CN114248510B - 一种具备吸能防护功能的飞机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及飞机结构设计领域，尤其涉及一种具备吸能防护功能的飞机油箱及前缘缝翼。本发明的油箱内壁上设置有缓冲吸能层，包括由外向内依次设置的纯泡沫铝层、中间碳纳米管增强铝基复合泡沫层和内侧碳纳米管增强铝基复合泡沫层；前缘缝翼上设置有防鸟撞结构，防鸟撞结构包括复合材料层和梯度泡沫铝填充管；复合材料层包括沿靠近油箱方向依次设置的纯泡沫铝层、中间碳纳米管增强铝基复合泡沫层和内侧碳纳米管增强铝基复合泡沫层；多个梯度泡沫铝填充管沿垂直复合材料层的层叠方向穿插设置在复合材料层中。本发明利用成分梯度复合泡沫和梯度泡沫铝填充管的特性，为飞机油箱和前缘缝翼提供抗冲击能力，减小外物冲击造成油箱损坏的可能性，提高飞机安全性。
Description
技术领域
本发明涉及飞机结构设计领域，尤其涉及一种具备吸能防护功能的飞机。
背景技术
随着科学技术的发展和人们生活水平的提高，航空领域高速发展，航空安全问题也被持续关注。储存燃油的油箱如果发生泄漏，将可能引起油箱着火，导致火灾，危及飞行安全。鸟撞事件是威胁航空安全的重要因素之一，在中国由于鸟击造成的事故征候已占事故征候总数的1/3。当鸟撞发生在机翼前缘时将可能造成油箱损坏，进而发生燃油泄漏，威胁飞行安全。此外，在机翼前缘缝翼导轨处曾发生螺栓刺破油箱的事件，导致飞机在降落后起火。因此油箱需要良好的抗撞性能，以减小外物撞击造成油箱损坏的可能性，防止燃油泄漏事件的发生。
当前，飞机前缘及油箱的防护结构简单，使用材料的抗冲击能力较弱，难以抵抗外物撞击，易受到撞击而造成内部部件损坏或油箱破损，这将可能造成飞机无法正常运行或油箱漏油形成严重的安全隐患。目前，对于前缘结构的抗鸟撞结构的设计主要通过增加蒙皮厚度、在前缘内增加辅助梁等方式来提高防撞能力，但仍然存在强度不足、无法满足吸能需求、结构过于复杂而难以制造的问题。
公开号为CN109927918A的中国发明专利公开了一种铝合金军用飞机油箱，在油箱箱体两侧连接减震弹簧，用于提升油箱的抗冲击性能，但当油箱底部受到撞击时，无法对油箱进行保护，可能出现油箱损坏漏油的情况。公开号为CN109018386A的中国发明专利公开了一种飞机油箱的防撞机构，在飞机副油箱内设置防撞结构，但结构复杂且占据空间大，大大减小油箱的储油量。公开号为CN10708212A的中国发明专利公开了一种防鸟撞副油箱，在外挂副油箱内侧设置缓冲层用于抵抗鸟体撞击带来的冲击力，缓冲层为防锈铝，缓冲吸能能力弱，不足以抵抗鸟体高速冲击带来的伤害，无法有效保护油箱安全。公开号为CN109229339A的中国发明专利公开了一种飞机前缘抗鸟撞结构，通过横向安装填充有吸能材料的薄壁管吸收撞击时产生的能量，但这种方式安装的填充结构吸能行程短，能量吸收量小，无法有效抵抗鸟体撞击。
泡沫铝是一种新型结构功能一体化材料，其空间结构特性使其兼具有金属和泡沫的特征，与传统金属材料相比，具有质轻、消声减震、冲击吸能性能较好等特点，因而受到广泛关注，被广泛应用于汽车、铁路、航空航天等领域。
发明内容
针对以上技术问题，本发明提供一种具备吸能防护功能的飞机，利用成分梯度复合泡沫和梯度泡沫铝填充管的特性，为飞机油箱和前缘缝翼提供抗冲击能力，减小外物冲击造成油箱损坏的可能性，提高飞机安全性。
