BRPI0714785A2

BRPI0714785A2 - mastro hÍbrido de compàsito-aÇo para aeronaves de asa rotativa

Info

Publication number: BRPI0714785A2
Application number: BRPI0714785-6A
Authority: BR
Inventors: Sherman S Lin
Original assignee: Bell Helicopter Textro Inc
Priority date: 2006-08-17
Filing date: 2007-08-15
Publication date: 2013-05-21
Also published as: CA2660845A1; CN101505912B; WO2008022201A3; KR20090045267A; DE07840974T8; CA2660845C; EP2054192A4; US20100166568A1; MX2009001730A; WO2008022201A2; JP2010522108A; CN101505912A; DE07840974T1; AU2007285934A1; EP2054192A2; US7938628B2; EP2054192B1; EA200900283A1

Abstract

MASTRO HÍBRIDO DE COMPàSITO-AÇO PARA AERONAVES DE ASA ROTATIVA.Trata-se de um mastro híbrido de compósito-aço para uma aeronave de asa rotativa que inclui uma parte de aço tubular, contendo uma superfície interna definido um espaço dentro dela, e uma parte de compósito, disposta entre o espaço definido pela superfície interna da parte de aço e mantida em uma relação espacial fixa em relação à superfície interna da parte de aço.

Description

Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "MASTRO HÍBRIDO DE COMPÓSITO-AÇO PARA AERONAVES DE ASA ROTATIVA".

Campo Técnico

A presente invenção refere-se a mastros para

aeronaves de asa rotativa.

Descrição do Estado da Técnica

Mastros tradicionais de aeronaves de asa rotativa são fabricados por meio do forjamento de aço, que normalmente compreende aço 4340, aço de baixa liga 9310 ou aço nitretado, tal como o aço nitralloy. Todos os aspectos de interface são usinados na superfície externa do mastro. Eles incluem ranhuras para engatar um suporte planetário na caixa de câmbio da aeronave de asa rotativa e um munhão do cubo de rotor, pistas de mancai, suportes de fuso de hélice etc.

Por exemplo, conforme ilustrado na Figura 1, um mastro de aço convencional 101 para uma aeronave de asa rotativa (não ilustrado) compreende uma estrutura tubular alongada contendo uma parede externa 103 feita de aço. O mastro 101 normalmente inclui um ou mais encaixes de extremidade 105 e 107 que permitem que o mastro 101 seja conectado à transmissão, ao cubo do rotor e a outros componentes da aeronave de asa rotativa (não ilustrado).

A seção principal do mastro é exposta ao ambiente externo com uma proteção mínima fora da caixa de câmbio. Essa seção é bastante carregada, sendo suscetível a vários tipos de elementos danosos, tais como rajadas de escombros, rajadas de areia, corrosão química e danos de manejo. Todos esses elementos danosos podem resultar em rachaduras perigosas na superfície do mastro. Tendo em vista que mastros convencionais são partes bastante importantes que não possuem estruturas redundantes ou "à prova de falhas", muito provavelmente, a falha de um mastro pode resultar na perda de vidas e bens materiais.

Apesar dos grandes avanços na área dos mastros de ι o aeronaves de asa rotativa, ainda restam desvantagens significativas.

Breve Descrição dos Desenhos Os novos aspectos tidos como característicos da invenção são apresentados nas reivindicações em anexo. Entretanto, a invenção em si, bem como um modo de uso preferido e outros objetivos e vantagens dela, será mais bem compreendida com referência às descrições detalhadas a seguir quando lidas em conjunto com os desenhos em anexo, nos quais o(s) algarismo(s) significante(s) mais à esquerda nos números de referência indica(m) a primeira figura em que os respectivos números de referência aparecem, e nos quais:

A Figura 1 é uma vista longitudinal em seção transversal de um mastro de aço convencional para uma aeronave de asa rotativa;

A Figura 2 é uma vista longitudinal em seção transversal de uma concretização ilustrativa de um mastro híbrido de compósito-aço para uma aeronave de asa rotativa; As Figuras 3-7 ilustram uma concretização ilustrativa específica de um método para a produção de mastros híbridos de compósito-aço da Figura 2 ou da Figura 8; e

A Figura 8 é uma vista longitudinal em seção transversal de uma concretização ilustrativa de um mastro híbrido de compósito-aço para uma aeronave de asa rotativa alternativa à concretização da Figura 2.

