DE102006029231A1

DE102006029231A1 - Druckschott für einen Rumpf für die Luft- und Raumfahrt

Info

Publication number: DE102006029231A1
Application number: DE102006029231A
Authority: DE
Inventors: Pasquale Dr. Basso
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2006-06-26
Filing date: 2006-06-26
Publication date: 2008-01-03
Anticipated expiration: 2026-06-27
Also published as: US8033503B2; WO2008000670A2; CN102167151B; EP2428444A1; DE102006029231B4; CA2651518A1; EP2032431B1; US20100065685A1; WO2008000670B1; WO2008000670A3; RU2009101942A; ATE518747T1; JP2009541131A; EP2032431A2; CN101466593A; CN101466593B; JP5059856B2; EP2428444B1; CN102167151A; RU2438919C2

Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Druckschott (1, 1') für einen Rumpf (10) für die Luft- und Raumfahrt mit einem Schotthauptabschnitt (3), welcher eine annähernd flache Gestalt in einem unbelasteten Zustand und einen Rahmen (2) aufweist, der den Schotthauptabschnitt (3) trägt und mit dem Rumpf (10) verbindet, wobei der Schotthauptabschnitt (3) einen luftdichten Aufbau mit einem netzartigen Bauteil (5, 5', 5'') aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Druckschott für einen Rumpf für die Luft- und Raumfahrt.
Ein Druckschott gehört zu den inneren Aufbauten eines Rumpfs eines Luftfahrzeugs und wird zur Sicherstellung eines druckdichten Inneren, zum Beispiel in dem Heckabschnitt des Luftfahrzeugs, verwendet. Das Schott besteht im Allgemeinen aus starren Schalen, zum Beispiel mit einer einzelnen oder doppelten Krümmung, die aus Metall oder Verbundwerkstoffen hergestellt und häufig durch so genannte Aussteifungen verstärkt sind.
Die Hauptnachteile der vorhandenen Lösungen eines Druckschotts sind die folgenden: die Gewichtszunahme des Aufbaus, der für die Verhinderung von statischen Instabilitäten notwendig ist; die schwierigen Herstellungsprozesse sowohl für die Metall- als auch für die Verbundwerkstofflösungen; die Verwendung von teuren Werkstoffen und/oder Verfahren; und die schwierige Wartung der Aufbauten in der Nachbarschaft des Druckschotts.
In Bezug auf die Gewichtszunahme ist das bauliche Hauptproblem die statische Instabilität, welche durch Schub- und Druckkräfte verursacht wird. Diese Instabilitäten treten Übereinstimmung mit Belastungszuständen auf, wie zum Beispiel die Quermanöver mit hohen Torsionsmomenten (hohe Schubbeanspruchungen), und in Übereinstimmung mit negativen Druckgradienten (hohe Druckbeanspruchungen), wie beispielsweise ein möglicher Höhenverlust des Luftfahrzeugs. Aus diesen Gründen ist eine Erhöhung der Dicke der Schale eines starren Druckschotts erforderlich, und um Gewicht einzusparen, kann die Verwendung von Aussteifungen in der radialen Richtung wie auch manchmal in der Umfangsrichtung eine Muss-Vorschrift sein.
In Anbetracht der schwierigen Fertigung auf Grund des Vorhandenseins der Aussteifungen und auf Grund der doppelten Krümmung der oben erwähnten Druckschotts ergibt der Herstellungsprozess eine sehr komplizierte und kostenaufwändige Aufgabe.
Im Fall der Verwendung von teuren Werkstoffen und/oder Verfahren, werden häufig Verbundwerkstoffe wegen ihrer Fähigkeit zur Gewichtseinsparung und zur Ausbildung einer Form mit einer doppelten Krümmung bevorzugt, wobei die hohe Zahl von Nieten vermieden wird, die für eine Metalllösung benötigt werden. Derartige Werkstoffe sind wie auch ihre Herstellverfahren teuer, insbesondere in dem Fall von Sandwich-Verbundaussteifungen.
