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Die
vorliegend erläuterte
Erfindung bezieht sich auf eine Rumpfkomponentenanordnung eines Luft-
oder Raumfahrzeugs.
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Obwohl
auf beliebige Rumpfkomponentenanordnungen anwendbar, werden die
vorliegend erläuterte
Erfindung sowie die ihr zugrundeliegende Problematik in Bezug auf
eine Rumpfkomponentenanordnung eines Verkehrsflugzeuges näher erläutert.
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Rümpfe moderner
Verkehrsflugzeuge weisen grundsätzlich
eine aus einer außenseitigen
Haut und Strukturbauteilen bestehende Rumpfkomponentenanordnung
auf. Die Strukturbauteile, also beispielsweise Stringer oder Spanten,
sind dabei mit der Haut insbesondere für eine hohe Stabilität der Rumpfkomponentenanordnung
verbunden.
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Solche
Rumpfkomponentenanordnungen sind stark variierender Außentemperaturen
im Bereich zwischen etwa –70°C in großer Höhe und etwa +60°C bei direkter
Sonneneinstrahlung ausgesetzt.
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Problematisch
dabei ist, dass die Strukturbauteile und die Haut oft unterschiedliche
Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweisen. Somit kommt es zwangsläufig zu Spannungen zwischen
den Strukturbauteilen und der Haut. Das hat zur Folge, dass die
Strukturbauteile sehr viel stabiler ausgebildet werden müssen, damit
es nicht zu Ermüdungsbrüchen dieser
kommt. Stabilere Strukturbauteile jedoch sind mit höheren Kosten
bzw. einem höheren Fluggewicht
nachteilig verbunden.
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Aus
der
US 4 310 132 A ist
eine Rumpfstruktur bekannt, die eine Außenhaut aus Schichten von Faserverbundmaterial
aufweist, wobei Stringer mit dem gleichen Material verstärkt sind.
Das hohe Verhältnis
aus Festigkeit zu Gewicht des Verbundmaterials, insbesondere bei
erhöhten
Temperaturen und sein hoher Elastizitätsmodul machen es besonders für den Einsatz
bei Flugzeugstrukturteilen geeignet.
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Die
Diplomarbeit ”Wärmeübertragung
in der Flugzeugkabine-Basis
einer Simulation der Temperaturregelung bei Flugzeugklimaanlagen”; Arnold,
Clemens; Hochschule für
Angewandte Wissenschaften Hamburg beschreibt einen Aufbau einer
Flugzeugkabine, bei welchem Strukturbauteile eine Isolationsschicht
aufweisen. Um den Wärmeverlust
in der Kabine zu minimieren, besteht beispielsweise der Boden der
Flugzeugkabine aus einem Balkengerüst, welches an den jeweiligen
Enden mit dem Rahmen verbunden ist. Um den Wärmeverlust in der Kabine zu
minimieren, ist eine Isolationsschicht vorgesehen, die in der Wand
130 mm und im Boden 80 mm beträgt.
Im hinteren Teil der Kabine wird diese durch den sogenannten Druckspant
abgeschlossen. Dieser besitzt ebenfalls eine Isolationsschicht von
80 mm Dicke.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegend erläuterten Erfindung, eine Rumpfkomponentenanordnung eines
Luft- oder Raumfahrzeugs bereitzustellen, bei welcher weniger stabile
Strukturbauteile bei gleichbleibender Dauerfestigkeit der Rumpfkomponentenanordnung
vorgesehen sind.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch eine Rumpfkomponentenanordnung mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1 gelöst.
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Demgemäß wird eine
Rumpfkomponentenanordnung eines Luft- oder Raumfahrzeugs, mit einer Haut,
welche einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweist, einem Strukturbauteil, welches einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist,
und einem Wärmestopper,
welcher eine niedrige Wärmeleitfähig keit
aufweist, wobei das Strukturbauteil an der Außenhaut mittels des Wärmestoppers
angebunden ist, bereitgestellt.
