CN115210303A - 用于飞行器应用的复合控制缆索和稳定筋及用于制造其的方法 - Google Patents
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Abstract
公开了具有轻量、高强度和低CTE的用于高空飞行器和飞艇的控制和稳定缆索和筋、及用于制造其的方法和机器。该缆索由包裹在聚合物套管中的纤维预浸料丝束构成,每端处具有一个线轴以便于连接。使用高温收缩管(诸如聚偏二氟乙烯(PVDF))沿缆索长度固结纤维预浸料丝束允许消除纤维预浸料丝束的扭绞,因此减少围绕线轴的缠绕数。消除纤维预浸料丝束中的扭绞也减小了所需的纤维长度,并且因此随温度变化控制缆索长度上的总体改变减小。通过在固化过程期间施加重物在纤维预浸料丝束上加上并且保持显著的张力,从而可实现附加的缆索强度。
Description
相关申请的交叉引用
本申请根据35USC第119(e)节请求享有于2020年3月13日提交的共同未决的美国临时专利申请第62/989149号的优先权,其全部公开内容通过引用并入本文中。
技术领域
本发明大体上涉及用于高空飞行器和飞艇的诸如控制缆索和稳定筋的复合缆索及用于制造其的设备和方法。
背景技术
飞行器和飞艇会受到低温,低温对飞行器结构有影响。具体而言,利用由控制缆索构成的机械飞行控制装置的高空飞行器会受到极端热力条件。控制缆索用于针对飞行器致动飞行控制表面,诸如副翼、升降舵和方向舵。
钢丝绳一直是用于这些高空飞行器飞行控制装置的传统控制缆索解决方案。然而,针对钢丝绳的热膨胀系数(CTE)要求控制缆索在地面上松弛,以便适应在高空处由于低温而发生的收缩。
为了飞行效率,高空飞行器典型地具有长翼展。因此,控制缆索的长度或控制缆索的延伸较长,并且低温和缆索CTE的影响加剧。因此,具有较低CTE并且可在地面上最佳地调整并且在高空处不会变得过紧的控制缆索将是有利和有益的。
碳纤维为该问题提供了潜在的解决方案,因为碳纤维具有略微负的膨胀系数,从而允许缆索在地面上最佳地调整并且在高空飞行期间不会变得过紧。
类似地,飞艇对于大型稳定翼和推进吊架通常要求稳定缆索或筋。这些稳定缆索需要是轻量并且高强度的。即使飞艇不在高空处飞行,它们也可能在寒冷的天气条件下飞行,并且对于稳定缆索重要的是长度上不随温度改变而显著改变。另外,稳定缆索可能要求雷击保护。
碳纤维控制缆索已成功制造并且在原型高空飞行器上飞行。这些碳纤维缆索用于直线延伸,且传统的钢丝绳缆索用于在滑轮上转向的控制缆索部分。插销连接件(clevispin connection)将碳纤维缆索与钢丝绳缆索联结。钢丝绳缆索的部分有意地保持尽可能短。
然而,在具有机械飞行控制装置的高空飞行器上,存在对于具有较小的部分到部分强度变化并且具有较轻重量、较高抗拉强度和较低CTE的较强控制缆索和对于用于制造其的方法和设备的需要。
飞艇(诸如软式飞艇)典型地具有提供水平和竖直稳定性和控制的大叶片状尾部表面。这些软式飞艇尾翼需要重量非常轻。常见的实践是使用金属丝绳受拉部件作为稳定筋,以稳定大型软式飞艇上的这些轻量尾翼。因此,还存在对于比典型地使用的钢丝绳重量更轻的复合稳定缆索或其它受拉部件的需要。
发明内容
为了概括本发明的目的,本文中已经描述了本发明的某些方面、优点和新颖特征。将理解的是,所有此类优点不一定可根据本发明的任何一个特定实施例实现。因此,本发明可以实现或优化如本文中所教导的一个优点或一组优点的方式而不必实现如在本文中可教导或建议的其它优点来体现或执行。
在一个实施例中,公开了一种具有较小的部分到部分的强度变化的较强碳纤维控制缆索,以及用于制造其的过程和工具。与现有技术缆索不同,这种较强碳纤维控制缆索是通过在制造期间消除树脂浸渍碳纤维束或碳纤维预浸料丝束的扭绞而产生的。使用高温收缩管(诸如聚偏二氟乙烯(PVDF))沿缆索长度固结碳纤维预浸料丝束允许消除碳纤维预浸料丝束的扭绞,并且减少针对相同强度缆索所需要的碳纤维预浸料丝束围绕线轴的缠绕数。
消除碳纤维预浸料丝束中的扭绞也显著增加了控制缆索的极限抗拉强度。另外,消除碳纤维预浸料丝束中的扭绞会减小其长度,并且因此控制缆索的总长度随温度变化的改变会进一步减小。
通过在固化步骤期间施加重物以在碳纤维预浸料丝束上加上并且保持显著的张力,从而可相对于现有技术实现附加控制缆索强度。在一个实施例中,通过在固化期间消除碳纤维束的扭绞并且加上重物以张紧碳纤维预浸料丝束,控制缆索的强度超出原来的两倍。在一个示例中,极限抗拉强度从5000磅增加至13000磅。
