BRPI0614501A2 - desenho de caixa central com casco duplicado - Google Patents

Abstract

DESENHO DE CAIXA CENTRAL COM CASCO DUPLICADO A presente invenção diz respeito a uma caixa central (5) para a asa de uma aeronave, bem como a uma aeronave que compreende uma caixa central (5) como esta. Essencialmente, a caixa central (5) compreende duas superfícies laterais (6) que, por sua vez, compreendem essencialmente duas cobertura interna e cobertura externa (2, 1) que são arranjadas para ser espaçadas uma da outra. A fim de prover esta- bilidade adequada para a superfície lateral (6), a cobertura interna (2) e a cobertura externa (1) são interconectadas por meio de uma multiplicidade de perfis (3)

Description

"DESENHO DE CAIXA CENTRAL COM CASCO DUPLICADO"

REFERÊNCIA A PEDIDOS RELACIONADOS

Este pedido reivindica o beneficio da data de depósito do pedido de patente alemão 10 2005 038 857.4, depo-sitado em 17 de agosto de 2005, e do pedido provisório depatente US 60/709.027, depositado em 17 de agosto de 2005,pedidos cuja divulgação é aqui incorporada pela referência.

CAMPO TÉCNICO

A presente invenção diz respeito, no geral, aoproblema técnico de empeno de cascos. Em particular, a in-venção diz respeito a uma implementação por meio da qual po-de-se reduzir o risco de empeno dos cascos no campo da tec-nologia aeronaval e espacial e, em particular, no campo dasasas de aeronave.

No contexto da presente invenção, o termo "asa deaeronave" é usado em um sentido amplo. Em particular, o ter-mo inclui aerofólios, unidades de cauda horizontal, bem comounidades de leme. Além do mais, o termo "caixa central" usa-do na presente invenção é usado em um sentido amplo. Emboraa caixa central no sentido técnico convencional seja mera-mente o componente rígido de suporte de carga de uma unidadede leme, por meio da qual cargas de cisalhamento e cargas decurvatura na fuselagem de uma aeronave podem ser eliminadas,no contexto da presente invenção, o termo "caixa central"diz respeito ao componente de suporte de carga de todas asasas da aeronave (aerofólios, unidade de cauda horizontal eunidade de leme).

ANTECEDENTES DA INVENÇÃOEm aeronave, por via de regra, as caixas centraisdas asas da aeronave são sujeitas a grandes cargas. Em par-ticular, as caixas centrais precisam transferir seguramentepara a fuselagem a tensão de cisalhamento e a tensão de do-bramento associada resultantes das cargas pneumáticas. Umavez que, por via de regra, as caixas centrais compreendemduas superfícies laterais que ficam de frente uma para a ou-tra, a carga de dobramento à qual a caixa central está su-jeita leva à tensão compressiva em uma superfície lateral eà tensão de tração na outra superfície lateral. Uma vez que,por via de regra, as cargas laterais são muito reduzidas pormotivos de redução de peso, tensões compressivas na uma su-perfície lateral fazem com que esta uma superfície lateraltenda a colapsar, definido de forma tecnicamente mais preci-sa como empeno de cascos. Uma vez que o aumento na tensão decisalhamento é aproximadamente linear da ponta da asa até abase da asa e, desta maneira, a tensão de dobramento aumentaaproximadamente com o quadrado, o risco de empeno dos cascosaumenta da ponta da asa até a base da asa onde ele alcançaseu máximo.

A fim de se opor ao risco de empeno dos cascos,caixas centrais tradicionais são desenhadas de uma maneiratal que suas superfícies laterais compreendam nervuras elongarinas que são arranjadas transversalmente, nervuras elongarinas estas que compreendem uma cobertura externa de umlado para que seja formado um casco reforçado.

Uma vez que caixas centrais de asas de aeronavesprecisam ser dimensionadas para resistir ao empeno, ou empe-no dos cascos, as respectivas superfícies laterais somentepodem ser sujeitas a cargas menores do que é o caso com car-gas que envolvem tensão dê tração e tensão compressiva pu-ras. Tal capacidade de carga reduzida ocorre em função de atensão de material admissível variar dependendo do índice deesbeltez das respectivas seções de superfície lateral, emque a proporção da carga é reduzida à medida que o índice deesbeltez aumenta. Até agora, esforços têm sido freqüentemen-te realizados para aumentar a tensão de material admissívelincorporando partes de maior espessura na cobertura externa.Entretanto, isto leva de uma maneira indesejável ao aumentode peso e ao uso de material de baixa qualidade.

SUMÁRIO DA INVENÇÃO

Entre outras coisas, pode ser um objetivo da pre-sente invenção prover uma caixa central para uma asa de ae-ronave, caixa central esta que é menos suscetível ao empenodo que o caso da caixa central conhecida de mesmo peso su-pradescrita.

A presente invenção baseia-se no reconhecimento deque o risco de empeno de uma superfície lateral de uma caixacentral pode ser efetivamente reduzido porque o momento deinércia do segundo grau da seção da superfície lateral que ésuscetível ao empeno é engenhosamente aumentado. Embora aincorporação de uma única parte mais espessa da coberturaexterna também aumente o momento de inércia geométrico dosegundo grau, uma parte mais espessa como esta objetiva au-mentar o tamanho da seção transversal efetiva em vez de po-der, de fato, de aumentar efetivamente o momento de inérciageométrico.

Embora o problema relacionado diga respeito ao fe-nômeno do empeno de cascos, contudo, o principio básico dainvenção será explicado a seguir com referência ao fenômenode empeno mais facilmente entendivel que, em termos concre-tos, pode ser chamado de um tipo de empeno de cascos em umabarra.

A carga na qual a barra, que é presa de forma articulada em ambas extremidades para ser articulada, é calcu-lada- como segue:

<formula>formula see original document page 5</formula>

em que E refere-se ao módulo de elasticidade domaterial em forma de barra, Iy refere-se ao momento de inér-cia geométrico do segundo grau em relação ao eixo geométricoy da barra, e 1 ao comprimento da barra.

Iy, por sua vez, é calculado como segue:

<formula>formula see original document page 5</formula>

em que z designa a distância a partir do centro degravidade da superfície seccional transversal da barra.

Como pode-se perceber, as seções de superfície lo-calizadas mais para longe do centro de gravidade aumentam omomento de inércia geométrico a um ponto tal a mais que assuperfícies arranjadas próximas ao centro de gravidade, emvirtude de a distância do centro de gravidade mudar ao qua-drado durante o cálculo do momento de inércia geométrico.Assim, por exemplo, se a cobertura externa de uma superfícielateral for duplicada, então, no caso de uma seção transver-sal em forma de T idealizada compreender uma alma (longari-na) e um flange (cobertura externa) de uma superfície late-ral conhecida de uma caixa central, isto somente move o cen-tro de gravidade na direção da cobertura externa duplicada.Embora isto também aumente ligeiramente o momento de inérciageométrico do segundo grau, este aumento na inércia é parti-cularmente insignificante em virtude de a nova seção de su-perfície adicional estar localizada próxima do centro degravidade resultante. Até este ponto, o ganho na estabilida-de ou o aumento na carga de empeno que é alcançado é somentemarginal.

Entretanto, a situação é diferente se a seção desuperfície adicional em uma seção transversal em forma de Tnão for arranjada no flange já existente, mas, em vez disto,na extremidade livre da alma, como um segundo flange noqual / em uma seção transversal em forma de T, não há flangeaté agora. Neste arranjo, a distância seccional transversalda superfície recém-adicionada tem uma distância do centrode gravidade significativamente maior, que, além do mais,também deve ser levada em consideração ao quadrado durante ocálculo do momento de inércia geométrico do segundo grau pa-ra que o momento de inércia geométrico resultante em uma se-ção transversal em forma de T seja consideravelmente maiorquando comparado com uma simples duplicação do flange. Embo-ra a mesma quantidade de nova superfície tenha sido adicio-nada como no caso da simples duplicação, desta maneira, omomento de inércia geométrico do segundo grau e, assim, tam-bém a carga de empeno admissível, pode ser aumentada de for-ma superproporcional.