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Die
der vorliegend erläuterten
Erfindung zugrundeliegende Idee besteht in einer thermischen Trennung
der Haut von dem Strukturbauteil. D. h., dass während die Haut stark variierender
Außentemperaturen
ausgesetzt ist, kann das Strukturbauteil auf relativ konstanter
Temperatur, insbesondere in etwa der Kabinentemperatur, gehalten
werden. Bedingt durch ihren niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten
verändert
die Haut ihre Form auch bei den stark variierenden Außentemperaturen
unwesentlich. Das Strukturbauteil, welches zwar einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten
besitzt aber auf der relativ konstanten Temperatur gehalten wird,
verändert damit
seine Form ebenfalls unwesentlich. Folglich ist eine feste mechanische
Anbindung des Strukturbauteils an der Haut möglich, ohne dass es zu Spannungen
zwischen diesen aufgrund von Veränderungen der
Außentemperatur
kommt. Dies wird durch das Einbringen eines Wärmestoppers mit einer niedrigen Wärmeleitfähigkeit
zwischen das Strukturbauteil und die Haut an der Stelle, an welcher
das Strukturbauteil an der Haut angebunden ist, erreicht.
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Somit
erlaubt es die Erfindung die Strukturbauteile weniger stabil, beispielsweise
dünnwandiger,
und damit leichter bei gleicher Dauerfestigkeit, ausgebildet werden.
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In
den Unteransprüchen
finden sich vorteilhafte Ausgestaltungen und Verbesserungen der
Erfindung.
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Gemäß einer
bevorzugten Weiterbildung der Erfindung weist die Haut einen Faserverbundwerkstoff,
insbesondere CFK auf. Faserverbundwerkstoffe, insbesondere CFK,
weisen einen sehr niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten
auf, und eignen sich wegen ihres niedrigen Gewichts bei hoher Festigkeit
besonders für
Luft- oder Raumfahrzeuge.
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Unter
einer ”Haut” soll vorliegend
insbesondere eine Außenhaut,
welche mit der Atmosphäre
in Kontakt ist, des Luft- oder
Raumfahrzeugs zu verstehen sein.
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Bei
einer weiter bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung weist das Strukturbauteil ein elektrisch leitfähiges Material,
insbesondere ein Metall und/oder eine Metalllegierung, besonders
Aluminium oder eine Aluminiumlegierung, auf. Bedingt durch die Luftreibung
und/oder Blitzeinschläge
kann es zur Aufladung der Haut, insbesondere in dem Fall, dass sie
CFK aufweist, kommen. Diese Ladung muss aus Sicherheitsgründen von
der Haut abgeleitet werden, was mittels eines derartig ausgebildeten
Strukturbauteils erzielt werden kann.
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Unter
einem ”Strukturbauteil” ist in
dieser Patentanmeldung insbesondere ein Spant und/oder Stringer
zu verstehen. Es können
jedoch auch beispielsweise Verstärkungsstreben
gemeint sein.
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Gemäß einer
weiter bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist wenigstens ein
Clip vorgesehen, welcher an einem hautseitigen Abschnitt an der Haut
und an einem strukturbauteilseitigen Abschnitt an dem Strukturbauteil
befestigt ist. Ein derartiger Clip erleichtert die Anbindung des
Strukturbauteils an die Haut aus montagetechnischer Sicht erheblich.
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Unter
einem ”Clip” ist in
dieser Patentanmeldung auch ein Verbindungswinkel zu verstehen.
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Gemäß einer
weiter bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist der Wärmestopper
zwischen dem strukturbauteilseitigen Abschnitt des Clips und dem
Strukturbauteil angeordnet. Der strukturbauteilseitige Abschnitt
des Clips ist bereits weiter von der Haut beabstandet als der hautseitige
Abschnitt und weist daher eine höhere
Temperatur als dieser auf. Folglich kann mit einer derartigen Anordnung
des Wärmestoppers
eine noch bessere thermische Trennung zwischen dem Strukturbauteil
und der Haut erreicht werden.
