RU2595354C1 - Hypersonic aircraft body and method of making same - Google Patents

Abstract

FIELD: aircraft; rocket engineering.

SUBSTANCE: group of inventions relates to aircraft and rocket engineering. Method of making hypersonic aircraft body from composite materials is characterised by that it is made by winding or volume plaiting of one or more shells of revolution, from which are cut at predetermined coordinates upper and lower aircraft airframe skin panel. Method includes making tip, side edge and bottom cover. All parts are rigidly jointed together to form a given aerodynamic shape of body. Body is characterised by using said method.

EFFECT: group of inventions is aimed at simplifying manufacturing of body.

2 cl, 5 dwg

Description

Изобретение относится к авиационной и ракетной технике. Объектом изобретения является корпус гиперзвукового летательного аппарата, выполненный в виде двух панелей обшивки, носка, двух боковых кромок, донной крышки и способ изготовления такого корпуса.The invention relates to aircraft and rocket technology. The object of the invention is the body of a hypersonic aircraft, made in the form of two panels, skin, sock, two side edges, the bottom cover and a method of manufacturing such a body.

Форма корпуса летательного аппарата (ЛА), реализующего планирующий полет с гиперзвуковой скоростью, должна обеспечивать аэродинамические характеристики аппарата, позволяющие выполнить требования как к ЛА, так и к комплексу с ЛА в целом.The shape of the hull of an aircraft (LA), which implements a planning flight with hypersonic speed, should provide the aerodynamic characteristics of the aircraft, allowing to fulfill the requirements for both the aircraft and the complex with the aircraft as a whole.

Наиболее близким техническим решением является корпус гиперзвукового летательного аппарата HTV-2 (см. Environmental Assessment for Hypersonic Technology Vehicle 2 Flight Tests. Acquisition Civil/Environmental Engineering Space and Missile Systems Center, Los Angeles Air Force Base, California, February 2009), выполненный по схеме «волнолет» и обладающий большим аэродинамическим качеством. Как и преобладающее большинство корпусов существующих и разрабатываемых в настоящее время гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА), корпус HTV-2 имеет сложную и неосесимметричную форму. Недостатком таких корпусов является исключительная сложность и затратность в изготовлении, так как они содержат элементы уникальной формы.The closest technical solution is the HTV-2 hypersonic aircraft body (see Environmental Assessment for Hypersonic Technology Vehicle 2 Flight Tests. Acquisition Civil / Environmental Engineering Space and Missile Systems Center, Los Angeles Air Force Base, California, February 2009) the “wavewave” scheme and having great aerodynamic quality. Like the vast majority of the hulls of existing and currently developing hypersonic aircraft (GLA), the HTV-2 hull has a complex and non-axisymmetric shape. The disadvantage of such cases is the exceptional complexity and cost in manufacturing, as they contain elements of a unique shape.

Известен корпус гиперзвукового ракетоплана Shefex II (см. Key Experiments within the Shefex II Mission, German Aerospace Center, DLR, Institute of Aerodynamics and Flow Technology, Braunschweig/Cologne, IAC-08-D2.6.4), обладающий веретенообразной формой, состоящий из плоских граней. Такой корпус обладает высокой технологичностью, расположение отдельных элементов корпуса аппарата обеспечивает удобство и минимальную трудоемкость при сборке. Основным недостатком рассмотренного корпуса является сложность получения высокого аэродинамического качества, что не позволяет получить высокие летно-технические характеристики изделия.The Shefex II hypersonic rocket plane hull is known (see Key Experiments within the Shefex II Mission, German Aerospace Center, DLR, Institute of Aerodynamics and Flow Technology, Braunschweig / Cologne, IAC-08-D2.6.4), which has a spindle-shaped shape consisting of flat faces. Such a case is highly manufacturable, the location of the individual elements of the apparatus body provides convenience and minimal labor during assembly. The main disadvantage of the considered case is the difficulty of obtaining high aerodynamic quality, which does not allow to obtain high flight performance of the product.

