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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Druckschott zur Anordnung in einem Rumpf eines Luftfahrzeugs, insbesondere eines Flugzeugs, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Druckschotts in Luftfahrzeugen dienen zur Begrenzung einer Innenkabine und/oder eines Frachtraums gegenüber der Außenumgebung. Herkömmlicherweise sind sie bei Passagierflugzeugen cockpitseitig, d. h. im Bereich einer nasenseitigen Radarantenne, und heckseitig, d. h. im Bereich des Leitwerkes, angeordnet. Die meisten Druckschotts werden kalottenartig mit einer gekrümmten Haut ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass die Haut ausschließlich als Membran belastet wird, wodurch die Haut sehr dünn ausgeführt werden kann. Insbesondere bei Druckschotts aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen kann so die Haut aus sehr wenigen Laminatschichten aufgebaut sein, wodurch sich das Gewicht des Druckschotts stark reduzieren lässt. Nachteilig ist jedoch der relativ große Einbauraum in Längsrichtung des Flugzeugs. Dieser beträgt ungefähr 25% des Druckschottradius. Typische Tiefen für ein Single Aisle Flugzeug sind etwa 400 mm bis 500 mm.
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Darüber hinaus sind metallische Druckschotts mit einer flachen Haut bekannt. Zur Stabilisierung der Haut weisen diese eine Vielzahl von orthogonal zueinander angeordneten Steifen auf. Die Steifen bilden eine Vielzahl von Kreuzungsbereichen, die vor allem bei Differentialbauweise strukturmechanische Schwachstellen darstellen. Ferner sind die Steifen aufgrund ihrer orthogonalen Anordnung zueinander nicht lastoptimal orientiert. Insbesondere ist die Aufnahme von Biegemomenten problematisch, so dass dieses Druckschott eine verhältnismäßig dicke Haut und eine verhältnismäßig hohe Anzahl von Steifen aufweist, was nicht nur einem hohen Gewicht führt, sondern auch in einer aufwendigen Montage resultiert. Zwar ist es zur Optimierung der Kreuzungsbereiche möglich, das Druckschott integral in Metallbauweise beispielsweise mit einer Vielzahl von aus einer massiven metallischen Platte gefrästen Steifen auszubilden, jedoch ist diese Art der Fertigung sehr kostenintensiv.
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Ein flaches bzw. im Wesentlichen flaches Druckschott mit lastoptimal orientierten Steifen ist beispielsweise in der Anmeldung
US 6,443,392 gezeigt. Das Druckschott hat eine Vielzahl von sich auf einer Haut radial von einem zentralen Kreuzungsbereich erstreckende Steifen. Zur zusätzlichen Stabilisierung der Haut sowie der Steifen sind zwei radial voneinander beabstandete Ringelemente vorgesehen, die mit den Steifen verbunden bzw. in diese abschnittsweise integriert sind. Problematisch bei diesem Druckschott ist jedoch nachwievor die Aufnahme von Biegemomenten und darüber hinaus die Integration des zumindest einen Ringelement in die Steifen bzw. die Integration der Steifen in das zumindest eine Ringelement.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Druckschott zu schaffen, das die vorgenannten Nachteile beseitigt und bei einem geringen Einbauraum eine lastoptimale Ausrichtung der Steifen sowie eine optimale Biegemomentenaufnahme ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Druckschott mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Ein erfindungsgemäßes Druckschott zur Anordnung in einem Rumpf eines Luftfahrzeuges, insbesondere eines Flugzeugs, zur Begrenzung einer Kabine bzw. eines Innenraums gegenüber einer Außenumgebung hat eine einen Querschnitt des Rumpfes abbildende flache Haut, die über eine Vielzahl von radialen Steifen stabilisiert ist. Erfindungsgemäß weist die Haut einen als Hohlraum gebildeten Kernbereich auf, der radial von einem Ringelement begrenzt ist, an dem die Steifen endseitig angreifen und über das sich zumindest ein Verstärkungselement erstreckt. Die flache Haut erlaubt vorteilhafterweise einen geringen Einbauraum. Die radiale Ausrichtung der Steifen ermöglicht eine optimale Aufnahme bzw. Einleitung von auftretenden Belastungen. Das Ringelement und das sich über das Ringelement erstreckende Verstärkungselement im Kernbereich bewirken eine maximale Biegesteifigkeit des Druckschotts in dem Bereich, in dem die Biegemomentenbelastung am größten ist. In Kombination wird somit ein ebenes und somit platzsparendes Druckschott geschaffen, das eine lastoptimale Ausrichtung der Steifen aufweist und äußerst biegesteif ist. Darüber hinaus bilden die Steifen keinen strukturmechanisch kritischen Kreuzungsbereich, was die Herstellung bzw. Montage des erfindungsgemäßen Druckschotts grundsätzlich vereinfacht.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat der Hohlraum einen kreisförmigen Querschnitt ausgebildet, was die Biegesteifigkeit begünstigt. Dabei kann der Hohlraum den Außenumfang der Haut nachzeichnen oder unabhängig vom Außenumfang der Haut eine eigenständige Geometrie aufweisen.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist das Verstärkungselement als ein Flächenelement ausgebildet, das mit einem Hautabschnitt den Hohlraum jeweils in axialer Richtung begrenzt. Zur Erhöhung der Stabilität der Haut kann das Flächenelement sternförmig mit einer Vielzahl von Fingern ausgebildet sein, über die es an den Steifen angebunden ist. Das Flächenelement dient als eine zusätzliche innere Haut und führt zu einer zellen- bzw. kastenartigen Ausbildung des Kernbereichs, so dass der Bereich des Druckschotts bzw. der Haut, in dem die Biegemomentenbelastung am größten und die Schubbelastung am geringsten ist, besonders stabilisiert bzw. versteift ist.
