirkt werden, und den Lasten, die von den Motoren übertragen werden, standzuhalten.
Zu diesem Zweck, enthalten die Rümpfe gewöhnlich umlaufende Rahmen, auch „Orbitalrahmen” genannt, zusammen mit einer aerodynamischen Haut, manchmal eine „selbstversteifende Haut” genannt, die an diesen umlaufenden Rahmen befestigt ist und mit Längsversteifungen ausgestattet ist, die an einer inneren Fläche der Haut befestigt sind, und welche allgemein „Stringer” genannt werden.
Stringer können Abschnitte verschiedener Typen haben, zum Beispiel T-förmig, I-förmig oder Omega-förmige Abschnitte. In bestimmten bekannten Konfigurationen haben diese umlaufenden Rahmen eine Basisplatte, die direkt an der inneren Fläche der selbstversteifenden Haut angebracht ist, wobei die Rahmen in diesem Fall Einbuchtungen haben, wo die Stringer verlaufen sollen. In anderen bekannten Konfigurationen sind die Stringer zwischen den umlaufenden Rahmen und der selbstversteifenden Haut (die Rahmen verlaufen also über den Stringern) eingefügt, und Winkelstücke, häufig „Clips” genannt, sind zwischen den Stringern positioniert und verbinden die umlaufenden Rahmen mit der selbstversteifenden Haut.
Ein Luftfahrzeugrumpf ist allgemein aus mehreren Abschnitten gebildet, die durchgehend in der Längsrichtung des Luftfahrzeugs befestigt sind. In jedem Abschnitt kann die selbstversteifende Haut aus mehreren Tafeln, die durchgehend umlaufend installiert sind, gebildet sein, oder aus mehreren Halbschalen, die miteinander zusammengefügt sind. Die selbstversteifende Haut kann alternativ aus einem einzigen Teil gefertigt sein. Diese letztere Konfiguration, häufig eine „Full Barrel” Konfiguration genannt, hat den Vorteil, dass sie das Vorhandensein von Zusammenfügungen, die sich längs innerhalb dieser selbstversteifenden Haut erstrecken, vermeidet.
In dem Fall von selbstversteifenden Häuten aus Verbundmaterial werden verstärkende Fasern, die mit härtendem Harz imprägniert sind, über eine Baugruppe von Stringern aus vorgehärteten Verbundmaterial, die zuvor in ihrer endgültigen Konfiguration positioniert wurden, ausgelegt, um Aushärten der Baugruppe, die auf diese Weise erstellt wird, zu erlauben.
Das Positionieren der Stringer erfordert aufwändige Ausstattung und ist allgemein komplex umzusetzen, speziell wenn eine selbstversteifende Monoblock-Haut hergestellt wird.
US Patentanmeldung US 2009/0044914 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung einer selbstversteifenden Monoblock-Haut mit zylindrische Form, die mit Omega-Abschnitt-Stringern ausgestattet ist. Dieses Verfahren besteht aus dem Vorbereiten eines Aufspanndorns, der auch die Form eines Zylinders hat, der Längsrillen mit einer Form, die sich mit den Stringern ergänzt, hat. Die Stringer aus vorgehärtetem Verbundmaterial sind in den Rillen des Aufspanndorns derart positioniert, dass die Basisplatten der Stringer bündig mit der zylindrischen äußeren Oberfläche des Aufspanndorns sind, und Kerne innerhalb der Stringer positioniert sind, um deren Form zu erhalten, nach der Streifen von Prepreg auf der äußeren Oberfläche des Aufspanndorns ausgelegt werden, und damit auch auf die Basisplatten der Stringer, und die Baugruppe wird gemeinsam ausgehärtet, um die selbstversteifende Monoblock-Haut zu erhalten.
Die Verwendung eines solchen Aufspanndorns mit Rillen erfordert jedoch große Präzision beim Herstellen der Stringer und beim maschinellen Bearbeiten der Rillen des Aufspanndorns.
Zusätzlich ist es in der Praxis schwierig jeden Stringer in Position in seiner zugeordneten Rille zu halten, bis der Stringer von einem Streifen Prepreg bedeckt ist.
Das Verfahren erweist sich daher als komplex, langatmig und teuer umzusetzen.
Ferner gibt es einen Bedarf an Gewichtsreduktion was die Luftfahrzeugrumpfhäute betrifft.
Es gibt auch einen Platzbedarf zum Unterbringen von Versorgungssystemen.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Ein Ziel der Erfindung ist insbesondere eine einfache, ökonomische und effiziente Lösung zu diesen Problemen bereitzustellen, wobei zumindest einige der vorgenannten Nachteile vermieden werden sollen.
Die Erfindung basiert auf einem Herstellungsverfahren einer Rumpfstruktur für einen Luftfahrzeugrumpf, das die folgenden Schritte enthält:

– Vorbereiten einer Stützstruktur,
– Vorbereiten von vorgehärteten Stringern aus Verbundmaterial, von denen jeder einen Querschnitt hat, der derart geschlossen ist, dass er eine erste Basisplatte und eine zweite Basisplatte hat, die voneinander getrennt sind, und auch zwei Kerne, die jeweils Paare von lateralen Enden der Basisplatten verbinden, gefolgt von
– Installieren der vorgehärteten Stringer an der Stützstruktur derart, dass die erste Basisplatte von jedem Stringer auf zumindest einer äußeren Oberfläche der Stützstruktur ruht, um zumindest eine Baugruppe von Stringern zu erstellen, in welcher jedes aufeinanderfolgende Paar von Stringern in einer transversalen Richtung derart ist, dass ein Kern von jedem der Stringer des Paars von Stringern gegen einen Kern des anderen Stringers des Paars von Stringern angelegt wird, gefolgt von
– Bilden einer Haut aus Verbundmaterial, genannt eine Außenhaut, die die jeweils zweiten Basisplatten der Stringer von jeder zuvor erstellten Baugruppe von Stringern bedeckt, gefolgt von
– Verstärken der Außenhaut und der Stringer, um die entsprechenden zweiten Basisplatten der Stringer an der Außenhaut anhaftend zu machen, gefolgt von
– Erhalten, durch diese Mittel, einer einheitlichen Rumpfstruktur, die aus der Außenhaut und aus den Stringern gebildet ist und in welcher die jeweils ersten Basisplatten der Stringer gemeinsam eine Wand bilden, Innenwand genannt, gefolgt von
– Trennen der Rumpfstruktur von der Stützstruktur.

