CN100478252C - 防撞性油箱和方法 - Google Patents

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Abstract

描述的是一用于航空应用、具有高能量吸收的局部变形结构(1)，所述结构大体上为封闭和刚性的，其特征在于，所述大体上封闭的结构的至少一个壁(3)包括至少一个排放阀(8)，当大体上封闭的结构(1)内存在的压力超过一预定值时，该排放阀(8)可被打开。在一尤其有利的应用中，本发明用于连接于一直升飞机油箱，通过变形，能使副地板吸收任何冲击地面期间的能量。本发明对限制由飞行器机身爆炸导致的损坏也是有利的。

Description

防撞性油箱和方法
技术领域
本发明涉及结构上尤其是航空结构上的被动安全性领域。更尤其是，本发明涉及一种用于定翼式飞行器或旋翼式飞行器、具有新的能量吸收特性的副地板结构，以及涉及一种用于提高飞行器在冲击情况下的被动安全性的新方法。
背景技术
通常来说，对直升飞机和飞行器的航空结构的冲击安全的研究起源于从六十年代和70年代以来进行的一系列观测和统计分析。这个研究第一次证明了这样的优点：倘若采取措施来避免已认识清楚的灾难性事故，如起火、大的悬浮重物穿透客舱、强烈的加速度作用于乘客以及板和其他结构零件侵入乘客舱，飞行器尤其是直升飞机在地面上的冲击后果可以被限制。
这些事故的日益准确的认识使讨论详细的军用和民用规范成为可能，这对于直升飞机的下一代和未来几代有关的设计原则有重大的影响。这些规范能明确定义问题的性质，以及清楚地说明达到的目标。
如果要满足″防撞性″(冲击安全，或者更一般的说，被动安全性)的要求，研究和发展必须在范围上拓宽且变得更详细，被动安全性标准本身必须逐步改善，并且在设计原则上必须有一根本改变。例如，只有当在初步设计阶段分析被动安全性规范时，直升飞机结构才可以有满意的坠落行为。
举例来说，一直升飞机的总的能量吸收不只是通过充分利用下列提供的贡献获得的，按照顺序，手动装置、机身的下部(″副地板″)、带有支撑的座和带有传输支撑结构的屋顶。这是因为单独考虑的这些部件的满意的坠落行为对确保作为整体考虑的结构的满意的行为是不够的；研究和优化所有元件组合起来的行为也是必需的。同时考虑现象的不同方面的必然性导致了新式样体系的认识。
结构和工艺的复杂化以及有效容积和负荷容量的降低使得设计过程更加困难，由于设计过程的附加费用，抗冲击(″抗坠落″)的直升飞机结构的准备导致成本的增加。另一方面，保护乘客安全的需要具有根本的重要性；所以，探求有效且有用的有关能量吸收以及可提高具有最低的重量增加和成本增加的安全等级的结构布置和解决方案总是必需的。
然而，很明显，不可能保证乘客在每种事故中都能幸存，因而必须对冲击的种类予以注意，冲击定义为″潜在幸存的坠落″、其中传递给乘客的应力的程度和持续时间不超出人体忍受力的极限。
对冲击中人类能够承受的加速度已经进行了研究，结果表明：人可以经得起最多45g的水平加速度，但是仅仅是一非常短的时间。如果加速度作用在垂直方向上，这些值明显减小；在这种情况下，忍受力极限在0.04秒变成大约17g，在0.2秒下降到5g。
为了确保人类的幸存，所有这些数据对结构的设计都非常重要，这些结构在冲击中能够仅仅传递人类能经得起的那些应力。因而，要实现的目的是设计和生产能够变形的结构，变形的程度和方式可限制飞行器的乘客遭受的加速度的程度，同时确保幸存舱的的保护。
通过其控制和设计好的变形，这些结构必须能够吸收能量。它们也最好为必须设置在飞行器或直升飞机的机身的下部，因为，大多数情况下是下部冲击地面。
在甚至在冲击地面之后增加幸存可能性的安全的其他方面中，最重要的无疑是防火和防爆，以及降低由这些现象引起的影响。
在坠落的情况下，火或爆炸发生的原因本质上是安装在飞行器上的燃料系统的存在。基本要求无疑是燃料的容积。为此，燃料系统的油箱和管路必须是坚固但可变形的；以及它们必须远离可能起火的系统或元件安装。
本标准要求油箱全比例或降低比例，或者其部分通过下落法测试没有显示任何泄漏。各标准规定了这个测试的主要特征，换句话说，坠落高度、油箱的充填度、飞行器围绕油箱的所有装配或结构的存在。例如，一些标准规定了油箱的完全装满和20m的坠落高度；其他标准要求80％充填和15.2m的坠落高度。
在目前技术状况下，这些标准只适用于军用领域；在民用领域，满足有关防火的安全要求的直升飞机是不为人所知的。
从上文很清楚，一方面，有一高度地可变形的副地板结构可以吸收在冲击情况下的能量是所希望的，而另一方面，必须有一油箱(例如就一旋翼式飞行器来说，通常放在副地板面上)，为了避免高度危险的爆燃，该油箱不可变形。
类似地，虽然航空运输被认为比地面运输(不论由公路还是铁路)要安全得多，但是，航空运输是非常易受恐怖分子攻击和冒险影响，恐怖分子可以在甲板上放置一爆炸装置，飞行器总是很高。至今，设计师追求的方法还是提供越来越硬和坚固的结构，其可以经得起在机身内尤其是在它的下部或货舱内故意或偶然引起的爆炸。
然而，这种方法与提供吸收坠落或炸弹爆炸情况下产生的一些能量的可变形的结构的要求相抵触。而且，结构的硬化导致不可避免和不希望的重量增加，且任何情况下，其通常不足以提供对爆炸的充分保护。
US5,451,015涉及一种带有一整体的油箱的航空复合结构，其能解决在冲击情况下的安全问题。US5,451,015解决了一个类似于本发明解决的问题，但是解决方案是完全不同的，因为，像已知解决方案，它要求结构的硬化。
US4,426,050涉及油箱，其能够在冲击情况下提前被释放。
在已知的其他解决方案中，如果飞行员预见潜在的坠落危险，燃料将被排出。
发明内容
按照如上所述的已有技术，本发明的主要目的是提供一典型的航空类型的结构，其可局部变形，具有高能量吸收，其还满足飞行器的被动安全性的要求。
本发明的进一步的目的是提供一种提高典型的为航空类型的被动安全性设施的结构的方法，其具有新的和改善的能量吸收特性。
本发明的进一步的目的是提供一种典型地用于飞行器的油箱，其具有创新的和改善的能量吸收特性。
这些及其他目的是借助于依照本发明的结构和方法实现的。本发明的更多有益的特征在相应的从属权利要求中描述。所有的权利要求被认为是形成本说明书的不可分割的部分。
本发明的基本原理在于在大体上封闭的航空结构的壁上，尤其是一油箱的壁上，适当地设计了排放阀的创造。对应所述油箱而言，这些阀在冲击情况下能使流体被释放，且能使流体被传送到适当的侧袋(或辅助油箱)中，由此使副地板满意地起到吸震器的作用，同时吸收传递给流体的一些冲击能。对应其内发生爆炸的机身而言，排放阀允许排出爆炸产生的能量以及避免爆炸引起机身本身的破损。
这样，本发明以一与至今追求的完全不同和相反的原理工作，换句话说，其具有非常坚固的结构。相反地，本发明提供了大体上封闭的结构，其在压力增大超过某一程度的情况下，在预先确定的位置局部变形，以这种方法减少压力级。
本发明可以方便的与传统系统相联系，比如安全阀，其通过切断发动机的供油并隔离油箱，可以帮助抑制任何火灾，或者至少限制其程度。
在第一方面，本发明提供一尤其用于航空应用的大体上封闭的结构，其中，该结构的至少一个壁包括至少一个排放阀，当大体上封闭的结构内的压力超过一预定值时，排放阀可打开，该预定值至少为正常工作压力值的两倍(但是最好为三倍)。
在另一个方面，本发明提供一种方法，用于提高一尤其用于航空应用的大体上封闭的结构的被动安全性，包括在结构的至少一个壁上提供至少一个排放阀的步骤，当大体上封闭的结构内的压力超过一预定值时，排放阀可打开，该预定值至少为正常工作压力值的两倍(但是最好为三倍)。
本发明适用于用于航空应用的大体上封闭和大体上刚性的结构，例如油箱(方便的为直升飞机类型的)或机身。
附图说明
本发明将通过下列详细说明变得很清楚，这完全是提供例子而没有限制目的，参考直观的附图的附页来阅读，其中：
图1以非常示意性的方式在三向投影图中显示了已知的用于飞行器的副地板的油箱；
图2显示了通过图1的油箱的横截面；
图3以非常示意性的方式显示了依照本发明一个实施例的用于副地板的油箱；
图4显示了通过图3的油箱的横截面；
图5放大显示了图4的横截面；
图6显示了依照本发明的油箱的放大横截面，其设有用于正常情况下的辅助油箱；
图7显示了可变形油箱的放大横截面，排放阀打开且辅助油箱充满；
图8显示了机身的示意性横截面，该机身设有依照本发明的能量排放装置；和
图9显示了在爆炸情况下的图8机身的截面。
具体实施方式
举例来说，本发明将主要参考直升飞机油箱来进行描述，油箱只代表多数个用于航空应用的大体上封闭和大体上刚性的结构之一。对本发明的目的来说，术语″大体上封闭的结构″表示设有大体上封闭而不必是密封的构造的结构。因而，用于航空应用的一大体上封闭的结构可以是，例如油箱、机身、货舱等等。
直升飞机油箱通常被设置在副地板上，主要是因为空间的考虑。对它们来说，副地板在紧急情况下起吸能器的作用，例如在冲击地面的情况下，其中，它们吸收冲击能量和由此减小传递给乘客的加速度。
如上所述，在一些情况下，油箱可因而构成对副地板功能的性能的障碍，但是，如果油箱的压缩导致爆炸或油箱本身的不受控制的破裂，也可以导致不可弥补的损害。换句话说，油箱内存在的燃料限制了，或如果油箱是满的，则完全危及所要求的能量吸收的质量。这是因为油箱的变形导致容量的降低，换句话说，是液体占据的内部体积的降低，以及导致压力的增大，而压力的增大导致爆燃。
依照本发明，适当设计的排放阀形成在油箱的壁上。在冲击情况下，阀使流体从油箱释放，传送到合适的侧袋里，因此使副地板满意地起到一吸震器的作用，而同时，吸收传递给流体的一些冲击能量。
大家都知道存在多种类型的油箱。在一些飞行器中，燃料舱的结构是密封的，且该舱直接作为一油箱。然而，该类型的油箱经常地引起密封问题，为此许多飞行器使用容纳燃料的柔性袋或单元。该袋被放在舱内。最后，另一种油箱由一个或多个大体上柔性的袋组成，这些袋能使袋本身适应在肋和飞行器的舱壁之间形成的适当空间。
一方面，本发明提供一油箱，该油箱与直升飞机的副地板形成一体，在紧急状况下，该油箱能够保持在紧急情况下吸收冲击地面产生的能量的质量，即使油箱装满的时候。
描述油箱的行为的初步研究已经开展，在油箱的壁上设置了安全阀，当指定情况发生时，安全阀破裂，并且能以控制的方式排出液体，由此防止爆炸。
首先确认，当遭受冲击地面时，完全装满燃料的油箱经历了爆炸。为了该目的，利用设计冲击为50％的模型，并且这通过完全装满液体来适当改变。模拟证实了爆炸的假设：可以发现，油箱冲击时经历的大的变形的确减少了其内液体占据的体积，并且压力增大导致爆燃。当动能减小，直到油箱破裂后，沙漏(hourglass)能量保持为0的事实证实了油箱爆炸可能是由于不稳定性问题的假设是不对的。
本发明的发明者已经实现：如果使液体在一定向、控制和可预见的方式从油箱排出，并被传送到连接于主油箱的一个或多个辅助油箱中，装满的油箱内的压力可以减小。与经历变形(压缩)的油箱的情况下液体占据的体积相比，这增加了液体占据的体积。因而，燃料基本上残存在所述油箱内(这里，措辞″油箱″包括标准油箱和辅助油箱)，以防止爆炸。
因此，基本原理是，由于油箱壁上的液体压力的结果，阀打开，由此允许燃料流出油箱。为本发明的目的，在图1中，大体上以封闭的箱形元件的形式显示了一传统的油箱1，其典型地由弯曲金属片制成，在其角处铆接(为了简单起见，没有显示硬化和铆接)。油箱1具有一基座2、四个侧壁3，4和一盖5。油箱还包括一传统的加油管6。为简单起见，所示的油箱没有包括一位于箱形元件内的柔性袋，但是本发明同样地适合这类油箱。如果存在一袋，在油箱的大体上刚性结构的侧壁上为每个排放阀提供一法兰，该法兰完全类似于用于其他的目的的袋的法兰。图2显示了一图1的油箱的示意性截面，油箱部分装入液体燃料7。
依照本发明，已在油箱的侧壁上形成排放阀8，侧壁形成弱材料的区域和/或比油箱壁要薄的区域。图3以孔的形式示意性显示了两个排放阀8，其形成在油箱1的一个侧壁3上，并由可破裂的薄膜包围。可替换的，可能不切除孔，只是借助于一弱化的外形简单制造一蚀刻区域。图4显示了依照图3所示的本发明实施例的油箱1的横截面。
图5显示了图1的剖面图，更清楚地放大显示了排放阀8。排放阀包括一形成在油箱的壁3上的口或孔9和一可破裂的覆盖薄膜10，薄膜10例如借助于铆钉11等固定到壁3上。铆钉11没有显示在图3中。
为了补偿阀的存在导致的刚性的破坏，环绕阀的部分最好是用比较厚的元件12加固(例如以一框架的形式)。
在本发明的一个实施例中，单个击穿孔提供在油箱的一个侧壁上，在大体上接近于基座2的位置处。
在本发明另一个实施例中，单个击穿孔提供在油箱的两个或更多的侧壁的每一个上，在大体上接近于基座2的适当的位置处。
在本发明另一个实施例中，至少两个击穿孔提供在油箱的一个侧壁上，在大体上接近于基座2的位置处(图3)。
在本发明的另一个实施例中，至少两个击穿孔提供在油箱的两个或更多的侧壁的每一个上，在大体上接近于基座2的适当的位置处。
接近于基座的位置是有利的，因为它甚至以少量的燃料允许工作。其他各种实施例中对称的都是优选的。也应注意，阀是以这样的方式设计的：其破裂不但出现在油箱100％满的时候，而且通常对应任何存在某种程度冲击地面的情况而论，也出现在如油箱是50％满的时候。
因而，指定用于阀的参数是阀的尺寸、厚度和材料以及它们在高度和宽度方面的位置(它们将设置在哪个侧面和多少个侧面上)；以及加强区域的尺寸、厚度和材料，该区域将以补偿由于阀的存在而导致的刚性的破坏的方式设置。
举例来说，对测量大约为1.0m×1.0m×0.5m的由轻铝合金制成、壁厚大约为1mm的油箱而言，被认为可接受的解决方案是：其中测量大约为8-12cm×10-20mm(最好为大约10×15cm)的四个孔提供在油箱的至少一个壁上。这些孔的每一个都可以方便的由一可破裂的薄膜封闭，该薄膜由轻铝合金制成的，厚度为0.1-0.3mm，或者由塑料制成，如聚碳酸酯。在每一种情况下，用于薄膜的材料是可破裂的或弹性可破裂的(elastic-fragile)材料，该材料具有低可塑性。
如上所述，可替换的，孔可以仅仅是蚀刻在油箱的板上，由此制造一″触发器区域″(适当弱化的壁)。
应该指出，用于飞行器的油箱内的正常工作压力为1-3巴，而爆炸在大约15-17巴发生。作这个观测是为了表明不存在这样的危险，即设计在15-17巴下易破裂的可破裂的薄膜将在正常工作状态下破裂。
因此，阀被设计用来在一压力下打开，该压力为额定情况下的压力的至少两倍，最好为大约三倍或更多，更优选为大于三倍。
对额定压力是1-3巴的油箱来说，典型的预定压力值是12，13，14，15，16，17，18，19或20巴。
依照本发明，就用于飞行器尤其是用于直升飞机的油箱而言，排放阀8与辅助腔室13一起用于容纳从所述阀流出的燃料。换句话说，可破裂的薄膜10的破裂(换句话说，阀8的打开)使油箱与辅助腔室13连通。在一尤其有利的实施例中，该辅助腔室13由波纹管等制成。在一自由坠落的工作状况下(油箱没有变形，图6)和正常内压力下，阀8关闭，波纹管13是完全被压缩的。另一方面(图7)，如果油箱变形(由于冲击)和其内的压力增大超过某一极限(大约15巴)，阀将破裂，液体将趋向于流出油箱，因此如箭头14所指的那样，装满波纹管。因此，燃料不会以危险的方式分散在油箱外面(在这种情况下，″油箱″被认为还包括辅助油箱)。
一种类似于用于航空油箱尤其是直升飞机类型的油箱的申请和详细描述的解决方案，在商业或军用定翼式飞行器的货舱内爆炸装置爆炸的情况下，还可用作一能量释放机构。因此，本发明提供能量对外部的排放，与已知的目的为″抑制″爆炸的解决方案相反。
图8示意性显示了机身20的断面。依照本发明，完全类似于参考油箱所描述和所显示的，排放阀8提供在机身的基座中。如果发生爆炸，产生的能量可以通过阀8被释放，不会导致机身的撕破或其他的破坏。如果本发明用于飞行器的机身(尤其是货舱)，很清楚，提供辅助腔室来提高防爆(与应用于油箱相反)不是必须的。
因此，很明显，按照上面描述的，本发明可以多种方式应用。它可被用于副地板油箱和行李舱结构(在定翼式飞行器和旋翼式飞行器上)，这些结构是新的或已在使用和适当地改变。
本发明可以作许多的改进、适应和用其他的功能等效部件替换零件。所有这些改进、适应和零件替换被认为落入本发明保护的范围内，该范围仅仅由附加的权利要求书限定。

Claims (19)

1.一种用于航空应用、具有高能量吸收特性的油箱(1)，所述油箱(1)为大体上封闭和大体上刚性的，其特征在于，所述大体上封闭的油箱(1)的至少一个侧壁(3，4)包括至少一个排放阀(8)，当大体上封闭的油箱(1)内存在的压力超过一预定值时，该排放阀可以被打开，其中，所述油箱(1)还包括与所述至少一个排放阀(8)协同工作的一辅助油箱(13)，当由于所述油箱(1)内超压而打开所述至少一个排放阀(8)时，所述辅助油箱(13)用来接收通过所述至少一个排放阀(8)的燃料。
2.按照权利要求1所述的油箱，其中，所述至少一个排放阀(8)包括一可破裂的薄膜(10)。
3.按照权利要求2所述的油箱，其中，设置所述可破裂的薄膜(10)来关闭一相应的孔(9)。
4.按照权利要求1、2或3所述的油箱，其中，所述排放阀(8)包括一孔强化装置(12)。
5.按照权利要求1、2或3所述的油箱，其中，所述可破裂的薄膜(10)包括一金属或塑性材料，其大体上是可破裂的或弹性可破裂的。
6.按照权利要求1、2或3所述的油箱，其中，所述排放阀(8)包括一蚀刻区域，该区域在所述至少一个侧壁(3、4)上形成弱化区域，所述蚀刻区域起一触发器区域的作用。
7.按照权利要求1、2或3所述的油箱，其中，所述油箱设置在飞行器的副地板结构上。
8.按照权利要求1所述的油箱，其中，在不使用状态下，换句话说，在排放阀(8)关闭的状态下，所述至少一辅助油箱(13)是紧密的，且当排放阀(8)打开时是展开的。
9.按照权利要求1、2、3或8所述的油箱，其中，所述压力预定值为额定工作状况下油箱内的压力值的至少三倍。
10.按照权利要求9所述的油箱，其中，所述压力预定值至少为15巴。
11.一种用于航空应用、用来提高大体上封闭和大体上刚性的油箱(1)的被动安全性的方法，其中，该方法包括以下步骤：提供至少一个排放阀(8)，当在大体上封闭的油箱(1)内存在的压力超过一预定值时，该排放阀可以被打开；所述至少一个排放阀(8)设置在油箱(1)的至少一个侧壁(3、4)上，以及提供与所述至少一个排放阀(8)协同工作的一辅助油箱(13)，当由于所述油箱(1)内超压而打开所述至少一个排放阀(8)时，所述辅助油箱用来接收通过所述至少一个排放阀(8)的燃料。
12.按照权利要求11所述的方法，其中，所述提供排放阀(8)的步骤包括提供一可破裂的薄膜(10)的步骤。
13.按照权利要求12所述的方法，其中，所述提供一可破裂的薄膜(10)的步骤包括设置可断裂的薄膜(10)来关闭相应的孔(9)的步骤。
14.按照权利要求11-13中任一项所述的方法，其中，提供一孔强化装置(12)。
15.按照权利要求12或13所述的方法，其中，提供可断裂的薄膜(10)的步骤包括提供一大体上可破裂的或弹性可破裂的薄膜(10)的步骤，该薄膜由一金属或塑性材料制成。
16.按照权利要求11、12或13所述的方法，其中，提供一个排放阀(8)的所述步骤包括提供一蚀刻区域的步骤，该区域在所述至少一个侧壁(3、4)上形成弱化区域，所述蚀刻区域起一触发器区域的作用。
17.按照权利要求11、12或13所述的方法，其中，所述油箱(1)设置在飞行器的副地板结构上。
18.按照权利要求11、12或13所述的方法，其中，打开所述至少一个排放阀(8)的所述步骤包括在一压力下打开所述至少一个排放阀(8)的步骤，该压力为所述大体上封闭油箱(1)内的正常工作压力的至少两倍。
19.按照权利要求11所述的方法，其中，打开所述至少一个排放阀(8)的所述步骤包括在一等于或高于大约15巴的压力下打开所述至少一个排放阀(8)的步骤。
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