Tendo em vista que a invenção é suscetível a várias modificações e formas alternativas, suas concretizações específicas foram ilustradas a título exemplificativo nos desenhos e serão descritas em detalhes neste documento. Deve-se entender, porém, que a descrição das concretizações específicas contida neste documento não tem a intenção de limitar a invenção às formas específicas reveladas, mas, pelo contrário, tem a intenção de abranger todas as modificações, equivalentes e alternativas que se enquadrem na essência e no âmbito da invenção, conforme definidos pelas reivindicações em anexo.

Descrição da Concretização Preferida As concretizações ilustrativas da invenção são descritas abaixo. Visando maior clareza, nem todos os aspectos de uma implementação real são descritos neste relatório descritivo. Será apreciado, naturalmente, que, durante o desenvolvimento de qualquer concretização real relacionada à presente invenção, sejam tomadas várias decisões específicas à implementação para atingir as metas específicas do desenvolvedor, tal como o cumprimento às restrições relativas ao sistema e ao setor de atividades, os quais variam de uma implementação para outra.

Além disso, estima-se que tal tentativa de desenvolvimento possa ser complexa e demorada, mas, mesmo assim, será uma tarefa rotineira para os versados na técnica que se beneficiarem desta revelação.

Um mastro híbrido de compósito-aço para uma aeronave de asa rotativa inclui uma parte de aço tubular, contendo uma superfície interna definindo um espaço dentro dela, e uma parte de compósito, disposta entre o espaço definido pela superfície interna da parte de aço e fixada à superfície interna da parte de aço.

Um método para produzir um mastro híbrido de compósito-aço para uma aeronave de asa rotativa inclui obter uma parte de aço tubular compreendendo uma superfície interna definindo um espaço dentro dela; preparar uma parte de compósito compreendendo um material compósito polimérico reforçado com fibras sobre um mandril expansível; e posicionar o mandril expansível, com a parte de compósito sobre ele, dentro do espaço definido pela superfície interna da parte de aço. O método inclui ainda expandir o mandril expansível, curar a parte de compósito, contrair o mandril expansível e remover o mandril expansível da parte de compósito.

Com referência agora à Figura 2 nos desenhos, é ilustrada uma concretização preferida de um mastro híbrido de compósito-aço 201 para uma aeronave de asa rotativa. O mastro 201 é uma estrutura tubular coaxial alongada contendo uma parte de aço externa 203. A parte de aço 203 do mastro 201 inclui um ou mais encaixes de extremidade 205 e 207 que permitem que o mastro 201 seja conectado à transmissão, ao cubo do rotor e a outros componentes da aeronave de asa rotativa (não ilustrado).

Em uma concretização preferida, a parte de aço 203 do mastro 201 mantém as mesmas características externas, formatos externos e dimensões externas de um mastro de aço convencional, tal como o mastro 101 (ilustrado na Figura 1). No entanto, o mastro 201 inclui uma parte de compósito interna 209 que é feita de um material compósito polimérico reforçado com fibras, tal como um material de epóxi reforçado com carbono, um material de epóxi reforçado com fibras de vidro, entre outros. A parte de compósito 209 é disposta dentro de um espaço 211 definido pela parte de aço 203 e fixada a uma superfície interna 213 da parede externa 203. De preferência, a parte de compósito 209 é ligada adesivamente à superfície interna 213 da parte de aço 203. A superfície interna 213 pode incluir traços característicos, tais como ranhuras ou fendas, tais como as ranhuras 301 da Figura 3, e/ou tratamentos de superfície, os quais melhoram a ligação adesiva e a transferência de carga entre a parte de aço 203 e a parte de compósito 209, conforme descrito em mais detalhes no presente documento.