Die Rumpfstruktur, die mittels des Verfahrens gemäß der Erfindung erzeugt wird, kann ein Bereich einer selbstversteifenden Haut sein, die eine Rumpftafel oder eine Halbschale oder, in einer besonders vorteilhaften Weise, eine selbstversteifende Monoblock-Haut bildet, d. h. eine, die eine integrale Struktur mit einem geschlossenen Abschnitt bildet, zum Beispiel eine, die eine zylindrische Form (mit ringförmigen Querschnitt) hat, wie es in dem Folgenden klarer erscheinen wird.
Es wird angenommen, dass der Begriff „transversale Richtung” eine Richtung orthogonal zu einer Längsrichtung der Stringer bedeutet, wobei diese letztere Richtung auch eine Längsrichtung der erzeugten Struktur definiert.
Die Erfindung schlägt daher die Verwendung von Stringern eines neuen Typs vor, deren Form den Stringern erlaubt, in einer transversalen Richtung gestapelt zu werden. Die Stringer, die an der äußeren Oberfläche der Stützstruktur positioniert sind, sind daher intrinsisch relativ zueinander positioniert.
Hierdurch ermöglicht die Erfindung, dass die Verwendung einer Stützstruktur mit Rillen für die Stringer vermieden wird. Die Stützstruktur, die in dem Verfahren gemäß der Erfindung verwendet wird, kann daher niedrige Kosten haben. Zusätzlich können die dimensionalen Toleranzen für die Herstellung der Stringer gelockert werden.
Das Herstellungsverfahren gemäß der Erfindung ist damit besonders einfach umzusetzen und günstig.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung geht dem Schritt, bestehend aus Installieren der vorgehärteten Stringer an der Stützstruktur, ein Schritt bestehend aus Positionieren, auf der äußeren Oberfläche der Stützstruktur, einer Haut aus Verbundmaterial, genannt die Innenhaut, voraus.
In diesem Fall, in dem Schritt bestehend aus dem Installieren der vorgehärteten Stringer an der Stützstruktur, werden die Stringer auf der Innenhaut positioniert und der Schritt bestehend aus dem Verstärken der Außenhaut und der Stringer enthält auch das gleichzeitige Verstärken der Innenhaut derart, dass die jeweils ersten Basisplatten der Stringer an der Innenhaut anhaftend gemacht werden.
Die Rumpfstruktur, die bei Abschluss des Verstärkungsschritts erhalten wird, enthält somit auch die innere Haut, welche gemeinsam mit der jeweils ersten Basisplatte der Stringer die innere Wand bildet.
Die Installation einer solchen Innenhaut ermöglicht es, der selbstversteifenden Haut, die bei Beendigung des vorliegenden Verfahrens erhalten wird, optimalen Zusammenhalt zu geben. Dies ermöglicht insbesondere, die Trennung dieser selbstversteifenden Haut und der Stützstruktur zu erleichtern.
In diesem Fall hat die Stützstruktur vorzugsweise eine einzelne äußere Oberfläche, die sich längs ungefähr über die gleiche Länge wie die Stringer erstreckt.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Stützstruktur umlaufende Rahmen enthalten, die vorgesehen sind, an der selbstversteifenden Haut angeheftet zu werden, um einen Abschnitt eines Luftfahrzeugrumpfs zu bilden.
In diesem Fall definiert, mit den Begriffen der Terminologie der Erfindung, jeder umlaufende Rahmen eine entsprechende äußere Oberfläche der Stützstruktur.
Zusätzlich werden in dieser anderen Ausführungsform die Stringer direkt an die äußeren Oberfläche, die jeweils von den umlaufenden Rahmen definiert wird, angebracht.
Die Rumpfstruktur, die mittels des obigen Verfahrens hergestellt wird, hat im Allgemeinen einen geschlossenen Querschnitt.
Die Rumpfstruktur kann daher eine selbstversteifende Monoblock-Haut sein. Dies kann eine selbstversteifende Haut mit ungefähr zylindrischer Form für einen Zwischenrumpfabschnitt sein, oder es kann eine selbstversteifende Haut mit einer doppelten Wölbung für eine Rumpfnasenkuppe oder -heckkuppe sein.
In allen Fällen wird davon ausgegangen, dass der Begriff „Querschnitt” einen Abschnitt in einer Ebene bedeutet, die orthogonal zu einer Längsrichtung ist, die von einer durchschnittlichen Ausrichtung der Stringer definiert ist.
Die Haltestruktur nimmt vorteilhafterweise die Gestalt eines Aufspanndorns an, der eine äußere Oberfläche hat, die sich über 360 Grad um die Längsachse des Aufspanndorns erstreckt.
Wenn die Struktur für die Herstellung eines Zwischenrumpfabschnitts vorgesehen ist, kann die äußere Oberfläche des Aufspanndorns die Form eines geraden Zylinders haben, in welchem Fall auch jeder Stringer wie ein gerader Zylinder geformt ist.
Der Begriff „gerader Zylinder”, muss in seinem weiteren mathematischen Sinn als das Ergebnis der Projektion einer Kurve, die in einer Richtung orthogonal zu der Ebene der Kurve geschlossen ist, angenommen werden. Die äußere Oberfläche des Aufspanndorns ist daher nicht notwendigerweise rotationssymmetrisch.