К корпусу аппарата, совершающего полет на больших скоростях, выдвигается ряд требований (минимальная масса, максимальные жесткость и прочность, стойкость к температурным нагружениям и другие), которые обеспечиваются выбором материала и совершенством технологии изготовления конструкции из данного материала. В настоящее время главным классом материалов, удовлетворяющих всему комплексу перечисленных требований, являются композиты.A number of requirements (minimum weight, maximum stiffness and strength, resistance to thermal stresses, and others) are put forward to the body of the aircraft flying at high speeds, which are provided by the choice of material and the perfection of the technology for manufacturing the structure from this material. Currently, the main class of materials that satisfy the whole range of these requirements are composites.

Технической задачей предлагаемого изобретения является изготовление корпуса гиперзвукового летательного аппарата из композиционных материалов, обладающего высоким аэродинамическим качеством, простотой изготовления и малой затратностью.The technical task of the invention is the manufacture of a body of a hypersonic aircraft from composite materials with high aerodynamic quality, ease of manufacture and low cost.

Решением поставленной задачи является корпус гиперзвукового летательного аппарата из композиционных материалов, отличающийся тем, что корпус аппарата выполнен составным, в виде двух панелей обшивки, носка, двух боковых кромок и донной крышки, жестко скрепленных между собой, а также способ изготовления такого корпуса, отличающийся тем, что методом намотки или объемного плетения изготавливают одну или более оболочек вращения, из полученных оболочек нарезают по предварительно определенным координатам панели обшивки корпуса летательного аппарата, изготавливают носок, боковые кромки и донную крышку, все детали жестко скрепляют между собой с образованием заданной аэродинамической формы аппарата.The solution to this problem is the body of a hypersonic aircraft made of composite materials, characterized in that the body of the device is made integral, in the form of two panels, skin, sock, two side edges and a bottom cover, rigidly bonded to each other, as well as a method of manufacturing such a body, characterized in that one or more shells of revolution are made by winding or volumetric weaving, from the shells obtained, they are cut into predefined coordinates of the panel of the skin of the aircraft hull apparatus manufactured sock, side edges and a bottom cover, all parts are rigidly bonded to each other to form a predetermined unit aerodynamic shape.

Для пояснения способа изготовления корпуса гиперзвукового летательного аппарата представлены следующие графические материалы:The following graphic materials are presented to explain the manufacturing method of a hypersonic aircraft hull:

- на фигуре 1 представлен схематический вид создания теоретического обвода корпуса как области пересечения двух оболочек вращения;- figure 1 shows a schematic view of the creation of a theoretical contour of the hull as an area of intersection of two shells of revolution;

- на фигуре 2 представлен схематический вид осесимметричной заготовки из композиционного материала с размеченной границей панели обшивки;- figure 2 presents a schematic view of an axisymmetric blank of composite material with a marked border of the skin panel;

- на фигуре 3 представлен схематический вид нескольких панелей обшивки, вырезанных из одной осесимметричной заготовки;- figure 3 presents a schematic view of several lining panels cut from one axisymmetric workpiece;

- на фигуре 4 представлен схематический вид корпуса ГЛА с разнесенными элементами, где- figure 4 presents a schematic view of the body of the GLA with spaced elements, where

1 - носок, 2 и 3 - нижняя и верхняя панели обшивки, 4 и 5 - боковые кромки, 6 - донная крышка;1 - toe cap, 2 and 3 - lower and upper panels of the casing, 4 and 5 - side edges, 6 - bottom cover;

- на фигуре 5 представлен схематический вид корпуса ГЛА в собранном виде.- figure 5 presents a schematic view of the body of the GLA in assembled form.

При проектировании корпуса гиперзвукового летательного аппарата создают теоретический обвод корпуса как область пересечения двух оболочек вращения (см. фиг. 1), оси которых расположены в одной плоскости под углом друг к другу. Оптимальная форма корпуса выбирается из условия получения наилучших аэродинамических характеристик корпуса аппарата при наложенных ограничениях по габаритным размерам и внутреннему объему. Затем по теоретическим обводам корпуса строят отдельные элементы (верхняя и нижняя панели обшивки, носок, правая и левая боковые кромки, донная крышка), определяют их форму с учетом способа соединения элементов в единую конструкцию (см. фиг. 4), производят образмеривание элементов. Жестко соединенные между собой элементы образуют корпус аппарата заданной аэродинамической формы (см. фиг. 5).When designing a hull of a hypersonic aircraft, a theoretical hull is created as the intersection of two shells of revolution (see Fig. 1), the axes of which are located in the same plane at an angle to each other. The optimal shape of the body is selected from the condition of obtaining the best aerodynamic characteristics of the body of the device under the imposed restrictions on overall dimensions and internal volume. Then, according to the theoretical contours of the case, separate elements are built (upper and lower panels of the casing, sock, right and left side edges, bottom cover), their shape is determined taking into account the method of connecting the elements into a single structure (see Fig. 4), the elements are dimensioned. The rigidly interconnected elements form the body of the apparatus of a given aerodynamic shape (see Fig. 5).

