CN105008220B - 航空器结构部件的能量吸收装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可以经受动力冲击的航空器结构部件吸收动能装置，该装置包括：冲击后能够保持它的完整的编织复合材料外壳(21)，包含在外壳内且能够至少部分装满所述外壳的泡沫芯层(22)，所述泡沫芯层(22)能够吸收至少冲击产生的动能，和至少部分结合到泡沫芯层中的加强部件(30)，所述加强部件(30)与泡沫芯层(22)结合以便消散由冲击产生的动能，所述加强部件(30)包括通过缝合插入泡沫芯层(22)的不连续纤维(32)，且不连续纤维(32)各自包括L形或T形端(33)，所述不连续纤维折叠在外壳(21)的外部。

Description

航空器结构部件的能量吸收装置
技术领域
本发明涉及航空器结构部件的被动能量吸收装置，所述航空器结构部件例如为固定叶片，可动叶片或风扇的任何其它部件，航空器的机翼结构或机身。这种能量吸收装置目的在与航空器的结构部件相结合，以便发生冲击时，限制结构部件的局部分离或解体的风险，从而降低这种结构部件在航空器飞行期间面对冲击威胁的易损性。
本发明同样涉及包含例如动能吸收装置的航空器旋转结构部件。
本发明在航空学领域获得应用，尤其在后置发动机航空器领域。具体应用于涡轮螺旋桨发动机和直升机旋翼的制造领域以及复合叶片的制造领域。本发明同样可以应用于航空器固定翼结构的前缘区域的制造或需要抵抗冲击的其它结构的制造。
背景技术
在航空学领域，已知旋转结构部件和翼-结构部件经受着受到冲击的高风险，所述冲击来自飞行中或着陆期间或起飞期间的航空器遭遇到的鸟，冰雹，冰块，石头甚至成片的车胎或者其它坚硬碎片。
与发动机有关的或者与航空器移动翼结构有关的旋转部件，尤其暴露在航空器可能遇到的鸟或其它碎片产生的动态接触中，所述航空器移动翼结构例如为风扇或风扇部件，所述风扇部件例如为航空器固定叶片和可动叶片。具体地，某些发动机的复合刀片和直升机桨叶尤其易受到损害。目前，这些冲击是非常高能量的冲击，因为冲击速度可以高达110m/s。因此，它们证明是尤其有害于旋转结构部件，且在极限情况下，会导致航空器坠毁。
在航空器发动机具有反转风扇和后轮传动的情况下，通常发动机被安置在靠近机身处。由于这种发动机类型通常无导管，在发动机旋转部件上发生的冲击可以导致发动机部件或者这种发动机的部分部件解体，具有航空器飞行产生的所有后果。因此，一旦产生冲击，存在发动机旋转部件局部或完全解体的高风险，以及随着这种解体部件再次冲击发动机或相反发动机的另一个旋转部件而出现后果的连锁反应的高风险。
因此，通过发明能够承受这些冲击的旋转结构部件，航空制造商正试图尽可能减小发动机旋转部件在发生冲击时的任何部分损失或完全损失。
发明概述
准确来说，本发明的目的是克服现有技术的上述缺陷。为了这个目的，本发明为航空器结构部件提出一种能量吸收装置，所述航空器结构部件例如为飞机固定翼结构或固定叶片，可动叶片，或飞机或直升飞机发动机的任何其它旋转部件，所述能量吸收装置使减少与鸟碰撞或者与碎片或其它坚硬碎片冲击有关的威胁能为可能。
为此，本发明提出将使冲击产生的动能被被动吸收的装置结合到上述结构部件中，以便阻止结构部件解体。该能量吸收装置包括由编织复合材料(braided composite)制成的外壳和与加强部件整合的泡沫芯层，所述编织复合材料对解体有抵抗作用，所述加强部件能够消散冲击产生的动能。
更具体地说，本发明涉及容易受到动力冲击的航空器结构部件的动能吸收装置，其特点在于，它包括：