Die Stringer werden im Allgemeinen, während des Schritts des Bildens der äußeren Hülle und während des Verstärkungsschritts, vorzugsweise an der Stützstruktur zumindest mittels temporären Rückhaltevorrichtungen gehalten.
Die Erfindung schlägt ein Verfahren zur Herstellung eines Abschnitts eines Luftfahrzeugrumpfes vor, das in der Abfolge enthält:

– Herstellung von zumindest einer Rumpfstruktur mittels eines Verfahrens des oben beschriebenen Typs;
– Bilden einer Rumpfhaut, die einen geschlossenen Querschnitt hat, mittels der zumindest einen Rumpfstruktur,
– Installation von umlaufenden Rahmen innerhalb eines Raumes, der von der Rumpfhaut begrenzt ist, und
– Befestigen von umlaufenden Rahmen an der inneren Wand der zumindest einen Rumpfstruktur, die die Rumpfhaut bildet.

Es wird angenommen, dass der Begriff „Rumpfstruktur” eine Haut bedeutet, die aus einer Baugruppe von mehreren Rumpfstrukturen gebildet wird, die mittels eines Verfahrens des oben beschriebenen Typs produziert werden, wobei jede Rumpfstruktur die Form einer Tafel oder Halbschale hat, in welchem Fall der Schritt des „Bildens einer Rumpfhaut” der Schritt ist, in dem diese Strukturen zusammengefügt werden.
Als eine Variante, und vorzugsweise, kann die „Rumpfhaut” eine selbstversteifende Monoblock-Haut sein, d. h. eine Haut, die aus einer einzelnen Rumpfstruktur, die mittels eines Verfahrens des oben beschriebenen Typs erzeugt ist, gebildet wird, und einen geschlossenen Querschnitt hat. In diesem Fall wird der Schritt des „Bildens einer Rumpfhaut” intrinsisch von dem Verfahren zur Herstellung der Rumpfstruktur bewerkstelligt.
In allen Fällen hat die Rumpfstruktur also einen geschlossenen Querschnitt.
Zusätzlich können die umlaufenden Rahmen an der Rumpfhaut nach dem Bilden der Rumpfhaut befestigt werden.
Als eine Variante können die umlaufenden Rahmen an der Rumpfhaut gemeinsam mit der Bildung der Rumpfhaut befestigt werden, wenn die Rumpfhaut aus einer einzigen Monoblock-Struktur gebildet ist und wenn die Stützstruktur die umlaufenden Rahmen, wie oben erklärt, einbezieht.
Gemäß der Erfindung enthält das Verfahren das Fertigen von zumindest einem Ausschnitt in der Innenwand, der zwischen den zwei Kernen von zumindest einem der Stringer gelegen und zwischen zwei der umlaufenden Rahmen fortlaufend angeordnet ist.
Wie oben erklärt, wird die Innenwand gemeinsam aus den jeweiligen ersten Basisplatten der Stringer und, soweit zutreffend, aus der Innenwand gebildet.
Jeder Ausschnitt, der auf diese Weise gebildet wird, stellt einen Zugang zu dem Inneren des jeweiligen Stringers bereit, was Überprüfung des Zustands des Stringers während nachfolgender Wartungsarbeiten spürbar erleichtert.
Jeder Ausschnitt endet vor jedem umlaufenden Rahmen derart, dass das Befestigen von jedem umlaufenden Rahmen an der Innenwand der zumindest einen Rumpfstruktur, die die Rumpfhaut bildet, ermöglicht ist.
Die Erfindung erlaubt auf besonders vorteilhafte Weise einen Rumpfabschnitt des integralen Typ, auch ein „Full Barrel” Abschnitt genannt, herzustellen.
In diesem Fall wird die Rumpfhaut aus einer einzigen Monoblock-Rumpfstruktur, d. h. eine mit einem geschlossenen Querschnitt, gebildet.
Die Erfindung basiert auch auf einer Rumpfstruktur für einen Luftfahrzeugrumpf, der eine Haut aus Verbundmaterial, genannt eine Außenhaut, und Stringer aus Verbundmaterial, die an einer Seite der Haut anhaften, enthält.
Jeder der Stringer enthält zumindest eine erste Basisplatte, die auf einer Seite gegenüber der Außenhaut positioniert ist, wo eine zweite Basisplatte an der Außenhaut anhaftet zusammen mit zwei Kernen, die jeweils, in Paaren, die lateralen Enden der Basisplatten verbinden.
Zusätzlich sind die Stringer in zumindest einer Baugruppe von Stringern verteilt, in der jedes Paar von aufeinanderfolgenden Stringern derart ist, dass ein Kern von jedem der Stringer des Paars von Stringern an einen Kern des anderen Stringers des Paars von Stringern angebracht ist.
Diese Rumpfstruktur hat den Vorteil, dass sie einfach und zu reduzierten Kosten mittels eines Verfahrens des oben beschriebenen Typs erzeugt werden kann.
Diese Rumpfstruktur kann also eine Rumpfplatte, eine selbstversteifende Haut, die die Form einer Halbschale hat, oder wiederum eine selbstversteifenden Monoblock-Haut für einen integralen Rumpfabschnitt sein.
Definitionsgemäß bilden die jeweils ersten Basisplatten der Stringer gemeinsam eine Innenwand der Rumpfstruktur.
Zusätzlich erstrecken sich die Kerne der Stringer vorzugsweise in entsprechende Richtungen senkrecht zu den Basisplatten der Stringer.
Zusätzlich enthält die Rumpfstruktur vorteilhafterweise auch eine Haut aus Verbundmaterial, genannt eine Innenhaut, an der die jeweils ersten Basisplatten der Stringer anhaften.
