用于飞行器结构元件的能量吸收设备

申请号 CN201380073546.3 申请日 2013-12-16 公开(公告)号 CN105008222A 公开(公告)日 2015-10-28
申请人 欧洲航空防务及航天公司EADS法国; 发明人 卡洛琳﹒贝禘鏖路; 米歇尔﹒贝穆德斯; 迪迪埃﹒梅斯娜日;
摘要 本 发明 涉及一种用于可能经受动态冲击的 飞行器 结构元件的吸收 动能 的设备,该设备包括:- 外壳 (21),其由能够在冲击之后保持其整体性的编织 复合材料 制成;- 泡沫 核(22),其包含在外壳中并且能够至少部分地填充所述外壳,所述泡沫核能够至少部分地吸收由冲击所生成的动能;以及-增强元件,其包括集成到泡沫核中以与泡沫核组合地耗散由冲击所生成的 能量 的至少一个干复合 纤维 预成形件(30)。本发明还涉及一种用于集成所述用于吸收动能的设备的方法。
权利要求

1.一种用于易于经受动态冲击的飞行器结构元件的动能吸收设备,所述飞行器包括前边缘(11)和尾边缘(12),其特征在于包括:
-由编织复合材料制成的外壳(21),其能够在冲击之后维持一定程度的整体性,-包含在所述外壳内并且能够至少部分地填充所述外壳的泡沫核(22),所述泡沫核能够至少部分地吸收由冲击所生成的动能,
-包括由干复合纤维(30)制成的至少一个预成形件的增强元件,所述预成形件并入到所述泡沫核中,与所述泡沫核相关联,从而耗散由冲击所生成的动能,以及-位于所述前边缘的区中的动能吸收设备(20)。
2.根据权利要求1所述的动能吸收设备,其特征在于由干复合纤维制成的所述预成形件形成围绕部分所述泡沫核的纺织物。
3.根据权利要求2所述的动能吸收设备,其特征在于所述增强元件包括由干复合纤维制成的若干预成形件,其中每一个预成形件形成能够围绕部分所述泡沫核以便划分所述泡沫核的纺织物。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的动能吸收设备,其特征在于干纤维由、芳纶和/或PBO制成。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的动能吸收设备,其特征在于外壳(21)包括编织有至少两个干纤维的多层浸渍粗纱。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的动能吸收设备,其特征在于所述增强元件包括通过缝合插入到所述泡沫核中的丝线。
7.根据权利要求6所述的动能吸收设备,其特征在于所述丝线利用可固化树脂浸渍。
8.一种集成根据权利要求1-7中任一项的动能吸收设备的方法,其特征在于包括以下操作:
a)制造泡沫
b)将由干复合纤维制成的预成形件放置在所述泡沫块周围,
c)将附加泡沫层集成在所述泡沫块和由干复合纤维制成的所述预成形件的周围,以便形成泡沫核,以及
d)将外壳安装在步骤c)中所获得的所述泡沫核周围。
9.根据权利要求8所述的集成动能吸收设备的方法,其特征在于重复步骤b)-c),将由干复合纤维制成的第二预成形件放置在步骤c)中所获得的泡沫核周围。
10.根据权利要求8-9所述的集成根据权利要求6所述的动能吸收设备的方法,其特征在于包括将丝线缝合到在步骤c)中所获得的泡沫核中的操作,该操作在将泡沫核插入外壳内的步骤d)之前执行。

说明书全文

用于飞行器结构元件的能量吸收设备

技术领域

[0001] 本发明涉及用于飞行器结构元件的被动能量吸收设备,所述飞行器结构元件诸如刀片、叶片,或者飞行器的扇、机翼结构或机身的任何其它元件。该能量吸收设备被设计为集成到飞行器的结构元件中以便限制冲击事件中结构元件的部分脱离或损坏的风险,并且由此减小该结构元件在飞行器飞航期间易受冲击威胁的弱点。
[0002] 本发明还涉及包括这样的动能吸收设备的飞行器旋转结构元件。其还涉及集成该动能吸收设备的方法。
[0003] 本发明能应用于航空学领域中并且尤其是后发动机飞行器领域中。其特别地能应用于涡轮螺旋桨发动机和直升机电动机的制造领域中,并且还能应用于复合叶片的制造领域中。本发明还可以应用于飞机的固定机翼结构或后机身的前边缘区的生产。