-由编织复合材料制成的外壳，所述外壳在受到冲击后，能够保持一定程度的完整。
-泡沫芯层，所述泡沫芯层包含在外壳内且能够至少部分装满所述外壳，所述泡沫芯层能够吸收至少部分由冲击产生的动能，且当箱体变形时，所述泡沫芯层能够被压实以便空出一些体积，且
-至少部分整齐地整合到泡沫芯层的加强部件，结合泡沫芯层的加强部件驱散由冲击产生的动能。
本发明的动能吸收装置可以具有一个或更多以下特征：
-外壳包括多层浸渍的由至少两种干燥纤维缝合成的粗纱。
-将被浸渍的纤维由碳，芳香族聚酰胺和/或PBO制成。
-加强部件包括通过缝合插入泡沫芯层且在泡沫中形成环的连续纤维。
-加强部件包括通过缝合插入泡沫芯层的不连续纤维。
-所述不连续纤维各自包括L-形或T-形的折叠在外壳外部的端。
-所述纤维使用光固化树脂浸渍。
-所述纤维以渐开角(evolving angles)被缝到泡沫芯层中。
-加强部件包括穿过泡沫芯层且在泡沫内部形成隔室的内部间隔物。
-由碳和/或芳香族聚酰胺制成的加强部件。
-加强部件包含成套的钉子或对冲伤(counterblow)(金属或碳球)，所述钉子各自包含柄，尖端和实心碳棒顶端，所述钉子被碳化纤维的编织物，芳香聚酰胺纤维或者芳香聚酰胺纤维类似物围绕，所述对冲伤在钉子解体时能够使钉子钉团结在一起。
-所述泡沫芯层包括钉子周围的后面部分和由弹性材料制成的前面部分，所述前面部分被安置在钉子尖端的对面，以便驱散冲击产生的各种倾斜角处的动能。
本发明同样涉及容易受到动力冲击的航空器结构部件的动能吸收装置，其特点在于，它包括：
-由缝合复材料制成的外壳，所述外壳在受到冲击后，能够保持一定程度的完整。
-泡沫芯层，所述泡沫芯层包含在外壳内且能够至少部分装满所述外壳，所述泡沫芯层能够吸收至少部分由冲击产生的动能，且当箱体变形时，所述泡沫芯层能够被压实以便空出一些体积，且
-通过缝合插入泡沫芯层形成加强部件的不连续纤维，与泡沫芯层结合的所述不连续纤维驱散由冲击产生的动能，这些不连续纤维各自具有L-形或T-形的折叠在外壳外部的端。
-此外，本发明涉及包括前缘和后缘的航空器旋转结构部件，其特征在于，它包括上文描述的位于前缘区域的动能吸收装置。
附图说明
图1描述了装备有本发明的能量吸收装置的航空器旋转结构部件的一个示例的横截面视图。
图2A和2B描述了具有加强部件的第一个实施方式的能量吸收装置。
图3A和3B描述了具有加强部件的第二个实施方式的能量吸收装置。
图4A和4B描述了具有加强部件的第三个实施方式的能量吸收装置。
图5A和5B描述了具有加强部件的第四个实施方式的能量吸收装置。
图6A和6B描述了具有图2A和2B加强部件的替换形式的能量吸收装置。
具体实施方式
本发明提出了一种被动类型的动能吸收装置，所述动能吸收装置被整合到飞机固定翼结构，固定叶片，可动叶片，飞机或直升机的任何其它旋转结构的部件或者需要抵抗冲击的任何其它结构。不管是固定部件还是旋转部件，将动能吸收装置整合的部件将在下文中将被称为结构部件。一方面，该结构部件目的在于吸收或驱散由冲击产生的动能，另一方面，在于阻止结构部件解体或移位，以便甚至发生冲击时，结构部件维持它的完整性。
图1中描述了能够容纳本发明动能吸收装置的结构部件的一个示例。该图1显示了从横截面观察的固定叶片的示例。在前面，该固定叶片10具有椭圆形横截面形状的前缘11，在后面，该固定叶片10具有椭圆形横截面形状的后缘12，所述机翼后缘12与机翼前缘11相对。