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Zur Vermeidung einer Druckdifferenz zwischen dem Hohlraum und einem Kabineninnendruck kann der Hohlraum bei im durch das Flächenelement verschlossenen Zustand mit der Kabine fluidtechnisch kommunizieren. Hierzu weist bei einem Ausführungsbeispiel das Ringelement zumindest eine Öffnung auf, wodurch als Folge der in der Kabine anliegende Druck auch in dem Hohlraum herrscht und unmittelbar auf die rückwärtige Haut und nicht auf das Flächenelement wirkt. Das Verstärkungselement kann beispielsweise als Stab- bzw. streifenartige Versteifungen ausgebildet sein, die sich radial über das Ringelement erstrecken und an diesem angebunden sind. Ebenso kann das Verstärkungselement als zumindest ein halbkreisartiges Flächenelement ausgebildet sein, das lediglich einen Bereich des Hohlraums in axialer Richtung verschließt. In derartigen Fällen kann das Ringelement jedoch umfangsseitig geschlossen ausgebildet sein.
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Die Steifen können jeweils einen Querschnitt und insbesondere eine Höhe aufweisen, die optimal an einen zu erwartenden Kraftfluss angepasst ist.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Haut als ein monolithisches faserverstärktes Verbundbauteil ausgeführt. Ebenso können die Steifen sowie das Ringelement aus faserverstärkten Verbundwerkstoffen hergestellt sein, wobei es bei einem Ausführungsbeispiel vorgesehen ist, die Steifen mit dem Ringelement als eine Trägerkonstruktion in einem Resin-Tranfer-Moulding-Verfahren vollkommen integral zu fertigen und anschließend mit der Haut in einem Klebeverfahren bzw. einem Bonding-Verfahren zu verkleben. Jedoch ist auch eine differentielle Bauweise möglich, bei der beispielsweise die Steifen mit dem Ringelement vernietet werden.
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Die Anbindung des Druckschotts an den Rumpf kann über Längsträger erfolgen, deren Anzahl der Steifenanzahl entspricht und die sich endseitig von den Steifen erstrecken. Vorzugsweise verlaufen sie bei einer monolithischer Haut in Flugrichtung und erstrecken sich über mindestens ein Spantfeld, d. h. über zwei Spante. Wenn die Haut als ein Sandwich konstruiert ist, kann die Einbaurichtung der Längsträger auch umgedreht sein. Bei Sandwichbauweise kann die Haut insbesondere in den freien, nicht stabilisierten Flächenbereichen zwischen den Steifen gegenüber einer monolithischen Haut materialverjüngt ausgebildet sein, da sandwichartige Flächenbereiche prinzipiell eine größere Steifigkeit und somit ein größere Stabilität gegen Beulen aufweisen als monolithische Flächenbereiche. Idealerweise ist die Haut sowohl in monolithischer Bauweise als auch in Sandwichbauweise lastoptimiert ausgeführt. Entsprechend weisen bei einer Ausführungsform die freien Flächenbereiche innerhalb einer Bauweise eine größere Materialstärke auf als die stabilisierten Flächenbereiche, an denen die Steifen angebunden sind. Somit hat dieses Ausführungsbeispiel eine Haut mit variierender Hautdicke.
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Das erfindungsgemäße Druckschott ist derart belastbar, dass es in eine Querstoßverbindung von zwei miteinander zu verbindenden Rumpftonnen integriert werden kann.
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Sonstige vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
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Im Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung anhand schematischer Darstellungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Druckschotts,
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2 eine Detaildarstellung eines Kernbereichs des Druckschotts aus 1,
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3 ein Ringelement des Druckschotts aus 1, und
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4 eine Integration des Druckschotts aus 1 in eine Querstoßverbindung.
