CN103415440B - 承载环向负载的飞机透明体 - Google Patents

Abstract

一种飞机透明体，包括第一板层，该第一板层具有第一主表面和第二主表面。第二板层与第一板层间隔开，并具有第三主表面和第四主表面。聚合物中间层布置在第一和第二板层之间。至少一个孔穿过第一和第二板层以及中间层延伸。高强度衬套布置在孔中，且衬套的外侧壁与第一和第二板层的材料直接接触。在一个实施例中，孔为锥形孔，衬套具有锥形外侧壁。在另一实施例中，孔为柱形孔，且衬套具有柱形外侧壁。

Description

承载环向负载的飞机透明体

技术领域

本发明总体涉及飞机透明体，在一个特定实施例中涉及一种承载环向负载的聚合物飞机窗。

背景技术

受压飞机机身在正常操作过程中由于内部和外部压力差和环境条件而承受一定范围的应力。当内部压力大于外部压力时，这样的压力差使得空心飞机机身膨胀。当机身膨胀时，在机身中的开口（飞机窗保持在该开口中）也膨胀或扩大。在开口处的这种边缘位移能够由通常称为“环向（hood）加载”窗的部件来抵抗。这种窗设计通过与机身分担一些环向负载承载任务而帮助减小在飞机机架中的应力。换句话说，窗与飞机机架完全成一体，并通过它的结构部件来抵抗和传递负载。

玻璃是相对较强的材料，并广泛用于环向加载承载窗。这些玻璃窗通过附接在飞机机身上的玻璃纤维条带而保持就位。当希望降低飞机的重量以便增加燃油效率时，将希望用更轻的聚合物窗代替玻璃飞机窗。不过，尽管聚合物窗比玻璃窗更轻和更容易形成复杂形状，但是聚合物窗在机械上并不与玻璃窗一样强，且并不用于环形加载用途。因此，有利地是设计一种高效交界面，该高效交界面将使得聚合物窗能够用于希望承载环形负载的用途。

发明内容

承载环向负载的飞机透明体包括至少一个聚合物板层。至少一个孔穿过该至少一个板层延伸。衬套布置在该至少一个孔中，并与该至少一个板层直接接触。

另一承载环向负载的飞机透明体包括第一板层，该第一板层具有第一主表面和第二主表面。第二板层与第一板层间隔开，并具有第三主表面和第四主表面。聚合物中间层布置在第一和第二板层之间。至少一个孔穿过第一和第二板层以及中间层延伸。衬套布置在孔中，且衬套的外侧壁与第一和第二板层的材料直接接触。这种衬套可以由能够向孔壁传递负载的任意材料来构成。该材料例如可以是金属或非金属材料，例如但不局限于：金属、陶瓷、聚合物或者复合物。在一个实施例中，孔为锥形孔，衬套具有锥形外侧壁。在另一实施例中，孔为柱形孔，且衬套具有柱形外侧壁。

另一承载环向负载的飞机透明体包括：第一丙烯酸板层，该第一丙烯酸板层具有第一主表面和第二主表面；以及第二丙烯酸板层，该第二丙烯酸板层与第一板层间隔开，并具有第三主表面和第四主表面。聚合物中间层布置在第一和第二板层之间。至少一个锥形孔穿过第一和第二板层以及中间层延伸。锥形衬套布置在孔中，且衬套的外侧壁与第一和第二板层的材料直接接触。

还一承载环向负载的飞机透明体包括：第一丙烯酸板层，该第一丙烯酸板层具有第一主表面和第二主表面；以及第二丙烯酸板层，该第二丙烯酸板层与第一板层间隔开，并具有第三主表面和第四主表面。聚合物中间层布置在第一和第二板层之间。至少一个柱形孔穿过第一和第二板层以及中间层延伸。柱形衬套布置在孔中，且衬套的外侧壁与第一和第二板层的材料直接接触。