该固定叶片10包括内部封装有叶片主体13的叶片套管15。该叶片套管15还包括本发明的动能吸收装置20。所述动能吸收装置20位于叶片前缘11区域。事实上，在冲击中正是位于风扇外部的前缘11区域首先受到冲击。因此，需要能够吸收冲击产生的动能的是该区域11。
为了确保所述叶片主体13和所述动能吸收装置20之间的结合，将装置/叶片主体界面14放置在动能吸收装置20和叶片主体13之间，且使动能吸收装置靠在叶片套管15内的叶片主体上。
应该注意的是，图1描述了固定叶片的一个示例。然而，任何结构部件都是按相似方式加工成型的，从部件套管，部件主体，界面到本发明的动能吸收装置。因此，不管结构部件是什么(固定叶片，可动叶片，固定翼结构等)，该部件都包括其中封装本发明动能吸收装置的前缘。
根据本发明，动能吸收装置包括泡沫芯层和封装在外壳内的加强部件。动能吸收装置的外壳可以组成叶片套管15。因此，所述外壳围绕着泡沫芯层和加强部件以及叶片主体13。在这种情况下，后面将描述按照与外壳相同的方式制成的叶片套管15整体。
图2A和2B中描述了所述动能吸收装置的一个示例。
图2A描述了本发明动能吸收装置的部分爆炸透视图。图2B描述了相同动能吸收装置的横截面视图。根据加强部件的第一个具体实施方式，这些图2A和2B展示了本发明的动能吸收装置。
本发明的所述动能吸收装置20包括外壳21，外壳21的作用是冲击后尽可能保持结构部件形状的完整。将在后面描述的该外壳21被泡沫芯层22填满，所述泡沫芯层22的作用是，一方面使外壳21变硬，且另一方面吸收至少部分由冲击产生的动能以及当外壳变形时能够被压紧以便释放一些空间。
所述泡沫芯层22由包括在泡沫芯层22内部的加强部件30，所述加强部件30使冲击产生的且还未被泡沫芯层22吸收的动能消散。利用加强部件30，通过加强部件的连续破损，层间分层或者甚至摩擦可以实现消散动能。
动能吸收装置要被整合到例如固定叶片或任何其它结构部件的工业产品中，所述动能吸收装置具有外壳21，泡沫芯层22和加强部件30。因此，本发明的动能吸收装置必须能够与工业产品连接以便提供完整的产品。因此，动能吸收装置的外壳21不仅包括泡沫芯层22和本发明的加强部件30，还可以包括形成部分工业产品的其它部件。
本发明动能吸收装置的外壳21形成一种围绕且容纳泡沫芯层22以及加强部件30的覆盖面(cover)。在不解体的情况下，该装配能够消散冲击产生的动能，从而使得避免冲击连锁反应的任何风险成为可能。为了这样做，所述外壳21需要能够在发生冲击时，在不失去其完整性的情况下实现高度变形。因此，该外壳21必须具有塑性变形行为。根据本发明，该外壳21由编织复合材料制成。换句话说，该外壳21构成复合纤维的编织物。该编织物包括多层预先浸渍的基于单方向碳化增强材料(所述方向为结构部件的纵向)的粗纱，所述粗纱与叶片主体或者任何其它结构部件的主体接触。具体地，该编织物可以包括两层至四层预先浸渍的粗纱。所述编织物还包括多层与预先浸渍的粗纱编织在一起的干燥预制体。在这种情况下，该编织物是2D编织物，意思是两维的编织物。
该复合编织物还可以是3D编织物，也就是说三维的编织物。在这种情况下，除了2D编织物，该复合编织物包括厚度上的加强。因此，编织物网格更加密集且有助于吸收能量。
不管编织物类型是2D还是3D，形成编织物的纤维可以是碳化纤维，芳香聚酰胺纤维，或与碳编织在一起的芳香聚酰胺粗纱，或可选择地PBO(聚亚苯基-2,6-苯并异恶唑)纤维。甚至当碳化纤维在外壳中时，碳化纤维具有利用破损提供损耗的优势。而且，因此碳-碳纤维编织物通过能量之间的摩擦使能量消散成为可能。