背景技术

[0004] 在航空学领域中已知的是,旋转结构元件和机翼结构元件在着陆期间或在起飞期间经受来自类、雹、冰、石头、或者甚至是飞行器在飞航时所遭遇的橡胶碎片或其它坚硬碎屑的冲击的高风险。
[0005] 与发动机或飞行器的移动机翼结构相关联的旋转元件,例如风扇或诸如飞行器的叶片和刀片的风扇元件,尤其被暴露于由飞行器所遭遇的鸟类或其它碎屑所生成的动态接触。具体地,某些发动机的复合叶片尤其脆弱。现在,这些冲击是非常高的能量冲击,因为其冲击速度可以高达100m/s。因此,它们可以证明对旋转结构元件具有特别地损坏,并且在极端情况下引起飞行器坠落。
[0006] 在具有反转风扇和后驱动的飞行器发动机的情况下,发动机通常位于机身附近。由于这种类型的发动机通常是无导管的(unducted),所以对发动机的旋转元件的冲击可以引起发动机元件或部分该发动机元件的脱离,从而具有对飞行器的飞航的所有后果。因此,当冲击时,存在发动机的旋转元件的部分或完全脱离以及一系列反应后果的高风险,这是因为这种脱离的元件再次冲击发动机或相对发动机的另一旋转元件,然后对后机身元件上的冲击的冲击速度估计为300m/s。
[0007] 因此,航空学制造商图通过创建能够承受这些冲击的旋转结构元件来尽可能地最小化冲击事件中旋转元件从发动机的任何部分或完全丢失。

发明内容

[0008] 精确地,本发明的目标是克服现有技术的前述缺陷。为此目的,本发明提出一种用于飞行器的结构元件的能量吸收设备,该结构元件诸如飞行器的固定机翼结构或刀片、叶片、或者飞机或直升机发动机的任何其它旋转元件,该能量吸收设备使得可能减小与鸟类撞击或坚硬碎屑的冲击相关联的危险。
[0009] 为此,本发明提出向结构元件中集成一种设备,该设备允许被动地吸收由冲击所生成的动能以便防止该结构元件损坏。该能量吸收设备包括由抗损坏的编织复合材料制成的外壳以及并入增强元件的泡沫核,该增强元件由能够耗散冲击所生成的动能的干纤维制成。
[0010] 更具体地,本发明涉及用于易于经受动态冲击的飞行器结构元件的动能吸收设备,其特征在于包括:
[0011] -由编织复合材料制成的外壳,其能够在冲击之后维持一定整体性,[0012] -包含在外壳内并且能够至少部分地填充所述外壳的泡沫核,所述泡沫核至少部分地能够吸收由冲击所生成的动能,以及
[0013] -包括由干复合纤维制成的至少一个预成形件的增强元件,所述预成形件并入到泡沫核中以便与泡沫核相关联地耗散由冲击所生成的动能。
[0014] 本发明的动能吸收设备可以具有以下特征中的一个或多个:
[0015] -由干复合纤维制成的预成形件形成围绕部分泡沫核的纺织物(还被称为织布)。
[0016] -增强元件包括由干复合纤维制成的若干预成形件,其中每一个预成形件形成能够围绕部分泡沫核以便划分所述泡沫核的纺织物。
[0017] -干纤维由、芳纶和/或PBO或者其它制成。
[0018] -外壳包括利用至少两个干纤维编织的多层浸渍粗纱。
[0019] -增强元件包括通过缝合插入到泡沫核中的丝线。
[0020] -丝线利用可固化树脂浸渍。
[0021] 本发明还涉及包括前边缘和尾边缘的飞行器旋转结构元件,其特征在于包括如以上所描述的位于前边缘的区中的动能吸收设备。
[0022] 此外,本发明涉及集成如上文所描述的动能吸收设备的方法,其特征在于包括以下操作:
[0023] a)制造泡沫块,
[0024] b)将由干复合纤维制成的预成形件放置在泡沫块周围,
[0025] c)将附加泡沫层布置在泡沫块和由干复合纤维制成的预成形件的周围以便形成泡沫核,以及
[0026] d)将外壳安装在步骤c)中所获得的泡沫核周围。
[0027] 步骤b)到c)可以通过将由干复合纤维制成的其它预成形件放置在步骤c)中所获得的泡沫核周围而进行重复。
[0028] 该方法可以包括将丝线缝合到步骤c)中所获得的泡沫核中的操作,该操作在将泡沫核插入外壳内部的步骤d)之前执行。附图说明
[0029] 图1描绘了提供有本发明的能量吸收设备的飞行器旋转结构元件的一个实例的截面图。
[0030] 图2A和2B描绘了具有集成到泡沫核中的由干复合纤维制成的其预成形件的本发明的能量吸收设备。
[0031] 图3A和3B描绘了具有集成到泡沫核中的由干复合纤维制成的两层预成形件的本发明的能量吸收设备。
[0032] 图4描绘了图3A和3B的能量吸收设备的可替换的形式。