Tal desenho seccional transversal inteligente tam-bém torna possível utilizar melhor a tensão de material ad-missível em virtude de o índice de esbeltez Λ de uma barrater uma influência em sua tensão de material admissível. As-sim, λ é calculado como segue:

<formula>formula see original document page 7</formula>

em que i designa o raio de inércia da seção trans-versal da barra.

Uma vez que o raio de inércia i é

<formula>formula see original document page 7</formula>

o momento de inércia geométrico do segundo grau I,por sua vez, influencia diretamente na tensão de materialadmissível em virtude de, de acordo com a curva de deforma-ção de Euler, a tensão de material admissível ser reduzidade forma hiperbólica à medida que o índice de esbeltez au-menta ou que o momento de inércia geométrico diminui. Emtermos concretos, isto significa que uma seção transversalcom um grande momento de inércia geométrico resulta em umbaixo índice de esbeltez com alta tensão de material admis-sível para que a seção transversal, ou seu material, possaser bem utilizada.

A invenção faz uso das características seccionaistransversais mecânicas expostas em que, de acordo com umprimeiro aspecto da invenção, propõe uma caixa central paraa asa de uma aeronave, em que as superfícies laterais da di-ta caixa central compreendem duas superfícies de coberturainterna e externa que são espaçadas uma da outra, em que acobertura interna somente pode estar presente em algumas se-ções. Essencialmente, a própria caixa central compreende umaprimeira superfície lateral que entabua o primeiro lado dacaixa central, e uma segunda superfície lateral que entabuao segundo lado da caixa central. Neste arranjo, a primeirasuperfície lateral fica de frente para a segunda superfícielateral para ser espaçada para que, desta maneira, a caixacentral seja formada. A fim de fazer uso do aumento no mo-mento de inércia geométrico do segundo grau, a primeira e/oua segunda superfície(s) lateral(s) compreende(s) uma cober-tura interna e uma cobertura externa. Uma vez que, como ex-posto, as superfícies que são localizadas longe do centro degravidade tendem a dar uma contribuição substancial ao mo-mento de inércia geométrico do segundo grau, a cobertura in-terna e a cobertura externa são arranjadas para ser espaça-das uma da outra em um espaço s e são, pelo menos em pontos,interconectadas de forma a ficar rígidas sob carga de cisa-lhamento para que uma seção transversal uniforme seja cria-da. Desta maneira, a resistência ao empeno das superfícieslaterais pode ser mais efetivamente melhorada do que seria ocaso se somente uma duplicação da cobertura externa tivesseque ser implementada.

A fim de interconectar a cobertura interna e a co-bertura externa das superfícies laterais para ficarem tãorígidas quanto possível sob carga de cisalhamento, a respec-tiva superfície lateral compreende adicionalmente uma multi-plicidade de almas que interconecta a cobertura interna coma cobertura externa para que elas fiquem rígidas sob cargade cisalhamento. Por exemplo, estas almas podem estender-seem uma direção longitudinal da caixa central, em cuja dire-ção a tensão de dobramento através da caixa central muda pa-ra o máximo.

De acordo com um aspecto adicional da presente in-venção, a cobertura interna e a cobertura externa podem serinterconectadas por meio de perfis adequados. Por exemplo,um perfil U pode ser usado para interconectar a coberturainterna na cobertura externa para que eles fiquem rígidossob carga de cisalhamento, em que os respectivos flanges dodito perfil U sejam conectados na cobertura interna e na co-bertura externa. Como uma alternativa, perfis Z ou perfis Ipodem ser usados para interconectar a cobertura interna e acobertura externa para que elas fiquem rígidas sob carga decisalhamento, em que, novamente, os respectivos flanges se-jam anexados na cobertura interna e na cobertura externa.Neste arranjo, os respectivos perfis se estendem para ficarquase paralelos um em relação ao outro na direção longitudi-nal da caixa central, em cuja direção a tensão de dobramentodurante o vôo muda para o ponto mais alto. Além do mais,perfis cartola ou perfis trapezoidais podem ser usados parainterconectar a cobertura interna na cobertura externa. Nes-te caso, seria concebivel acabar com uma cobertura internaseparada em virtude de o perfil cartola ou o perfil trape-zoidal poder assumir a função da cobertura interna, isto é,a cobertura interna é formada pelos flanges do perfil carto-la ou perfil trapezoidal, flanges estes que se estendem emseções.