在备选实施例中,对于不期望导电纤维的应用,控制缆索也可使用相同的公开的制造过程和工具利用芳纶纤维预浸料制成。然而,在芳纶纤维缆索的情况下,收缩管盖可包括阻挡紫外光的添加剂或填料以保护芳纶纤维免于因紫外光而降解。
在备选实施例中,碳纤维预浸料丝束或芳纶纤维预浸料丝束可与本文中公开的发明结合使用,以使用制造方法制造用于飞行器和飞艇结构以及其它受拉部件应用的稳定缆索或筋。
在某些飞行器和飞艇应用中,雷击保护也可通过加上丝网或其它导电表面材料的外层并且将其在缆索和筋的端部处压接到线轴或一体式楔形线轴来并入到缆索和筋中。
因此,本发明的一个或多个实施例克服了已知现有技术的一个或多个缺点。
例如,在一个实施例中,一种用于制造纤维缆索的方法包括以下步骤:提供纤维预浸料丝束,其包括预浸渍有环氧树脂的多根纤维丝;提供制造工具,其包括第一工具销和第二工具销;将第一线轴放置在第一工具销上并且将第二线轴放置在第二工具销上;将纤维预浸料丝束围绕第一线轴和第二线轴缠绕多次,而不扭绞纤维预浸料丝束;将第一楔形物安装在纤维预浸料丝束的第一端中以形成纤维预浸料丝束的第一分支部;在纤维预浸料丝束的第一分支部处捆扎纤维预浸料丝束;从第二工具销移除第二线轴;将收缩管施加在纤维预浸料丝束上;将第二线轴重新安装在第二工具销上;将第二楔形物安装在纤维预浸料丝束的第二端处以形成纤维预浸料丝束的第二分支部;在纤维预浸料丝束的第二分支部处捆扎纤维预浸料丝束;张紧纤维预浸料丝束;将收缩膜施加在纤维预浸料丝束的一部分上;将第一纤维缠绕物施加在第一分支部处;将第二纤维缠绕物施加在第二分支部处;以及加热纤维预浸料丝束,以固结和固化纤维预浸料丝束以形成纤维缆索。
在该实施例中,方法可进一步包括:其中多根纤维丝包括多根碳纤维丝;其中收缩管包括PDVF收缩管;其中张紧纤维预浸料丝束包括使用重物;其中在使用重物张紧纤维预浸料丝束的同时滑动第二工具销;其中多根纤维丝包括多根芳纶纤维丝;其中收缩管包括阻挡紫外光的PDVF收缩管。
在另一个示例实施例中,一种由包括以下步骤的过程制造的纤维缆索:提供纤维预浸料丝束,其包括预浸渍有环氧树脂的多根纤维丝;提供制造工具,其包括第一工具销和第二工具销;将第一线轴放置在第一工具销上并且将第二线轴放置在第二工具销上;将纤维预浸料丝束围绕第一线轴和第二线轴缠绕多次,而不扭绞纤维预浸料丝束;将第一楔形物安装在纤维预浸料丝束的第一端中以形成纤维预浸料丝束的第一分支部;在纤维预浸料丝束的第一分支部处捆扎纤维预浸料丝束;从第二工具销移除第二线轴;将收缩管施加在纤维预浸料丝束上;将第二线轴重新安装在第二工具销上;将第二楔形物安装在纤维预浸料丝束的第二端处以形成纤维预浸料丝束的第二分支部;在纤维预浸料丝束的第二分支部处捆扎纤维预浸料丝束;张紧纤维预浸料丝束;将收缩膜施加在纤维预浸料丝束的一部分上;将第一纤维缠绕物施加在第一分支部处;将第二纤维缠绕物施加在第二分支部处;以及加热纤维预浸料丝束,以固结和固化纤维预浸料丝束以形成纤维缆索。
在该实施例中,由该过程制造的碳纤维可进一步包括:其中多根纤维丝包括多根碳纤维丝;其中收缩管包括PDVF收缩管;其中张紧纤维预浸料丝束包括使用重物;其中在使用重物张紧纤维预浸料丝束的同时滑动第二工具销;其中多根纤维丝包括多根芳纶纤维丝;其中收缩管包括阻挡紫外光的PDVF收缩管。
在另一个示例实施例中,一种用于制造纤维缆索的方法包括以下步骤:提供纤维预浸料丝束,其包括预浸渍有环氧树脂的多根纤维丝;提供制造工具,其包括第一工具销和第二工具销;提供包括第一楔形部分和第一线轴部分的第一楔形线轴,以及提供包括第二楔形部分和第二线轴部分的第二楔形线轴;将第一楔形线轴放置在第一工具销上并且将第二楔形线轴放置在第二工具销上;将纤维预浸料丝束围绕第一楔形线轴的第一线轴部分和第二楔形线轴的第二线轴部分缠绕多次,而不扭绞纤维预浸料丝束;在第一楔形线轴的第一楔形部分处形成纤维预浸料丝束的第一分支部;在纤维预浸料丝束的第一分支部处捆扎纤维预浸料丝束;从第二工具销移除第二楔形线轴;将收缩管施加在纤维预浸料丝束上;将第二楔形线轴重新安装在第二工具销上;在第二楔形线轴的第二楔形部分处形成纤维预浸料丝束的第二分支部;在纤维预浸料丝束的第二分支部处捆扎纤维预浸料丝束;张紧纤维预浸料丝束;将收缩膜施加在纤维预浸料丝束的一部分上;将第一纤维缠绕物施加在第一分支部处;将第二纤维缠绕物施加在第二分支部处;以及加热纤维预浸料丝束,以固结和固化纤维预浸料丝束以形成纤维缆索。