具体实施方式

[0033] 本发明提出一种被动型的动能吸收设备,其旨在集成到飞机固定机翼结构中、机身元件(例如后机身元件)中、或刀片、叶片或者飞机或直升机的任何其它旋转结构元件中。不管是固定还是旋转的,动能吸收设备集成到其中的元件在下文将被称为结构元件。一方面,该结构元件旨在吸收或耗散由冲击所生成的动能,并且另一方面,旨在防止该结构元件损坏或变得脱位,从而使得其即便在冲击事件中也能维持整体性。
[0034] 能够容纳本发明的动能吸收设备的结构元件的一个示例在图1中描绘。该图1示出以截面图表示的刀片的示例。该刀片10具有长方形截面的形状,其前侧具有前边缘11并且后侧具有与前边缘相对的尾边缘12。
[0035] 该刀片10包括将刀片主体13包围于其中的刀片壳15。刀片壳15还包含本发明的动能吸收设备20。该动能吸收设备20放置在前边缘11区中或者刀片的任何其它主体中,诸如例如刀片主体13中。实际上,在冲击时,是位于风扇外部的前边缘11区首先经受冲击。因此,该区11需要能够吸收由冲击所生成的动能。
[0036] 为了确保刀片主体13与动能吸收设备20之间的一体性,设备/刀片主体接口14定位在动能吸收设备20与刀片主体14之间,并且在刀片壳15内抵靠刀片主体保持动能吸收设备。
[0037] 应当指出的是,图1描绘了刀片的一个示例。然而,以类似方式由元件壳、元件主体、接口和本发明的动能吸收设备形成任何结构元件。因而,不管所考虑的是什么结构元件(刀片、叶片、固定机翼结构、机身等),该元件都包括其中包围本发明的动能吸收设备的前边缘。
[0038] 根据本发明,动能吸收设备包括包围在外壳内的泡沫核和增强元件。动能吸收设备的该外壳可以与刀片壳15接合。外壳因此围绕泡沫核和增强元件以及刀片主体13。在该情形中,刀片壳15的整体以类似方式与外壳交互接合,这将在随后描述。
[0039] 该动能吸收设备的一个示例在图2A和2B中描绘。
[0040] 图2A描绘了根据本发明的动能吸收设备的部分分解立体图。图2B描绘了该相同动能吸收设备的截面图。这些图2A和2B示出了根据增强元件的第一实施例的本发明的动能吸收设备。
[0041] 本发明的动能吸收设备20包括外壳21,其作用是在冲击之后尽可能地维持结构元件的形状的整体性。随后将描述的该外壳21填充有泡沫核22,其作用一方面是使外壳21变硬并且另一方面是吸收由冲击所生成的至少一些动能。
[0042] 该泡沫核22在其中包括增强元件30,其允许耗散源自冲击并且尚未被泡沫核22吸收的动能。通过增强元件30的这种动能的耗散是通过泡沫核中的干纤维的磨损而获得的。
[0043] 具有其外壳21、其泡沫核22和其增强元件30的动能吸收设备意图集成到工业产品中,诸如刀片或任何其它结构元件中。本发明的动能吸收设备因此必须能够与工业产品接合以便为该产品提供整体性。因而,动能吸收设备的外壳21包含本发明的泡沫核22和增强元件30,但是也可以包含形成工业产品的部分的其它元件。
[0044] 本发明的动能吸收设备的外壳21形成某种盖子,其围绕并且包含泡沫核22和增强元件30。组合件能够耗散源自具有所包含的损耗的冲击的动能,从而使得可能避免生成一系列反应冲击的任何风险。为了完成此,外壳21需要能够在冲击时刻实现高平的变形而不会丢失其整体性。因此,其必须具有变形行为。根据本发明,外壳21由编织复合材料制成。换言之,外壳21组成复合纤维的编织品。该编织品包括基于纤维增强的多个浸渍粗纱以提供与刀片主体或任何结构元件的交互。其可以特别地包括2-4层浸渍粗纱。编织品还包括编织的浸渍粗纱层。在该情形中,编织品是2D编织品,这意味着是二维中的编织品。