芳香聚酰胺具有作为更加柔软的可变形材料的优势。芳香聚酰胺纤维不会经常破裂但可以变形。因此，芳香聚酰胺编织物具有跟随泡沫芯层变形以及通过摩擦可让能量消散的优势。
因此，值得注意的是，将碳化纤维与芳香聚酰胺纤维编织在一起可以使其具有通过破损而损耗的优势，该破损与通过产品摩擦或变形而发生的损耗有关。换句话说，在涉及芳香聚酰胺的结构中，芳香聚酰胺将提供变形能力和保障装置在冲击期间结合在一起的能力。PBO编织物具有与芳香聚酰胺有些相似的优势。在碳-芳香聚酰胺混合套管的结构中，所述碳有助于降低冲击深度且有助于通过纤维破损来消散动能。
本发明结构部件的泡沫芯层可以由具有不同等级密度的泡沫制成。无论它的密度是多少，泡沫的目的都是至少部分填满外壳且给与它刚度。它还可以使加强部件能够保持在适当的位置。
泡沫的密度可以在50kg/m3和200kg/m3之间变化。较高密度的泡沫具有吸收更大量动能的优势。较低密度的泡沫具有总体上减轻动能吸收装配的优势，该优势符合航空学上减少航空器总质量的经常存在的要求。此外，低密度泡沫具有能够被填充的优势，该优势使加强部件更容易结合。无论它的密度是多少，所述泡沫都保证动能吸收装置在操作期间保持稳定。
该泡沫可能具有中空管形状。换句话说，所述泡沫芯层可以具有中空中心。那么，所述泡沫只与外壳形成接触面以便给与外壳刚度。
所述泡沫芯层22装备有加强部件30。这些加强部件30使冲击产生的动能消散。各种加强部件可以单独使用或者与另一加强部件结合使用。在知道这些加强部件可以与另一加强部件结合使用的情况下，加强部件的各种具体实施方式将会分开描述。
图2A和2B描述了加强部件30的第一种实施方式。这些加强部件是通过缝合穿过泡沫芯层22的相当柔韧的纤维31。这些纤维31可以是连续纤维或不连续纤维。它们可以每隔一定时间或不定期被放置在泡沫芯层22中。值得注意的是，纤维张力根据纤维是否连续或不连续而不同。在连续纤维的情况下，纤维的断点位于纤维的折回(returns)处，也就是位于泡沫芯层的弯曲部位。在不连续纤维的情况下，破损发生在纤维的一端到它的另一端。在图2A的示例中，纤维平行位于泡沫芯层内且相对前缘纵向排列。在图2B的示例中，两条纤维31位于彼此成直角的位置，以便形成能够使在各种入射角产生的动能消散的网状结构。
图3A和3B展示了动能吸收装置的加强部件30的第二个具体实施方式。图3A描述了动能吸收装置的部分爆炸透视图且图3B描述了动能吸收装置的截面图。在该实施方式中，所述加强部件30是每个各自具有L形端33或T形端33的不连续纤维32。在图3A和3B的示例中，端部是T形的。不论端33是L形还是T形的，它被放置在泡沫芯层22外部的纤维32的末端。因此，每个不连续纤维32穿过泡沫芯层22被缝合，且它的末端被折叠在泡沫芯层的外部，形成端33。为了能够使超长的纤维32折叠在泡沫芯层22的外墙23上形成端33，将胶黏剂应用于超长的纤维32。这样加工成型的不连续纤维32的L形端33或T型端33粘结在外壳21上。在该实施方式中，当发生冲击时，L形端33或T型端突然折断，使部分动能通过破损消散；然后另外部分的动能将通过纤维与泡沫的摩擦而消散。
图6A和6B描述了所述加强部件的第三种实施方式。在该实施方式中，不连续纤维32被缝合在展开的α处。换句话说，缝合这些纤维32以便它们彼此之间形成非零度但小于等于45°的角。如图6A和6B描述，所述缝合从与通向的拐角处相对的泡沫芯层表面的中心区域分散，且延伸直到形成前缘的泡沫芯层的边缘。在图6B的示例中，纤维之间的α角约为20°。纤维的这种布局使各种入射角的能量能够消散。