Além do mais, a fim de reduzir ainda mais o risco de empeno dos cascos, além dos perfis que se estendem longi-tudinalmente, pode ser arranjada uma multiplicidade de ner-vuras de reforço entre a cobertura interna e a cobertura ex-terna, nervuras de reforço estas que se estendem para seressencialmente transversais aos perfis supramencionados. Co-mo também já foi mencionado, a cobertura interna e a cober-tura externa são arranjadas para ser espaçadas uma da outrapor um espaço s. Uma vez que o espaço s tem uma influênciadireta na distância da respectiva cobertura interna ou co-bertura externa a partir do centro de gravidade da seçãotransversal matemática ideal, variando o espaço s, pode o-correr otimização das superfícies laterais e, em particular,adaptação às condições de carga esperadas. Uma vez que, commaior tensão de dobramento agindo na caixa central, a tensãode compressão nas superfícies laterais e, assim, também, orisco de empeno dos cascos, aumenta, a distância s pode au-mentar em regiões de maior carga de dobramento da caixa cen-tral. Isto significa que o espaço s na base da asa de umaaeronave pode ser maior do que é em seções que são localiza-das mais para longe da fuselagem. Desta maneira, um bom usode material sempre pode ser alcançado ao mesmo tempo em queo risco de empeno é reduzido.

Versados na técnica percebem durante o estudo dasexplicações expostas que podem ser encontrados problemas du-rante a anexação da cobertura interna ou da cobertura exter-na nos perfis intermediários em virtude de, para anexação dasegunda cobertura, a instalação oposta ã direção do espaçooco entre a cobertura interna e a cobertura externa não sermais possível. Esta dificuldade na anexação da respectivasegunda cobertura pode ser superada em que pelo menos a res-pectiva segunda cobertura é anexada por meio de uma multi-plicidade de rebites cegos na multiplicidade de perfis quese estendem longitudinalmente. A fim de instalar um rebitecego como este, basta ter acesso a um lado dos componentes aser conectados, para que não seja necessário o acesso ao es-paço oco entre a cobertura interna e a cobertura externa.

Uma vez que as cargas de pressão nas superfícieslaterais são freqüentemente muito grandes somente localmen-te, por exemplo, na base da asa de uma aeronave, é possívelarranjar a cobertura interna somente em regiões para que elaestenda-se somente parcialmente em relação à cobertura ex-terna. Assim, por via de regra, não será necessário prover aconstrução da superfície lateral com cascos duplos de acordocom a invenção na região de uma ponta de asa, onde a cargade dobramento é somente modesta. Em vez disto, em muitas a-plicações, será adequado prover a cobertura interna somenteao longo de um comprimento h da caixa central, no qual acaixa central aproxima-se da fuselagem. Dependendo do tipo edo tamanho da aeronave, este comprimento h pode variar enor-memente. Por exemplo, ele pode variar de dez a 50 porcentode todo o comprimento da asa da aeronave. Certamente, depen-dendo das cargas de ar esperadas, também é possível dimensi-onar o comprimento h para que ele seja menor que 50%, a sa-ber, aproximadamente 40, 30 ou somente 20% de todo o compri-mento da asa da aeronave.