In diesem Fall bildet die Innenhaut einen Teil der obengenannten Innenwand.
Die Erfindung schlägt ferner einen Rumpfabschnitt für ein Luftfahrzeug vor, der eine Rumpfhaut enthält, die aus zumindest einer Rumpfstruktur des oben beschriebenen Typs gebildet ist, zusammen mit umlaufenden Rahmen, die innerhalb eines Raumes, der von der Rumpfstruktur begrenzt ist, ausgestattet und an der Innenwand der zumindest einen Rumpfstruktur, die die Rumpfhaut bildet, befestigt sind.
Gemäß der Erfindung enthält die Innenwand der zumindest einen Rumpfstruktur, die die Rumpfhaut bildet, vorzugsweise zumindest einen Ausschnitt, der zwischen zwei Kernen von zumindest einem der Stringer gelegen und zwischen zwei der umlaufenden Rahmen fortlaufend angeordnet ist.
Wie oben erklärt, stellt ein derartiger Ausschnitt Zugang zu dem Inneren des jeweiligen Stringers bereit, während der inneren Wand erlaubt wird, umlaufende Stützoberflächen zu bilden, an welchen die umlaufenden Rahmen jeweils angebracht werden können und an welchen sie befestigt werden können.
Jeder Stringer der Struktur enthält vorzugsweise mehrere solcher Ausschnitte.
Zumindest einer der Stringer hat vorzugsweise zumindest eine Öffnung zum Empfangen eines Schaulochs, das aus den ersten und zweiten Basisplatten des Stringers hervorgeht.
Schließlich bezieht sich die Erfindung auf ein Luftfahrzeug, das zumindest einem Rumpfabschnitt des oben beschriebenen Typs enthält.
Zusätzlich enthält das Luftfahrzeug vorteilhafterweise zumindest ein Versorgungssystem, das zumindest teilweise in einem Innenraum von zumindest einem der Stringer beherbergt wird.
Aufgrund ihres Aufbaus mit einem geschlossenen Querschnitt, ermöglichen die Stringer tatsächlich, dass Ausrüstung, wie etwa Bündel elektrischer Kabel, Öl- oder Luftleitungen, etc., in ihnen aufgenommen sind.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung wird beim Lesen der folgenden Beschreibung, die als nicht-einschränkendes Beispiel gegeben ist, besser verstanden und andere Einzelheiten, Vorteile und Eigenschaften von ihr werden auftauchen, mit Bezug auf die angehängten Figuren, in welchen:
1 eine schematische perspektivische Ansicht des Aufspanndorns ist, der für ein Verfahren zur Herstellung einer selbstversteifenden Monoblock-Haut für einen Luftfahrzeugrumpf vorgesehen ist;
2 eine schematische perspektivische Ansicht eines Stringers ist, der für das Verfahren vorgesehen ist;
3 eine schematische perspektivische Ansicht des Aufspanndorns aus 1 ist, bei Abschluss eines Schrittes des Verfahrens bestehend aus dem Positionieren einer Innenhaut auf dem Aufspanndorn;
4 eine Ansicht ähnlich zu 1 ist, die einen nachfolgenden Schritt des Verfahrens bestehend aus dem Positionieren von Stringern, wie etwa dem Stringer aus 2, auf dem Aufspanndorn darstellt;
4a eine schematische perspektivische Schnitt-Teilansicht in Ebene IVa von 4 ist, die ein Längsende eines Stringers zusammen mit einem Ring, der den Stringer auf dem Aufspanndorn hält, darstellt.
5 eine Ansicht ähnlich zu 1, die das Positionieren von Stringern des Typs von 2 auf dem Aufspanndorn zeigt, nachdem ein Streifen von Schaulöchern in Position zwischen zwei Stringern platziert ist;
5a eine Ansicht in einem größeren Maßstab ist, die einen Stringer, der eine Öffnung zum Empfang eines Schaulochs einbezieht, darstellt;
6 eine Ansicht ähnlich zu 1 ist, bei Abschluss eines nachfolgenden Schritts des Verfahrens, bestehend aus den Bilden einer Außenhaut, die die Stringer bedeckt;
7 eine schematische Explosions-Querschnitts-Teilansicht eines Luftfahrzeugrumpfabschnitts ist, der eine selbstversteifende Haut enthält, die mittels des Verfahrens erhalten wird;
8 eine schematische Querschnitts-Teilansicht des Rumpfabschnitts von 7 ist;
9 eine schematische perspektivische Explosions-Teilansicht des Rumpfabschnitts von 7 ist;
10 eine schematische perspektivische Teilansicht einer Innenseite des Rumpfabschnitts von 7 ist;
11 eine Ansicht ähnlich zu 8 ist, die ergänzende Ausrüstung, die in den Stringern der selbstversteifenden Haut aufgenommen ist, darstellt;
In all diesen Figuren können identische Bezugszeichen identische oder vergleichbare Elemente bezeichnen.
DETAILLLIERTE BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 bis 6 stellen ein Verfahren zur Herstellung einer Struktur für einen Luftfahrzeugrumpf gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung in einem speziellen Fall dar, in welchem die Struktur eine Haut aus selbstversteifendem Verbundmaterial des Monoblock Typs ist, d. h. eine Struktur mit einem geschlossenen Abschnitt bildend, auch eine „Full Barrel” Struktur genannt. In dem dargestellten Beispiel hat diese selbstversteifende Haut also die Form eines Rotationszylinders.
Es wird angenommen, dass der Ausdruck „Verbundmaterial” ein Material bedeutet, das aus verstärkenden Fasern, wie etwa Karbon- oder Glasfasern, gebildet ist, eingebettet in ein gehärtetes Harz, wie etwa Epoxid.
Das Verfahren enthält zunächst das Vorbereiten einer Stützstruktur, die in dem dargestellten Beispiel die Gestalt eines Aufspanndorns 10, wie in 1 dargestellt, hat.