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Gemäß einer
weiter bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist das Strukturbauteil mit der Haut elektrisch leitend
verbunden. Hier wird der bereits oberhalb beschriebenen Forderung
nach einer Ableitung von Ladung von der Haut auf das Strukturbauteil
nachgekommen.
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Bei
einer weiter bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Befestigung
an der Haut und/oder an dem Strukturbauteil mittels elektrisch leitender
Befestigungsmittel vorzugsweise Nieten oder Schrauben, vorgesehen.
Dadurch dass die Befestigungsmittel bei dieser Ausführungsform
sowohl zum Befestigen als auch zum Leiten elektrischer Ladung ausgebildet
sind, wird ein sehr einfacher, insbesondere teilesparenden, Aufbau
erzielt.
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Gemäß einer
weiter bevorzugten Ausführungsform
der vorliegend erläuterten
Erfindung sind die dem hautseitigen Abschnitt zugeordneten Befestigungsmittel
mit den dem strukturbauteilseitigen Abschnitt zugeordneten Befestigungsmittel
elektrisch leitend, insbesondere mittels eines Kabels, verbunden.
Auf diese Weise wird das Strukturbauteil einfach mit der Haut elektrisch
verbunden, wenn auch die mechanische Verbindung mittels eines Clips
erfolgt.
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Bei
einer weiter bevorzugten Ausführungsform
der vorliegend erläuterten
Erfindung weist der hautseitige Abschnitt eine elektrisch leitende
Verbindung, insbesondere ein Metallstreifen, zum
elektrisch
Verbinden der ihm zugeordneten Befestigungsmittel auf. Damit erhöht sich
die Leitfähigkeit der
gesamten Anordnung. Alternativ oder zusätzlich kann auch ein Leiter,
insbesondere ein Kabel vorgesehen sein, welches sowohl die dem hautseitigen
Abschnitt zugeordneten Befestigungsmittel elektrisch leitend miteinander
verbindet, als auch die dem struk turbauteilseitigen Abschnitt zugeordneten
Befestigungsmittel elektrisch leitend miteinander verbindet und
darüber
hinaus die dem hautseitigen Abschnitt zugeordnete Befestigungsmittel
mit den dem strukturbauteilseitigen Abschnitt zugeordneten Befestigungsmittel
elektrisch leitend verbindet. Diese Maßnahmen führen zu einem sehr einfachen
Aufbau.
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Gemäß einer
weiter bevorzugten Weiterbildung der vorliegend erläuterten
Erfindung sind die dem hautseitigen Abschnitt zugeordneten Befestigungsmittel
mit einer elektrischen Leiterstruktur, insbesondere einem Bronzenetz,
in der Außenhaut elektrisch
leitend verbunden. Damit erhöht
sich die Leitfähigkeit
der gesamten Anordnung noch weiter.
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Bei
einer weiter bevorzugten Ausführungsform
der vorliegend erläuterten
Erfindung verbindet das Strukturbauteil die mehreren Clipsen zugeordneten
Befestigungsmittel miteinander und/oder die Befestigungsmittel mit
Ladungsabführungsmitteln
zum Abführen
von Ladung von dem Strukturbauteil elektrisch leitend. Die Haut
setzt sich gewöhnlich
aus mehreren in Umfangsrichtung aneinander gesetzten und mechanisch
verbundenen Abschnitten zusammen. Bei dem mechanischen Verbinden
der mehreren Abschnitte kann jedoch nicht immer eine gute elektrische
Verbindung zwischen den mehreren Abschnitten sichergestellt werden.
