CN105102319B - 燃油箱、主翼、航空机机身、航空机以及移动体 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于提供一种能够减少质量管理的作业时间和成本，并防止重量的增加的燃油箱、主翼、航空机机身、航空机以及移动体。燃油箱具有使用碳纤维增强塑料(CFRP)(15)的结构构件，该碳纤维增强塑料(CFRP)(15)具有含有碳纤维的增强材料以及含有塑料的基体，成形结构构件时，在碳纤维增强塑料(CFRP)(15)的预浸料间叠层着导电片材(17)，并且形成有固定螺栓(20)的固定孔(22)。
Description
技术领域
本发明涉及一种使用碳纤维增强塑料作为结构构件的燃油箱、主翼、航空机机身、航空机以及移动体。
航空机的主翼有时作为可以收容燃料的燃油箱而被使用。有一种被称为结构式燃油箱，其是与主翼一体化，且使翼结构成为不漏油的液体密封结构的燃油箱。整体油舱以减轻重量为目的，有适用复合材料，例如碳纤维增强塑料(CFRP)的趋势。CFRP作为增强材料使用碳纤维，且作为基体使用合成树脂。
专利文献1中公开了一种三维纤维增强树脂复合材料的技术，由于在不损坏生产性的情况下，向纤维增强树脂复合材料赋予导电性，因此，翼片系统由比面内方向系统导电性更高的导电性材料构成。另外，专利文献2中公开了一种预浸料及碳纤维增强复合材料的技术，其以兼备优秀的耐冲击性和导电性为目的，使其含有导电性的粒子或纤维。并且，专利文献3中公开了一种改良型复合材料的技术，其具有导电性，且以与标准的复合材料比较几乎或完全不增加重量为目的，使其含有分散在高分子树脂中的导电性粒子。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2007-301838号公报
专利文献2：日本专利特开2010-280904号公报
专利文献3：日本专利特开2011-168792号公报
发明内容
要解决的技术问题
然而，在航空机的燃油箱中，使用螺栓对多个材料之间进行固定。此时，主翼被雷击时，雷电流流动在螺栓固定部时，有可能在螺栓的固定孔与插入固定孔的螺栓之间产生火花。以往，为了防止火花的产生，采用了使固定孔的孔径小于螺栓直径的间隙配合或者在形成于材料上的孔中设置套筒并固定螺栓的套筒螺栓。此外，为了填补螺栓与固定孔的间隙，有时会在螺栓上涂布密封胶，然后将螺栓插入孔中。
但是，减小螺栓与材料之间的电阻极为重要，固定孔的孔径的质量与耐雷性能直接相关，因此孔径的质量管理要求较为严格。因此，质量管理所需的时间和成本会有所增加。
此外，使用套筒螺栓时，在安装套筒的同时会损坏插入套筒的孔周围的材料，因此其强度会小于使用一般螺栓时的强度。另外，重量还会因套筒而增加。
另外，上述课题不仅会在CFRP制材料之间的固定过程中产生，还会在CFRP与金属材料的固定、金属材料之间的固定过程中产生。此外，上述课题不仅限于与航空机的主翼一体化的结构式燃油箱，也会产生在流通燃料的燃料电池的容器中。以下，将燃料电池的容器也包含在燃油箱中一同进行说明。此外，具有燃油箱的航空机的机身、航空机以外搭载着燃油箱的汽车等移动体也会存在同样的课题。
鉴于上述情况，本发明的目的在于提供一种可以在质量管理中减少作业时间和成本，且防止重量增加的燃油箱、主翼、航空机机身、航空机以及移动体。
技术方案
本发明的第1方式所涉及的燃油箱具有使用碳纤维增强塑料的结构构件，该碳纤维增强塑料具有含有碳纤维的增强材料以及含有塑料的基体，成形所述结构构件时，在所述碳纤维增强塑料的预浸料间叠层着导电片材，并且形成有固定螺栓的固定孔。
此外，本发明的第2方式所涉及的燃油箱具有：结构构件，其形成有固定螺栓的固定孔；以及密封胶，其涂布在所述螺栓与所述固定孔之间，并被赋予了导电性。