Аэродинамическое качество ГЛА, корпус которого спроектирован по описанному способу, сопоставимо с качеством «волнолета» аналогичных габаритных размеров, подъемная сила которого формируется за счет системы присоединенных скачков уплотнения. Различие составляет не более 20%. Снижение аэродинамического качества компенсируется увеличением внутреннего объема корпуса аппарата и сравнительной простотой его изготовления.The aerodynamic quality of the GLA, the hull of which is designed according to the described method, is comparable with the quality of a “wave” of similar overall dimensions, the lifting force of which is formed due to the system of attached shock waves. The difference is not more than 20%. The decrease in aerodynamic quality is offset by an increase in the internal volume of the apparatus body and the comparative simplicity of its manufacture.

Наиболее крупными и трудоемкими элементами корпуса являются панели обшивки (поз. 2, поз. 3 на фиг. 4). При отсутствии у аппарата оси симметрии, панели обшивки изготавливают способом контактного формования, требующим соответствующей оснастки, которая, в свою очередь, создается под каждый технологический переход. Также способ контактного формования имеет ряд недостатков, которые проявляются в условиях серийного производства. К ним относятся: значительный разброс показателей физико-механических свойств изделий, длительность процесса формования, тяжелые условия труда.The largest and most labor-intensive elements of the housing are the paneling panels (pos. 2, pos. 3 in Fig. 4). If the apparatus does not have an axis of symmetry, the cladding panels are made by contact molding, which requires appropriate equipment, which, in turn, is created for each technological transition. Also, the method of contact molding has a number of disadvantages that are manifested in the conditions of mass production. These include: a significant variation in the indicators of the physical and mechanical properties of products, the duration of the molding process, and difficult working conditions.

Предлагаемый корпус не осесимметричен, но каждая из панелей обшивки является частью осесимметричной оболочки вращения и может быть вырезана из нее.The proposed housing is not axisymmetric, but each of the cladding panels is part of the axisymmetric shell of rotation and can be cut from it.

Методами намотки или объемного плетения изготавливают одну или более оболочки вращения.Using methods of winding or volume weaving, one or more shells of revolution are made.

Процесс намотки заключается в укладке нити, жгута, ленты или ткани на вращающуюся или неподвижную оправку и отверждении оболочки вращения на оправке. Существует множество способов укладки: спиральная намотка, закатка, продольно-поперечная, по геодезическим линиям, хордовая, обмотка неподвижной оправки и т.д. Совершенство процесса изготовления оболочек вращения методом намотки определяет возможность его автоматизации и механизации. Как правило, намоткой изготавливают осесимметричные оболочки вращения, используя достаточно простую технологическую оснастку. При намотке однонаправленных лент, жгутов, нитей получают оболочки вращения с максимальными физико-механическими показателями.The winding process consists in laying a thread, bundle, tape or fabric on a rotating or stationary mandrel and curing the rotation sheath on the mandrel. There are many ways of laying: spiral winding, rolling, longitudinally-transverse, along geodetic lines, chord, winding of a fixed mandrel, etc. The perfection of the process of manufacturing shells of rotation by winding determines the possibility of its automation and mechanization. As a rule, axisymmetric shells of revolution are made by winding using fairly simple technological equipment. When winding unidirectional tapes, bundles, threads get shells of revolution with maximum physical and mechanical properties.

Метод объемного плетения также обладает высокой степенью автоматизации и механизации. Процесс плетения проходит быстро и с минимальным повреждением волокон. Также как и при методе намотки, получают оболочки вращения с максимальными физико-механическими показателями.Volumetric weaving also has a high degree of automation and mechanization. The weaving process is fast and with minimal fiber damage. As well as with the winding method, shells of revolution with maximum physical and mechanical properties are obtained.