In Bezug auf die schwierige Wartung auf Grund der eingebrachten Krümmung und der damit verbundenen Raumbelegung ergibt sich ein schwieriger Zugang zu dem Aufbau hinter dem Druckschott und eine beschwerliche Reinigung der Bereiche dicht an der Anbringung des Schotts an dem zugehörigen Rahmen.
Das Dokument EP 0 217 117 A1 beschreibt eine Druckwand mit einer Krümmung, welches mit einer Sicherheitstrageinrichtung ausgerüstet ist, die aus einem Gurtnetzwerk hergestellt ist. Die Gurte werden an dem Schott befestigt, nachdem dieses angebracht worden ist.
Es gibt einen Bedarf zur Reduzierung des Gewichts, der Fertigungszeit, der Herstellkosten und zur Schaffung einer leichteren Wartung eines Druckschotts.
In Hinblick auf das Obige ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Druckschott für einen Rumpf in der Luft- und Raumfahrt zu schaffen, welcher die oben erwähnten Nachteile vermeidet oder vermindert.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe durch ein Druckschott für einen Rumpf für die Luft- und Raumfahrt gelöst, welcher einen Schotthauptabschnitt mit einer annähernd flachen Gestalt in einem unbelasteten Zustand und einen Rahmen aufweist, welcher den Schotthauptabschnitt trägt und mit dem Rumpf verbindet, wobei der Schotthauptabschnitt einen luftdichten Aufbau mit einem netzartigen Bauteil aufweist.
Somit ist das Gewicht des Schotts verringert, und eine Wartung der Aufbauten und Systeme in dem rückwärtigen Rumpf ist erleichtert, da das Druckschott in unbelastetem Zustand flach ist. Die Gewichtseinsparungen können ungefähr bis zu 14 ... 18% betragen. Weiterhin ist die Fertigungszeit auf Grund der reduzierten Anzahl von Teilen und der Tatsache, dass keine Aussteifungen mehr notwendig sind, verringert. Kosten sind ebenfalls auf Grund der Tatsache reduziert, dass die verwendeten Materialien preiswerter als solche des Stands der Technik sind, und dass keine Behandlungsvorgänge bzw. -zyklen im Vergleich zu Verbundwerkstoffen notwendig sind.
Auf Grund der Elastizität des Druckschotts der vorliegenden Erfindung gibt es nur Zugspannungen sowohl unter positiven als auch negativen Druckgradienten, was den besonderen Vorteil ergibt, dass für derartige Druckschotts keine strukturellen Instabilitäten möglich sind.
Weiter vorteilhafte Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
In einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass das netzartige Bauteil Bandelemente aufweist, welche in besonders bevorzugter Ausgestaltung verflochtene Bänder sind, die ein Gewebe bilden.
Die erste Ausführung ist von besonderem Vorteil, da das Gewebe luftdicht ausgebildet ist. Aus diesem Grund sind die verflochtenen Bänder vorzugsweise aus einem aromatischen Polyamid hergestellt. Die Verflechtung der Bänder ist so luftdicht ausgebildet, dass weder Infiltration von Harz oder Ähnlichem noch Behandlungszyklen dieses Harzes notwendig sind, woraus sich eine reduzierte Fertigungszeit und verringerte Kosten ergeben.
In einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist es bevorzugt, dass die Bandelemente gurtförmige Bänder sind, welche sich radial jeweils in zumindest einer ersten Lage und einer zweiten Lage erstrecken und zumindest zwei Rückhaltelagen für ein Dichtelement bilden, welches zwischen den Rückhaltelagen angeordnet ist, wobei das Dichtelement eine thermoplastische Membran ist. Dieser Aufbau ist bei unbelastetem Zustand flach ausgebildet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführung ist es vorgesehen, dass innere Enden der gurtförmigen Bandelemente mit zumindest einem zentralen Gurt verbunden sind, und dass die anderen Enden mit zumindest einem Umfangsgurt verbunden sind, wobei das Dichtelement mit dem zumindest einen Umfangsgurt verbunden ist. So wird ein elastisches Druckschott ohne strukturelle Instabilitäten erzielt. Es werden keine Aussteifungen benötigt, woraus sich eine reduzierte Fertigungszeit und verringerte Kosten ergeben.