Uma vez que, por meio do desenho de acordo com a invenção de uma caixa central, a capacidade de carga das a-sas da aeronave pode ser aumentada consideravelmente, de a-cordo com um aspecto adicional da presente invenção, é pro-posta uma aeronave com uma fuselagem e pelo menos uma caixacentral, caixa central esta que, pelo menos na região de co-nexão com a fuselagem, é desenhada da maneira supradescrita.Em função das maiores características de estabilidade asso-ciadas com a caixa central de acordo com a invenção, cargassignificativamente maiores podem ser transferidas das asasdà aeronave para a fuselagem, o que torna possível reduzirpeso durante o desenho da aeronave para situações de cargaespecificadas ou desenhar fuselagens significativamente mai-ores. Assim, a presente invenção torna acessível uma geraçãode aeronaves completamente nova com maiores fuselagens.

DESCRIÇÃO RESUMIDA DOS DESENHOS

A seguir, a presente invenção é descrita com maisdetalhes com referência aos desenhos anexos. Nos desenhos:A Figura 1 mostra uma vista em perspectiva de umasuperfície lateral de uma caixa central de acordo com a in-venção;

A Figura 2 mostra uma vista em perspectiva de umaunidade de cauda vertical com uma caixa central de acordocom a invenção; e

A Figura 3 mostra duas seções transversais de umacobertura lateral de uma caixa central de acordo com a in-venção.

Os desenhos não estão em escala, mas podem refle-tir relacionamentos de tamanho qualitativos. Em todas as Fi-guras, os mesmos caracteres de referência são usados paraelementos idênticos ou similares.

DESCRIÇÃO DETALHADA DAS MODALIDADES EXEMPLARES

A Figura 1 mostra uma superfície lateral traseira5 (do ângulo do observador) de uma caixa central. Como pode-se ver pela forma e orientação da superfície lateral 5, estaé uma superfície lateral 5 de uma caixa central para a uni-dade de leme de uma aeronave. A superfície lateral 5 compre-ende uma cobertura externa traseira 1 (do ângulo do observa-dor) bem como uma cobertura interna frontal 2. A coberturaexterna Iea cobertura interna 2 são espaçadas uma da outrapor uma distância s. Entre a cobertura externa Iea cober-tura interna 2 são arranjados diversos perfis U 3 (ver Figu-ra 3), cujas almas compreendem uma altura s. Assim, os per-fis U 3 espaçam a cobertura interna 2 da cobertura externa1, coberturas estas que são rebitadas nos flanges dos perfisU 3 por meio de rebites cegos (não mostrados). Embora a ane-xação com o uso de rebites cegos possa ser vantajosa, a co-bertura externa ou cobertura interna 1, 2 também podem seranexadas nos perfis de alguma outra maneira, por exemplo,por meio de materiais adesivos.

Como está mostrado com detalhes na Figura 1, a co-bertura interna 2 não estende-se por toda a altura da cober-tura externa 1. Em vez disto, a cobertura interna 2 estende-se somente até uma altura h, na qual a tensão de momento emdecorrência da carga de ar é particularmente grande, comoindicado pelos símbolos da seta de momento M. Grande tensãode momento é particularmente experimentada na base da asapróximo à conexão 4 da caixa central na fuselagem, então, éadequado arranjar a cobertura interna 2 somente nesta regi-ão, o que, dependendo do tipo e do tamanho da aeronave, podevariar entre um e cinco metros, em que quaisquer comprimen-tos h intermediários são possíveis dependendo da respectivasituação de carga.

A Figura 2 mostra uma vista em perspectiva de umaunidade de leme com uma caixa central 5 de acordo com a in-venção cujas superfícies laterais são projetadas como supra-descrito (ver Figura 1). Como é mostrado, a caixa central 5é delimitada por duas longarinas 7 na direção do vôo, longa-rinas 7 estas que são lateralmente cobertas com o respectivodesenho de superfície lateral com cascos duplicados 5 de a-cordo com a invenção. Ά fim de estabilizar ainda mais a cai-xa central 5, nervuras 8 arranjadas horizontalmente esten-dem-se entre as duas superfícies laterais 5.Finalmente, as Figuras 3a e 3b mostram uma vistaseccional transversal ampliada da superfície lateral comcascos duplicados 5 das Figuras 1 e 2. Da forma mostrada naFigura 3a, a cobertura externa 1 é conectada na coberturainterna 2 por meio de uma multiplicidade de perfis U com umaaltura de alma s. Em vez dos perfis U 3, também é possívelusar perfis Z, da forma mostrada como uma alternativa na Fi-gura 3b. Igualmente, perfis cartola, perfis trapezoidais ouperfis I podem ser usados para interconectar a cobertura in-terna 2 na cobertura externa 1.LISTA DE REFERÊNCIAS

