CN100418850C - 机身 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种飞机机身，机身结构包括外蒙皮，外蒙皮包括混合材料，混合材料包括复合材料和金属材料，复合材料包括碳纤维和/或玻璃纤维和/或陶瓷纤维，金属材料包括铝或钛或铝钛合金，所述复合材料和金属材料涂覆有树脂层或嵌入到树脂中以提供所述混合材料，并且混合材料具有夹层设计，在所述夹层中金属材料和所述复合材料以层的方式粘接，夹层设计适于产生使长时间暴露于火灾火焰下的外蒙皮具有抗烧穿特性，复合材料包括防热复合材料，防热复合材料适于表现为抗高温和拉伸强度，并且防热复合材料包括涂覆有氮化物或碳化物组合物材料的碳纤维和金属或陶瓷材料，而且被涂覆的碳纤维嵌入到所述金属或陶瓷材料中。

Description

机身

相关申请的交叉引用

本申请要求于2004年1月5日提交的DE 10 2004 001 078和于2004年8月9日提交的US 60/600,105的优先权。

技术领域

本发明涉及机身，特别是商用飞机的机身。

背景技术

过去，铝结构在飞机构造中应用非常成功。无需对此事实进一步细究，任何专家并且很可能甚至对飞机构造感兴趣的外行都知道机身的传统结构设计包括单独由铝或铝合金制成的机身外蒙皮。现有技术提供了与此相关的例子。

有些事故，遗憾地找出其失火原因，是由执行紧急着陆的飞机泄露的煤油引起的。由此，可能需要改进飞机的防火性能。

当以飞机腹部紧急着陆的过程中发生火灾时，从飞机泄露的(点燃的)燃烧的煤油可能使得飞机结构的铝机身和内部隔离结构烧穿或烧掉。

文献“WO 00/75012 A1”公开了一个解决方案，该方案可防止上述紧急情形中的火灾的爆发。该方案涉及到用于飞机机身的机身隔离结构，被称作“耐火材料”。该文献公开了一种隔离封装件，该隔离封装件作为主要的隔离物铺设在机身内部覆层和机身外蒙皮之间的区域。这里，该隔离封装件的区域借助由耐火材料(“阻燃材料”)制成的薄膜加以保护，其中该耐火薄膜区域直接朝向飞机机身的外蒙皮(类似于防火罩)。该提议除了仅能提供隔离封装件和机身内部区域不充分的防火保护之外，由于发生火灾时，火灾的火焰正好从飞机外部穿过受损的外蒙皮并在以后的短时间内到达内部隔离物，即还穿过长时间暴露于火灾的(仅能)耐火而不是防火的薄膜，原来的仅仅耐火的薄膜的一块接一块的设置方式将不能确保相对于机身内部区域的足够的火灾防护级别。该文献还提出相应的连接件，以紧固机身隔离物，其通常由塑料制成，例如聚酰胺。

US 6,286,785 B1公开了一种通过加强机身框架铝蒙皮而对现有的飞机结构进行改进的方法。所述铝蒙皮包括用粘合剂胶粘在一起的铝蒙皮、夹套以及金属外镶板。所述夹套可以由Kevlar构成。

US 6,114,050描述了一种用于超声速民用飞机的钛聚合体混合物层结构。适用于超声速民用飞机的混合物层结构包括钛合金薄片和复合物板的叠置层，所述叠置层优选定向为抵消使用中所出现的力并且结合到中心结构--例如钛合金蜂窝结构。复合物板的加强纤维选自碳纤维或硼纤维，并且所述纤维连续并且平行地设置在各板内。

该文献未提及预防性火灾防护的其它措施，这些措施根据火灾安全性调整飞机机身的技术设计，此外还着眼于机身外蒙皮。

发明内容

根据本发明，提供一种飞机机身，除了机身的机械强度支撑件和吸收力的其它结构件外，该机身结构还包括外蒙皮，该外蒙皮包括不同材料，其设计成抗剪切，并作为支承件结合到机械强度支撑件中来吸收并传递施加在其上的力和扭矩，其中该外蒙皮适于由进一步的处理而模压并连接，其中该外蒙皮包括混合材料，所述混合材料包括复合材料和金属材料，所述复合材料包括碳纤维和/或玻璃纤维和/或陶瓷纤维，并且所述金属材料包括铝或钛或铝钛合金，所述复合材料和金属材料涂覆有树脂层或嵌入到树脂中以提供所述混合材料，所述混合材料具有夹层设计，在所述夹层中所述金属材料和所述复合材料以层的方式粘接，所述夹层设计适于产生使长时间暴露于火灾火焰下的所述外蒙皮具有抗烧穿特性，所述复合材料包括防热复合材料，所述防热复合材料适于表现为抗高温和拉伸强度，并且所述防热复合材料包括涂覆有氮化物或碳化物组合物材料的碳纤维和金属或陶瓷材料，其中被涂覆的碳纤维嵌入到所述金属或陶瓷材料中。

根据本发明示例性实施方式的机身可如此构思：其可防止火源产生的火焰蔓延并防止从飞机环境外部烧到机身上。机身考虑用材料或材料组合物，该材料或材料组合物将使得(在紧急着陆时)可以保护飞机机舱区域而很少受到飞机环境外部蔓延的火焰侵犯，相信可确实地便于乘客从飞机撤离。此外，相信飞机机身的机身外蒙皮的火灾安全性可由此得以改进而获得该外蒙皮的较高的烧穿特性。

附图说明

结合示例性实施方式并参照附图更详细地介绍本发明。

图1示出了客机的飞机机身，描述了根据本发明示例性实施方式的机身结构和内部装备的元件；

图2示出了据本发明示例性实施方式的机身结构的外蒙皮和其它结构元件的选定区域。

具体实施方式

图1简略地示出了客机机身的截面，限于飞机客舱1的截面区域。该结构将很可能为飞机构造专家所熟悉，并且显示出了观察者从该图可得知的关系：易燃的内部覆层3设置成非常靠近(机身的)外蒙皮2，当与外蒙皮安装到一起时，包围出一个空间，该空间内安装有机身隔离物(图1中未示出)。若将由铝材料或铝合金传统地实现的外蒙皮2安装在该构造中，观察者将会意识到开始处描述的火灾种类的程度。图1中示出并集成到飞机客舱(基于这里的例子)的内部装备和机身结构的额外的部件和元件将不会描述，因为认为它们与本发明不相关。

图2示出了固定到桁条8的外蒙皮2的外蒙皮区域部分(skin fieldsection)。该外蒙皮区域限于两个固定到桁条的肋条6和7范围内的区域，肋条6和7垂直于机身纵轴。为了完整性，提到的外蒙皮2、桁条8和肋条6、7是机身机械强度支撑(bracing)的要素，并且参与力的吸收，其中外蒙皮2包括不同材料，一般有所提及的材料“铝或铝合金”，其设计成抗剪切。外蒙皮2作为支承件结合到机械强度支撑件中来吸收并传递施加在其上的力和扭矩。

相信提出的解决方案遵循预防性的飞机火灾防护理念，使得产生的外蒙皮2的高烧穿特性可增加客机或军用飞机的技术防火安全性，首先是客机，从而相信开始处描述的火情不会发展成灾难，例如在飞机成功实施紧急着陆之后。

提出的解决方案基于A)外蒙皮2使用的材料，其提供有包括非金属材料或防火金属材料的防火(板状)半成品材料，其中该半成品材料可由进一步的处理而被模压形成机身外蒙皮2向内弯曲的轮廓。

另一方面，B)提出了外蒙皮2由结合包括非金属材料和金属材料的半成品材料实现。由所述材料组合物制造的外蒙皮产品是一种混合材料，其可由进一步的处理模压并连接。该材料组合物借助含碳和玻璃纤维(混合纤维架构)或只有碳和玻璃纤维和/或陶瓷纤维的非金属材料与金属材料而实现，其中该金属材料包括铝或钛或铝钛合金。

期望的结构由树脂层覆盖或嵌入到树脂中。由该材料组合物得到的外蒙皮产品具有夹层设计。该夹层设计由复合材料和提及的金属材料以层(薄膜)的方式粘合连接，其使长时间暴露于火灾火焰下的外蒙皮具有抗烧穿特性。此外，夹层设计使用炫光(glare)材料实现，其烧穿特性较高。

回到步骤A)和B)，我们通过使用含碳纤维材料或玻璃纤维材料或陶瓷纤维材料或硅酸盐纤维材料的非金属材料制造外蒙皮2[或处理半成品材料]而扩展范围。人们可能还记得当根据B)制造外蒙皮2时，考虑到包含多种非金属材料的材料组合物。在此情形下，非金属材料实现为带有由玻璃或塑料纤维(GFK和/或CFK材料)增强的塑料。这里提及的材料组合物可实现为GFK或CFK材料和铝或钛或其合金。

提及的复合材料包括防热复合材料，其特性也表现为抗高温和高拉伸强度。提出该防热材料实现为涂覆有氮化物或碳化物组合物--例如金刚砂、氮化硅或氮化硼--材料的碳纤维，和金属或陶瓷材料，涂覆的碳纤维嵌入到所述材料中。

此外，A)中提及的防火的金属材料实现为钛或铝合金。

为了使(这里提到的)预防性的飞机火灾防护理念更完整，C)额外地提出(抗烧穿)外蒙皮2的外表面--即暴露到飞机环境外部的大气中的外蒙皮区域--连接有基于图2的例子的板状板材5。该板材5还实现为使用非金属材料或防火金属材料的抗烧穿半成品产品。另一方面，可根据B)使用非金属材料和金属材料由提及的材料组合物的半成品产品来实现板材5，其制造的外蒙皮产品是混合材料，其中板材还可由进一步处理而模压并连接。板材5将具有火灾安全性特性，并还可模制而形成外蒙皮2的外部轮廓。能由炫光(GLARE)材料实现。另外，预防性的火灾安全性可能已经通过将裁制了其外轮廓的板材5与外蒙皮2连接而实现，当然外蒙皮2的整个外表面都被覆盖了。由此假定，外蒙皮2甚至由包括铝或铝合金的材料实现，并精确地连接到抗烧穿的板状板材。

相信抗烧穿的飞机机身用于实现暴露于外部火灾的客机的较高等级的安全性。抗烧穿飞机机身可提供最优的防止火灾进入机舱的防护，因为其距机身内安装的乘客座椅最远，并防止火焰在其源处穿透。若飞机机身现在由抗烧穿材料--例如尽可能使用碳纤维结构制造，可能还不需要装配耐烧穿连接件，以安装额外的“防火屏障”(这里不详细讨论)，其由在空间4内装入的机身隔离物包封，并完全由防火薄膜材料制成的抗烧穿薄膜封装。所谓的防火屏障将起作用而限定为机身结构的最小需求，因为这不需要重量增加和额外的部件来确保烧穿防护性，尽管后者将不可能与介绍的飞机机身具有同样高的等级。

通过将通常包括厚约1.5～3mm的铝片的外蒙皮2替换为所介绍的种类的抗烧穿片而可实现先进的真正可靠的抗烧穿飞机。

抗烧穿外蒙皮片使用下述材料实现，例如：

a)含芳香族聚酰胺(aramide)的碳纤维材料(CFK)，

b)玻璃纤维材料(GFK)，

c)类似于钛的防火金属，

d)陶瓷纤维材料，和

e)硅酸盐纤维材料。

这些材料的优点在于它们与铝相比明显具有更高的熔点。

因而，这些材料在火灾时明显更能够耐火。

不同的材料可彼此结合以在加工、强度、重量和烧穿特性上实现最优的特性。然后参照所谓的“复合材料”或“夹层结构”。在此情形下，不同材料粘接或胶合到一起。这里通过特别使用耐高温粘合剂可进一步优化或改进火灾中的特性。

由此方式构造的抗烧穿薄片然后可与传统的飞机铝外蒙皮薄片一样地与肋条6、7和桁条8铆接在一起。

称为桁条8和肋条6、7的加强件负责飞机机身的特别的结构整体性，其仍可由传统材料(铝)制成，因为其已经相对于飞机外蒙皮2位于内侧，并由抗烧穿板材5保护防止所谓的“碰撞后火情”的火焰。尽管如此，可由同样的抗烧穿材料制造所有其它部件，如桁条8、肋条6、7和夹子等。

提出的解决方案可实现如下的优点。与用于客机防火屏障的所有其它装置相比，使用抗烧穿飞机机身特别有效。相信不需要额外的部件，其特别节省成本且重量不重。在此情形下，与其它所有类似的解决方案相比，乘客可受保护防止火焰蔓延到机舱内。由于飞机的实际机身结构受保护防止烧穿，传统地安装到飞机机身上的部件--例如内部覆层3和机身隔离物得以避免掉落到乘客身上，危及他们的安全并阻碍撤离。

附图标记列表

1    飞机客舱

2    (飞机机身的)外蒙皮

3    内部覆层

4    空间

5    板材

6，7 肋条

8    桁条

Claims (10)

1. 一种飞机机身，除了机身的机械强度支撑件和吸收力的其它结构件外，该机身结构还包括外蒙皮(2)，该外蒙皮包括不同材料，其设计成抗剪切，并作为支承件结合到机械强度支撑件中来吸收并传递施加在其上的力和扭矩，其中该外蒙皮(2)适于由进一步的处理而模压并连接，

其中该外蒙皮(2)包括混合材料，

其中所述混合材料包括复合材料和金属材料，

其中所述复合材料包括碳纤维和/或玻璃纤维和/或陶瓷纤维，并且

所述金属材料包括铝或钛或铝钛合金，

其中所述复合材料和金属材料涂覆有树脂层或嵌入到树脂中以提供所述混合材料；

其中所述混合材料提供夹层设计，

其中在所述夹层设计中所述金属材料和所述复合材料以层的方式粘接，

其中所述夹层设计适于产生使长时间暴露于火灾火焰下的所述外蒙皮具有抗烧穿特性，

其中所述复合材料包括防热复合材料，

其中所述防热复合材料适于表现为抗高温和拉伸强度；并且

其中所述防热复合材料包括涂覆有氮化物或碳化物组合物材料的碳纤维和金属或陶瓷材料，其中被涂覆的碳纤维嵌入到所述金属或陶瓷材料中。

2. 如权利要求1所述的飞机机身，其中所述外蒙皮(2)使用含碳纤维材料或玻璃纤维材料或陶瓷纤维材料或硅酸盐纤维材料的非金属材料制造。

3. 如权利要求2所述的飞机机身，其中当制造外蒙皮(2)时考虑包含多种非金属材料的材料组合物。

4. 如权利要求1到3的其中之一所述的飞机机身，其中所述非金属材料实现为由玻璃或塑料纤维加强的塑料。

5. 如权利要求1所述的飞机机身，其中所述防火的金属材料由钛或钛合金制成。

6. 如权利要求1到5的其中之一所述的飞机机身，其中所述材料组合物由GFK或CFK材料和铝或钛或铝钛合金来实现。

7. 如权利要求1所述的飞机机身，其中所述外蒙皮(2)的外表面-即暴露到飞机环境外部的大气中的外蒙皮区域-连接有板状板材(5)，该板材(5)由使用非金属材料或防火金属材料的抗烧穿半成品产品实现，或者由使用非金属材料和金属材料的半成品产品的材料组合物实现，其制造的外蒙皮产品是混合材料的，其中该板材还可由进一步处理而模压并连接。

8. 如权利要求7所述的飞机机身，其中所述板材具有防火特性，并与外蒙皮(2)的外部轮廓相适应。

9. 如权利要求8所述的飞机机身，其中所述板材由炫光材料实现。

10. 如权利要求7到9中任一项所述的飞机机身，其中所述外蒙皮(2)由含铝或铝合金的材料实现，并连接到抗烧穿的板状板材。

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