Dieser Aufspanndorn 10 enthält insgesamt eine zentrale Welle 12, die von zwei Böcken 14 gestützt wird und von welchen Speichen 16 strahlenförmig wegführen, die eine Außenwand stützen, die eine zylindrische Form hat, die eine äußere Oberfläche 18 des Aufspanndorns definiert. Die zentrale Welle 12 kann um eine Längsachse 19 des Aufspanndorns 10 rotiert werden.
Der Aufspanndorn 10 kann nach herkömmlichen Techniken, die Fachleuten bekannt sind, hergestellt werden, was nicht in der vorliegenden Beschreibung beschrieben werden wird.
Das Verfahren umfasst auch die Vorbereitung von mehreren Stringern 20 aus Verbundmaterial, von denen jeder eine erste Basisplatte 22 und eine zweite Basisplatte 24 enthält, welche voneinander getrennt sind, zusammen mit zwei Kernen 26a, 26b, wie in 2 gezeigt. Kern 26a verbindet gegenseitig zwei jeweils erste laterale Enden 22a, 24a der ersten und zweiten Basisplatten 22 und 24, während Kern 26b gegenseitig zwei jeweils zweite laterale Enden 22b, 24b der ersten und zweiten Basisplatten 22 und 24 verbindet.
Jede der Basisplatten 22 und 24 hat die Form eines Bereichs eines Zylinders, d. h. die Form einer gekrümmten rechteckigen Platte, während jeder der Kerne 26a und 26b die Form einer flachen rechteckigen Platte hat, und sich in einer radialen Richtung, d. h. in einer Richtung senkrecht zu den Basisplatten 22 und 24, erstreckt.
Jeder Stringer 20 hat somit einen geschlossenen Querschnitt.
Die Stringer 20 werden vorteilhafterweise mit einer Pultrusions-Technik produziert und sind vorgehärtet, um den Stringern ausreichende Steifigkeit zu geben, um zu ermöglichen, sie handzuhaben, während nachfolgendes Aushärten der Stringer erlaubt wird, wie im Folgenden klarer erscheinen wird.
Als eine Variante können die Stringer mit einer Flecht-Technik, oder mit irgendwelchen anderen Produktionsmitteln produziert werden, die ermöglichen, Profile mit Rechteckquerschnitt zu erhalten.
Jeder Stringer 20 ist vorzugsweise temporär verstärkt mittels eines vorgeformten Kerns, oder einer Baugruppe von Partikeln wie etwa Kügelchen, die innerhalb des Stringers 20 positioniert sind.
Zusätzlich umfasst das Verfahren das Auslegen von Streifen von Prepreg auf der äußeren Oberfläche 18 des Aufspanndorns 10, um eine Innenhaut 28 zu bilden, wie in 3 zu sehen ist.
Das Verfahren enthält dann die Installation von vorgehärteten Stringern 20 auf der Innenhaut 28, die, wie in 4 dargestellt, die äußere Oberfläche 18 des Aufspanndorns 10 bedeckt.
Spezieller werden die Stringer 20 umlaufend aufeinander gestapelt, so dass die erste Basisplatte 22 jedes Stringers auf der Innenhaut 28 ruht, und daher auf der äußeren Oberfläche 18 des Aufspanndorns 10. Es wird angenommen, dass der Begriff „umlaufendes Stapeln” bedeutet, dass zwei aufeinanderfolgende Stringer in wechselseitigem Kontakt durch ihre Kerne 26a, 26b sich gegenseitig gegenüber liegen.
Wenn die Stringer 20 installiert sind, werden sie vorzugsweise strahlenförmig auf dem Aufspanndorn 20 mittels temporärer Haltevorrichtungen gehalten.
Diese temporären Haltevorrichtungen haben die Gestalt von, zum Beispiel, zwei Ringen 30 (4), die jeweils an den Kanten 31a, 31b der Längsenden des Aufspanndorns installiert sind, und von denen jeder eine ringförmige Rille 32 hat, die in der Richtung des Aufspanndorns (4a) geöffnet ist. Jeder Stringer 20 ist mit zwei Kappen 33 (von denen eine in 4a gesehen werden kann) ausgestattet, die jeweils an den Längsenden des Stringers installiert sind, und je einen Stift 34 haben, der in Richtung der Außenseite des Stringers 20 und parallel zu der Längsrichtung dieses Stringers (4a) herausragt. Die Ringe 30 ermöglichen den Stringern 20 also in der radialen Richtung gehalten zu werden. Bemerkt werden sollte, dass die Stringer in der umlaufenden Richtung durch den Kontakt der Stringer gegeneinander durch ihre entsprechenden Kerne 26a und 26b gehalten werden.
Die Ringe 30 sind an dem Aufspanndorn 10 zum Beispiel mittels Schrauben in der zylindrischen Wand des Aufspanndorns, von der Innenseite der letzteren her, installiert. Als eine Variante können die Ringe 30 an der Welle 12 des Aufspanndorns befestigt sein, oder gleitend an dieser Welle 12 installiert sein.
Jeder der Ringe 30 ist vorzugsweise aus mehreren Bogenstücken gebildet. Das Entfernen von zumindest einem 30a der Bogenstücke von zumindest einem der Ringe (4) erleichtert die Installation der Stringer 20 auf dem Aufspanndorn 10. Es ist dann tatsächlich möglich, die Stringer durch den unbedeckten Bereich 31b' der entsprechenden Kante 31b des Aufspanndorns 10 durchzuführen, und sie dann umlaufend in den Rillen, die von den Ring-Bogenstücken gebildet sind, die schon in Position sind, zu gleiten.
Als eine Variante können die temporären Haltevorrichtungen die Gestalt von zwei ringförmigen Reihen von verbundenen Haken annehmen, die jeweils an den Kanten 31a, 31b der Längenden des Aufspanndorns positioniert sind, wobei jeder dieser Haken zwischen einer entsperrten Position, die erlaubt einen Stringer 20 zu installieren, und einer gesperrten Position, die erlaubt diesen Stringer an der Stelle radial zu halten, bewegt werden.
Andere Typen von temporären Haltevorrichtungen können verwendet werden ohne über den Umfang der Erfindung hinauszugehen.
Stringer 20' eines bestimmten Typs (5 und 5a) werden installiert, um eine Struktur zum Empfang eines Schaulochs zu bilden. Die Stringer 20' haben eine Struktur, die ähnlich zu der anderer oben beschriebener Stringer 20 ist, sind aber kürzer in Länge mit einem größeren Umfang. Zusätzlich bezieht jeder dieser Stringer 20' eine Schaulochöffnung 36 mit ein, die zur nachfolgenden Installation eines Schaulochs (5a) vorgesehen ist. Die Schaulochöffnung 36 jedes Stringer 20' geht aus seinen ersten und zweiten Basisplatten 22, 24 hervor. Die Stringer 20' sind Ende-zu-Ende in einer Längsrichtung positioniert, um eine Längsstruktur 38 zum Empfangen von Schaulöchern auf einer Länge ungefähr gleich der Länge der anderen Stringer 20 zu bilden.
Als eine Variante kann jeder Stringer 20' mehrere Schaulochöffnungen 36 enthalten. In diesem Fall beziehen diese Stringer 20' vorteilhafterweise quer verlaufende Versteifungsrippen, d. h. umlaufende Rippen, die zwischen Schaulochöffnungen 36 positioniert sind. Insbesondere kann die Struktur 38 zum Empfangen von Schaulöchern aus einem einzelnen Stringer 20' gebildet werden, der alle Schaulochöffnungen 36 von dieser Struktur 38 enthält.
Die Installation von Stringern 20, 20' fährt fort, so dass diese Stringer den gesamten Umfang der inneren Haut 28, und damit auch der äußeren Oberfläche 18 des Aufspanndorns 10, bedecken.
Stringer 20 und 20' bilden dann eine Baugruppe von fortlaufenden Stringern, bei welchen jedes Paar von umlaufenden aufeinanderfolgenden Stringern 20 und/oder 20' derart ist, dass ein Kern 26a, 26b von jedem Stringer an einem Kern 26b, 26a des anderen Stringers angebracht ist. Bemerkt werden sollte, dass die umlaufende Richtung ein Spezialfall einer Querrichtung ist, d. h. eine orthogonal zu der Längsrichtung der Stringer 20.
Es gibt zum Beispiel zwei solche Strukturen 38 zum Empfangen von Schaulöchern, die symmetrisch zu einer von beiden Seiten einer vertikalen Medianebene des Aufspanndorns 10 positioniert sind.
Bemerkt werden sollte, dass die Ringe 30 in 5 aus Gründen der Klarheit nicht dargestellt sind.
Das Verfahren fährt fort mit dem Auslegen von Streifen von Prepreg auf die jeweils zweiten Basisplatten 24 der Stringer 20 und 20' derart, dass eine Außenhaut 42 gebildet wird, die in 6 gesehen werden kann. Diese Außenhaut 42 ist ausgelegt, eine strukturelle Funktion zu haben, d. h. fähig zu sein, mechanischen Lasten während eines Fluges standzuhalten.
Das Verfahren fährt dann fort mit dem Verstärken der Baugruppe bestehend aus der Innenhaut 28, Stringern 20 und 21', und Außenhaut 42 mittels einer bekannten Technik, zum Beispiel durch Aushärten in einem Autoclav. Dieses Verstärken bewirkt, dass die jeweils zweiten Basisplatten 24 der Stringer 20 und 20' an der Außenhaut 42 anhaften und die jeweils ersten Basisplatten 22 der Stringer 20, 20' an der Innenhaut 28 anhaften.
Die selbstversteifende Monoblock-Haut aus Verbundmaterial, die bei Abschluss des vorhergehenden Verstärkungsschritts erhalten wird, wird dann von Aufspanndorn 10 getrennt, nachdem Ringe 30, die Stringer 20, 20' auf dem Aufspanndorn halten, gelöst worden sind.
Falls vorhanden, werden die Kerne oder Baugruppen von Partikeln aus dem Inneren der Stringer 20, 20' entfernt.
Innenhaut 28 und Außenhaut 42 werden dann derart maschinell bearbeitet, dass eine Öffnung gerichtet auf jeden Rahmen von jedem Schauloch 36 gebildet wird.
Bemerkt werden sollte, dass, mit den Begriffen der Terminologie der Erfindung, Innenhaut 28 und die jeweils ersten Basisplatten 22 der Stringer 20 gemeinsam eine Innenwand der selbstversteifenden Monoblock-Haut bilden.
Das gesamte oben beschriebenen Verfahren wird vorteilhafterweise mittels eines Robotersystems umgesetzt, dessen Ausgestaltung mit konventionellen Techniken entwickelt werden kann, und welches nicht ein Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist.
Die Herstellung der selbstversteifenden Monoblock-Rumpf-Haut, die oben beschrieben ist, ist ein erster Schritt eines Verfahrens zur Herstellung eines Abschnitts einer Rumpfhaut für ein Luftfahrzeug gemäß der Erfindung.
Dieses letztere Verfahren enthält dann die Installation von umlaufenden Rahmen innerhalb des Raumes, der von der selbstversteifenden Rumpfhaut begrenzt wird, gefolgt von dem Befestigen der umlaufenden Rahmen an der inneren Wand dieser selbstversteifenden Haut. Diese umlaufenden Rahmen haben, zum Beispiel, einen I-förmigen Abschnitt.
Dieses Verfahren enthält auch das Fertigen von Ausschnitten aus der Innenwand, wobei jeder Ausschnitt zwischen zwei Kernen eines entsprechenden Stringers 20 und zwischen zwei aufeinanderfolgenden umlaufenden Rahmen gelegen ist. In diesem Fall wird die Innenwand aus Innenhaut 28 und ersten Basisplatten 22 der Stringer 20 gebildet; jeder Ausschnitt bezieht sowohl Innenhaut 28 als auch eine erst Basisplatte 22 eines Stringers 20 mit ein.
Diese Ausschnitte erlauben die Struktur insgesamt leichter zu machen und stellen auch Mittel zum Zugang zu dem Inneren des besagten Stringers zu Wartungsarbeiten und zur Installation von Versorgungssystemen innerhalb der Stringer bereit.
7 bis 11 stellen einen Rumpfabschnitt 44 dar, der auf diese Weise erhalten wurde.
Dieser Rumpfabschnitt enthält, wie die Explosionsansicht von 7 in mehr Einzelheiten zeigt, eine selbstversteifende Haut 46 und umlaufende Rahmen 48.
8 stellt besonders die einheitliche Beschaffenheit der Innenwand 50, die durch das Anhaften der ersten Basisplatten 22 der Stringer 20 an der Innenhaut 28 erhalten wird, dar.
9 und 10, die einen Bereich des Rumpfabschnitts 44 darstellen, ermöglichen auch, dass die Ausschnitte der Innenwand 50 unterschieden werden. Jeder dieser Ausschnitte ist aus einem Ausschnitt 52a der Innenhaut 28 und einem Ausschnitt 52b der ersten Basisplatte 22 eines entsprechenden Stringers 20 gebildet.
9 macht auch Öffnungen 53a deutlich, die in der Außenhaut 42 gegenüber jeder Schaulochöffnung 36 zusammen mit einem Längsausschnitt 53b der Innenhaut 28 gebildet sind, der sich zum Beispiel entlang der gesamten Länge dieser Innenhaut 28 erstreckt, gerichtet auf Struktur 38 zum Empfangen der Schaulöcher.
Das Verfahren kann auch die Installation eines Schaulochs innerhalb jeder Schaulochöffnung 36 enthalten.
Rumpfabschnitt 44 hat insbesondere den Vorteil, dass er erlaubt, Versorgungssysteme 54 in einem inneren Raum 56 von einem oder mehreren Stringern 20 einzubeziehen, wie in 11 dargestellt. Solche Systeme oder Ausrüstung können daher auf optimale Weise um eine Längsachse des Rumpfabschnitts 44 verteilt werden.
Die obige ausführliche Beschreibung stellt die Herstellung eines Zwischenrumpfabschnitts von zylindrischer Form und rundem Abschnitt dar, aber das Verfahren gemäß der Erfindung kann auch verwendet werden, um einen Rumpfabschnitt von zylindrischer Form und nicht-rundem Abschnitt herzustellen, oder wiederum zu der Herstellung eines Rumpfabschnitts mit doppelter Wölbung, wie etwa eine Nasenkuppe oder eine Heckkuppe. In diesem Fall, kann die komplexe Strukturgeometrie mit doppelter Wölbung durch die Verwendung von Stringern mit unterschiedlichen Längen und/oder durch die Verwendung von Stringern mit sich verschmälernder Form, d. h. Stringer, die einen Querschnitt haben, der kleiner gegen eines der Längsenden des Stringers hin wird, erhalten werden.
Die Form der äußeren Oberfläche des Aufspanndorns ist in allen Fällen derart gefertigt, dass sie mit der Gestalt der Struktur, die produziert werden soll, zusammenpasst.
Zusätzlich können umlaufende Rahmen 48 zuvor in die Stützstruktur 10 einbezogen werden, so dass sie an die selbstversteifende Haut 46 gemeinsam mit der Herstellung der letzteren angeheftet werden. Der letzte Schritt des Trennens der selbstversteifenden Haut 46 von der Stützstruktur 10 enthält dann das Trennen der umlaufenden Rahmen 48 von der Stützstruktur 10.
Ferner kann der Aufspanndorn in einer Richtung ausgerichtet sein, die nicht parallel zu einer horizontalen Fläche ist, zum Beispiel in einer vertikalen Richtung.
Zusätzlich kann das Verfahren gemäß der Erfindung auch zur Herstellung eines Rumpfabschnitts, der aus mehreren Tafeln gefertigt ist, verwendet werden, in welchem Fall die Stützstruktur eine einzelne Platte, ob gekrümmt oder nicht gekrümmt, sein kann.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Rumpfabschnitts (44) für ein Luftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass es enthält: – die Herstellung von zumindest einer Rumpfstruktur (46) mittels der folgenden Schritte: i. Vorbereiten einer Stützstruktur (10), ii. Vorbereiten von vorgehärteten Stringern (20, 20') aus Verbundmaterial, von denen jeder einen Querschnitt hat, der derart geschlossen ist, dass er eine erste Basisplatte (22) und eine zweite Basisplatte (24) hat, die voneinander getrennt sind, und auch zwei Kerne (26, 26a), die jeweils Paare von lateralen Enden (22a, 24a, 22b, 24b) der Basisplatten verbinden, gefolgt von iii. Installieren der vorgehärteten Stringern (20, 20') an der Stützstruktur (10), so dass die erste Basisplatte (22) von jedem Stringer auf zumindest einer äußeren Oberfläche (18) der Stützstruktur ruht, um zumindest eine Baugruppe von Stringern zu erstellen, in welcher jedes Paar von aufeinanderfolgenden Stringern in einer transversalen Richtung derart ist, dass einer der Kerne (26a, 26b) von jedem der Stringer des Paars von Stringern gegen einen der Kerne (26b, 26a) des anderen Stringers des Paars von Stringern angelegt wird, gefolgt von iv. Bilden einer Haut, die aus einem Verbundmaterial hergestellt ist, nachfolgend eine Außenhaut (42) genannt, die die jeweils zweiten Basisplatten (24) der Stringer (20, 20') von jeder zuvor erstellten Baugruppe von Stringern bedeckt, gefolgt von v. Verstärken der Außenhaut (42) und der Stringer (20, 20'), um die entsprechenden zweiten Basisplatten (24) der Stringer (20, 20') an der Außenhaut (42) anhaftend zu machen, gefolgt von vi. Erhalten, durch diese Mittel, einer einheitlichen Rumpfstruktur (46), die aus der Außenhaut (42) und aus den Stringern (20, 20') gebildet ist und in welcher die jeweils ersten Basisplatten (22) der Stringer gemeinsam eine Wand bilden, nachfolgend Innenwand (50) genannt, gefolgt von vii. Trennen der Rumpfstruktur (46) von der Stützstruktur (10); – das Bilden einer Rumpfhaut (46), die einen geschlossenen Querschnitt hat, mittels der zumindest einen Rumpfstruktur (46); – das Installieren von umlaufenden Rahmen (48) innerhalb eines Raums, der von der Rumpfhaut (46) begrenzt wird, und – das Befestigen der umlaufenden Rahmen (48) an der Innenwand (50) der zumindest einen Rumpfstruktur (46), die die Rumpfhaut (46) bildet; – das Herstellen von zumindest einem Ausschnitt (52a, 52b) in der Innenwand (50), der zwischen den zwei Kernen (26a, 26b) von zumindest einem der Stringer (20) gelegen und zwischen zwei der umlaufenden Rahmen (48) fortlaufend angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 1, in welchem: – dem Schritt bestehend aus dem Installieren der vorgehärteten Stringer (20, 20') an der Stützstruktur (10) ein Schritt vorhergeht, bestehend aus dem Positionieren einer Haut aus Verbundmaterial, die eine Innenhaut (28) genannt wird, auf der äußeren Oberfläche (18) der Stützstruktur, – während des Schritts bestehend aus dem Installieren der vorgehärteten Stringern (20, 20') an der Stützstruktur (10) die Stringer auf der Innenhaut (28) positioniert werden, – der Schritt bestehend aus dem Verstärken der Außenhaut (42) und der Stringer (20, 20') auch das gleichzeitige Verstärken der Innenhaut (28) enthält, um zu bewirken, dass die jeweils ersten Basisplatten (22) der Stringer (20, 20') an der Innenhaut (28) anhaften, und – die Rumpfstruktur (46), die bei Abschluss des Verstärkungsschritts erhalten wird, auch die Innenhaut (28) enthält, welche, gemeinsam mit den jeweils ersten Basisplatten (22) der Stringer, die Innenwand (50) bildet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, in welchem die Stringer (20, 20') an der Stützstruktur (10) während des Schritts des Bildens der Außenhaut (42) und während des Verstärkungsschritts mittels zumindest einer temporären Haltevorrichtung (30, 30a) gehalten werden.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, in welchem die zumindest eine Rumpfstruktur (46) eine einzelne Rumpfstruktur (46) ist, die einen geschlossenen Querschnitt hat, um intrinsisch die Rumpfhaut (46) zu bilden.
Rumpfabschnitt (44) für ein Luftfahrzeug, das eine Rumpfhaut enthält, die aus zumindest einer Struktur (46) gebildet ist, die eine Haut aus Verbundmaterial, genannt eine Außenhaut (42), enthält, und Stringer (20, 20') aus Verbundmaterial, die an einer Oberfläche der Außenhaut anhaften, wobei jeder der Stringer zumindest enthält: i. eine erste Basisplatte (22), die an einer Seite gegenüber der Außenhaut (42) positioniert ist, ii. eine zweite Basisplatte (24), die an der Außenhaut (42) anhaftet, und iii. zwei Kerne (26a, 26b), die jeweils paarweise die lateralen Enden (22a, 24a, 22b, 24b) der Basisplatten (22, 24) verbinden, wobei die Stringer (20, 20') auf zumindest eine Baugruppe von Stringern verteilt sind, in welcher jedes Paar von aufeinanderfolgenden Stringern derart ist, dass einer der Kerne (26a, 26b) von jedem der Stringer des Paars von Stringern gegen einen der Kerne (26b, 26a) des anderen Stringer des Paars von Stringern angelegt wird, wobei die jeweils ersten Basisplatten (22) der Stringer gemeinsam eine Wand bilden, die eine Innenwand (50) der Rumpfhaut genannt wird, der Rumpfabschnitt (44) ferner umlaufende Rahmen (48) enthält, die innerhalb eines Raums, der von der Rumpfhaut (46) begrenzt wird, positioniert und an der Innenwand (50) der zumindest einen Rumpfstruktur (46), die die Rumpfhaut bildet, befestigt sind, wobei die Innenwand (50) der zumindest einen Rumpfstruktur (46) zumindest einen Ausschnitt (52a, 52b) umfasst, der zwischen den zwei Kernen (26a, 26b) von zumindest einem der Stringer (20) gelegen und zwischen zwei der umlaufenden Rahmen (48) fortlaufend angeordnet ist.
Rumpfabschnitt nach Anspruch 5, in welchem zumindest einer (20') der Stringer (20, 20') mit zumindest einer Schaulochöffnung (36) ausgestattet ist, die durch die ersten und zweiten Basisplatten (22, 24) des Stringers (20') hervorgeht.
Luftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass es zumindest einen Rumpfabschnitt (44) gemäß Anspruch 5 oder 6 enthält.
Luftfahrzeug gemäß Anspruch 7, das ferner zumindest ein Versorgungsystem (54) enthält, das zumindest teilweise in einem Innenraum (56) zumindest eines der Stringer (20) gehalten wird.