Der Rahmen ist aus einem metallischen Werkstoff und/oder Verbundwerkstoff hergestellt, vorzugsweise aus Aluminium, welches der Typ 7150 sein kann.
Die vorliegende Erfindung wird nun auf beispielhafte Weise mit Bezugnahme auf die begleitenden schematischen Zeichnungen beschrieben, von denen:
1 eine perspektivische Explosionsansicht einer erste Ausführung der vorliegenden Erfindung ist;
2 eine Ansicht der zusammengebauten Ausführung gemäß 1 von innen und außen zeigt;
3 eine vergrößerte schematische Teilschnittansicht eine bevorzugten beispielhaften Anbringung des Schotts gemäß der ersten Ausführung nach 1 an einem Rumpf eines Luftfahrzeugs ist;
4 eine vergrößerte Ansicht eines Gewebes mit einer Öffnung ist;
5 ein Standardgewebe illustriert;
6 eine perspektivische Explosionsansicht einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung ist;
7 die Vorder- und Rückansicht der zusammengebauten Ausführung gemäß 6 zeigt;
8 eine Ansicht eines Schotthauptabschnitts der zweiten Ausführung nach 6 ist; und
9 eine vergrößerte schematische Teilschnittansicht einer bevorzugten beispielhaften Anbringung des Schotts gemäß der zweiten Ausführung nach 6 an einem Rumpf eines Luftfahrzeugs ist.
In den Zeichnungen sind alle Komponenten mit gleicher oder ähnlicher Funktion mit gleichen Bezugszeichen versehen, falls nicht anders angegeben.
1 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer ersten Ausführung der vorliegenden Erfindung. Sie zeigt ein Druckschott 1 mit einer Längsachse 17. In dieser Ausführung besitzt das Schott 1 eine kreisförmige oder ovale Gestalt und weist einen Rahmen 2 und einen Schotthauptabschnitt 3 auf. Der Schotthauptabschnitt 3 besteht aus einem netzartigen Bauteil 5, welches aus einem ver- bzw. geflochtenem Gewebe 11 mit einem Umfangsrand 12 ausgebildet ist.
Auf der linken Seite des Rahmens 2 ist eine Innenseite eines nicht dargestellten Innenraums eines Luftfahrzeugs vorhanden, die durch das Bezugszeichen A bezeichnet ist. Bezugszeichen B bezeichnet eine Außenseite, zum Beispiel die Rückseite des Hecks des nicht gezeigten Luftfahrzeugs.
Der Rahmen 2 trägt den Schotthauptabschnitt 3, welcher an dem Rahmen 2 wie in 2 und in einer vergrößerten Teilschnittansicht in 3 dargestellt ist. 2 (oben) illustriert eine Draufsicht des zusammengebauten Schotts 1 von der Innenseite A und von der Außenseite B (unten) her. Wie aus 2 ersichtlich ist, ist das Ge webe 11 an dem Rahmen 2 von der Außenseite B her, wie in 3 illustriert ist, befestigt.
3 ist eine vergrößerte schematische Teilschnittansicht einer bevorzugten beispielhaften Anbringung des Schotts gemäß der ersten Ausführung nach 1 an einem Rumpf 10 des Luftfahrzeugs. In diesem Beispiel weist der Rahmen 2 einen rechtwinkligen Querschnitt auf oder kann einen anderen Querschnitt besitzen und kann ein Hohlprofil aus Aluminium sein, vorzugsweise Aluminium 7150. Das Gewebe 11 ist an dem Rahmen 2 auf seiner Oberfläche angebracht, die zu dem Rumpf 10 weist. Der Rahmen 2 ist an dem Rumpf 10 mittels erster Befestigungselemente 15, zum Beispiel Nieten, befestigt. Diese Nieten 15 können zum Beispiel ebenfalls das angebrachte Gewebe 11 befestigen. Weitere und/oder andere Verfahren zum Befestigen des Gewebes 11 können benutzt werden, zum Beispiel ein geeigneter Kleber oder Gleichartiges.