[0045] 复合编织品还可以是3D编织品,即三维中的编织品。在该情形中,除2D编织品之外,复合编织品还包括具有厚度的增强物。编织品的网因此更密集并且贡献于吸收能量。
[0046] 不管编织品的类型如何,是2D的还是3D的,由其形成该编织品的纤维可以是碳纤维、芳纶纤维、与碳编织在一起的芳纶粗纱、或者可替换地PBO(聚亚苯基-2,6-苯并双噁唑)纤维或其它。碳纤维具有刚性且易于断裂的优点,从而甚至是当碳纤维处于外壳中时通过断裂提供耗散。纤维的编织还允许通过纤维的磨损一起耗散能量。
[0047] 芳纶具有作为更柔性的材料的优点,其能变形。芳纶纤维变形。芳纶编织品因此具有遵循泡沫核的变形的优点并且还允许通过摩擦磨损来耗散能量。
[0048] 因此将了解的是,将碳纤维与芳纶纤维编织可以为其带来以下优点:通过断裂的耗散与通过产品的磨损或变形的耗散相关联。换言之,在涉及芳纶的配置中,芳纶将提供变形的能力并且保证设备在冲击期间保持在一起。在碳-芳纶混合壳的配置中,碳贡献于减少冲击的深度以及通过纤维的断裂耗散动能。
[0049] 本发明的结构元件的泡沫核由可以具有变化程度的密度的泡沫制成。不管其密度如何,泡沫的目的都是至少部分地填充外壳并且赋予其刚性。其还允许增强元件30保持就位。
[0050] 泡沫的密度可以在50kg/m3和200kg/m3之间变化。更高密度的泡沫具有吸收更大量动能的优点。更低密度的泡沫具有作为整体减轻动能吸收设备的优点,其对应于航空学中减小飞行器的总质量的永恒期望。此外,较低密度的泡沫具有以下优点:其可以被注射,这允许增强元件的更容易并入。不管其密度如何,泡沫都保证了动能吸收设备在操作期间保持稳定。
[0051] 该泡沫可以具有或者可以不具有中空形状。换言之,泡沫核可以具有空心。泡沫然后仅仅形成与外壳的接合以便赋予壳刚性。
[0052] 泡沫核22设置有增强元件30,其允许耗散来自冲击的动能。根据本发明,这些增强元件30包括由干复合纤维制成的集成到泡沫核中的至少一个预成形件。由干复合纤维制成的该预成形件采取纺织物或织布的形式,其可以是或可以不是开放网状的,从而形成围绕被称为泡沫块的泡沫核的部分的某种网。
[0053] 在航空学领域的实践中已知的是,在制造飞行器时不使用干复合纤维,因为干复合纤维不具有整体性,这意味着在它们之间没有粘合剂(binder)的情况下,它们不会维持就位。通常使用预浸渍的复合纤维。然而,在本发明中,已经发现,可以封装干复合纤维,这意味着集成在泡沫核中(对于更具体的要求,泡沫可以由具有高减振吸收能力的弹性材料替换),并且修改与泡沫核形成的组合件的行为。实际上,在冲击的影响之下,封装的干复合纤维在泡沫核内引起一定程度的摩擦,其能够吸收由冲击所生成的至少一些动能。这些干复合纤维由此允许通过磨损的能量吸收,其可能不会利用浸渍的复合纤维而获得。