另外一种承载环向负载的飞机透明体包括第一拉伸丙烯酸板层，该第一拉伸丙烯酸板层与第二拉伸丙烯酸板层间隔开。聚合物中间层布置在第一和第二板层之间。至少一个孔穿过第一板层、第二板层和中间层延伸。孔具有内壁。金属衬套布置在孔中，衬套的外侧壁与孔的内壁直接接触。在一个非限定实施例中，衬套的外侧壁为锥形。

还提供了一种用于在飞机透明体中传递环向负载的方法，该飞机透明体具有至少一个拉伸丙烯酸板层，该拉伸丙烯酸板层具有至少一个孔，该至少一个孔布置在该至少一个板层中并限定了内壁。该方法包括将具有外侧壁的套筒提供于孔中，这样，衬套的外侧壁与孔的内壁直接接触。

附图说明

将参考以下附图介绍本发明，在全部附图中，相同附图标记表示相同部件。

图1是本发明的飞机透明体的平面图；

图2是沿图1中的线II-II截取的剖视图，示出了包括锥形衬套的本发明附接组件；

图3是图2的锥形衬套的侧剖图；

图4是图3的锥形衬套的平面图；

图5是类似于图3的附接组件的剖视图，但是包括柱形衬套；

图6是图5的柱形衬套的侧剖图；以及

图7是图6的柱形衬套的平面图。

具体实施方式

这里使用的空间或方向术语例如“左”、“右”、“内”、“外”、“上面”，“下面”等介绍本发明，如它在附图中所示。不过应当知道，本发明能够采取多种可选方位，因此，这些术语并不认为是限制。而且，这里在说明书和权利要求中使用的，表示尺寸、物理特性、处理参数、成分量、反应条件等的所有数目都应当理解为在所有情况下都通过术语“大约”来变化。因此，除非相反地表示，否则在下面的说明书和权利要求中提出的数字值可以根据要由本发明获得的合适特性而变化。至少并不试图将等同原则的应用限制于权利要求的范围，各数字值应当至少认为根据报告的明显数字的数量和应用普通的舍入方法。而且，这里所述的所有范围将理解为包含开始和结束范围值以及包含于其中的任意和全部子范围。例如，所述范围“1至10”应当认为包括在最小值1和最大值10之间（包含）的任意和全部子范围；也就是，全部子范围开始于最小值1或更大，终止于最大值10或更小，例如1至3.3、4.7至7.5、5.5至10等。而且，这里使用的术语“形成于……上面”、“沉积于……上面”或“提供于……上面”的意思是形成、沉积或提供与底部表面上，但并不必须与该表面直接接触。例如，层“形成于基质上面”并不排斥存在相同或不同组分的一个或多个其它层或薄膜布置在形成的层和基质之间。这里使用的术语“薄膜”是指合适或选定涂层组分的涂层区域。“层”能够包括一个或多个“薄膜”。“涂层”或“涂层堆叠”能够包括一个或多个“层”。这里使用的术语“聚合物”或者“聚合物的”包括低聚物、均聚物、共聚物和三元共聚物，例如，由两种或更多种单体或聚合物形成的聚合物。术语“可见区域”或“可见光”是指波长在380nm至780nm范围内的电磁辐射。术语“红外线区域”或“红外线辐射”是指波长在大于780nm至100000nm的范围内的电磁辐射。术语“紫外线区域”或“紫外线辐射”是指波长在100nm至小于380nm的范围内的电磁辐射能量。另外，这里涉及的所有文献（例如但不局限于：公开的专利和专利申请）应当认为它们整个“被本文参引”。

为了下面的说明，本发明将参考用于交通工具透明体来介绍，特别是成飞机侧窗形式的飞机透明体。不过应当知道，本发明并不局限为用于飞机侧窗，而是可以实现于任意合适领域的透明体，例如但不局限于：层叠或非层叠的住宅和/或商业窗、绝热玻璃单元和/或用于陆地、空中、空间、水上和水下交通工具的透明体。因此，应当知道，特别公开的示例实施例只是用于解释本发明的总体概念，本发明并不局限于这些具体示例实施例。

包括本发明特征的非限定性飞机透明体10（例如客舱窗组件或者驾驶舱窗组件）在图1和2中表示。透明体10能够具有任意合适的可见光、红外线辐射或紫外线辐射的透射和反射。例如，透明体10能够具有任意合适量的可见光透射，例如在550纳米（nm）的参考波长处为大于0%直至100%。在一个非限定实施例中，在550nm的参考波长处的可见光透射能够为至少20%，例如至少30%、例如至少40%、例如至少50%、例如至少60%、例如至少70%、例如至少80%、和/或例如至少90%。透明体10能够有任意合适的形状，并能够为适合合适用途的任意合适厚度。

如图1和2中所示，透明体10在该透明体10的外周处或附近具有多个紧固部件，以便将透明体10附接在飞机机身上。这些紧固件的特定结构将参考图2更具体介绍。透明体10包括第一板层12（外部板层），该第一板层12具有面对飞机外部的第一主表面即外部主表面（No.1表面）以及相对的第二或内部主表面16（No.2表面）。透明体10还包括第二板层18（内部板层），该第二板层18具有外部（第一）主表面20（No.3表面）和内部（第二）主表面22（No.4表面）。板层表面的编号是与普通实际保持一致。板层12、18通过中间层24（例如聚合物中间层）来附接。孔26穿过透明体10而形成，即穿过第一板层12、中间层24和第二板层18，并且孔26限定了孔壁或内部壁。在图示的实施例中，第一板层12的外表面在板层12的外周处的一部分比板层12的本体更薄，以便形成环绕第一板层12的外周延伸的槽28。垫圈30定位在槽28内，并具有与孔26对齐的孔。衬套32（例如金属衬套）插入该孔26中。保持器34（例如铝保持器）通过粘接剂36而附接在第二板层18上。附接装置（例如螺母板38）附接在保持器34上。螺母板38包括带螺纹螺母40，以便与穿过衬套32延伸的紧固元件（例如螺栓64）接合。这种螺母板紧固结构只是透明体10能够怎样固定在飞机机身上的一个实例，而并不认为是限制。上述附接系统只是将透明体10附接在飞机上的一个实例，而并不认为是限制。透明体10能够使用任意普通的方法或装置来固定。

在本发明的广义实践中，透明体10的板层12、18能够为相同或不同材料，并能够包括具有任意合适特征的任意合适材料。例如，一个或多个板层12、18能够对于可见光透明或半透明。“透明”的意思是可见光透射大于0%直至100%。也可选择，一个或多个板层12、18能够为半透明。“半透明”的意思是允许电磁能量（例如可见光）通过，但是散射该能量，这样，在与观察者相对侧的物体不能清楚看见。用于板层12、18的合适材料的实例包括但不局限于：塑料基质（例如丙烯酸聚合物，例如丙烯酸酯；聚甲基丙烯酸烷基酯，例如聚甲基、丙烯酸甲酯，聚甲基丙烯酸乙酯、聚甲基丙烯酸丙酯等；聚氨酯；聚碳酸酯；聚对苯而甲酸烷基酯，例如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚对苯二甲酸丙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯等；含聚硅氧烷的聚合物；或者用于制备它们的任何单体的共聚物；或者它们的任意混合物）、陶瓷基质、玻璃基质、或者上述材料的任意组合。在一个非限定实施例中，两个板层12、18由聚合物材料构成，例如拉伸丙烯酸（stretched acrylic）。

第一和第二板层12、18能够具有任意合适尺寸，例如长度、宽度、形状或厚度。不过，如本领域技术人员能够知道，增加板层12、18的厚度超过承受飞行的苛刻条件所需将不合适地增加透明体10的重量。例如（并不限制本发明），对于很多用途，承受飞行苛刻条件可接受的板层厚度范围为从0.1英寸至1.0英寸（0.25cm至2.54cm），例如0.1英寸至0.5英寸（0.25cm至1.27cm），例如0.20英寸至0.40英寸（0.51cm至1.02cm）。在一个特殊的非限定实施例中，板层12、18都为拉伸丙烯酸，且各自具有从0.25英寸至0.35英寸（0.64cm至0.89cm）范围内的厚度，例如0.25英寸至0.3英寸（0.64cm至0.76cm）。还有，板层12、18并不必须为相同厚度。例如，在一个非限定实施例中，第一（外部）板层12能够具有在0.25英寸至0.35英寸（0.64cm至0.89cm）范围内的厚度42，例如0.3英寸（0.76cm），第二（内部）板层18能够具有在0.2英寸至0.3英寸（0.51cm至0.76cm）范围内的厚度44，例如0.25英寸（0.64cm）。

中间层24能够为任意合适材料，并能够包括一个或多个层或板层。中间层24能够为聚合物或塑料材料，例如聚乙烯醇缩丁醛、增塑聚氯乙烯，或者多层热塑性材料，包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨酯等。中间层24将第一板层和第二板层固定在一起，提供能量吸收，降低噪音，并增加层叠结构的强度。该中间层24也可以是吸收和衰减声音材料，例如在美国专利No.5796055中所述。中间层24能够具有提供于其上或包含于其中的日光控制涂层，或者能够包括着色材料，以便减少太阳能量透射。在一个非限定实施例中，中间层24的厚度在0.02英寸至0.5英寸（0.05至1.27cm）的范围内，例如0.02英寸至0.1英寸（0.05cm至0.25cm）、例如0.02英寸至0.08英寸（0.05cm至0.2cm）、例如0.03英寸至0.07英寸（0.076cm至0.178cm）、例如0.04英寸至0.06英寸（0.1cm至0.15cm）、例如0.05英寸（0.13cm）。一个合适中间层材料的实例是从加利福尼亚州西尔马市的Sierracin Corporation商业提供的S123聚氨酯板。

在图2所示的实例中，穿过透明体10延伸的孔26是外部直径（在第一板层12的外表面14中的直径）大于内部直径（即在第二板层18的内表面22中的直径）的锥形孔。如图2-4中所示，衬套32是锥形衬套，具有锥形外侧壁50和中心孔52。如图3和4中所示，锥形衬套32能够具有在1°至20°范围内的锥角54，例如5°至15°，例如10°。衬套32能够在其宽端56处具有在0.25英寸至1.5英寸（0.63cm至3.8cm）范围内的外径，例如0.25英寸至1英寸（0.63cm至2.54cm）、例如0.3英寸至0.8英寸（0.76cm至2cm）、例如0.4英寸至0.6英寸（1cm至1.5cm）、例如0.5英寸至0.6英寸（1.27cm至1.5cm）、例如0.563英寸±0.003英寸（1.43cm±0.008cm）。衬套32能够在其窄端58处具有在0.1英寸至1.5英寸（0.25cm至3.8cm）范围内的外径，例如0.2英寸至1英寸（0.5cm至2.54cm）、例如0.25至0.8英寸（0.63至2cm）、例0.25至0.5英寸（0.63cm至1.27cm）、例如0.3英寸至0.4英寸（0.76cm至1cm）、例如0.376英寸±0.003英寸（0.96cm±0.008cm）。孔52能够有在0.05英寸至1英寸（0.127cm至2.54cm）范围内的直径，例如0.1英寸至0.8英寸（0.25cm至2cm）、例如0.1英寸至0.5英寸（0.25cm至1.27cm）、例如0.1英寸至0.3英寸（0.25cm至0.76cm）、例如0.1英寸至0.2英寸（0.25cm至0.5cm）、例如0.195英寸±0.005英寸（0.495cm±0.013cm）。衬套32能够具有在0.25英寸至2.5英寸（0.64cm至6.35cm）范围内的长度60，例如0.3英寸至2英寸（0.76cm至5cm）、例如0.3英寸至1.5英寸（0.76cm至3.8cm）、例如0.3英寸至1英寸（0.76cm至2.54cm）、例0.3英寸至0.8英寸（0.76cm至2cm）、例如0.4英寸至0.6英寸（0.1cm至1.5cm）、例如0.5英寸至0.6英寸（1.27cm至1.5cm）、例如0.529英寸±0.01英寸（1.34cm±0.024cm）。

当定位在孔26中时，衬套32的外壁50与板层12、18直接接触。也就是，在衬套32的外壁50和孔26的内壁之间没有缓冲材料或堆叠吸收材料。

如图2中所示，为了将透明体10安装在飞机机身中，透明体10定位在窗开口中，且槽28和垫圈30压靠在形成开口的外边界的机身或框架62上。连接器（例如普通螺栓64）能够穿过框架62中的孔、穿过衬套32的中心孔52而插入螺母40中。当螺栓64拧入螺母板38的螺母40中时，垫圈30被压缩，以便使得透明体10和飞机机架62之间保持密封。金属衬套32的外侧壁50与第一和第二板层12、18的材料直接接触。已经发现，对于单个剪切接头，通过承载在衬套－聚合物板层交接面上，衬套32的锥形外壁52提供了更高效的负载传递。在衬套32和板层12、18之间不需要另外的垫圈或橡胶套筒。当机身承受的压力差变化时，飞机机架62膨胀。产生的环向负载直接传递至透明体10中，从而使得透明体10弯曲或挠曲。在单个剪切接头（例如在当前实例中使用的剪切接头）中，在紧固件顶部处的反作用负载使得紧固件旋转。对于松弛和细的柱形孔衬套接头，这种情况将降低承载负载从衬套传递给孔的壁的效率。这是因为接触面积减小，且在孔的顶部处产生应力集中点，在该处，旋转的衬套接触孔的顶边缘。这种旋转可能部分通过使用锥形衬套来抵消，从而能够更高效地进行承载负载的传递。因为衬套32的侧壁50为锥形，因此通过产生与孔的壁垂直的反作用分量而排除一部分旋转。然后，该分量也由在交接面处传递的承载来抵抗。紧配合和较宽基部也帮助排除紧固件的旋转。

负载横跨侧壁50更均匀地分布，且通过扩大有效承载面积而减小应力。然后，通过限制穿过衬套延伸的销的旋转，从而增加承载面积和降低应力；形成的交接面允许使用可变环形加载聚合物窗。

图5示出了本发明的另一透明体70。透明体70与前面所述的透明体10类似，除了它包括较厚的柱形衬套72，而不是前面所述的锥形衬套32。在透明体70中的孔26因此为柱形孔，而不是锥形孔。这是前面所述的交接面的简化形式，它通过紧配合和较宽基部来抵消紧固件的旋转。衬套的顶部和底部与外部飞机机架蒙皮和内部保持器接触。由于衬套的相对较大直径，接头通过在飞机机架和保持器中的脚踵和脚趾效应（heel and toe effect）而抵抗旋转。由于它的较大相对直径，较粗和高强度的衬套获得与锥形衬套通过扩大承载面积而获得的类似的承载强度。这种交接面具有制造简单的优点。再有，在衬套72的外壁和衬套所在的孔的内壁之间没有另外的材料。

如图6至7中所示，衬套72为具有外壁74和中心孔76的柱形衬套。衬套72能够具有在0.25英寸至1.5英寸（0.63cm至3.8cm）的范围内的外径，例如0.25英寸至1英寸（0.63cm至2.54cm）、例如0.3英寸至0.8英寸（0.76cm至2cm）、例如0.4英寸0.6英寸（1cm至1.5cm）、例如0.4英寸0.5英寸（1cm至1.27cm）、例如0.490英寸±0.003英寸（1.24cm±0.008cm）。孔76能够具有在0.05英寸至1英寸（0.127cm至2.54cm）的范围内的直径，例如0.1英寸至0.8英寸（0.25cm到2cm）、例如0.1英寸至0.5英寸（0.25cm至1.27cm）、例如0.1英寸至0.3英寸（0.25cm至0.76cm）、例如0.1英寸至0.2英寸（0.25cm至0.5cm）、例如0.195英寸±0.005英寸（0.495cm±0.013cm）。衬套72能够具有在0.25英寸至2.5英寸（0.64cm至6.35cm）的范围内的长度78，例如0.3英寸至2英寸（0.76cm至5cm）、例如0.3英寸至1.5英寸（0.76cm至3.8cm）、例如0.3英寸至1英寸（0.76cm至2.54cm）、例如0.3英寸0.8英寸（0.76cm至2cm），例如0.4英寸至0.6英寸（0.1cm至1.5cm）、例如0.5英寸至0.6英寸（1.27cm至1.5cm）、例如0.529英寸±0.01英寸（1.34cm±0.024cm）。

本领域技术人员很容易知道，在不脱离前面的说明书公开的概念的情况下可以对本发明进行变化。因此，这里详细所述的特殊实施例只是示例性的，并不是限制本发明的范围，本发明的范围将由附加权利要求和它的任意全部等效物的全部范围来给出。

Claims (12)

1.一种承载环向负载的飞机透明体，包括：

至少一个聚合物板层；

至少一个孔，该孔穿过该至少一个板层延伸，其中所述至少一个孔为锥形孔；

衬套，该衬套插入在该至少一个孔中，并与该至少一个板层直接接触，其中所述衬套为具有连续锥形外侧壁的锥形衬套。

2.根据权利要求1所述的透明体，其中：该至少一个聚合物板层包括拉伸丙烯酸。

3.根据权利要求1所述的透明体，其中：该至少一个聚合物板层包括第一拉伸丙烯酸板层、与第一板层间隔开的第二拉伸丙烯酸板层、以及在第一板层和第二板层之间的聚合物中间层。

4.根据权利要求3所述的透明体，其中：第一板层具有与第二板层不同的厚度。

5.根据权利要求1所述的透明体，其中：衬套包括从金属、陶瓷、聚合物和它们的组合中选择的材料。

6.根据权利要求1所述的透明体，其中：衬套具有在1^o至20^o范围内的锥角。

7.一种承载环向负载的飞机透明体，包括：

第一板层，该第一板层具有第一主表面和第二主表面；

第二板层，该第二板层与第一板层间隔开，并具有第三主表面和第四主表面；

聚合物中间层，该聚合物中间层位于第一和第二板层之间；

至少一个孔，该孔穿过第一和第二板层以及中间层延伸，其中所述至少一个孔为锥形孔；以及

衬套，该衬套插入在孔中，且衬套的外侧壁与第一和第二板层的材料直接接触，其中所述衬套为具有连续锥形外侧壁的锥形衬套。

8.根据权利要求7所述的透明体，其中：第一和第二板层中的至 少一个是拉伸丙烯酸。

9.根据权利要求7所述的透明体，其中：第一和第二板层具有在0.2英寸至0.4英寸范围内的厚度。

10.根据权利要求9所述的透明体，其中：第一板层具有与第二板层不同的厚度。

11.根据权利要求7所述的透明体，其中：衬套包括从金属、陶瓷、聚合物和它们的组合中选择的材料。

12.一种承载环向负载的飞机透明体，包括：

第一拉伸丙烯酸板层，该第一拉伸丙烯酸板层与第二拉伸丙烯酸板层间隔开；

聚合物中间层，该聚合物中间层布置在第一和第二板层之间；

至少一个孔，该孔穿过第一板层、第二板层以及中间层延伸，该孔限定了内壁，其中所述至少一个孔为锥形孔；以及

金属衬套，该金属衬套插入在孔中，衬套的外侧壁与孔的内壁直接接触，其中所述衬套为具有连续锥形外侧壁的锥形衬套。