Wie aus 3 ersichtlich ist, ist das Druckschott 1 ein flaches Bauelement in unbelastetem Zustand. Dies ist ein bedeutender Vorteil, da die dem Schott 1 benachbarten Bereiche leicht zu erreichen und zu warten sind.
Das Gewebe 11 ist vorzugsweise aus verflochtenen Bandelementen 6 hergestellt, wie aus 4 in einer vergrößerten Ansicht erkennbar ist. Die Bänder 6 sind in einer speziellen Art und Weise so verwoben, dass ein luftdichter Aufbau erzielt wird. So führt bzw. trägt das Gewebe 11 nur Zugspannungen in belastetem Zustand, zum Beispiel, wenn die Innenseite A (siehe 3) unter Kabinendruck steht. Im Fall von positiven oder negativen Druckgradienten treten in dem Gewebe 11 nur Zugspannungen auf.
Weiterhin zeigt 4 eine Öffnung 14 mit so genannten polaren Einwebungen 13 in dem Gewebe 11. Diese Art von Öffnung kann für luftdichte Durchführung von zum Beispiel Leitungen verwendet werden, falls notwendig. Die beste Position einer solchen Anordnung kann durch Finite-Elemente-Analyse des Schotts gefunden werden.
5 illustriert ein Standardgewebe 11 mit einer kreisförmigen Gestalt. In einer alternativen Ausführung kann das Gewebe 11 mehr als eine Lage von verflochtenen Bändern 6 aufweisen. Diese Lage können Standardgewebeerzeugnisse sein, die in einer quasi-orthotropen Folge gestapelt sind. Auf Grund des luftdichten Aufbaus sind keine Harze oder dergleichen notwendig. Deshalb sind die Teileanzahl und Fertigungszeit bedeutend reduziert.
Das Gewebe 11 kann aus aromatischen Polyamidfasern, die – auch als Aramidfasern bekannt sind, hergestellt sein. Dieses Material liefert eine außergewöhnliche Flammwidrigkeit und ist ein nichttoxischer Werkstoff. Es besitzt eine Funktionalität zur Sicherstellung einer Luftdichtigkeit, auch wenn es von einem kleinen Teilchen penetriert worden ist (zum Beispiel von einer geschossenen Kugel).
Die in 1 bis 5 dargestellten Beispiel weisen einen Durchmesser von ungefähr 4 m auf.
6 ist eine perspektivische Explosionsansicht einer zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung.
Sie illustriert ein Druckschott 1' mit einer Längsachse 17. In diesem Beispiel weist das Schott 1 eine kreisförmige oder ovale Gestalt auf und besitzt einen Rahmen 2 und einen Schotthauptabschnitt 3 auf. Der Schotthauptabschnitt 3 besteht aus zwei netzartigen Bauteilen 5' und 5'', welche aus Bandelementen 6', 6'' in der Gestalt von Gurten gebildet sind.
Auf der linken Seite des Rahmens 2 ist die Innenseite angeordnet, die mit dem Bezugszeichen A eines nicht dargestellten Inneren eines Luftfahrzeugs bezeichnet ist. Bezugszeichen B bezeichnet die Außenseite, zum Beispiel den rückwärtigen Teil des Hecks des nicht dargestellten Luftfahrzeugs.
Der Rahmen 2 trägt den Schotthauptabschnitt 3, welcher an dem Rahmen 2 wie in 9 gezeigt ähnlich wie in 3 gezeigt befestigt ist.
Die Bänder 6' des netzartigen Bauteils 5' sind in einer solchen Art und Weise angeordnet, dass sie sich jeweils radial in zumindest einer ersten Lage und einer zweiten Lage erstrecken und zumindest zwei Rückhaltelagen für ein Dichtelement 4 bilden, das zwischen den Rückhaltelagen angeordnet ist.