Da eine solche aber, beispielsweise bei einem Blitzeinschlag, von
großer Bedeutung
ist, wird mittels dieser Ausführungsform, wobei
die Befestigungsmittel mehrere Clipse miteinander verbunden sind,
eine solche elektrische Verbindung zwischen den Hautsegmenten sichergestellt.
Alternativ oder zusätzlich
kann dann die auf das Strukturbauteil übertragene elektrische Ladung über Ladungsabführungsmittel,
also beispielsweise Kabel, Entladungsbereichen, beispielsweise an
den Flügeln,
zum Abgeben der elektrischen Ladung an die Atmosphäre, zugeführt werden.
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Bei
einer weiter bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist ein Stabilisator
zum Verhindern eines Umfallens des Struktur bauteils vorgesehen,
welcher an seiner einen Seite an dem Strukturbauteil, insbesondere
dessen Steg, und an seiner anderen Seite über einen weiteren Wärmestopper
an dem wenigstens einem Clip befestigt ist. Somit kann eine Stabilisierung
des Strukturbauteils erreicht werden und zugleich die bereits oben
angesprochene thermische Trennung zwischen Haut und Strukturbauteil aufrecht
erhalten werden.
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Bei
einer weiter bevorzugten Weiterbildung der vorliegend erläuterten
Erfindung ist eine thermische Isolierung auf der Haut innenseitig
vorgesehen, wobei das Strukturbauteil innenseitig bezogen auf die
Isolierung angeordnet ist. Damit kann die thermische Trennung zwischen
dem Strukturbauteil und der Haut noch weiter erhöht werden. Mit ”innenseitig” ist vorliegend
die innerhalb des Rumpfs liegende Seite gemeint. Das Strukturbauteil
ist also bei dieser Ausführungsform
noch weiter im Inneren des Rumpfs vorgesehen, und wird insbesondere
durch das Klimasystem im Flugzeug auf einer konstanten Temperatur gehalten.
Die thermische Isolierung verringert dabei einen Wärmetransfer,
beispielsweise mittels Konvektion oder Abstrahlung, zwischen der
Haut und dem Strukturbauteil.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die beiliegenden Figuren der Zeichnung näher erläutert. Von den Figuren zeigen:
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1 eine
Draufsicht auf eine Rumpfkomponentenanordnung gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegend erläuterten
Erfindung;
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2 eine
vergrößerte Ansicht
eines Schnitts entlang der Schnittlinie A-A aus 1;
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3 ein
der 2 zugeordnetes Thermaldiagramm; und
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4 ein
vergrößerte Ansicht
eines Schnitts entlang der Schnittlinie A-A aus 1 gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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In
den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche
Komponenten, soweit nichts Gegenteiliges angegeben ist.
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1 und 2 zeigen
eine Rumpfkomponentenanordnung 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegend erläuterten
Erfindung in einer Draufsicht bzw. in einer Schnittansicht entlang
der Schnittlinie A-A. 1 stellt dabei einen beispielhaften
Teilquerschnitt durch einen Rumpf eines Verkehrsflugzeuges dar.
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Die
Rumpfkomponentenanordnung 1 weist eine Haut 2 auf,
welche mittels Stringern 3, 4, 5, 6,
die sich in Längsrichtung
des Rumpfs erstrecken, verstärkt
ist. Die Haut 2 ist dabei eine Außenhaut des Rumpfs und stark
variierenden Temperaturen einer Atmosphäre 7 ausgesetzt. Die
Haut 2 ist vorzugsweise wenigstens teilweise aus Kohlenstofffaserkunststoff
(CFK) ausgebildet.
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An
der Haut 2 ist mittels Clipsen 11, 12, 13 ein
als Spant 14 ausgebildetes Strukturbauteil angebunden.
Der Spant 14 befindet sich dabei innerhalb der temperaturregulierten
Kabine 15 und ist vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung
ausgebildet.
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Im
Folgenden wird die Anbindung des Spants 14 an die Clipse 11, 12, 13 sowie
die Anbindung dieser an die Haut 2 detailliert erläutert.