本发明采用以下技术方案：
一种具备吸能防护功能的飞机，包括油箱、导轨室和前缘缝翼，前缘缝翼和油箱通过导轨室中的导轨进行连接；
油箱内壁上设置有缓冲吸能层，包括由外向内依次设置的纯泡沫铝层、中间碳纳米管增强铝基复合泡沫层和内侧碳纳米管增强铝基复合泡沫层；
前缘缝翼上设置有防鸟撞结构，防鸟撞结构包括复合材料层和梯度泡沫铝填充管；
复合材料层包括沿靠近油箱方向依次设置的纯泡沫铝层、中间碳纳米管增强铝基复合泡沫层和内侧碳纳米管增强铝基复合泡沫层；
多个梯度泡沫铝填充管沿垂直复合材料层的层叠方向穿插设置在复合材料层中。
进一步的，梯度泡沫铝填充管由3～7层沿靠近油箱方向密度逐渐增大的泡沫铝原位填充薄壁管组成。
进一步的，纯泡沫铝层的孔隙率大于或等于中间碳纳米管增强铝基复合泡沫层的孔隙率。
进一步的，中间碳纳米管增强铝基复合泡沫层的孔隙率大于或等于内侧碳纳米管增强铝基复合泡沫层的孔隙率。
进一步的，中间碳纳米管增强铝基复合泡沫层和内侧碳纳米管增强铝基复合泡沫层分别包括2～5层沿靠近内侧方向孔隙率逐渐减小和/或碳纳米管质量分数逐渐增大的铝基复合泡沫。
进一步的，纯泡沫铝层包括2～5层沿靠近内侧方向孔隙率逐渐减小的纯泡沫铝。
进一步的，纯泡沫铝层的密度为0.54～1.35 g/cm3，孔隙率为80～50%，碳纳米管增强铝基复合泡沫层中碳纳米管的质量分数为0～4wt.%，孔隙率为80～50%。
进一步的，梯度泡沫铝填充管中泡沫铝密度为0.54～1.35g/cm3，孔隙率为80～50%，泡沫铝直径为20～40mm，薄壁管壁厚为1～3mm。
进一步的，缓冲吸能层的厚度为30～50 mm。
本发明利用成分梯度复合泡沫和梯度泡沫铝填充管的特性，为飞机油箱和前缘缝翼提供抗冲击能力，减小外物冲击造成油箱损坏的可能性，提高飞机安全性。其中，成分梯度复合泡沫通过逐层压溃提供良好的缓冲吸能能力。而碳纳米管增强铝基复合泡沫比纯泡沫铝材料具有更高的强度，提高结构的防撞性能；在泡沫铝中加入碳纳米管，制备所得的复合泡沫，可以充分发挥增强相碳纳米管高比强度、高比模量的特性，显著提高泡沫铝的压缩强度和吸能能力。此外，碳纳米管增强铝基复合泡沫的压缩性能可随碳纳米管含量的增加而增强，因此可在密度不增加情况下根据所需性能设计、制备得到复合泡沫。梯度泡沫铝填充管可在大冲击速度下提供更强的吸能能力和斜向冲击下的稳定性。
本发明在飞机油箱内设置缓冲吸能层，当前缘缝翼或襟翼导轨室内有螺栓掉落时，缓冲吸能层可以防止导轨将螺栓挤压进入油箱而导致油箱损坏、漏油。此外油箱底部的缓冲吸能层可以防止外物撞击引起的油箱破裂，当有外物撞击油箱时，该缓冲吸能材料起到主要的吸能作用，冲击端的纯泡沫铝层首先发生塑性变形，吸收大量能量，当泡沫铝层达到致密化，碳纳米管增强铝基复合泡沫层吸收剩余能量。由于泡沫铝中加入了碳纳米管，材料的屈服应力、强度更大，具有突出的防撞性能和缓冲能力。在前缘缝翼靠近中间位置的成分梯度复合泡沫块中加入具有更强吸能能力的梯度泡沫铝填充管，可以保证在受到鸟体高速撞击时吸收大部分能量，减小鸟体撞击后的嵌入深度，进而保护内部其他部件及油箱不被损坏。
本发明的具备吸能防护功能的飞机，具有以下有益效果：