1 Cobertura externa

2 Cobertura interna

3 Perfil

4 Conexão na fuselagem

5 Caixa central

6 Superfície lateral

7 Longarina

8 Nervura

Claims (11)

1. Caixa central para a asa de uma aeronave,CARACTERIZADA pelo fato de que compreende:uma primeira superfície lateral (6), que entabua oprimeiro lado da caixa central (5);uma segunda superfície lateral, que entabua o se-gundo lado da caixa central (5) e que fica de frente à pri-meira superfície lateral (6);em que pelo menos a primeira superfície lateral(6) ou a segunda superfície lateral compreende uma coberturainterna (2) e uma cobertura externa (1); eem que a cobertura interna (2) e a cobertura ex-terna (1) são arranjadas para ser separadas por um espaço se são interconectadas, pelo menos em pontos, para ficar rí-gidas sob carga de cisalhamento.

2. Caixa central, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADA pelo fato de que pelo menos a primeira super-fície lateral (6) ou a segunda superfície lateral compreendeadicionalmente uma multiplicidade de almas que interconectaa cobertura interna (2) e a cobertura externa (1) para queelas possam ficar rígidas sob carga de cisalhamento.

3. Caixa central, de acordo com a reivindicação 1,CARACTERIZADA pelo fato de que pelo menos a primeira super-fície lateral (6) ou a segunda superfície lateral compreendeadicionalmente uma multiplicidade de perfis (3) do grupo quecompreende perfis U, perfis Z, perfis I, perfis cartola ouperfis trapezoidais que interconectam a cobertura interna(2) e a cobertura externa (1) na direção longitudinal dacaixa central (5) para que elas fiquem rígidas sob carga decisalhamento.

4. Caixa central, de acordo com a reivindicação 3,CARACTERIZADA pelo fato de que uma multiplicidade de nervu-ras de reforço (6) estende-se em uma direção transversal emrelação à multiplicidade de perfis (3) que se estende longi-tudinalmente.

5. Caixa central, de acordo com qualquer uma dasreivindicações anteriores, CARACTERIZADA pelo fato de que oespaço s é variável.

6. Caixa central, de acordo com a reivindicação 5,CARACTERIZADA pelo fato de que o espaço s em regiões de mai-or carga de dobramento da caixa central (5) aumenta.

7. Caixa central, de acordo com qualquer uma dasreivindicações 3 a 6, CARACTERIZADA pelo fato de que pelomenos a cobertura interna (2) ou a cobertura externa (1) éanexada por meio de uma multiplicidade de rebites cegos namultiplicidade de perfis (3) que estende-se longitudinalmen-te .

8. Caixa central, de acordo com qualquer uma dasreivindicações anteriores, CARACTERIZADA pelo fato de que acobertura interna (2) estende-se somente parcialmente em re-lação à cobertura externa (1).

9. Caixa central, de acordo com a reivindicação 8,CARACTERIZADA pelo fato de que a cobertura interna (2) éprovida somente ao longo de um comprimento h da caixa cen-tral (5) no qual a caixa centrai (5) aproxima-se da fusela-gem.

10. Caixa central, de acordo com a reivindicação-9, CARACTERIZADA pelo fato de que o comprimento h é dimensi-onado para que ele seja menor que um comprimento de um grupode comprimentos que compreende 50%, 40%, 30%, 20% e 10% detodo o comprimento da asa da aeronave.

11. Aeronave, CARACTERIZADA pelo fato de que com-preende uma fuselagem e pelo menos uma caixa central (5),caixa central esta que, pelo menos na região de conexão coma fuselagem, é desenhada como exposto em qualquer uma dasreivindicações 1 a 10.