在该实施例中,方法可进一步包括:其中多根纤维丝包括多根碳纤维丝;其中收缩管包括PDVF收缩管;其中张紧纤维预浸料丝束包括使用重物;其中在使用重物张紧纤维预浸料丝束的同时滑动第二工具销;其中多根纤维丝包括多根芳纶纤维丝;其中收缩管包括阻挡紫外光的PDVF收缩管。
在另一个示例实施例中,一种由包括以下步骤的过程制造的纤维缆索:提供纤维预浸料丝束,其包括预浸渍有环氧树脂的多根纤维丝;提供制造工具,其包括第一工具销和第二工具销;提供包括第一楔形部分和第一线轴部分的第一楔形线轴,以及提供包括第二楔形部分和第二线轴部分的第二楔形线轴;将第一楔形线轴放置在第一工具销上并且将第二楔形线轴放置在第二工具销上;将纤维预浸料丝束围绕第一楔形线轴的第一线轴部分和第二楔形线轴的第二线轴部分缠绕多次,而不扭绞纤维预浸料丝束;在第一楔形线轴的第一楔形部分处形成纤维预浸料丝束的第一分支部;在纤维预浸料丝束的第一分支部处捆扎纤维预浸料丝束;从第二工具销移除第二楔形线轴;将收缩管施加在纤维预浸料丝束上;将第二楔形线轴重新安装在第二工具销上;在第二楔形线轴的第二楔形部分处形成纤维预浸料丝束的第二分支部;在纤维预浸料丝束的第二分支部处捆扎纤维预浸料丝束;张紧纤维预浸料丝束;将收缩膜施加在纤维预浸料丝束的一部分上;将第一纤维缠绕物施加在第一分支部处;将第二纤维缠绕物施加在第二分支部处;以及加热纤维预浸料丝束,以固结和固化纤维预浸料丝束以形成纤维缆索。
在该实施例中,由该过程制造的碳纤维可进一步包括:其中多根纤维丝包括多根碳纤维丝;其中收缩管包括PDVF收缩管;其中张紧纤维预浸料丝束包括使用重物;其中在使用重物张紧纤维预浸料丝束的同时滑动第二工具销;其中多根纤维丝包括多根芳纶纤维丝;其中收缩管包括阻挡紫外光的PDVF收缩管。
在考虑以下详细描述和附图时,本发明的其它目标、特征和优点将变得显而易见。
附图说明
图1图示了现有技术扭绞碳纤维控制缆索的示例。
图2A图示了本公开的碳纤维控制缆索的示例实施例。
图2B图示了用于本公开的碳纤维控制缆索中的线轴的示例实施例。
图2C图示了用于本公开的碳纤维控制缆索中的楔形物的示例实施例。
图2D图示了本公开的碳纤维控制缆索的示例实施例的局部视图。
图2E图示了本公开的碳纤维控制缆索的示例实施例的另一个局部视图。
图3图示了用于制造本公开的碳纤维控制缆索的制造工具的示例实施例,其中第一线轴和第二线轴与碳纤维预浸料丝束就位。
图4图示了碳纤维预浸料丝束和线轴的交接部的示例实施例。
图5图示了碳纤维预浸料丝束中的第一楔形物的示例实施例。
图6图示了一体的楔形物和线轴的备选实施例。
图7图示了在张力下的碳纤维预浸料丝束的示例实施例。
图8图示了具有滑动线轴的在张力下的碳纤维预浸料丝束的示例实施例。
图9图示了针对对于本公开的碳纤维控制缆索的制造过程的示例流程图。
图10图示了根据本公开的示例实施例的芳纶纤维控制缆索或受拉部件。
图11图示了具有一体的楔形物和线轴的备选碳纤维控制缆索的示例实施例。
图12图示了根据本公开的示例实施例的受拉部件的示例实施例。
具体实施方式
以下是用于说明本发明原理的实施例的详细描述。提供了实施例以说明本发明的方面,但本发明不限于任何实施例。本发明的范围涵盖许多备选方案、改型和等效方案。本发明的范围仅由权利要求限定。
尽管在以下描述中阐述了许多具体细节以提供对本发明的透彻理解,但是本发明可在没有这些具体细节中的一些或全部的情况下根据权利要求来实践。
将参照附图详细描述各种实施例。只要可能,则在所有附图中使用相同的参考标记来指代相同或相似的部分。对特定示例和实施方式作出的引用是为了说明性目的,并且不旨在限制权利要求的范围。
[现有技术]
如图1中示出的,现有技术碳纤维控制缆索100包括浸渍有室温固化环氧树脂的缠绕碳纤维丝束110,碳纤维丝束围绕形成缆索端部连接点的铝线轴120。碳纤维丝束110在固化之前扭绞以将复合纤维保持在一起。缆索竖直悬挂,并且允许环氧树脂固化。空隙130(在该处,扭绞的碳丝束分开以绕过铝线轴120)填充有环氧树脂和植绒棉填料的混合物。
由这种现有技术方法制造的现有技术碳纤维控制缆索100具有比对于高空飞行器和飞艇应用所期望的更低的极限抗拉强度。并且,碳纤维束中的扭绞增加了碳纤维束的总长度,并且因此增加了随温度变化控制缆索的总长度上的改变。另外,由于并入的扭绞和其中纤维为了绕过铝线轴120而在空隙130处分支的角度上的变化,这些现有技术碳纤维控制缆索100还在部分到部分的极限强度上具有非期望的和显著的变化。
[碳纤维控制缆索200]
转向图2A,示出了根据本公开的碳纤维控制缆索200的示例实施例。有助于必要的碳纤维控制缆索强度要求的碳纤维预浸料丝束210在第一线轴320和第二线轴340之间和围绕第一线轴320和第二线轴340缠绕。缠绕过程可手工完成,或可通过标准的绕销机(pin-wrap machine)完成。碳纤维预浸料丝束210的使用有助于对于高空飞行器和飞艇应用的碳纤维控制缆索200强度要求。
碳纤维预浸料丝束210包括预浸渍有环氧树脂的多根或成束碳纤维丝。碳纤维预浸料丝束210中的树脂是B阶段的(部分地推进到固化),因此其具有便于处理的粘性。使用碳纤维预浸料丝束210的优点是纤维与树脂的含量是精确的,并且将导致部分到部分的变化最小。碳纤维预浸料丝束210的粘性也有助于碳纤维控制缆索200的制造,因为其允许碳纤维预浸料丝束210在将碳纤维预浸料丝束210在第一线轴320和第二线轴340之间和围绕第一线轴320和第二线轴340缠绕时粘在一起形成单个紧凑束,因此允许收缩管230容易地在碳纤维预浸料丝束210上滑动。
耐高温并且耐磨的收缩管230(诸如PVDF收缩管)施加在碳纤维预浸料丝束210上方。收缩管230实现了若干功能。首先,其在固化期间将碳纤维预浸料丝束210固结成具有圆形横截面的套件,该圆形横截面基本上没有空隙。在一个示例实施例中,空隙占体积的不到百分之二。其次,收缩管230结合到碳纤维预浸料丝束210,从而围绕碳纤维预浸料丝束210形成保护套。满足优选工艺参数的示例收缩管230由一家公司以商品名Kynar™制造,但也可使用其它类似或等效的PVDF收缩管。
图2B示出了第一线轴320和第二线轴340的示例实施例。在一个示例实施例中,第一线轴320和第二线轴340是III型硬质阳极氧化铝,以防止铝和碳纤维预浸料丝束210之间的电解。备选地,可在第一线轴320的内表面350上以及在与碳纤维预浸料丝束210接触的第二线轴340的内表面350上施加环氧树脂膜粘合剂的层。
在另一个示例实施例中,钛也可用于第一线轴320和第二线轴340,因此它们不要求III型硬质阳极氧化铝。在另一个示例实施例中,环氧树脂涂料可用于涂覆第一线轴320的内表面350和第二线轴340的内表面350,以在第一线轴320和第二线轴340与碳纤维预浸料丝束210接触时防止腐蚀和电解。
图2C示出了具有尖端515的第一楔形物510和具有尖端715的第二楔形物710的示例实施例。第一楔形物510还可具有倒圆端部525以抵靠第一线轴320的内表面350配合,并且第二楔形部710也可具有倒圆端部525以抵靠第二线轴340的内表面350配合。在一个示例实施例中,第一楔形物510和第二楔形物710由通常称为G10的压制塑造的玻璃纤维材料制成。玻璃纤维板被水射流切割、机加工或锯切割,以形成倒圆端部525来配合到第一线轴320和第二线轴340的内侧表面350。
在另一个示例实施例中,环氧树脂微球体也可用于第一楔形物510和第二楔形物710,但不会导致有相同的部分到部分的一致性水平。在另一个示例实施例中,铝也可用于第一楔形物510和第二楔形物710。
如图2D中示出的,捆扎部270用于在碳纤维预浸料丝束210的第一分支部530处捆扎碳纤维预浸料丝束210,以抑制该点处的冲击负载以防止碳纤维预浸料丝束210在第一分支部530之后沿第一线轴320或第二线轴340的方向进一步扩展,增加了碳纤维控制缆索200的强度和一致性。冲击负载是当拉直缆索时产生的力矢量。存在将扭结角平分并且典型地称为冲击负载的力矢量。捆扎部270限制了该冲击负载。
当第一楔形物510安装在碳纤维预浸料丝束210的第一端520中、并且第二楔形物710安装在碳纤维预浸料丝束210的第二端770(如图7中示出的)中时,第一楔形物510和第二楔形物710确保碳纤维预浸料丝束210的分离角从部分到部分一致。