本发明的具备吸能防护功能的飞机，在飞机油箱内设置由纯泡沫铝和成分梯度变化的复合泡沫组成的缓冲吸能层，在受到异物撞击时，通过逐层压溃的方式提供缓冲吸能能力，有效减小异物刺破油箱的可能性，提高飞机的安全性。同时在前缘缝翼上设置防鸟撞结构，采用由纯泡沫铝和碳纳米管增强铝基复合泡沫组成的成分梯度泡沫材料，通过逐层压溃提供良好的缓冲吸能能力，有效提高前缘缝翼的防撞性能；而且在复合材料层中垂直穿插设置梯度泡沫铝填充管，可在受到鸟体高速撞击时提供更强的吸能能力，减少鸟撞对缝翼内部部件以及油箱的损坏。使得本发明的飞机油箱和前缘缝翼具有良好的缓冲吸能能力和防外物撞击能力，可大范围推广应用。
附图说明
为了更清楚的说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。
图1为本发明的具备吸能防护功能的飞机的结构示意图；
图2为缓冲吸能层的材料设置示意图；
图3为本发明实施例1中功能梯度泡沫铝与纯泡沫铝在冲击载荷下的载荷-位移对比曲线图；
图4为本发明实施例1中梯度泡沫铝填充管与纯泡沫铝及薄壁空管的吸能对比曲线图；
图中：1-油箱，2-前缘缝翼，3-导轨室，4-缓冲吸能层，5-防鸟撞结构，6-纯泡沫铝层，7-中间碳纳米管增强铝基复合泡沫层，8-内侧碳纳米管增强铝基复合泡沫层，9-梯度泡沫铝填充管，10-导轨，11-滚轮。
具体实施方式
下面将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通的技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例1
一种具备吸能防护功能的飞机，如图1所示，包括油箱1、前缘缝翼2和导轨室3，油箱1与前缘缝翼2通过导轨室3中的导轨10进行连接，导轨10由滚轮11辅助动作。油箱1内壁上设置有缓冲吸能层4，缓冲吸能层4为成分梯度复合泡沫，成分梯度复合泡沫由粉末冶金填加造孔剂法制成，具体的，如图2所示，本实施例中缓冲吸能层4由从外向内依次设置的纯泡沫铝层6、中间碳纳米管增强铝基复合泡沫层7和内侧碳纳米管增强铝基复合泡沫层8构成。前缘缝翼2中的防鸟撞结构包括复合材料层和梯度泡沫铝填充管9，复合材料层由粉末冶金填加造孔剂法制成，由沿靠近油箱方向依次设置的纯泡沫铝层6、中间碳纳米管增强铝基复合泡沫层7和内侧碳纳米管增强铝基复合泡沫层8构成。
具体的，本实施例中，纯泡沫铝层密度为1.08 g/cm3，对应孔隙率为60%；中间碳纳米管增强铝基复合泡沫层的碳纳米管质量分数为1.5 wt.%，孔隙率为60%；内侧碳纳米管增强铝基复合泡沫层的碳纳米管质量分数为2.5 wt.%，孔隙率为60%。梯度泡沫铝填充管为5层孔隙率为50～80%的密度梯度泡沫铝原位填充壁厚2 mm的铝合金薄壁管制成，其中密度由外侧向靠近油箱方向逐渐增大，泡沫铝直径为30 mm。
如图3所示，为本发明实施例1中成分梯度复合泡沫与纯泡沫铝的载荷-位移曲线。可见在相同情况下，与质量相同的纯泡沫铝相比，成分梯度复合泡沫的初始峰值应力较小，受到冲击载荷时更容易发生变形，具有更好的缓冲能力。此外，成分梯度复合泡沫的吸能量明显高于纯泡沫铝，具有更强的能量吸收能力，有利于抵抗外物撞击，减小其对内部部件及油箱的损害。
由图4所示，为本发明实施例1中梯度泡沫铝填充管与纯泡沫铝填充管、空薄壁管及纯泡沫铝的吸能曲线。可见泡沫铝填充管的吸能量远高于纯泡沫铝与空薄壁管吸能量的数值之和，可以有效吸收撞击产生的能量。同时，由于梯度泡沫铝的特性，当发生较大应变时可吸收更多的能量，适合用于高速撞击下的缓冲吸能结构。
说明本发明使用的功能梯度泡沫铝和梯度泡沫铝填充管相比纯泡沫铝材料具有更加优异的缓冲吸能性能，可在外物撞击时更好地吸收能量，减少其对飞机结构造成的影响，更好地保护机翼内部部件和油箱不被损坏。
实施例2
本实施例中防鸟撞结构包括复合材料层和梯度泡沫铝填充管，复合材料层由粉末冶金填加造孔剂法制成，由纯泡沫铝块、中间碳纳米管增强铝基复合泡沫和内侧碳纳米管增强铝基复合泡沫构成，纯泡沫铝密度为0.54 g/cm3，对应孔隙率为80%；中间碳纳米管增强铝基复合泡沫的碳纳米管质量分数为2 wt.%，孔隙率为70%；内侧碳纳米管增强铝基复合泡沫的碳纳米管质量分数为2 wt.%，孔隙率为60%。梯度泡沫铝填充管为5层孔隙率为50～80%的密度梯度泡沫铝原位填充壁厚2 mm的铝合金薄壁管制成，其中密度由外侧向靠近油箱方向逐渐增大，泡沫铝直径为30 mm。
其余结构与实施例1一致。
实施例3
本实施例中防鸟撞结构包括复合材料层和梯度泡沫铝填充管，复合材料层由粉末冶金填加造孔剂法制成，由外侧两层纯泡沫铝块、中间两层碳纳米管增强铝基复合泡沫和内侧两层碳纳米管增强铝基复合泡沫构成；沿靠近油箱方向，外侧两层泡沫铝密度分别为0.54 g/cm3、0.81 g/cm3，对应孔隙率分别为80%和70%，中间两层碳纳米管增强铝基复合泡沫的碳纳米管质量分数为2 wt.%，孔隙率分别为70%、60%，内侧两层碳纳米管增强铝基复合泡沫的碳纳米管质量分数为2 wt.%，孔隙率分别为60%、50%。梯度泡沫铝填充管为5层孔隙率为50～80%的密度梯度泡沫铝原位填充壁厚2mm的铝合金薄壁管制成，其中密度由外侧向靠近油箱方向逐渐增大，泡沫铝直径为30 mm。
其余结构与实施例1一致。
实施例4
本实施例中防鸟撞结构包括复合材料层和梯度泡沫铝填充管，复合材料层由粉末冶金填加造孔剂法制成，由外侧两层泡沫铝块、中间两层碳纳米管增强铝基复合泡沫和内侧两层碳纳米管增强铝基复合泡沫构成；沿靠近油箱方向，外侧两层泡沫铝密度分别为1.08 g/cm3、1.35 g/cm3，对应孔隙率分别为60%和50%；中间两层碳纳米管增强铝基复合泡沫的碳纳米管质量分数分别为1 wt.%和1.5 wt.%，孔隙率均为50%；内侧两层碳纳米管增强铝基复合泡沫的碳纳米管质量分数分别为2 wt.%和2.5 wt.%，孔隙率均为50%。梯度泡沫铝填充管为5层孔隙率为50～80%的密度梯度泡沫铝原位填充壁厚2mm的铝合金薄壁管制成，其中密度由外侧向靠近油箱方向逐渐增大，泡沫铝直径为30 mm。
其余结构与实施例1一致。
实施例5
本实施例中防鸟撞结构包括复合材料层和梯度泡沫铝填充管，复合材料层由粉末冶金填加造孔剂法制成，由外侧三层泡沫铝块、中间两层碳纳米管增强铝基复合泡沫和内侧三层碳纳米管增强铝基复合泡沫构成；沿靠近油箱方向，外侧三层泡沫铝密度分别为0.81 g/cm3、1.08 g/cm3和1.35 g/cm3，对应孔隙率分别为70%、60%和50%；中间两层碳纳米管增强铝基复合泡沫的碳纳米管质量分数分别为1 wt.%和1.5 wt.%，孔隙率均为50%；内侧三层碳纳米管增强铝基复合泡沫的碳纳米管质量分数分别为2 wt.%和2.5 wt.% 和3wt.%，孔隙率均为50%。梯度泡沫铝填充管为5层孔隙率为50～80%的密度梯度泡沫铝原位填充壁厚2mm的铝合金薄壁管制成，其中密度由外侧向靠近油箱方向逐渐增大，泡沫铝直径为30 mm。
其余结构与实施例1一致。
实施例6
本实施例中防鸟撞结构包括复合材料层和梯度泡沫铝填充管，复合材料层由粉末冶金填加造孔剂法制成，由外侧两层泡沫铝块、中间两层碳纳米管增强铝基复合泡沫和内侧两层碳纳米管增强铝基复合泡沫构成；沿靠近油箱方向，外侧两层泡沫铝密度分别为0.54 g/cm3、和0.81 g/cm3，对应孔隙率分别为80%和70%；中间两层碳纳米管增强铝基复合泡沫的碳纳米管质量分数分别为1 wt.%和1.5 wt.%，孔隙率分别为70%和60%；内侧两层碳纳米管增强铝基复合泡沫的碳纳米管质量分数分别为2 wt.%、2.5 wt.%，孔隙率分别为60%和50%。梯度泡沫铝填充管为5层孔隙率为50～80%的密度梯度泡沫铝原位填充壁厚2mm的铝合金薄壁管制成，其中密度由外侧向靠近油箱方向逐渐增大，泡沫铝直径为30 mm。
其余结构与实施例1一致。
以上借助具体实施例对本发明做了进一步描述，但是应该理解的是，这里具体的描述，不应理解为对本发明的实质和范围的限定，本领域内的普通技术人员在阅读本说明书后对上述实施例做出的各种修改，都属于本发明所保护的范围。
Claims (4)
1.一种具备吸能防护功能的飞机，其特征在于，包括油箱、导轨室和前缘缝翼，所述前缘缝翼和油箱通过导轨室中的导轨进行连接；
所述油箱内壁上设置有缓冲吸能层，包括由外向内依次设置的纯泡沫铝层、中间碳纳米管增强铝基复合泡沫层和内侧碳纳米管增强铝基复合泡沫层；
所述前缘缝翼上设置有防鸟撞结构，所述防鸟撞结构包括复合材料层和梯度泡沫铝填充管，所述梯度泡沫铝填充管由3～7层沿靠近油箱方向密度逐渐增大的泡沫铝原位填充薄壁管组成；
所述复合材料层包括沿靠近油箱方向依次设置的纯泡沫铝层、中间碳纳米管增强铝基复合泡沫层和内侧碳纳米管增强铝基复合泡沫层；
多个所述梯度泡沫铝填充管沿垂直所述复合材料层的层叠方向穿插设置在所述复合材料层中；
所述纯泡沫铝层的孔隙率大于所述中间碳纳米管增强铝基复合泡沫层的孔隙率，所述中间碳纳米管增强铝基复合泡沫层的孔隙率大于内侧碳纳米管增强铝基复合泡沫层的孔隙率；
所述纯泡沫铝层包括2～5层沿靠近内侧方向孔隙率逐渐减小的纯泡沫铝，所述中间碳纳米管增强铝基复合泡沫层和内侧碳纳米管增强铝基复合泡沫层分别包括2～5层沿靠近内侧方向孔隙率逐渐减小和/或碳纳米管质量分数逐渐增大的铝基复合泡沫。
2.根据权利要求1所述的具备吸能防护功能的飞机，其特征在于，所述纯泡沫铝层的密度为0.54～1.35 g/cm3，孔隙率为80～50%，碳纳米管增强铝基复合泡沫层中碳纳米管的质量分数为0～4wt.%，孔隙率为80～50%。
3.根据权利要求1所述的具备吸能防护功能的飞机，其特征在于，所述梯度泡沫铝填充管中泡沫铝密度为0.54～1.35g/cm3，孔隙率为80～50%，泡沫铝直径为20～40mm，薄壁管壁厚为1～3mm。
4.根据权利要求1所述的具备吸能防护功能的飞机，其特征在于，所述缓冲吸能层的厚度为30～50 mm。
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