此外，本发明的第3方式所涉及的主翼以上述第1或2方式所涉及的燃油箱为构造体，本发明的第4方式所涉及的航空机机身具有上述第1或2方式所涉及的燃油箱。本发明的第5方式所涉及的航空机具有上述第3方式所涉及的主翼或上述第4方式所涉及的航空机机身。并且，本发明的第6方式所涉及的移动体具有上述第1或2方式所涉及的燃油箱。
有益效果
根据本发明，在螺栓的固定部分，螺栓与结构构件之间的电阻会减小，因此能够简化形成螺栓的固定孔时对孔径的管理，减少质量管理的作业时间和成本，并能够防止重量的增加。
附图说明
图1是表示本发明的第1实施方式所涉及的主翼的透视图，将一部分拆解进行表示。
图2是表示本发明的第1实施方式所涉及的主翼的纵剖面图。
图3是表示本发明的第1实施方式所涉及的翼肋的凸缘的端面图，是图5的III-III线向视图。
图4是表示本发明的第1实施方式所涉及的上侧蒙皮和翼肋的局部纵剖面图，是以图2的IV-IV线切断的剖面图。
图5是表示本发明的第1实施方式所涉及的翼肋的凸缘的俯视图。
图6是表示以往的翼肋的凸缘的俯视图。
图7是表示本发明的第1实施方式所涉及的翼肋的凸缘的固定部分的纵剖面图。
图8是表示各试件的相对火花产生电流[％]的图表。
具体实施方式
以下参照附图，对本发明所涉及的实施方式进行说明。
第1实施方式
首先，对本实施方式的航空机的主翼1的构成进行说明。
如图1及图2所示，主翼1具备上侧蒙皮3、下侧蒙皮5、前梁7、后梁9、及多个翼肋11等。
上侧蒙皮3及下侧蒙皮5为兼备空气动力的薄板，其构成主翼1的外形。上侧蒙皮3及下侧蒙皮5、前梁7、后梁9、及纵梁(未图示)一同承担一部分作用于主翼1的拉伸负荷或压缩负荷。
如图1所示，前梁7及后梁9为延伸设置于主翼1的翼长方向的结构构件，配置于上侧蒙皮3及下侧蒙皮5之间。多个纵梁为在上侧蒙皮3及下侧蒙皮5的内侧面延伸设置于主翼1翼长方向的结构构件，配置于前梁7及后梁9之间。
如图1所示，翼肋11为设置在主翼1的翼宽方向的结构构件，配置于上侧蒙皮3及下侧蒙皮5之间。即，翼肋11为延伸设置于与前梁7及后梁9略正交的方向的结构构件，是形成为主翼1的纵剖面形状的板状构件。如图1及图2所示，翼肋11在长边方向形成有多个开口部14。
主翼1中，被前梁7、后梁9、上侧蒙皮3、及下侧蒙皮5包围的部分被用作收容燃料的燃油箱13。燃油箱13将机体构造物本身作为容器，被称为结构式燃油箱(integral tank)。而且，前梁7、后梁9、上侧蒙皮3、下侧蒙皮5、及翼肋11也是燃油箱13的结构构件。燃油箱13具有不会向外部泄漏燃料的液体密封结构。
燃油箱13的内侧设置有向燃油箱13提供燃料的燃料配管(未图示)，检测燃油量的多个燃油量计(未图示)，及燃油量计的管线(未图示)等。
其次，对燃油箱13的结构构件进行说明。
燃油箱13的结构构件，前梁7、后梁9、上侧蒙皮3、下侧蒙皮5、及翼肋11使用了碳纤维增强塑料(CFRP)。而且，在制造时，适用于燃油箱13的本实施方式的结构构件成形为，在CFRP15的预浸料间叠层导电片材17。因此，如图3所示，结构构件具有由CFRP15和导电片材17构成的叠层构造。
CFRP15由含有碳纤维的增强材料以及含有塑料的基体等构成。另外，基体可不被赋予导电性，也可被赋予导电性。向基体赋予了导电性时，CFRP15自身也会具有导电性。
基体包含例如不饱和聚酯、环氧树脂等热固性树脂等塑料。向基体赋予导电性的方法可以适用向热固性树脂等塑料赋予导电性的各种技术，本说明书中省略详细的说明。作为向基体赋予导电性的方法，例如可列举有使塑料内包含导电性的粒子或纤维的方法、或向塑料本身赋予导电性的方法等。
导电片材17为片状，是低电阻的构件。导电片材17可以是金属制，也可以是非金属制。金属制的导电片材17例如可列举铜或钛等，可以是没有开口的均匀片状、具有开口的冲孔金属状、或网格状等。非金属制的导电片材17由例如碳纤维等构成，包括通过平织等而形成的不织布或纱布等。此外，碳纤维还可使用碳纳米管。
另外，并不优选在导电片材17中使用会因与CFRP15的碳接触而形成电池的金属，例如镍或铝。
导电片材17与设置在结构构件的外部的火花位置、即雷电流最终流至的位置连接。
另外，图3中显示了翼肋11，其他构件也同样。燃油箱13中，前梁7、后梁9、上侧蒙皮3、下侧蒙皮5以及翼肋11可以不全都用含有CFRP15的结构构件来形成，也可以部分地使用铝合金等金属来形成。
燃油箱13中由CFRP15和导电片材17构成的结构构件在收容燃料的燃油箱13的内部，露出经过切削加工而形成的切削面。例如，如图4所示，翼肋11由凸缘11A和腹板11B等构成时，在凸缘11A的端部，切削面11a会露出于燃油箱13的内部。
本实施方式中，将具有高导电性的导电片材17插入具有CFRP15的结构构件中，因此如图5所示，主翼1的翼肋11受到雷击时，雷电流C从被雷击地点P流过结构构件时，雷电流C也会流至结构构件中的导电片材17。其结果为，由于会减少流入CFRP15的雷电流C，所以在结构构件的切削面11a上难以产生火花。
与本实施方式不同，未将导电片材17插入结构构件中时，如图6所示，主翼1的翼肋11受到雷击时，雷电流C从被雷击地点P流过CFRP部件的表面或切削面11a时，可能在增强材料的端部，于增强材料间产生火花D(参照图6)。以往，作为该火花的对策，采用了以下方法，即如图6所示，在CFRP部件的表面或切削面11a涂布密封胶12等，将产生的电流封锁在内部的方法。但是，燃油箱13的制造工序会因密封胶12的涂布作业而增加作业时间和成本。此外，主翼1的重量还会因所涂布的密封胶12而增加。
相对于此，根据本实施方式，将具有高导电性的导电片材17插入具有CFRP15的结构构件中，因此即使切削面11a露出于燃油箱13的内部，也能够防止在结构构件的切削面11a产生火花。其结果为，能够无需在结构构件的表面或切削面11a涂布密封胶，或简化密封胶的涂布方法。因此，能够减少燃油箱的制造工序和密封胶涂布的质量管理所需的作业时间和成本。此外，还能够减少相应密封胶的重量。
接着，参照图7，说明具有上述CFRP15的结构构件与金属材料30的固定构造。
具有CFRP15的结构构件形成有固定螺栓20的固定孔22。而且，在螺栓20上涂布着具有导电性的导电性密封胶23，螺栓20插入固定孔22中。其结果为，导电性密封胶23设置在螺栓20与固定孔22之间。
利用螺栓20和螺母21加以固定，从而使具有CFRP15的结构构件与金属材料30相互被牢固地固定住。另外，制造导电性密封胶23的方法可适用向密封胶赋予导电性的各种技术，本说明书中省略详细的说明。
根据此种固定构造，由于螺栓20与上述导电片材17透过导电性密封胶23进行电性接触，所以能够减小螺栓20与具有CFRP15的结构构件之间的电阻，并且能够减少或防止被雷击时产生的火花。尤其是，形成结构构件时，若在固定孔22上形成与螺栓20的平头部分对应的圆锥状开口，并在开口部分设置导电片材17，则螺栓20与导电片材17的距离会相互缩短。此时，能够切实地减小螺栓20与具有CFRP15的结构构件之间的电阻。
此外，不仅限定于将导电性密封胶23设置在螺栓20与固定孔22之间的情况，有时也会在螺栓20与固定孔22之间产生未设置导电性密封胶23的区域。此时，通过螺栓20与上述导电片材17进行物理性接触，能够减小螺栓20与具有CFRP15的结构构件之间的电阻，并且能够减少或防止被雷击时产生的火花。