如图2E中示出的,除了施加在碳纤维预浸料丝束210上的收缩管230之外,收缩膜260从碳纤维预浸料丝束210在第一分支部530处分支以绕过第一线轴320和在第二分支部760(如图7中示出的)处分支以绕过第二线轴340的点在碳纤维预浸料丝束210上和围绕碳纤维预浸料丝束210放置。然后,碳纤维缠绕物250施加在收缩管230和收缩膜260相交的第一分支部530和第二分支部760处。碳纤维缠绕物250防止碳纤维预浸料丝束210在高拉伸负载下进一步分支。
[制造工具300]
转向图3和图4,示出了用于由碳纤维预浸料丝束210形成碳纤维控制缆索200的制造工具300的示例实施例。第一线轴320放置在第一工具销310上,并且第二线轴340放置在第二工具销330上。碳纤维预浸料丝束210在第一线轴320和第二线轴340之间和围绕第一线轴320和第二线轴340缠绕。第一线轴320和第二线轴340形成缆索端部连接点。
如图5中示出的,第一楔形物510安装在碳纤维预浸料丝束210的第一端520中。碳纤维预浸料丝束210可利用其粘性捏(pinch)在一起,以使其形成在第一楔形物510的尖端515处具有第一分支部530的固结束。第一楔形物510控制碳纤维预浸料丝束210的分离部绕过第一线轴320的位置。
[备选楔形线轴600]
如图6中示出的,在备选实施例中,楔形部分610可与线轴部分620一体化,从而形成一体的楔形线轴600。在本实施例中,对于楔形线轴600,楔形部分610与线轴部分620一体化。
将减重孔630并入楔形线轴600中使其与由G10制成的第一楔形物510和第二楔形物710重量相同。备选地,代替将减重孔630并入楔形线轴600中,楔形线轴600可由铝制成,其中楔形部分610机加工以形成工字梁横截面。在楔形线轴600的侧部中可机加工腔穴,使得其横截面在形状上变成工字梁。侧部从楔形部分610机加工去掉,留下带有支承碳纤维预浸料丝束210的凸缘的薄中心腹板。
[利用制造工具300张紧]
如图7和8中示出的,重物720用于在固化期间张紧碳纤维预浸料丝束210。张紧碳纤维预浸料丝束210确保碳纤维预浸料丝束210的每次单独缠绕均等地加载并且均等地有助于碳纤维控制缆索200的强度。
在一个实施例中,第二工具销330在滑动件730上,从而允许重物720滑动以施加张力。在一个示例实施例中,总共72磅的重物可用于张紧碳纤维预浸料丝束210的二十次丝束缠绕。在示例实施例中,碳纤维预浸料丝束210的二十次丝束缠绕可通过将碳纤维预浸料丝束210围绕第一线轴320和第二线轴340缠绕二十次而形成。在该示例实施例中,在第一线轴320与第二线轴340之间的碳纤维控制缆索200的中间跨度中存在四十根单独的碳纤维预浸料丝束210,并且围绕第一线轴320和第二线轴340中的每一个存在二十根单独的碳纤维预浸料丝束210。碳纤维控制缆索200的强度由碳纤维预浸料丝束210的缠绕数确定。
在一个实施例中,重物720还用于便于将碳纤维预浸料丝束210形成为针对碳纤维控制缆索200的期望长度。由于由重物720施加的力,故允许碳纤维预浸料丝束210滑动,直到达到针对碳纤维控制缆索200的精确长度。然后,碳纤维预浸料丝束210的端部固定以将其保持到期望长度。
[对于控制缆索的制造过程900]
转向图9,示出了对于利用制造工具300制造碳纤维控制缆索200的制造过程900。
在步骤910处,将第一线轴320放置在第一工具销310上并且将第二线轴340放置在第二工具销330上,并且将碳纤维预浸料丝束210围绕第一线轴320和第二线轴340和在第一线轴320和第二线轴340之间缠绕。如果使用楔形线轴600替代第一线轴320和第二线轴340,则每个楔形线轴600的线轴部分620分别放置在第一工具销310和第二工具销330上,并且碳纤维预浸料丝束210在每个线轴部分620之间和围绕每个线轴部分620缠绕。
在步骤920处,将第一楔形物510安装在碳纤维预浸料丝束210的第一端520中。碳纤维预浸料丝束210捏在一起以形成在第一楔形物510的尖端515处具有第一分支部530的固结束。如果使用楔形线轴600,则碳纤维预浸料丝束210捏在一起以形成在楔形部分610的尖端处具有第一分支部530的固结束。
在步骤930处,将第二楔形物710在第二分支部760处安装在碳纤维预浸料丝束210的第二端770处。如果使用楔形线轴600,则不安装附加的楔形物,而是第二楔形线轴600的楔形部分610最终在第二分支部760处定位在碳纤维预浸料丝束210的第二端770处。
接下来,在步骤940处,碳纤维预浸料丝束210在第一分支部530处利用捆扎部270捆扎就位。碳纤维丝束可用于捆扎部270。使用捆扎部270正好在碳纤维预浸料丝束210的第一分支部530处捆扎碳纤维预浸料丝束210抑制了该点处的冲击负载以防止碳纤维预浸料丝束210的扩展。
接下来,在步骤950处,收缩管230(诸如PVDF收缩管)施加在碳纤维预浸料丝束210上,这需要暂时移除第二线轴340或第二楔形线轴600。在一个示例实施例中,收缩管230是耐高温并且耐磨的PVDF收缩管。在一个实施例中,收缩管230具有段,使得在碳纤维预浸料丝束210的中间跨度中存在重叠接头。然而,可使用单个段或多于两段的收缩管230。
该接头允许收缩管230推出到第一楔形物510,并且在碳纤维预浸料丝束210的固化期间允许空气逸出收缩管230。对本领域技术人员来说显而易见的是,对于收缩管230可使用4:1的收缩率来大到足以在用于长度较长的缆索的碳纤维预浸料丝束210上滑动、但仍具有足够的收缩率以在固化期间固结碳纤维预浸料丝束210。
应小心控制收缩管230所经历的收缩量和相对于用以固化碳纤维预浸料丝束210的温度的收缩收缩管230所要求的温度以一起工作。应当定制热分布,使得收缩管230在树脂处于其最低粘度时并且在其利用重物施加张力而开始聚合之前固结。收缩管230应当在碳纤维预浸料丝束210中的环氧树脂开始聚合之前完全收缩下来。
在一个实施例中,当碳纤维预浸料丝束210中的环氧树脂随着热而粘度下降时,收缩管230将经历其最大收缩。因此,碳纤维预浸料丝束210的固结在树脂聚合发生之前实现。
在步骤960处,在将收缩管230施加在碳纤维预浸料丝束210上之后,可重新安装第二线轴340并且将第二楔形物710安装在碳纤维预浸料丝束710的第二端770处。如果使用楔形线轴600替代第二线轴340和第二楔形物710的组合,则在该步骤中重新安装第二楔形线轴600。此时,碳纤维预浸料丝束210然后在第二分支部760处利用捆扎部270捆扎就位。
在步骤970处,施加重物720以将碳纤维预浸料丝束210张紧至针对碳纤维控制缆索200的期望长度。然后,碳纤维预浸料丝束210在张力下稳定,并且收缩管230定位在其最终位置中。
在步骤980处,在碳纤维预浸料丝束210在张力下稳定之后,收缩管230定位在其最终位置中。收缩膜260从碳纤维预浸料丝束210分支以在第一分支部530处绕过第一线轴320并且在第二分支部760处围绕第二线轴340的点在碳纤维预浸料丝束210上和围绕碳纤维预浸料丝束210放置,或如果使用楔形线轴600则绕过线轴部分620。然后,碳纤维缠绕物250施加在第一分支部530和第二分支部760处。碳纤维缠绕物250防止碳纤维预浸料丝束210在高拉伸负载下进一步分支。
在步骤990处,诸如烘箱外壳的热源用于施加热以收缩收缩管230和收缩缠绕物260,并且在碳纤维预浸料丝束处于张力下时固化碳纤维预浸料丝束210的环氧树脂基体。
在一个实施例中,典型的固化从环境温度上升到350华氏度,并且在该较高温度保持至少2小时。对于环氧树脂基体必须完全固化以实现针对碳纤维控制缆索200的最大强度。在备选实施例中,碳纤维控制缆索200可在初始固化之后移除并且在第二烘箱中进一步固化。后固化碳纤维控制缆索200作为第二过程的优点是其允许利用制造工具300使用用来制造碳纤维控制缆索900的制造过程900更快地制造下一个碳纤维控制缆索200,并且成批的已完成的碳纤维控制缆索200可一起进行烘箱后固化,这样更有效。
[备选实施例]
在备选实施例中,如图10中示出的,芳纶控制缆索1000可通过用芳纶纤维预浸料丝束1010代替碳纤维控制缆索200中的碳纤维预浸料丝束210并且使用如本文中公开的制造过程900和制造工具300来制造。芳纶纤维预浸料丝束1010对于不期望导电纤维的应用是适合的。
然而,在芳纶控制缆索1000的情况下,收缩管230可包括阻挡紫外光的添加剂或填料以保护芳纶纤维免受紫外光降解。在一个实施例中,收缩管230可包括PDVF Kynar™收缩管,其可与可用作紫外线屏障的黑色颜料一起获得。
图11示出了具有楔形线轴600的控制缆索1100,其是碳纤维控制缆索200的备选实施例的示例。具有楔形线轴600的控制缆索1100可使用如本文中公开的制造过程900和制造工具300利用碳纤维预浸料丝束210或芳纶纤维预浸料丝束1010制成。假定楔形角相同,诸如缠绕张力和等效张紧重物的制造条件相同,并且烘箱固化条件相同,则具有楔形线轴600的备选控制缆索1100与具有由G10或铝制成的第一楔形物510和第二楔形物710的碳纤维控制缆索200具有相同的极限强度。
如图12中示出的,在另一个备选实施例中,碳纤维预浸料丝束210或芳纶纤维预浸料丝束1010可与制造工具300一起使用,以使用制造方法900制造用于飞行器和飞艇结构1210的稳定缆索1200和其它筋或受拉部件应用。
在某些飞行器和飞艇应用中,通过加上丝网或其它导电表面材料的外层并且将其压接到第一线轴320和第二线轴340或楔形线轴600(无论利用哪个),雷击保护可并入碳纤维控制缆索200、芳纶控制缆索1000、具有楔形线轴600的控制缆索1100或稳定缆索1200中。
尽管本发明已结合其某些具体实施例具体描述,但应理解,这只是通过说明而非限制的方式。在不脱离本发明的精神的情况下,可在前述公开和附图的范围内进行合理的变型和改型。
Claims (28)
1.一种用于制造纤维缆索的方法,包括:
提供纤维预浸料丝束,其包括预浸渍有环氧树脂的多根纤维丝;
提供制造工具,其包括第一工具销和第二工具销;
将第一线轴放置在所述第一工具销上并且将第二线轴放置在所述第二工具销上;
将所述纤维预浸料丝束围绕所述第一线轴和所述第二线轴缠绕多次,而不扭绞所述纤维预浸料丝束;
将第一楔形物安装在所述纤维预浸料丝束的第一端中以形成所述纤维预浸料丝束的第一分支部;
在所述纤维预浸料丝束的所述第一分支部处捆扎所述纤维预浸料丝束;
从所述第二工具销移除所述第二线轴;
将收缩管施加在所述纤维预浸料丝束上;
将所述第二线轴重新安装在所述第二工具销上;
将第二楔形物安装在所述纤维预浸料丝束的第二端处以形成所述纤维预浸料丝束的第二分支部;
在所述纤维预浸料丝束的所述第二分支部处捆扎所述纤维预浸料丝束;
张紧所述纤维预浸料丝束;
将收缩膜施加在所述纤维预浸料丝束的一部分上;
将第一纤维缠绕物施加在所述第一分支部处;
将第二纤维缠绕物施加在所述第二分支部处;以及
加热所述纤维预浸料丝束,以固结和固化所述纤维预浸料丝束以形成所述纤维缆索。
2.根据权利要求1所述的方法,其中,所述多根纤维丝包括多根碳纤维丝。
3.根据权利要求2所述的方法,其中,所述收缩管包括PDVF收缩管。
4.根据权利要求1所述的方法,其中,张紧所述纤维预浸料丝束包括使用重物。
5.根据权利要求4所述的方法,进一步包括在使用所述重物张紧所述纤维预浸料丝束的同时滑动所述第二工具销。
6.根据权利要求1所述的方法,其中,所述多根纤维丝包括多根芳纶纤维丝。
7.根据权利要求6所述的方法,其中,所述收缩管包括阻挡紫外光的PDVF收缩管。
8.一种由包括以下步骤的过程制造的纤维缆索:
提供纤维预浸料丝束,其包括预浸渍有环氧树脂的多根纤维丝;
提供制造工具,其包括第一工具销和第二工具销;
将第一线轴放置在所述第一工具销上并且将第二线轴放置在所述第二工具销上;
将所述纤维预浸料丝束围绕所述第一线轴和所述第二线轴缠绕多次,而不扭绞所述纤维预浸料丝束;
将第一楔形物安装在所述纤维预浸料丝束的第一端中以形成所述纤维预浸料丝束的第一分支部;
在所述纤维预浸料丝束的所述第一分支部处捆扎所述纤维预浸料丝束;
从所述第二工具销移除所述第二线轴;
将收缩管施加在所述纤维预浸料丝束上;
将所述第二线轴重新安装在所述第二工具销上;
将第二楔形物安装在所述纤维预浸料丝束的第二端处以形成所述纤维预浸料丝束的第二分支部;
在所述纤维预浸料丝束的所述第二分支部处捆扎所述纤维预浸料丝束;
张紧所述纤维预浸料丝束;
将收缩膜施加在所述纤维预浸料丝束的一部分上;
将第一纤维缠绕物施加在所述第一分支部处;
将第二纤维缠绕物施加在所述第二分支部处;以及
加热所述纤维预浸料丝束,以固结和固化所述纤维预浸料丝束以形成所述纤维缆索。
9.根据权利要求8所述的由所述过程制造的纤维缆索,其中,所述多根纤维丝包括多根碳纤维丝。
10.根据权利要求9所述的由所述过程制造的纤维缆索,其中,所述收缩管包括PDVF收缩管。
11.根据权利要求8所述的由所述过程制造的纤维缆索,其中,张紧所述纤维预浸料丝束包括使用重物。
12.根据权利要求11所述的由所述过程制造的纤维缆索,进一步包括在使用所述重物张紧所述纤维预浸料丝束的同时滑动所述第二工具销。
13.根据权利要求8所述的由所述过程制造的纤维缆索,其中,所述多根纤维丝包括多根芳纶纤维丝。
14.根据权利要求13所述的由所述过程制造的纤维缆索,其中,所述收缩管包括阻挡紫外光的PDVF收缩管。
15.一种用于制造纤维缆索的方法,包括:
提供纤维预浸料丝束,其包括预浸渍有环氧树脂的多根纤维丝;
提供制造工具,其包括第一工具销和第二工具销;
提供包括第一楔形部分和第一线轴部分的第一楔形线轴,以及提供包括第二楔形部分和第二线轴部分的第二楔形线轴;
将所述第一楔形线轴放置在所述第一工具销上并且将所述第二楔形线轴放置在所述第二工具销上;
将所述纤维预浸料丝束围绕所述第一楔形线轴的所述第一线轴部分和所述第二楔形线轴的所述第二线轴部分缠绕多次,而不扭绞所述纤维预浸料丝束;
在所述第一楔形线轴的所述第一楔形部分处形成所述纤维预浸料丝束的第一分支部;
在所述纤维预浸料丝束的所述第一分支部处捆扎所述纤维预浸料丝束;
从所述第二工具销移除所述第二楔形线轴;
将收缩管施加在所述纤维预浸料丝束上;
将所述第二楔形线轴重新安装在所述第二工具销上;
在所述第二楔形线轴的所述第二楔形部分处形成所述纤维预浸料丝束的第二分支部;
在所述纤维预浸料丝束的所述第二分支部处捆扎所述纤维预浸料丝束;
张紧所述纤维预浸料丝束;
将收缩膜施加在所述纤维预浸料丝束的一部分上;
将第一纤维缠绕物施加在所述第一分支部处;
将第二纤维缠绕物施加在所述第二分支部处;以及
加热所述纤维预浸料丝束,以固结和固化所述纤维预浸料丝束以形成所述纤维缆索。
16.根据权利要求15所述的方法,其中,所述多根纤维丝包括多根碳纤维丝。
17.根据权利要求16所述的方法,其中,所述收缩管包括PDVF收缩管。
18.根据权利要求15所述的方法,其中,张紧所述纤维预浸料丝束包括使用重物。
19.根据权利要求18所述的方法,进一步包括在使用所述重物张紧所述纤维预浸料的同时滑动所述第二工具销。
20.根据权利要求15所述的方法,其中,所述多根纤维丝包括多根芳纶纤维丝。
21.根据权利要求20所述的方法,其中,所述收缩管包括阻挡紫外光的PDVF收缩管。
22.一种由包括以下步骤的过程制造的纤维缆索:
提供纤维预浸料丝束,其包括预浸渍有环氧树脂的多根纤维丝;
提供制造工具,其包括第一工具销和第二工具销;
提供包括第一楔形部分和第一线轴部分的第一楔形线轴,以及提供包括第二楔形部分和第二线轴部分的第二楔形线轴;
将所述第一楔形线轴放置在所述第一工具销上并且将所述第二楔形线轴放置在所述第二工具销上;
将所述纤维预浸料丝束围绕所述第一楔形线轴的所述第一线轴部分和所述第二楔形线轴的所述第二线轴部分缠绕多次,而不扭绞所述纤维预浸料丝束;
在所述第一楔形线轴的所述第一楔形部分处形成所述纤维预浸料丝束的第一分支部;
在所述纤维预浸料丝束的所述第一分支部处捆扎所述纤维预浸料丝束;
从所述第二工具销移除所述第二楔形线轴;
将收缩管施加在所述纤维预浸料丝束上;
将所述第二楔形线轴重新安装在所述第二工具销上;
在所述第二楔形线轴的所述第二楔形部分处形成所述纤维预浸料丝束的第二分支部;
在所述纤维预浸料丝束的所述第二分支部处捆扎所述纤维预浸料丝束;
张紧所述纤维预浸料丝束;
将收缩膜施加在所述纤维预浸料丝束的一部分上;
将第一纤维缠绕物施加在所述第一分支部处;
将第二纤维缠绕物施加在所述第二分支部处;以及
加热所述纤维预浸料丝束,以固结和固化所述纤维预浸料丝束以形成所述纤维缆索。
23.根据权利要求22所述的由所述过程制造的纤维缆索,其中,所述多根纤维丝包括多根碳纤维丝。
24.根据权利要求23所述的由所述过程制造的纤维缆索,其中,所述收缩管包括PDVF收缩管。
25.根据权利要求22所述的由所述过程制造的纤维缆索,其中,张紧所述纤维预浸料丝束包括使用重物。
26.根据权利要求25所述的由所述过程制造的纤维缆索,进一步包括在使用所述重物张紧所述纤维预浸料丝束的同时滑动所述第二工具销。
27.根据权利要求22所述的由所述过程制造的纤维缆索,其中,所述多根纤维丝包括多根芳纶纤维丝。
28.根据权利要求27所述的由所述过程制造的纤维缆索,其中,所述收缩管包括阻挡紫外光的PDVF收缩管。
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