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In den Figuren sind gleiche konstruktive Elemente mit den gleichen Bezugsziffern versehen, wobei bei mehreren gleichen konstruktiven Elementen in einer Figur aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich ein Element mit einer Bezugsziffer versehen ist.
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Gemäß der Darstellung in 1 weist ein erfindungsgemäßes Druckschott 1 zur Anordnung in einem Rumpf eines Luftfahrzeugs, insbesondere eines Flugzeugs, zur Begrenzung einer Kabine in Längsrichtung eine flache Haut 2 und eine die Haut 2 stabilisierende Trägerkonstruktion 4 auf.
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Die Haut 2 ist vorzugsweise ein monolithisches kohlenstofffaserverstärktes Verbundbauteil mit einem etwa elliptischen Außenumfang, an den ein sich in Flugrichtung x erstreckender Rand 6 angebunden ist. Sie hat bevorzugterweise eine lastoptimierte variierende Materialstärke, kann jedoch auch mit einer einheitlichen konstanten Materialstärke ausgeführt sein.
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Die Trägerkonstruktion 4 besteht vorzugsweise ebenfalls aus einem kohlenstofffaserverstärkten Verbundwerkstoff und weist eine Vielzahl von radial orientierten Steifen 8 sowie ein radial innenliegendes Ringelement 10 auf. Die Steifen 8 erstrecken sich zwischen dem Ringelement 10 und dem Rand 6 und sind endseitig mit diesen jeweils verbunden. Sie sind gleichmäßig über der Haut 2 verteilt und haben jeweils einen I-förmigen Querschnitt, wobei zur Kraftflussoptimierung ihr radial außenliegender Körperabschnitt 12 gegenüber ihrem radial innenliegenden Körperabschnitt 14 zurückgestuft ist.
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Zur Anbindung des Druckschotts 1 an einen Rumpfabschnitt sind eine Vielzahl von Längsträgern 16 vorgesehen, von denen jeweils einer am radial außenliegenden Körperabschnitt 12 der Steifen im Bereich des Randes 6 befestigt ist. Die Längsträger 16 können aus einem faserverstärkten Verbundmaterial oder aus einem metallischen Werkstoff bestehen. Sie haben eine keilförmige Gestalt und sind bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel in Flugrichtung x orientiert. Dabei habe sie eine derartige Erstreckung, dass sie sich vorzugsweise über zwei nicht gezeigte Spantfelder, d. h. drei Spante, des Rumpfes und parallel zu diesen erstrecken. Die Längsträger 16 haben ebenfalls einen I-förmigen Querschnitt, wobei sie entsprechend den Steifen 8 im Anbindungsbereich mit denselben einen einseitig zurückgestuften Kopfgurt 18 aufweisen. Zur Durchführung des kreuzenden Spantes weisen die Längsträger jeweils eine U-förmige Ausnehmung 20 auf, die sich durch ihren Fußgurt 22 in Richtung des Obergurts 18 erstreckt.
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Gemäß der Schnittdarstellung in 2 hat das Druckschott 1 einen als konzentrischen und kreisförmigen Hohlraum 24 ausgeführten Kernbereich, der in radialer Richtung von dem Ringelement 10 und in Längsrichtung von einem Hautabschnitt 26 der Haut 2 sowie von einem ebenen und sternförmigen Flächenelement 28 mit einer geschlossenen Oberfläche mit einer Vielzahl von Fingern 30 begrenzt ist. Das Flächenelement 28 ist vorzugsweise ebenfalls ein Faserverbundbauteil und greift mit seinen Fingern 30 jeweils an einem Kopfgurtabschnitt 32 einer der Steifen 8 an. Es hat vorzugsweise eine lastoptimierte variierende Materialstärke, kann jedoch auch eine einheitliche konstante Materialstärke aufweisen, und verläuft parallel zum Hautabschnitt 22, wodurch der Kernbereich eine kasten- bzw. zellenartige dreidimensionale Geometrie mit einem rechteckigen Querschnitt erhält.
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Im Kernbereich der Haut 2 treten die größten Biegebelastungen auf, wobei durch den umfangsseitig und den stirnseitig verschlossenen Hohlraum 24 und insbesondere durch das als ein Verstärkungselement dienendes Flächenelement 28 eine äußerst biegebelastbare Zelle geschaffen wird. Neben der Materialstärke des Hautabschnitts 26 und der des Flächenelements 28, sowie deren Materialien an sich lässt sich die Biegesteifigkeit der Zelle bzw. des Kernbereichs und somit die des Druckschotts 1 über den axialen Abstand des Flächenelements 28 von dem Hautabschnitt 26 beeinflussen. Dabei bewirkt grundsätzlich eine Vergrößerung des axialen Abstandes eine Erhöhung der Biegesteifigkeit. Darüber hinaus wird durch die fingerförmige Anbindung des Flächenelements 28 an die Kopfgurtabschnitte 32 der Steifen 8 die Last aus den Kopfgurten herausgenommen und über den Kernbereich geführt, so dass die radial gegenüberliegenden Steifen 8 quasi miteinander gekoppelt sind.
