JP5373773B2 - 翼と胴体の境界部に位置する航空機の構造要素 - Google Patents

Description

本発明は、航空機の翼全体の中央区画に属する金属製構造要素に関するものであり、より詳細には、そのような要素の構造と、そのような要素を製造して組み立てる方法に関する。

航空機は、通常、胴体と、この胴体の両側に取り付けて固定される対称な２つの翼とを備えることが知られている。胴体へのそれぞれの翼の接合は、翼全体の中央区画が胴体内に全幅にわたって配置されていることによって保証される。この区画は一般に互いに平行な上面パネルと下面パネルを備えており、これらパネルが、飛行中に翼によって発生する揚力を吸収する。これら２枚のパネルは、揚力の一部をやはり吸収する前方強力縦通材と後方強力縦通材という２つの部材のおかげで互いに固定されている。

翼全体の中央区画と各翼の境界部には、通常はアルミニウム合金からなる構造要素が存在している。この構造要素は鉛直方向に延びる平坦なウェブ部材からなり、４辺が４つの輪郭部材によって縁取られている。４つの輪郭部材とは、上方輪郭部材、下方輪郭部材、前方輪郭部材、後方輪郭部材である。

平坦なウェブ部材は、通常は複数の鉛直な強化材を備えていて、構造要素が耐えねばならない大きな機械的応力に対する抵抗力を向上させる。

構造要素の上方輪郭部材は、翼全体の中央区画の上面パネルと、翼の上面表層に接続される。構造要素の下方輪郭部材は、翼全体の中央区画の下面パネルと、翼の下面表層に接続される。構造要素の前方輪郭部材は、翼全体の中央区画の前方強力縦通材と、翼の前部に接続される。最後に構造要素の後方輪郭部材は、翼全体の中央区画の後方強力縦通材と、翼の後部に接続される。

このような構造要素は、完全にボルトまたはリベットを用いた接合によって互いに組み立てられたさまざまな要素をもとにして得ることができる。すると多数のオーバーラップ領域が存在することになる。この構造だと、ボルトまたはリベットが切断されるリスクがあることに加え、組み立てる要素に穴を開けてそのボルトまたはリベットを固定する必要がある。そのため構造要素の体積が増大するとともに構造要素が脆くなる。さらに、うまく固定されていないことによるいくつかの問題が航空機を利用している間に現われる可能性がある。

別の解決法は、加工した単一の金属ブロックから構造要素を実現することで、機械的抵抗力を向上させるとともに、さまざまな要素の間に接合が存在することに起因するいくつかの欠点をなくすことからなる。この解決法は特に特許文献１に記載されているが、必要な金属の量が多いことと、実現する加工操作が多いことが原因で原価が高くなるため実施されていない。
さらに、このような構造要素では、加工ステップの際に金属ブロックが変形することによって起こる歪みが問題になる可能性がある。

英国特許出願第２４０９４４３号

本発明は、製造しやすくて経済的でありながら、性能が改善されたこのような構造要素を目的とする。

その目的のため、本発明では、翼と胴体の境界部に位置していて、ウェブ部材と、そのウェブ部材を縁取る輪郭部材とを備える航空機の構造要素において、輪郭部材のうちの少なくとも１つが平坦な部分を備えていて、その平坦な部分は、オーバーラップされることなくウェブ部材の１つの平坦な部分の延長部に配置されて摩擦撹拌突き合せ溶接の継ぎ目によってその平坦な部分に接続されていることを特徴とする構造要素を提案する。

ウェブ部材と周囲の輪郭部材の接合部がオーバーラップされていないため、特に応力のよりよい伝達と歪みの減少を保証しつつ、構造要素の機械的抵抗力が大きく向上する。
さらに、固定用のリベットまたはボルトがなくなったため、これらの部品に以前は作用した剪断力をなくして安全レベルを高めることができる。
それに加え、必要な材料の量が減ることで、５％程度という無視できない割合の材料が節約される。

この構造要素の好ましい特徴によると、
− 溶接の継ぎ目は湾曲している；
− 溶接の継ぎ目は直線状である；
− ウェブ部材は少なくとも１つの辺を備えていて、溶接の継ぎ目は、その辺の長さの少なくとも９５％に等しい長さにわたって中断されることなく延びている；
− 輪郭部材は、平坦な部分を形成する第１のフランジと、第２のフランジと、第３のフランジとをさらに備えていて、それぞれのフランジは、溶接の継ぎ目とは反対側で第１のフランジに沿っており、第２のフランジと第３のフランジは第１のフランジの両側に配置されている；
− 輪郭部材は、第１のフランジ、第２のフランジ、第３のフランジに加え、その第１のフランジの反対側に配置された第４のフランジを備えている；
− 輪郭部材の第２のフランジと第３のフランジのうちの少なくとも一方は、幅が規則的に変化する部分を有する；
− 輪郭部材の第２のフランジと第３のフランジのうちの少なくとも一方はギザギザした部分を備えていて、それぞれのギザギザした部分が、隣接した２つの指状部からなる；
− 輪郭部材の第２のフランジと第３のフランジのうちの少なくとも一方は、より狭くなった部分を有する；
− ウェブ部材は、少なくとも１つの面上に、平坦な部分に対して突起した部分を備える；
− ウェブ部材は、それぞれの辺上に、その辺の全長に沿って延びる１つの平坦な部分を備える；
− ウェブ部材は全体として長方形で、長さが幅の少なくとも２倍である；
− ウェブ部材と輪郭部材は、リチウムを含む同一のアルミニウム合金で実現されている；
− ウェブ部材と輪郭部材は、異なるアルミニウム合金で実現されている。

単なる例示として以下に示す好ましい一実施態様を添付の図面を参照しながら詳細に記述することにより、これから本発明を説明する。

航空機を斜めから見た図であり、胴体と翼の境界部に位置する本発明の構造要素を鎖線で示してある。 本発明による翼全体の中央区画の構造要素を斜めから見た図である。 図２の構造要素の立面図である。 この構造要素を図３の面ＩＶ−ＩＶで切断した断面図である。 この構造要素を図３の面Ｖ−Ｖで切断した断面図である。

図１に示した航空機は、中央部が突起した全体として楕円形の断面を持つ胴体２と、対称な２つの翼３、４とを備えている。胴体２の内側では、翼全体の中央区画５によって翼３、４を胴体２に確実に固定することができる。

区画５は、互いに平行で水平方向を向いた上面パネル６と下面パネル７を備えている。２つのパネル６、７は、互いに平行で鉛直方向を向いた前方強力縦通材８と後方強力縦通材９によって固定される。区画５は、翼３、４との２つの境界部に対称な２つの構造要素１０、１１も備えている。構造要素１０は翼３に固定されるのに対し、構造要素１１は翼４に固定される。これら２つの構造要素１０、１１は、２枚のパネル６、７の間を鉛直方向に延びるとともに、前方強力縦通材８と後方強力縦通材９の間を縦方向に延びている。

このような構造要素１０について、図２〜図５を参照してこれから詳細に記述する。構造要素１０は、リチウムを含むアルミニウム合金で実現されたウェブ部材２０を備えている。密度がアルミニウムよりも小さいリチウムを含めることで、より溶接しやすくし、損傷に対する許容度を改善しつつ、材料が５％程度節約される。

ウェブ部材２０の輪郭は全体として長方形であり、外側に膨らんだ２つの部分によって接続された互いに平行な２つの直線部を有する。このウェブ部材２０は、周囲に４つの平坦な部分２１、２２、２３、２４を有する。これら４つの部分は同一平面上にあり、それぞれ、各辺の全長にわたって延びている。

以下の説明では、上面パネル６（下面パネル７）の近くに位置する部分２１（部分２２）を上部２１（下部２２）と呼ぶ。
同様に、前方強力縦通材８（後方強力縦通材９）の近くに位置する部分２３（部分２４）を前部２３（後部２４）と呼ぶ。

本発明のこの好ましい実施態様では、このウェブ部材２０は長さと幅の比がほぼ４：１である（図３参照）。より一般的には、ウェブ部材２０は、長さが幅の少なくとも２倍である。
水平方向を向いた楕円形の開口部２５がウェブ部材２０の前半部の中ほどの高さに配置されている。ウェブ部材２０は、第１の面２６に、鉛直方向に全高にわたって延びる３つの金属製強化材２７も備えている。

第１の強化材２７は前部２３の近くに位置し、第２の強化材２７は開口部２５に対して第１の強化材とは対称に配置されている。第３の強化材２７のほうは後部２４の近くに位置している。
これら３つの強化材２７は、４つの部分２１、２２、２３、２４が延びている面を横断するように突起している。これら強化材２７が存在することで、平坦な部分２１、２２、２３、２４の抵抗力、より一般にはウェブ部材２０全体の抵抗力がより大きくなることが保証される。

中央ウェブ部材２０の第２の面（図では見ることができない）には、フレームの５本の金属製脚部が開口部２５の両側に鉛直方向に配置されている。

構造要素１０は、ウェブ部材２０の４辺を縁取る４つの要素３０、４０、５０、６０も備えている。この好ましい実施態様では、これらの要素３０、４０、５０、６０は、ウェブ部材２０と同じアルミニウム合金で実現される。しかしこれら要素３０、４０、５０、６０は、それぞれの制約と必要性に応じ、ウェブ部材２０を構成するのとは異なるアルミニウム合金から得ることもできる。すると、構造要素１０を構成する各要素についてその制約と必要性に応じて材料が最適になるように選択することで、構造要素のコストと量を最適化できる。

ウェブ部材２０の上辺を縁取る第１の要素３０は、全体としてわずかに湾曲した輪郭を持ち、前端から後端に向かってわずかに変化する横断面を有する。この輪郭部材３０は、オーバーラップされることなく上部２１の延長部に配置されて湾曲した摩擦撹拌突き合せ溶接の継ぎ目３２によってその上部２１に接続された平坦な第１のフランジ３１を備えている。溶接の継ぎ目３２は、ウェブ部材２０の上辺の長さの少なくとも９５％に等しい長さにわたって中断されることなく延びているが、その前端と後端に到達することはない。

輪郭部材３０は、第１のフランジ３１の両側に配置されたわずかに膨らんだ第２のフランジ３３と第３のフランジ３４も有する。これらフランジ３３、３４は、フランジ３１で溶接の継ぎ目３２とは反対側に位置する湾曲した端部の全長に沿って存在している。平坦な第４のフランジ３９が、第１のフランジ３１の延長部に配置されている。
断面図（図４参照）では、フランジ３３は、フランジ３９の区画の方向にわずかに斜めになった状態でフランジ３３が接続される翼３の上面表層に向かって延びる区画を有する。

フランジ３４の区画は、フランジ３３の区画とは反対側でフランジ３１の区画に垂直に構造要素１１に向かって延びている。
フランジ３３と３４に属する区画のこの相対的な配置は、面ＩＶ−ＩＶに平行な面に沿った各断面で変化しない。

図２からわかるように、フランジ３３は、前方２／３の部分に、（中央区画５から翼３に向かう方向の）幅がほぼ一定の第１の部分３５を備えている。フランジ３３は第２の部分３７へと続き、その幅は後端まで規則的に増大している。
フランジ３４は全体としてフランジ３３と同様であり、やはり前方２／３の部分に、（中央区画５から翼３に向かう方向の）幅がほぼ一定の第１の部分３６を備えている。フランジ３４は第２の部分３８へと続き、その幅は後端まで規則的に増大している。

フランジ３９は（要素４０から要素３０に向かう方向の）幅が一定でフランジ３１の幅とほぼ同じであり、溶接の継ぎ目３２と曲率が同じ自由縁部を有する。

ウェブ部材２０の下辺を縁取る第２の要素４０は、全体としてわずかに湾曲した輪郭を持つ。輪郭部材４０は、（要素４０から要素３０に向かう方向の）幅が一定でオーバーラップされることなく下部２２の延長部に配置されて湾曲した摩擦撹拌突き合せ溶接の継ぎ目４２によってその下部２２に接続された平坦な第１のフランジ４１を備えている。溶接の継ぎ目４２は、ウェブ部材２０の下辺の長さの少なくとも９５％に等しい長さにわたって中断されることなく延びているが、その前端と後端に到達することはない。

輪郭部材４０は、第１のフランジ４１の両側に配置された膨らんだ第２のフランジ４３と第３のフランジ４４も備えている。これらフランジ４３、４４は、フランジ４１の溶接の継ぎ目４２とは反対側に位置する湾曲した端部の全長に沿って存在している。
断面図（図４参照）では、フランジ４３は、フランジ４１の区画の方向にわずかに斜めになった状態で翼３の端部に向かって延びる区画を有する。
フランジ４４の区画は、フランジ４３の区画とは反対側でフランジ４１の区画に垂直に構造要素１１に向かって延びている。
フランジ４３と４４に属する区画のこの相対的な配置は、面ＩＶ−ＩＶに平行な面に沿った各断面で変化しない。

図２からわかるように、フランジ４３は、ギザギザした前部４５と後部４６を有する。Ｍ字の輪郭を持つそれぞれのギザギザ部４７は、隣接した同じ２つの指状部からなる。前部４５と後部４６は、中央部４８によって分離されている。この中央部４８は、全体として直線状の自由縁部を有するが、鋸歯状の２つの切れ込みを長さの１／３と２／３の位置に持つ。

フランジ４４（図２では見ることができない）は全体としてフランジ４３と同様であり、やはりギザギザした前部と後部を備えている。Ｍ字の輪郭を持つそれぞれのギザギザ部は、隣接した同じ２つの指状部からなる。ギザギザしたこれらの部分により、構造要素を航空機の他の構成要素（翼全体の中央区画と、翼）に固定するのが容易になる。

ウェブ部材２０の前辺を縁取る第３の要素５０は、直線的な輪郭を有する。輪郭部材５０は、（要素５０から要素６０に向かう方向の）幅が一定でオーバーラップされることなく前部２３の延長部に配置されて直線状の摩擦撹拌突き合せ溶接の継ぎ目５２によってその前部２３に接続された平坦な第１のフランジ５１を備えている。溶接の継ぎ目５２は、ウェブ部材２０の前辺の長さの少なくとも９５％に等しい長さにわたって中断されることなく延びているが、その上端と下端に到達することはない。

輪郭部材５０は、第１のフランジ５１の両側に配置された第２のフランジ５３と第３のフランジ５４も備えている。これらフランジ５３、５４は、フランジ５１で溶接の継ぎ目５２とは反対側に位置する直線状の端部の全長に沿って存在している。
断面図（図５参照）では、フランジ５３、５４は、ウェブ部材２０の方を向いて非常に広がったＶ字を形成する区画を有する。このＶ字の先端は、フランジ５１、５３、５４の３つの区画の合流部に位置している。

フランジ５３の区画は、このフランジ５３が接続される翼３の前部に向かって延びている。
フランジ５４の区画は、このフランジ５４が接続される中央区画５の前方強力縦通材８の方向に延びている。
フランジ５３と５４に属する区画のこの相対的な配置は、面Ｖ−Ｖに平行な面に沿った各断面で変化しない。

図２からわかるように、フランジ５３は、より狭くなった中央部５５を区画する凹部を備えている。この凹部はフランジ５３のほぼ２／３にわたって延びていて、全体として直線状で溶接の継ぎ目５２に平行な輪郭を持つ。

フランジ５４は全体としてフランジ５３と同様であり、より狭くなった中央部５６をやはり備えている。この中央部はフランジ５４のほぼ２／３にわたって延びていて、全体として直線状で溶接の継ぎ目５２に平行な輪郭を持つ。

ウェブ部材２０の後辺を縁取る第４の要素６０は、直線的な輪郭を有する。輪郭部材６０は、（要素５０から要素６０に向かう方向の）幅が一定でオーバーラップされることなく後部２４の延長部に配置されて直線状の摩擦撹拌突き合せ溶接の継ぎ目６２によってその後部２４に接続された平坦な第１のフランジ６１を備えている。溶接の継ぎ目６２は、ウェブ部材２０の後辺の長さの少なくとも９５％に等しい長さにわたって中断されることなく延びているが、その上端と下端に到達することはない。

輪郭部材６０は、第１のフランジ６１の両側に配置された第２のフランジ６３と第３のフランジ６４も備えている。これらフランジ６３、６４は、フランジ６１で溶接の継ぎ目６２とは反対側に位置する直線状の端部の全長に沿って存在している。
断面図（図５参照）では、フランジ６３、６４は、ウェブ部材２０の方を向いて非常に広がったＶ字を形成する区画を有する。このＶ字の先端は、フランジ６１、６３、６４の３つの区画の合流部に位置している。
フランジ６３の区画は、このフランジ６３が接続される翼３の後部に向かって延びている。
フランジ６４の区画は、このフランジ６４が接続される中央区画５の後方強力縦通材９の方向に延びている。
フランジ６３と６４に属する区画のこの相対的な配置は、面Ｖ−Ｖに平行な面に沿った各断面で変化しない。

図２からわかるように、フランジ６３は、より狭い中央部６５を区画する凹部を備えている。この凹部はフランジ６３のほぼ２／３にわたって延びていて、一様でない輪郭を持つ。
この輪郭は、直線状で溶接の継ぎ目６２に平行な上方の第１の部分を備えていて、この第１の部分は鋸歯状の第２の部分へと続いている。

フランジ６４（図２では見ることができない）は全体としてフランジ６３と同様であり、より狭い中央部６５を区画する凹部をやはり備えている。この凹部はフランジ６４のほぼ２／３にわたって延びていて、凹部６５と同様の一様でない輪郭を持つ。

湾曲した溶接の継ぎ目３２、４２と、直線状の溶接の継ぎ目５２、６２は、ウェブ部材２０の輪郭に従う（またはウェブ部材２０の輪郭を再現する）ことが好ましい。しかしここでは、４つの溶接の継ぎ目３２、４２、５２、６２はウェブ部材２０の隅の位置で合流していない。

このような構造要素１０を製造するには、最初に４つの輪郭部材３０、４０、５０、６０のそれぞれを、輪郭部材３０（４０、５０、６０）のフランジ３１（４１、５１、６１）がウェブ部材２０の平坦な部分２１（２２、２３、２４）と同一平面内に存在していて突き合わされた関係になるようにしてウェブ部材２０のまわりに位置させる。すると接合線が形成される。

溶接領域の金属を可塑化するためそれぞれの輪郭部材３０、４０、５０、６０を対応する接合線に沿ってウェブ部材２０に摩擦撹拌することによって全体を溶接する。
ボルトまたは／およびリベットで締める操作の代わりに簡単な溶接操作にすることで構造要素１０の製造方法が簡単になり、製造コストが無視できないほど低下し、製造サイクルが無視できないほど短くなることが保証される。

図示していない変形例では、１つまたは複数の要素３０、４０、５０、６０の輪郭が異なっており、例えば直線状である。そのとき溶接の継ぎ目３２、４２、５２、６２も直線状である。

図示していない別の変形例では、構造要素１０はウェブ部材２０の周囲に異なる数の輪郭部材を備えている、および／または各輪郭部材は異なる形状と輪郭を有する。例えば、
− 構造要素１０は、２つの輪郭部材だけを備える（例えば上部輪郭部材３０と下部輪郭部材４０、または前方輪郭部材５０と後方輪郭部材６０）；および／または
− 構造要素１０は、ウェブ部材２０の同一の辺に沿って複数の輪郭部材を備える（例えば上辺と下辺に沿って規則的な間隔で配置されていて、それぞれは、ウェブ部材２０の平坦な部分の平面を横断する同一の平面内に配置された平坦な第２のフランジと第３のフランジを備える）。

図示していないさらに別の変形例では、ウェブ部材２０の代わりに異なる構成のウェブ部材にされる。例えば、
− ウェブ部材（例えば２０）は、異なる数の強化材（例えば２７）および／またはフレームの脚部を備えていて、脚部もやはり異なる配置にされる；および／または
− ウェブ部材（例えば２０）は中空でないため、開口部（例えば２５）がまったくない。

Claims (14)

1. 航空機（１）の翼（３）と胴体（２）の境界部に位置していて、ウェブ部材（２０）と、そのウェブ部材（２０）を縁取る輪郭部材（３０、４０、５０、６０）とを備える航空機（１）の構造要素において、
   前記構造要素が、航空機（１）の胴体（２）の内部に配設されている翼の中央区画（５）の一部分を構成しており、
   輪郭部材（３０、４０、５０、６０）のうちの少なくとも１つが平坦な部分（３１、４１、５１、６１）を備えていて、
   その平坦な部分は、オーバーラップされることなくウェブ部材（２０）の１つの平坦な部分（２１、２２、２３、２４）の延長部に配置されて摩擦撹拌突き合せ溶接の継ぎ目（３２、４２、５２、６２）によってその平坦な部分に接続されている、
   ことを特徴とする構造要素。
2. 溶接の継ぎ目（３２、４２）が湾曲している、ことを特徴とする請求項１に記載の構造要素。
3. 溶接の継ぎ目（５２、６２）が直線状である、ことを特徴とする請求項１に記載の構造要素。
4. ウェブ部材（２０）が少なくとも１つの辺を備えていて、溶接の継ぎ目（３２、４２、５２、６２）が、その辺の長さの少なくとも９５％に等しい長さにわたって中断されることなく延びている、ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の構造要素。
5. 輪郭部材（３０、４０、５０、６０）が、平坦な部分を形成する第１のフランジ（３１、４１、５１、６１）と、第２のフランジ（３３、４３、５３、６３）と、第３のフランジ（３４、４４、５４、６４）とをさらに備えていて、それぞれのフランジは、溶接の継ぎ目（３２、４２、５２、６２）とは反対側で第１のフランジ（３１、４１、５１、６１）に沿っており、第２のフランジ（３３、４３、５３、６３）と第３のフランジ（３４、４４、５４、６４）は第１のフランジ（３１、４１、５１、６１）の両側に配置されている、ことを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の構造要素。
6. 輪郭部材（３０）が、第１のフランジ（３１）、第２のフランジ（３３）、第３のフランジ（３４）に加え、その第１のフランジ（３１）の反対側に配置された第４のフランジ（３９）を備える、ことを特徴とする請求項５に記載の構造要素。
7. 輪郭部材（３０）の第２のフランジ（３３）と第３のフランジ（３４）のうちの少なくとも一方が、幅が規則的に変化する部分（３７、３８）を有する、ことを特徴とする請求項５または６に記載の構造要素。
8. 輪郭部材（４０）の第２のフランジ（４３）と第３のフランジ（４４）のうちの少なくとも一方がギザギザした部分（４５、４６）を備えていて、それぞれのギザギザ部（４７）が、隣接した２つの指状部からなる、ことを特徴とする請求項５または６に記載の構造要素。
9. 輪郭部材（５０、６０）の第２のフランジ（５３、６３）と第３のフランジ（５４、６４）のうちの少なくとも一方が、より狭くなった部分（５５、５６、６５）を有する、ことを特徴とする請求項５または６に記載の構造要素。
10. ウェブ部材（２０）が、少なくとも１つの面上に、平坦な部分（２１〜２４）に対して突起した部分（２７）を備える、ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の構造要素。
11. ウェブ部材（２０）が、それぞれの辺上に、その辺の全長に沿って延びる１つの平坦な部分（２１〜２４）を備える、ことを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項に記載の構造要素。
12. ウェブ部材（２０）が全体として長方形で、長さが幅の少なくとも２倍である、ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載の構造要素。
13. ウェブ部材（２０）と輪郭部材が、リチウムを含む同一のアルミニウム合金で実現されている、ことを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の構造要素。
14. ウェブ部材（２０）と輪郭部材が、異なるアルミニウム合金で実現されている、ことを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載の構造要素。

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