Com referência ainda à Figura 2, a parte de compósito 209 permite que a espessura de partes selecionadas da parte de aço 203 seja reduzida em relação a mastros convencionais totalmente de aço, tais como o mastro 101, reduzindo assim o peso total do mastro 201. De maneira específica, a parte de compósito 209 permite que a espessura de uma parede 215 da parte de aço 203 seja reduzida em comparação a partes correspondentes de mastros convencionais totalmente de aço, tais como o mastro 101, em áreas adjacentes à parte de compósito 209. O mastro 201 suporta momentos de torque, empuxo, cisalhamento e flexão.

A parte de compósito interna 209 pode ser formada por um material compósito reforçado com fibras fabricado por meio de qualquer processo, incluindo, por exemplo, colocação de fitas adesivas; colocação de fibras; enrolamento filamentar, entrelaçamento e moldagem por transferência de resina (RTM), moldagem manual, entre outros. As Figuras 3-5 ilustram uma concretização

preferida específica de um método para produzir um mastro híbrido de compósito-aço, tal como o mastro 201. Com referência em particular à Figura 3, uma preforma de fibra 302 da parte de compósito interna 209 é formada pelo entrelaçamento de fibras de reforço secas em torno de um mandril não-expandido, mas expansível, 303. Em uma concretização, o mandril expansível 303 compreende um material elastomérico configurado como um "balão", de modo que o material elastomérico defina uma cavidade interna dentro da qual um fluido possa ser introduzido sob pressão para inflar o mandril expansível 303. De preferência, no entanto, o mandril expansível 303 é um mandril expansível metálico segmentado. É preferível, mas não é necessário, que o mandril 303 tenha dimensões externas controladas. A resina, tal como uma resina de epóxi, é dispersa na preforma de fibra 302, tal como molhando a preforma de fibra 302 na resina.

Com referência agora à Figura 4, o mandril

expansível 303, com a preforma de fibra 302 disposta sobre ele, é então inserido dentro da parte de aço 203 do mastro 201. Como ilustra a Figura 5, o mandril expansível 303 é então expandido em direção à superfície interna 213 da parte de aço 203. Em uma io concretização, o mandril expansível 303 é expandido pela introdução de um gás, tal como ar, nitrogênio ou algo do gênero, dentro de uma cavidade interna definida pelo mandril expansível 303 através de uma porta 305. Em outra concretização, o mandril expansível 303 é expandido ao movimentar mecanicamente segmentos do mandril expansível 303 em direção à superfície interna 213 da parte de aço 203. A parte de aço 203, a preforma 302 e o mandril 303 são colocados em uma ferramenta de moldagem por transferência de resina 501, representada pela linha imaginária na Figura 5, conforme é sabido na técnica. A resina, tal como uma resina de epóxi, é introduzida na preforma de fibra 302 quando a preforma de fibra está no vácuo para transferir de maneira eficaz a resina para dentro da preforma de fibra 302 e para remover os gases da preforma de fibra 302. A resina e a preforma de fibra 302 formam a parte de compósito interna 209. A parte de aço 203 e a parte de compósito 209 são então aquecidas para curar a resina da parte de compósito 209 enquanto a parte de compósito 209 está em contato com a superfície interna 213 da parte de aço 201 para formar uma parte de compósito 209 rígida e ligar adesivamente a parte de compósito 209 à superfície interna 213 da parte de aço 201. De preferência, a operação de cura ocorre no vácuo.

Deve-se observar que a presente invenção considera a formação da parte de compósito 209 por métodos diferentes da moldagem por transferência de resina. Por exemplo, fibras de reforço impregnadas com resina, conhecidas como material compósito "prepeg", podem ser colocadas ou "sobrepostas" no mandril expansível 303.

Apreciar-se-á que ferramentas especiais, tais como uma autoclave, um forno, um compressor de gás, uma bomba a vácuo, uma ou mais ferramentas de manuseio de material ou algo do gênero, possam ser usadas para facilitar a operação e para completar o processo de cura. Deve-se observar que tensões residuais térmicas devido à diferença nos coeficientes de expansão térmica entre a parte de compósito 209 e a parte de aço 203 na interface entre a parte de compósito 209 e a superfície interna 213 da parte de aço 203 e causadas pelo processo de cura estão sempre em compressão, o que inibe ou impede que a parte de compósito 209 seja deslocada por acidente da parte de aço 203. Tendo em vista que a parte de compósito 209 é curada a temperaturas elevadas e a parte de aço 203 tem um coeficiente de expansão térmica maior do que a parte de compósito 209, a parte de aço 203 permanece em compressão em torno da parte de compósito 209 quando em temperaturas operacionais, as quais são inferiores às temperaturas de cura. Em algumas concretizações, as tensões residuais de compressão são o suficiente para manter uma relação espacial fixa entre a parte de compósito 209 e a superfície interna 213 da parte de aço 203. Em outras concretizações, porém, a parte de compósito 209 é ligada à superfície interna 213 da parte de aço 203, por exemplo, pela ligação da resina da parte de compósito 209 à superfície interna 213 ou pela ligação por meio de um material adesivo adicional, conforme é discutido com mais io detalhes no presente documento.

Em uma concretização específica, porém, pelo menos uma camada de filme adesivo é adicionada a pelo menos uma parte da interface 213 da parte de compósito 209 e da parte de aço 203 para aumentar a sinergia desses dois elementos do mastro 201. Antes de a parte de compósito interna 209 e o mandril 303 serem inseridos dentro da parte de aço 203, a superfície interna 213 da parte de aço 203 pode ser tratada seletivamente por processos adequados, tais como processos químicos, processos mecânicos, processos térmicos e/ou combinações desses, para melhorar a ligação adesiva e a transferência de carga entre a parte de compósito interna 209 e a parte de aço externa 203. Um exemplo de processo químico é a preparação da superfície 213 da parte de aço 203 com um agente químico, tal como o fluoreto de fosfato; a aplicação de uma base adesiva (primer) e a colagem do filme adesivo sobre a superfície 213. Para os fins desta revelação, o termo "colagem" significa aderir levemente o filme adesivo sobre a superfície interna 213 da parte de aço 203. Um exemplo de processo mecânico é a usinagem de ranhuras ou fendas pouco fundas, tais como as ranhuras 301, 307 e/ou 309 na superfície interna 213 da parte de aço 203, conforme ilustra a Figura 3. Deve-se observar que as ranhuras 301, 307 e 309 são meros exemplos de ranhuras que podem ser definidas pela superfície interna 213 da parte de aço 203 e que existem outros formatos e geometrias de ranhura. Além disso, deve-se observar que as ranhuras ou fendas, tais como as ranhuras 301, 307 e/ou 309 da parte de aço 203 não são obrigatórias.

Após o mastro 201 ser curado, o mandril 303 é comprimido ou contraído, conforme ilustra a Figura 6, e removido, conforme ilustra a Figura 7. Em uma concretização, o mandril 303 é comprimido ou contraído pela retirada do fluido, tal como, por exemplo, um gás como o ar ou o nitrogênio, de dentro do mandril 303. As superfícies do mastro 201 e/ou mandril 303 são limpadas conforme desejado.

Com referência à concretização da Figura 2, as superfícies de extremidade 217 e 219 da parte de compósito 209 são afiladas. Como alternativa, conforme ilustra a Figura 8, as superfícies 217 e 219 são filetadas, exibindo um raio Rl ou R2, respectivamente. Se superfícies filetadas ou afuniladas 217 e 219 não forem produzidas pelo mandril expansível 303 e "moldadas nele", as superfícies filetadas ou afuniladas 217 e 219 são usinadas nas extremidades da parte de compósito 209, se desejado. Geralmente, as superfícies filetadas ou afuniladas 217 e 219 minimizam a tensão de cisalhamento da interface causada pela transição de torque da parte de aço 203 para a parte de compósito 209 e da parte de compósito 209 para a parte de aço 203 e proporcionam uma transição de torque suave. A tensão de cisalhamento fora das regiões de transição é igual a zero, exceto na área em que a espessura da parede da parte de aço 303 ou da parte de compósito 209 muda de acordo com a teoria linear de resistência de materiais. A dimensão ideal das superfícies filetadas ou afuniladas 217 e 219 é específica de cada implementação e, de preferência, feita sob medida pela analise de tensão. No entanto, deve-se observar que as superfícies filetadas ou afuniladas, tais como as superfícies 217 e 219, da parte de compósito 209 não são necessárias em todas as concretizações.

Os diâmetros e espessuras da parte de aço 203 e da parte de compósito 209 podem ser adaptados para que a rigidez à torção e a rigidez à flexão satisfaçam requisitos de dinâmica selecionados. Em uma concretização específica, tanto a parte de compósito 209 quanto a parte de aço 203 possuem pelo menos uma dentre cargas de sustentação, de empuxo, de torção e de flexão, de modo que o mastro híbrido 201 como um todo satisfaça os critérios de projeto estrutural para estática e fadiga. A distribuição de carga entre a parte de compósito 209 e a parte de aço 203 é determinada pelos respectivos diâmetros e espessuras das paredes. Por exemplo, o mastro 201 pode ser projetado de modo que a parte de compósito 209 sozinha seja capaz de carregar uma carga limite projetada que é a carga máxima obtida em uma condição de operação normal. Sendo assim, o crescimento ou a propagação inesperada de uma rachadura na parte de aço 203 não se propagará imediatamente na parte de compósito 209, impedindo assim uma falha catastrófica. Essa é uma característica "à prova de falhas" do mastro híbrido de compósito-aço. Isso torna o mastro 201 mais confiável e duradouro do que mastros de aço tradicionais. Tendo em vista que a parte de aço 203 é exposta a ambientes hostis e às mais variadas fontes de dano, é provável que qualquer rachadura indesejada ou outro dano se inicie na parte de aço 203.

Os mastros híbridos de compósito-aço oferecem trajetórias de carga duplas para qualquer tipo de aeronave de asa rotativa, incluindo helicópteros e aeronaves de rotor inclinável, ambos tripulados e não-tripulados. Os mastros híbridos de compósito-aço possibilitam a otimização do projeto híbrido pela integridade estrutural máxima com peso mínimo.

O mastro híbrido de compósito-aço possui vantagens significativas, incluindo: (1) as trajetórias de carga duplas, isto é, compósito e aço, tornam o mastro de rotor mais confiável e duradouro em oposição ao projeto de trajetória de carga única do mastro de rotor tradicional; e (2) o peso do mastro de rotor pode ser reduzido dependendo do modelo da aeronave e do tipo de aplicação devido ao peso mais leve do material compósito. As concretizações específicas reveladas acima são meramente ilustrativas, uma vez que a invenção pode ser modificada e praticada de maneiras diferentes, porém equivalentes, facilmente reconhecidas pelos versados na técnica com o benefício dos ensinamentos revelados neste documento. Além disso, não há a intenção de limitar os detalhes de construção ou de projeto aqui apresentados, salvo os descritos nas reivindicações abaixo. Portanto, é evidente que as concretizações específicas reveladas acima podem ser alteradas ou modificadas e todas as suas variações são consideradas dentro do âmbito e da essência da invenção. Sendo assim, a proteção almejada por este documento é estabelecida nas reivindicações abaixo. Como pode ser observado, foi descrita e ilustrada uma invenção com vantagens significativas. Embora a presente invenção seja apresentada em um número limitado de formas, ela não se limita a apenas essas formas, permanecendo aberta a várias mudanças e modificações sem divergir de sua essência.

Claims

1. - Mastro híbrido de compósito-aço para uma aeronave de asa rotativa, caracterizado por compreender: uma parte de aço tubular contendo uma superfície interna definindo um espaço dentro dela; e uma parte de compósito disposta dentro do espaço definido pela superfície interna da parte de aço e mantida em uma relação espacial fixa em relação à superfície interna da parte de aço.

2. - Mastro híbrido de compósito-aço, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a parte de compósito inclui um material compósito polimérico reforçado com fibras e pelo fato de que um polímero do material compósito liga adesivamente a parte de compósito à superfície interna da parte de aço.

3. - Mastro híbrido de compósito-aço, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por adicionalmente compreender: um adesivo disposto entre a parte de compósito e a superfície interna da parte de aço, de modo que o adesivo ligue adesivamente a parte de compósito à superfície interna da parte de aço.

4. - Mastro híbrido de compósito-aço, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a superfície interna da parte de aço define pelo menos uma ranhura.

5. - Mastro híbrido de compósito-aço, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que as extremidades da parte de compósito são flletadas ou afiladas.

6. - Mastro híbrido de compósito-aço, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a parte de aço e a parte de compósito são adaptadas para carregar pelo menos uma dentre cargas de sustentação, de empuxo, de torção e de flexão enquanto em uso.

7. - Mastro híbrido de compósito-aço, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que a parte de compósito é adaptada para carregar uma carga limite projetada.

8. - Mastro híbrido de compósito-aço, de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o mastro é adaptado para ser incorporado em um dentre um helicóptero e uma aeronave de rotor inclinável.

9. - Método para fazer um mastro híbrido de compósito-aço para uma aeronave de asa rotativa, caracterizado por compreender: obter uma parte de aço tubular contendo uma superfície interna definindo um espaço dentro dela; preparar uma parte de compósito compreendendo um material compósito polimérico reforçado com fibras sobre um mandril expansível; colocar o mandril expansível, com a parte de compósito sobre ele, dentro do espaço definido pela superfície interna da parte de aço; expandir o mandril expansível; curar a parte de compósito; contrair o mandril expansível; e remover o mandril expansível da parte de compósito.

10. - Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o mandril expansível compreende: um material elastomérico definindo uma estrutura de balão.

11.- Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que a expansão do mandril expansível é realizada pela introdução de um fluido no mandril sob pressão.

12. - Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que o fluido é um gás.

13. - Método, de acordo com a reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que o gás é pelo menos um dentre ar e nitrogênio.

14. - Método, de acordo com a reivindicação 11, caracterizado pelo fato de que a contração do mandril é realizada pela retirada do fluido de dentro do mandril.

15. - Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por adicionalmente compreender: usinar pelo menos um dentre um cone e um filete em uma extremidade da parte de compósito.

16. - Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado por adicionalmente compreender: tratar a superfície interna da parte de aço tubular com um agente químico para aprimorar a ligação adesiva; aplicar uma base adesiva à superfície interna da parte de aço tubular; e aplicar pelo menos uma camada de filme adesivo à superfície interna da parte de aço tubular antes de colocar o mandril expansível e a parte de compósito dentro do espaço definido pela superfície interna da parte de aço.

17. - Método, de acordo com a reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que o mandril expansível compreende: um mandril metálico segmentado.

18. - Método, de acordo com a reivindicação 17, caracterizado pelo fato de que a expansão do mandril expansível é realizada ao mover mecanicamente os segmentos do mandril metálico segmentado em direção à superfície interna da parte de aço tubular.