[0054] 根据本发明,由干复合纤维制成的预成形件放置在泡沫块周围,并且由泡沫块和干复合纤维所制成的预成形件形成的组合件被集成到具有泡沫的互补部分的模具中。由干复合纤维制成的预成形件由此发现其自身被封装在泡沫核中。图2A和2B示出具有封装在泡沫核22中的由干复合纤维30制成的预成形件的动能吸收设备20。这些图明显示出泡沫块22c被由干复合纤维30制成的预成形件所围绕,该预成形件本身由泡沫层22a围绕。泡沫核22(由泡沫块22c和泡沫层22a形成)和由干复合纤维30制成的预成形件的组合件被外壳21围绕以便形成动能吸收设备20。
[0055] 在本发明的一个实施例中,将若干预成形件封装在同一个泡沫核中。该实施例的一个图示在图3A和3B中给出。如这些图中可以看到的,由干复合纤维30a、30b制成的若干预成形件被插入相同泡沫核22中。在该实施例中,由干复合纤维30b制成的第一预成形件围绕泡沫块22c。第一泡沫层22b围绕第一预成形件30b和泡沫块22c。由干复合纤维30a制成的第二预成形件围绕该第二泡沫层22b。第三泡沫层22a围绕由干复合纤维30b所制成的第二预成形件、第二泡沫层22b、干复合纤维30b所制成的第一预成形件和泡沫块
22c形成的组合件,所有这些最终被外壳21所围绕。
[0056] 从图2A,2B,3A和3B将了解的是,本发明的动能吸收设备可以如下制造:
[0057] a)制造泡沫块,
[0058] b)将由干复合纤维制成的预成形件安装在所述泡沫块周围,
[0059] c)将附加泡沫层集成到由干复合纤维制成的预成形件所围绕的泡沫块周围,以便形成泡沫核,以及
[0060] d)将外壳安装在具有由干复合纤维制成的其预成形件的泡沫核周围。
[0061] 当由干复合纤维制成的若干预成形件被封装在泡沫核中时,重复步骤b)-c),从而将由干复合纤维制成的第二预成形件放置在步骤c)中所获得的泡沫核周围。应当指出的是,由干复合纤维制成的若干预成形件可以通过接连地安装由干复合纤维制成的预成形件和集成泡沫层来封装在泡沫核中。由干复合纤维制成的各种预成形件然后在泡沫核中相互平行。
[0062] 在本发明的一个可替换形式中,上述增强元件30可以通过经由泡沫核缝合的增强丝线31来补充。具有由干复合纤维30制成的预成形件和增强丝线31的泡沫核22的一个示例在图4中描绘。这些增强丝线31是连续的或不连续的相对柔性碳丝线,其以规则或不规则的间隔缝合到泡沫核中。这些碳丝线31利用可固化树脂进行浸渍。因而,当冲击时,这些增强丝线31能够通过断裂来耗散由冲击所生成的一些动能。
[0063] 将了解的是,丝线中的张力根据其是连续还是非连续的而不同。在连续丝线的情形中,破损通过丝线的断裂而发生。在非连续丝线的情形中,破损可以通过泡沫中的丝线的滑移或者通过断裂而发生。然而,不管其断裂点如何,丝线31的每一个断裂都耗散一些动能。
[0064] 这些增强丝线31可以平行缝合到泡沫核中,关于前边缘11而纵向定向。它们还可以在两个相互垂直的方向或其它方向上缝合以便形成网状图案,如图4中所示。在该情形中,其断裂允许在不同入射处耗散动能。
[0065] 为了制造根据该可替换形式的动能吸收设备,制造方法需要在步骤c)和步骤d)之间包括附加操作:将丝线缝合到泡沫核中。
[0066] 以上所描述的所有实施例及可替换形式允许用于日益增多地触发动能的耗散的机制。这样,根据冲击期间所累积的动能,泡沫核或多或少地被摧毁。
QQ群二维码
意见反馈