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Die
Clipse 11, 12, 13 umfassen jeweils zwei aneinander
gesetzte Winkel 16, 17, die an ihren strukturbauteilseitigen
Schenkeln 21, 22 aneinander anliegen, und an ihren
hautseitigen Schenkeln 23, 24 an der Haut 2 anliegen.
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Die
hautseitigen Schenkel 23, 24 sind vorzugsweise
mittels Titannieten 25, 26, 27, 28 an
der Haut 2 befestigt. Dabei erstrecken sich die Titannieten 25, 26, 27, 28 durch
ein sich flächig
in der Haut 2 erstreckendes Bronzenetz 31 und
kontaktieren dieses elektrisch. Anstelle der Titannieten 25, 26, 27, 28 können natürlich auch
andere Befestigungsmittel, wie beispielsweise Bolzen, auch aus anderen
Materialien, verwendet werden.
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Zwischen
den strukturseitigen Schenkeln 21, 22 des Clips 11 und
dem Strukturbauteil 14 ist ein Wärmestopper 32 angeordnet.
Der Wärmestopper 32 ist
aus einem Material mit geringer Wärmeleitfähigkeit, vorzugsweise Pertinax
(Verbund-Werkstoff aus Papier und einem Phenol-Formaldehyd-Kunstharz),
aus gebildet. Der Wärmestopper 32 ist
vorzugsweise als flächiges
Element ausgebildet, welches neben einer thermalen Trennung des
Spants 14 von der Haut 2 auch eine ausreichende
Stabilität
aufweist, um Lasten von der Haut 2 auf den Spant 14 wirksam
zu übertragen.
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Die
Anordnung bestehend aus dem strukturbauteilseitigen Schenkeln 21, 22,
dem Wärmestopper 32 und
dem Spant 14 ist mittels Titannieten 33, 34 zusammengehalten.
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Eine
Isolierung 43, welche auf der Haut 2 bzw. den
Stringern 4, 5, 6 anliegt, sorgt für eine weitere
thermische Isolierung des Spants 14 von der Haut 2.
Der Spant 14 ist dabei vorzugsweise vollkommen innerhalb
der Kabine 15 bezogen auf die Isolierung 43 angeordnet.
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Zwei
Kabel 35, 36 verbinden zum Einen die den hautseitigen
Schenkeln 23, 24 zugeordneten Titannieten 25, 26, 27, 28 elektrisch
leitend miteinander. Zum Anderen verbinden die Kabel 35, 36 vorzugsweise
die Titannieten 25, 26, 27, 28 elektrisch leitend
mit dem Spant 14 und/oder den Titannieten 33, 34.
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Anstelle
der Kabel 35, 36 kann zumindest zum Verbinden
der den jeweiligen hautseitigen Schenkeln 23, 24 zugeordneten
Titannieten 25, 26, 27 bzw. 28 jeweils
ein Titanstreifen auf den jeweiligen Schenkeln 23, 24 vorgesehen
sein, an welchem die Titannieten 25, 26, 27 bzw. 28 kontaktierend
anliegen.
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Kommt
es nun zu einem Blitzeinschlag 37 in die Haut 2,
so fließt
die Ladung von der Haut 2 durch das Bronzenetz 31,
durch die Titanniete 25, 26, 27, 28,
weiter durch die Kabel 35, 36, durch den Titanniet 33,
in den Spant 14 und wird vorzugsweise von diesem über ein
Ableitungskabel 41 in den Flügelbereich zum Abgeben der
Ladung in die Atmosphäre abgeführt.
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Beispielhaft
ist ein Titanniet 42 des Clips 12 in 1 gezeigt,
welcher über
den Spant 14 mit den Titannieten 26, 27, 28 für einen
Potentialausgleich leitend verbunden ist.
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3 zeigt
ein Temperaturdiagramm, wobei auf der Y-Achse die Quererstreckung
der Rumpfkomponentenanordnung 1 und auf der X-Achse die
Temperatur der Rumpfkomponentenanordnung aufgetragen ist. Die Kurve
K zeigt somit die Temperatur in der Rumpfkomponentenanordnung 1 bezogen
auf die Querrichtung des Rumpfs.
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Deutlich
zu entnehmen ist der mit S gekennzeichnete Temperatursprung, welcher
an der dem Wärmestopper 32 entsprechenden
Stelle entsteht und somit die wirksame thermale Trennung durch den
Wärmestopper 32 beweist.
Der Spant 14 nimmt dabei den Wert der Temperatur der Kabine 15 an, während die
Temperatur der Haut annähernd
der Temperatur der sehr kalten Atmosphäre entspricht. Da die Temperatur
der Kabine 15 auch in etwa der Zusammenbautemperatur beim
Zusammenbau der Rumpfkomponentenanordnung 1 entspricht,
erfährt der
Spant 14 zu so gut wie keiner Zeit während der Lebensdauer des Verkehrsflugzeuges
eine Formänderung.
Die Haut 2, welche aus CFK ausge bildet ist, der einen sehr
niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten
aufweist, verändert
ihre Form aufgrund der stark variierenden Außentemperatur auch nur unwesentlich.
Folglich können
mittels der Erfindung temperaturbedingte Spannungen zwischen der
Haut 2 und dem Spant 14 auf ein Minimum reduziert
werden.
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4 zeigt
den Schnitt A-A aus 1 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel
der vorliegend erläuterten
Erfindung. Nachdem die Rumpfkomponentenanordnung 1 in 4 weitgehend
der Rumpfkomponentenanordnung 1 der 2 entspricht,
wird lediglich auf die Unterschiede eingegangen.
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Da
bei bestimmten Lastfällen
die Gefahr besteht, dass der Spant 14 umfällt, sich
beispielsweise verwindet, ist ein Stabilisator 50 vorgesehen,
welcher einen Steg 51 des Spants 14 an einer Anformung 52 an
dem strukturseitigen Schenkel 21 abstützt. Um weiterhin eine thermale
Trennung des Spants 14 von der Haut 2 sicherzustellen,
ist zwischen der Anformung 52 und dem Stabilisator 50 ein
weiterer Wärmestopper 53 eingebracht.
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Obwohl
die vorliegend erläuterte
Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele vorliegend
beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise
modifizierbar.
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Beispielsweise
kann anstelle des Spants auch ein Stringer vorgesehen sein, der
auf gleiche Weise thermisch von der Haut getrennt ist. Ferner kann
der Spant eine nahezu beliebige Form aufweisen, beispielsweise einen
T-förmigen
Querschnitt.
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- 1
- Rumpfkomponentenanordnung
- 2
- Haut
- 3
- Stringer
- 4
- Stringer
- 5
- Stringer
- 6
- Stringer
- 7
- Atmosphäre
- 11
- Clip
- 12
- Clip
- 13
- Clip
- 14
- Spant
- 15
- Kabine
- 16
- Winkel
- 17
- Winkel
- 21
- strukturbauteilseitiger
Schenkel
- 22
- strukturbauteilseitiger
Schenkel
- 23
- hautseitiger
Schenkel
- 24
- hautseitiger
Schenkel
- 25
- Titanniet
- 26
- Titanniet
- 27
- Titanniet
- 28
- Titanniet
- 31
- Bronzenetz
- 32
- Wärmestopper
- 33
- Titanniet
- 34
- Titanniet
- 35
- Kabel
- 36
- Kabel
- 37
- Blitzeinschlag
- 41
- Ableitungskabel
- 42
- Titanniet
- 43
- Isolierung
- 50
- Stabilisator
- 51
- Steg
- 52
- Anformung
- 53
- weiterer
Wärmestopper
- Y
- Achse
- X
- Achse
- K
- Kurve
- S
- Temperatursprung