Die Bänder 6' der ersten Rückhaltelage an der Außenseite B sind mit inneren Enden 7 mit einem kreisförmigen zentralen Gurt 8 verbunden, wie aus der unteren Ansicht in 7 ersichtlich ist. Die äußeren Enden der Bänder 6' sind mit einem Umfangsgurt 9 verbunden. Diese Verbindungen können mittels Nähen oder in gleicher Weise ausgebildet sein.
Wie in 8 gezeigt ist, sind die Bänder 6'' der zweiten Rückhaltelage auf der Innenseite A auf Grund der möglichen zu tragenden Belastung vorzugsweise kleiner als die Bänder 6' der ersten Lage. Diese Bänder 6'' sind in einem zentralen Bereich zusammen verbunden und mit ihren äußeren Enden mit dem Umfangsgurt 9 wie auch das Dichtelement 4 verbunden.
Gemäß dieser bevorzugten Ausführung ist das Dichtelement 4 aus einer thermoplastischen Membran hergestellt, welche im unbelasteten Zustand flach ist und durch die Bänder 6', 6'' der Rückhaltelagen im Fall eines Belastungszustands zurückgehalten wird. Die Bänder 6', 6'' sind nur durch Zugspannungen in beiden Fällen, nämlich bei positiven und negativen Druckgradienten, beansprucht.
Der Umfangsgurt 9 und die Bänder 6', 6'' und das damit verbundene Dichtelement 4 sind über den Rahmen 2, wie zum Beispiel in 9 gezeigt ist, an dem Rumpf 10 angebracht. Wie aus 9 ersichtlich ist, sind das Dichtelement 4 und die Bänder 6', 6'' an dem Rahmen 2 über zweite Befestigungselemente 16, zum Beispiel Nieten, befestigt. Weitere und/oder andere Befestigungsverfahren können Verwendung finden.
In der zweiten Ausführung der vorliegenden Erfindung werden zum Beispiel 250 Bänder 6' und vier Bänder 6'' verwendet. Sie bilden ein flaches Schott.
In Bezug auf die Dimensionierung der gezeigten Beispiele ist Folgendes zu bemerken: Die Abmessung eines jeden Teils wurde für einen kreisförmigen Rumpf mit einem Durchmesser von ungefähr 4 m erlangt. Ein analytisches Modell der Bänder 6, 6', 6'' auf Grundlage der Seilgleichung wurde zur Bewertung der Stabilität des Schotts benutzt. Der in Betracht gezogene Belastungsfall ist der maximale positive Druckgradient auf höchster Stufe (2ΔP = 1.234 bar), welcher den kritischsten ergibt. Alle erhaltenen Resultate in Spannungs- und Dehnungstermen sind mit den mechanischen Eigenschaften der ausgewählten Materialien im Einklang, während die resultierenden hohen Frequenzen der ersten zwei Moden des Rahmens seine Stabilität auf höchster Stufe sicherstellen.
Die Ergebnisse dieses Tests zeigen eine maximale Verschiebung des Schotthauptabschnitts 3 von ungefähr 196 mm bei der ersten Ausführung und von ungefähr 453 mm bei der zweiten Ausführung.
Die vorliegende Erfindung beseitigt die Nachteile des oben angegebenen Stands der Technik wie folgt. Das Druckschott 1, 1' ist ein flaches Bauteil und weist eine geringere Fläche in Bezug auf ein Schott mit einer einzelnen oder doppelten Krümmung auf. Das Druckschott 1, 1' weist eine reduzierte Dicke auf und benötigt keinerlei Aussteifungen. Es kann nicht beulen, da es eine Membran ist, welche nur Zugspannungen aufweist. Aus diesen Gründen ist das Gewicht verringert und die Fertigungsprobleme sind reduziert.
Weiterhin benötigt das Druckschott 1, 1' keine kostenaufwändige Behandlungszyklen, so dass die Fertigungszeit reduziert ist. In Bezug auf den Stand der Technik wird weniger Material benötigt. Die Vorteile sind: reduzierte Dicke, keine Aussteifungen, Kostenreduzierung und Verringerung von Fertigungszeit.
Es ist offensichtlich, dass Modifikationen der oben beschriebenen Ausführungen machbar sind.
Zum Beispiel kann das Gewebe 11 mit einem geeigneten Material getränkt werden, um einen speziellen hohen Grad an Luftdichtigkeit zu erzielen.
Das Druckschott 1, 1' kann eine andere Gestalt als eine kreisförmige oder ovale Gestalt aufweisen.
Die Bänder 6, 6', 6'' können aus Werkstoffen mit gleichen oder besseren Eigenschaften als die angegebenen hergestellt sein.

1: Druckschott
2: Rahmen
3: Schotthauptabschnitt
4: Dichtelement
5, 5', 5'': Netzartiges Bauteil
6, 6', 6'': Bandelement
7: Innere Enden
8: Zentraler Gurt
9: Umfangsgurt
10: Rumpf
11: Gewebe
12: Rand
13: Polare Einwebung
14: Öffnung
15: Erstes Befestigungselement
16: Zweites Befestigungselement
17: Längsachse
A: Innenseite
B: Außenseite

Claims

Druckschott (1, 1') für einen Rumpf (10) für die Luft- und Raumfahrt, mit: einem Schotthauptabschnitt (3) mit einer annähernd flachen Gestalt in einem unbelasteten Zustand; und einen Rahmen (2), welcher den Schotthauptabschnitt (3) trägt und mit dem Rumpf (10) verbindet; wobei der Schotthauptabschnitt (3) einen luftdichten Aufbau mit einem netzartigen Bauteil (5, 5', 5'') aufweist.
Druckschott (1, 1') nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das netzartige Bauteil (5, 5', 5'') Bandelemente (6, 6', 6'') aufweist.
Druckschott (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bandelemente (6) verflochtene Bänder sind, die ein Gewebe (11) bilden.
Druckschott (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewebe (11) luftdicht ausgebildet ist.
Druckschott (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewebe (11) eine oder mehrere Lagen von Standardgeweben aufweist, die in einer quasi-orthotropen Folge gestapelt sind.
Druckschott (1) nach zumindest einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewebe (11) zumindest einen Abschnitt von polaren Einwebungen (13) aufweist, die eine Öffnung (14) für einen luftdichten Durchgang einer Leitung bilden.
Druckschott (1') nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bandelemente (6', 6'') gurtförmige Bänder sind, welche sich jeweils radial in zumindest einer ersten Lage und einer zweiten Lage erstrecken und zumindest zwei Rückhaltelagen für ein Dichtelement (4) bilden, das zwischen den Rückhaltelagen angeordnet ist.
Druckschott (1') nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (4) eine thermoplastische Membran ist.
Druckschott (1') nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass innere Enden (7) der gurtförmigen Bandelemente (6', 6'') mit zumindest einem zentralen Gurt (8) verbunden sind, und dass die anderen Enden mit zumindest einem Umfangsgurt (9) verbunden sind.
Druckschott (1') nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (4) mit dem zumindest einen Umfangsgurt (9) verbunden ist.
Druckschott (1') nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Umfangsgurt (9) an dem Rahmen (2) angebracht ist, wobei er das Dichtelement (4) und den luftdichten Aufbau mit einem netzartigen Bauteil (5', 5'') an dem Rahmen (2) befestigt.
Druckschott (1, 1') nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (2) aus einem metallischen Werkstoff und/oder einem Verbundwerkstoff hergestellt ist.
Druckschott (1, 1') nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Rahmen (2) aus Aluminium 7150 hergestellt ist.
Druckschott (1, 1') nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bandelemente (6, 6', 6'') aus aromatischen Polyamidfasern hergestellt sind.