不管纤维的类型是什么，是否连续，不连续，有没有端部，都可以利用光固化树脂浸渍这些纤维，以便在发生冲击时它们能够解体，所述光固化树脂使已经被缝合后的纤维变硬。
根据另一个实施方式，本发明动能吸收装置的加强部件可以包括将泡沫芯层分成两个或更多分区隔室的围板或墙壁。图4A和4B以部分爆炸透视图和横截面视图，分别描述了泡沫芯层分隔的一个示例。在该示例中，只有一个分隔物34将泡沫芯层分成两个分割隔室34a，34b。该分隔物34是纵向的，也就是说，分隔物34位于相对于前缘0°的位置，以便所述两个隔室各自形成三角形。这样，如果冲击沿着结构部件前缘(相当于最可能承受冲击的点)发生时，分隔物34将破裂，且因此通过破裂使动能消散。
在另一种形式中，几个其它分隔物可以放置在不同方向的泡沫芯层中，以便将隔室分割成多重隔室。这些分隔物可以纵向放置或者甚至横向放置。多个纵向分隔物和横向分隔物还可以结合起来。
每个分隔物34由碳化纤维或充满树脂的聚芳基酰胺纤维制成。制得注意的是，泡沫芯层的分割隔室34a，34b形成整块部件。正如之前解释的，如果分隔物由碳制成，一旦冲击，隔室将具有解体为若干部分，使得能量通过破裂消散。如果分隔物由芳香聚酰胺制成，分隔物将起六角手风琴类型的皱，且通过摩擦和变形消散能量。
在图4A和4B的示例中，分割的泡沫芯层不仅保持分隔物34在适当位置，而且保持连续或不连续的纤维31在适当位置。这些纤维31相对于前缘横向定位，使动能能够在几个角度的动能消散。这些描述展示了各种类型加强部件能够结合在一起以便发生冲击时进一步增加能量消耗。
图5A，5B，5C和5D描述了本发明的另一种实施方式，其中加强部件是钉子35。在该实施方式中，每个钉子35由一端以尖端35b结束的，且在另一端以顶端35d结束的柄35a组成。所述顶端35d，柄35a和尖端35b是一体的，也就是说，形成由碳制成的一个且相同单一的部件。与钉子顶端35d的尖端35b成例如30°角的圆锥形削边，以便一方面使钉子能够轻松引入泡沫芯层22，且另一方面能够平稳引发能量吸收装置。位于顶端和尖端的钉子的柄35a被碳化编织物35c环绕。
在图5A和5B描述的具体实施方式中，所有钉子装备(在图中只有一个钉子是可以看到的)被放置在与前缘成0°的方向。换句话说，尽管有可能将钉子放置在其它发生冲击的角度，但是所述钉子被面对前缘放置，该位置与冲击的概率最高的方向对应。通过长钉接近前缘这样的方式，将每套钉子放置在泡沫芯层22。因此，发生冲击时，所有的钉子35将在它们的钉尖35b上经历冲击，且随着泡沫被冲击推回渐渐解体。因此，通过多重破损，碳化编织物35a变形使钉子能够发生更大的破碎，所有钉子同时使动能消散。
若干钉子可以在泡沫芯层22中排列成直线，也就是说若干钉子可以分布一致，相互平行。相比之下，钉子可以以不同方向不均衡地分布以便使来自不同入射角的能量能够消散。根据结构部件并且根据使用的泡沫芯层的类型，可以改变所有钉子的距离和每套钉子的密度以及这些套钉子的直径。
值得注意的是，与图2A和2B离散连接的不连续纤维不同，所述不连续纤维以渐开的以便对各种角度的冲击有效的角度缝合到泡沫芯层中，成套的钉子是更大直径的部件，所述部件计划要吸收更大量的但更加有限角度的冲击的能量。
在该实施方式的另一种形式中，所述泡沫芯层22由前端24a和后端24b组成。所述后端24b与前述泡沫芯层22一致。该后端24b被钉子35刺穿。所述前端24a可以是具有不同于后端24b密度的密度，不同的弹性。这样，不管是否与分隔物结合，泡沫使冲击引发的动能能够传播到若干钉子且越过更大入射角以便动能吸收装置最大数量的钉子消散能量。