На изготовленных одной или более оболочках вращения обозначают границы будущих панелей обшивки (см. фиг. 2) по координатам, которые определяют исходя из оптимальной формы аппарата с требуемым аэродинамическим качеством, каждую из оболочек разрезают не менее чем на две панели обшивки корпуса летательного аппарата (см. фиг. 3).On the manufactured one or more shells of rotation, the boundaries of future skin panels are indicated (see Fig. 2) according to coordinates that are determined based on the optimal shape of the device with the required aerodynamic quality, each of the shells is cut into at least two panels of the skin of the aircraft body (see Fig. 3).

Из композиционных материалов, обладающих высокой теплостойкостью, изготавливают боковые кромки, носок и донную крышку ГЛА. В настоящее время теплонагруженные детали изготавливают из углеродных композитов тремя основными способами: пропиткой смолой волокнистого каркаса и карбонизацией; осаждением углерода из газовой фазы между волокнами каркаса; сочетанием пропитки смолой и карбонизации с осаждением углерода из газовой фазы.Of the composite materials with high heat resistance, the side edges, toe and bottom cover of the GLA are made. Currently, heat-loaded parts are made of carbon composites in three main ways: by impregnation of a fiber frame resin and carbonization; the deposition of carbon from the gas phase between the fibers of the frame; a combination of resin impregnation and carbonization with the deposition of carbon from the gas phase.

Способ получения деталей из углеродных композиционных материалов путем осаждением углерода из газовой фазы между волокнами каркаса перспективен, поскольку позволяет создавать материалы любой архитектуры с любыми наперед заданными свойствами при этом даже послойно. Например, можно осаждать таким образом не только углерод, но и такие материалы, как цирконий, медь, тантал и другие, осаждать послойно, придавая КМ различные желаемые свойства.A method of producing parts from carbon composite materials by deposition of carbon from the gas phase between the fibers of the carcass is promising, since it allows you to create materials of any architecture with any predetermined properties, even layer by layer. For example, not only carbon can be precipitated in this way, but also materials such as zirconium, copper, tantalum and others, precipitated in layers, giving the CM various desirable properties.

После изготовления всех деталей осуществляют сборку корпуса, для чего жестко соединяют панели обшивки, боковые кромки, носок и донную крышку в единую конструкцию.After the manufacture of all the parts, the body is assembled, for which the skin panels, side edges, toe and bottom cover are rigidly connected into a single structure.

Предлагаемый способ позволяет создать корпус гиперзвукового летательного аппарата с высоким аэродинамическим качеством, существенно снизить трудоемкость изготовления такого корпуса, обеспечить уменьшение временных и финансовых затрат.The proposed method allows you to create a hull of a hypersonic aircraft with high aerodynamic quality, significantly reduce the complexity of manufacturing such a hull, to reduce time and financial costs.

Claims (2)

1. Способ изготовления корпуса гиперзвукового летательного аппарата из композиционных материалов, отличающийся тем, что методом намотки или объемного плетения изготавливают одну или более оболочек вращения, из полученных оболочек нарезают по предварительно определенным координатам верхнюю и нижнюю панели обшивки корпуса летательного аппарата, изготавливают носок, боковые кромки и донную крышку, все детали жестко скрепляют между собой с образованием заданной аэродинамической формы корпуса аппарата.1. A method of manufacturing a body of a hypersonic aircraft from composite materials, characterized in that one or more shells of revolution are made by winding or volumetric weaving, the upper and lower panels of the aircraft body skin are cut according to predefined coordinates, the sock and side edges are made and the bottom cover, all parts are rigidly fastened together with the formation of a given aerodynamic shape of the apparatus body. 2. Корпус гиперзвукового летательного аппарата из композиционных материалов, полученный способом по п. 1, отличающийся тем, что корпус аппарата выполнен составным, в виде верхней и нижней панелей обшивки, носка, двух боковых кромок и донной крышки, жестко скрепленных между собой. 2. The body of a hypersonic aircraft made of composite materials, obtained by the method according to claim 1, characterized in that the body of the device is made integral, in the form of upper and lower panels of the skin, sock, two side edges and the bottom cover, rigidly bonded to each other.

Images