因此，无需如常规般形成用于间隙配合的孔径，能够简化形成螺栓的固定孔时的孔径的管理，从而能够减少质量管理的作业时间和成本，防止重量的增加。此外，由于无需使用套筒螺栓，所以不会降低强度，在想要确保相同强度时，能够进一步实现轻量化。
接着，针对本发明的第1实施方式和常规例分别制作试件，说明实施耐雷试验后的结果。
本试验中，在含有叠层着导电片材17(具有导电性)的CFRP的结构构件(本实施方式)以及未叠层导电片材17的CFRP(常规)中，对试件施加大电流波形，比较产生火花的电流值的差异。
耐雷试验的试验方法符合SAE international的Aircraft Lightning TestMethods(ARP5416)的Conducted Current Test的记载。对试件施加的大电流波形是ARP5412A中规定的模拟雷电流的分量A波形。
图8表示各试件中的相对火花产生电流[％]。对于导电片材17的种类不同或叠层片数不同的多个试件实施耐雷试验后，获得了图7所示的结果。图8中，将未叠层导电片材的CFRP的火花产生电流值设为100％，通过比例显示此时各试件的火花产生电流值。
作为具有叠层着导电片材17的CFRP的结构构件的试件，准备了叠层1片非金属制导电片材17的CFRP、以及叠层了4片非金属制导电片材17的CFRP。
根据试验结果可以确认，本实施方式所涉及试件的相对火花产生电流都较高，与未叠层导电片材17的CFRP相比，能够抑制被雷击时因雷电流而产生的火花。
此外可以确认，不论叠层的薄片数量是1片还是4片，相对火花产生电流都几乎为相同值，通过将至少1片导电片材17叠层至CFRP，能够抑制被雷击时因雷电流而产生的火花。
另外，上述本发明的第1实施方式说明了在固定CFRP与金属材料时，在具有CFRP的结构构件上叠层导电片材17的情况，但本发明并不限定于此例。也就是说，也可以不使用叠层着导电片材17的CFRP，而仅在螺栓20与固定孔22之间涂布导电性密封胶23。此时，也可减小螺栓20与形成有固定孔22的材料之间的电阻，并且能够防止在螺栓20与固定孔22之间产生的火花。
此外，上述本发明的第1实施方式说明了固定CFRP与金属材料的情况，但本发明并不限定于此例。也就是说，也可适用于CFRP制材料之间的固定。而且，在螺栓20与固定孔22之间涂布导电性密封胶23的发明也可适用于金属材料之间的固定。
并且，上述实施方式说明了与航空机的主翼1一体化且被称为结构式燃油箱的燃油箱13的情况，但本发明并不限定于此例。例如，也可适用于流通燃料的燃料电池的容器(燃油箱)中使用的结构构件。此外，也可适用于设置在航空机的机身上的燃油箱的结构构件、搭载于航空机以外的汽车等移动体上的燃油箱的结构构件。
附图标记说明
1 主翼
3 上侧蒙皮
5 下侧蒙皮
7 前梁
9 后梁
11 翼肋
11a 切削面
11A 凸缘
11B 腹板
12 密封胶
13 燃油箱
15 CFRP
17 导电片材
Claims (6)
1.一种燃油箱，其具有使用碳纤维增强塑料的结构构件，所述碳纤维增强塑料具有含有碳纤维的增强材料以及含有塑料的基体，
所述结构构件是在所述碳纤维增强塑料的预浸料间叠层导电片材而形成的，并且形成有固定螺栓的固定孔，
并且在收容燃料的内部露出将含有所述碳纤维增强塑料和所述导电片材的所述结构构件切削而形成的所述结构构件的切削面。
2.如权利要求1所述的燃油箱，还具有密封胶，其涂布在所述螺栓与所述固定孔之间，并被赋予了导电性。
3.一种主翼，其以权利要求1或2所述的燃油箱为构造体。
4.一种航空机机身，其具有如权利要求1或2所述的燃油箱。
5.一种航空机，其具有如权利要求3所述的主翼或如权利要求4所述的航空机机身。
6.一种移动体，其具有如权利要求1或2所述的燃油箱。
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