因此，冲击传播到最大数量钉子而不是简单传播到位于冲击位置处的钉子。例如，在泡沫芯层中的前端24a中的泡沫可以是需要它的减震能力的弹性体，或者具有比泡沫芯层后端24b的密度更大的不同(例如更高密度)密度和具有使动能能够被吸收的能力的泡沫。
钉子的该具体实施方式可以与前述具体实施方式结合，所述前述具体实施方式例如为缝合纤维的具体实施方式或者甚至分隔的具体实施方式。图5A和5B中的描述与成套钉子形式的加强部件的结合以及那些缝合到泡沫芯层中的纤维形式一致。
总之，以上已经描述的加强部件的各种实施方式可以彼此之间结合，以便通过覆盖冲击的各种入射角增加能量的消散。以上描述的所有实施方式允许逐渐围困在能量消散中的机制。这样，泡沫芯层被破坏为或多或少取决于冲击中形成的动能量的程度。

Claims (11)

1.一种用于易受到动力冲击的航空器结构部件的动能吸收装置，其特征在于，其包括：
由编织复合材料制成的外壳(21)，所述外壳(21)受到冲击后，能够保持一定程度完整性；
泡沫芯层(22)，所述泡沫芯层(22)包含在外壳内部且能够至少部分充满所述外壳，所述泡沫芯层能够吸收至少部分由冲击产生的动能；
加强部件(30)，所述加强部件(30)按顺序至少部分整合到泡沫芯层中，与泡沫芯层结合来消散冲击产生的动能；
所述加强部件包括通过缝合插入泡沫芯层的不连续纤维(32)，且每个所述不连续纤维(32)包括折叠在所述外壳(21)外部的L形或T形端(33)。
2.根据权利要求1所述的动能吸收装置，其特征在于，所述外壳(21)包括多层浸渍的由至少两种干燥纤维编织成的粗纱。
3.根据权利要求2所述的动能吸收装置，其特征在于，所述浸渍的粗纱和所述干燥的纤维由碳，芳香聚酰胺和/或PBO制成。
4.根据权利要求1-3中任意一项所述的动能吸收装置，其特征在于，所述加强部件包括通过缝合插入泡沫芯层(22)且与泡沫形成环的连续纤维(31)。
5.根据权利要求4所述的动能吸收装置，其特征在于，所述连续纤维为由光固化树脂浸渍的纤维。
6.根据权利要求4所述的动能吸收装置，其特征在于，所述连续纤维以渐开角(α)缝合到泡沫芯层(22)中。
7.根据权利要求1-3和5-6中任意一项所述的动能吸收装置，其特征在于，所述加强部件(30)包括至少一个穿过泡沫芯层(22)且在泡沫芯层中形成隔室(34a，34b)的内部分隔物(34)。
8.根据权利要求1-3和5-6中任意一项所述的动能吸收装置，其特征在于，所述加强部件(30)由碳和/或芳香聚酰胺制成。
9.根据权利要求1-3和5-6中任意一项所述的动能吸收装置，其特征在于，所述加强部件(30)包括各自包含柄，尖端和由碳制成的顶端的钉子(35)，所述柄被碳化纤维的编织物围绕。
10.根据权利要求9所述的动能吸收装置，其特征在于，所述泡沫芯层(22)包括围绕钉子(35)的后端(24b)和由弹性材料或与前端密度不同的密度的泡沫制成的前端(24a)，所述前端(24a)被放置在于钉子的尖端相对的位置以便传播由各种入射角处的冲击产生的动能。
11.包括前缘(11)和后缘(12)的航空器结构部件(10)，其特征在于，它包括如权利要求1-10中任意一项所述的动能吸收装置(20)，其中所述动能吸收装置(20)位于前缘区域。
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