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Gemäß 3 hat das Ringelement 10 einen C-förmigen Querschnitt mit einem fußseitigen Untergurt 34 zur Anbindung an der Haut 2, einem Obergurt 36 zur Befestigung des Flächenelementes 28 sowie einen sich zwischen dem Untergurt 34 und dem Obergurt 36 erstreckenden umfangsseitig geschlossenen Steg 38 zur radialen Begrenzung des Hohlraums 24. Dabei greifen die Steifen 8 endseitig an dem Steg 38 an und sind wie in 2 dargestellt mit ihrem Fußgurt 40 über den Untergurt 34 des Ringelements 10 geführt.
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Gemäß der Darstellung in 4 erfolgt die Anbindung des Druckschotts 1 in dem Rumpf zusätzlich zu den hier nicht gezeigten Längsträgern 16 über einen in dem Rumpf angeordneten umlaufenden Druckspant 42. Dabei wird ein umlaufender randseitiger Flächenabschnitt 44 der Haut 2 mit einem Steg 46 des Druckspants 42 verbunden. Der Steg 46 erstreckt sich nahezu mittig von einem fußseitigen Außengurt 48 und mündet kopfseitig in einen Innengurt 50, der entgegengesetzt zur Flugrichtung x orientiert ist. Der Druckspant 42 übernimmt gleichzeitig die Funktion einer Querstoßlasche zur Verbindung von zwei Rumpftonnen 52, 54, die über einen zu verschließenden Axialspalt 56 voneinander beabstandet sind. Die Rumpftonnen 52, 54 sind über den Außengurt 48 des Druckspants 42 miteinander verbunden, wobei der Steg 46 im Bereich des Axialspaltes 54 angeordnet ist. Die Anbindung des Druckspantes 42 an die Rumpftonnen 52, 54 erfolgt vorzugsweise über mechanische Verbindungselemente wie Nieten 58, die durch den Außengurt 48 und die Rumpftonnen 52, 54 geführt sind und deren Positionen durch die strichpunktierte Linien angedeutet sind.
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Bei einem bevorzugten Verfahren wird zuerst die Trägerkonstruktion 4 in einem Resin-Transfer-Moulding-Verfahren integral gefertigt und danach mit der separat hergestellten Haut 2 in einem Klebeverfahren verklebt.
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Die Profile der Trägerkonstruktion 4 sind nicht auf die beispielhaften I-Querschnitte oder C-Querschnitte beschränkt. Es sind ebenfalls weitere Querschnitte wie J-, E- oder Z-Querschnitte vorstellbar. Ebenso sind beispielsweise über die Länge der Steifen 8 variierende Profile (Querschnitt und Materialstärke) vorstellbar. Grundsätzlich sind die Querschnitte und die Materialstärken der Steifen 8, des Ringelements 10, der Längsträger 16 sowie die sonstigen Elemente des Druckschotts 1 wie Haut 2 und Flächenelement 28 last- und gewichtsoptimiert ausgeführt.
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Offenbart ist ein ebenes Druckschott zur Anordnung in einem Rumpf eines Luftfahrzeuges, insbesondere eines Flugzeugs, mit einer einen Querschnitt des Rumpfes abbildenden Haut, und mit sich auf der Haut erstreckenden Steifen zur Stabilisierung derselben, wobei sich die Steifen radial von einem als Hohlraum ausgeführten Kernbereich der Haut begrenzenden Ringelement erstrecken, über das sich zumindest ein Verstärkungselement erstreckt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Druckschott
- 2
- Haut
- 4
- Trägerkonstruktion
- 6
- Rand
- 8
- Steifen
- 10
- Ringelement
- 12
- außenliegender Körperabschnitt
- 14
- innenliegender Körperabschnitt
- 16
- Längsträger
- 18
- Kopfgurt
- 20
- Ausnehmung
- 22
- Fußgurt
- 24
- Hohlraum
- 26
- Hautabschnitt
- 28
- Flächenelement
- 30
- Finger
- 32
- Kopfgurtabschnitt
- 34
- Untergurt
- 36
- Obergurt
- 38
- Steg
- 40
- Fußgurt
- 42
- Druckspant
- 44
- Flächenabschnitt
- 46
- Steg
- 48
- