[发明专利]对于飞行器的具有增强壳结构的纤维增强翼盒的无源载荷减小

说明书

技术领域

本发明涉及具有增强壳结构的飞行器的翼盒，该翼盒由纤维增强材料构成，该翼盒包括用于吸收剪切载荷的蒙皮和若干个布置在翼盒内侧用于吸收轴向载荷的桁条。

通过利用复合材料的各向异性的优点，本发明的领域延伸至控制机翼的变形，以便无源地减小空气动力载荷，并且因此减小机翼结构的重量。

在飞行器结构的制造中使用诸如碳纤维增强塑料的纤维增强复合材料以

提供更好的重量和维护性能变得日益普遍。另外，复合材料的各向异性提供了调整机翼刚度的设计空间，即，不仅用于控制诸如蒙皮和桁条的机翼结构部件上的载荷分配而且用于控制机翼变形的某些自由度。能够通过结构本身的刚度在没有任何外部系统的控制规则下，引起这种通常称为无源载荷减小的控制。

事实上，飞行器相对于空气的相对速度会产生竖直载荷，通常称为取决于攻角的升力。沿翼展的升力分布会产生相对于机身处的机翼附件的弯曲力矩，该机翼附件通常称为翼根。攻角越高，升力和翼根处相关的弯曲力矩越大，导致机翼重量越高。

因此控制机翼的变形、通常称为调整气动弹性,用以减小外翼的攻角、通常称作机翼前端向下扭转。

背景技术

作为公知常识，飞行器工业需要一方面能够承担飞行器受到的载荷从而满足强度和刚度上的高需求、另一方面还要尽可能轻质的结构。飞行器机翼的主要结构、通常称为翼盒，特别地是包括蒙皮和桁条。蒙皮由桁条增强以减小其厚度并因此使重量具有竞争力。

根据技术人员的公知常识，翼盒的蒙皮和桁条可由金属材料或碳纤维增强塑料制成。这造成翼盒不得不承担弯曲、扭转和剪切，这一点也是公知常识。由于它们的几何形状，薄板状的蒙皮更适合于抗耐由升力和扭转造成的剪切载荷，而梁柱形的桁条更适合于抗耐由弯曲力矩造成的轴向载荷。

如果是金属翼盒，假定蒙皮和桁条由相同的材料制成，那么翼盒的各个结构部件例如蒙皮和桁条吸收的轴向载荷的大小仅取决于横截面面积。

如果是复合翼盒，则轴向载荷的大小还取决于各个结构部件的弹性材料性能。因此，将各个部件、蒙皮和桁条的主结构刚度方向定向在合适的方向也能够控制各个部件吸收轴向载荷的大小。例如，通过将所有蒙皮的纤维定向在关于翼盒的纵向轴线在+45°方向和-45°方向，那么桁条多吸收大约30%的载荷。蒙皮变为轴向上不受载荷，主要用于承担剪切载荷。

至今为止所有已知的无源载荷减小技术都是以主刚度方向关于翼轴的偏移为基础。这种偏移能够通过掠过桁条和/或蒙皮纤维关于翼轴的定向实现。这种方法能够增加前端向下扭转，但也会造成损失弯曲刚度，该弯曲刚度需要增强。因此，设想通过外翼上更大的前端向下扭转引起的重量优势最后消失。

因此，更恰当的方法是保持桁条平行于翼轴，并使桁条主要作用于机翼的弯曲，忽略蒙皮在机翼弯曲刚度所起的类似作用。蒙皮将主要用于剪切，并且还承担翼盒的扭曲。为了产生期望的外翼上的前端向下扭转，通过利用复合材料的各向异性的优点，通过向前/向后定向纤维仅使用蒙皮的铺层作为设计空间。

发明内容

本发明的目标是提供具有增强无源载荷减小能力的飞行器复合翼盒，以实现高的结构重量效率和操作鲁棒性。本发明不仅能够提高结构的性能，而且由于蒙皮更薄倾斜更小，该蒙皮还导致桁条更简易，使得本发明简化并加速了制造过程。

该目标由独立的权利要求1的技术内容实现。其它的示例性实施方式从从属的权利要求和下面说明书中显而易见。

根据本发明，增强壳结构至少60%的质量集中在桁条上，其中，桁条提供至少80%的增强壳结构的轴向刚度。优选地，增强壳结构大于67%的质量集中在桁条上，这提供了大于90%的增强壳结构的轴向刚度。这使得能够在壳结构中使用薄的蒙皮，不仅不会减小增强壳结构的强度和稳定性反而能够提高其损伤容限。

根据本发明的解决方法的优点特别地包括以下事实：蒙皮和桁条由包括碳纤维增强塑料的层构成，这允许蒙皮和桁条的结构从重量的角度相对于金属而言以更有效地方式规格化。另外，由于各向异性的性能，这些材料对于翼盒非常重要。使用各向异性的材料是调整气动弹性的关键条件，用以通过增加外翼的前端向下扭转提高飞行器的飞行性能。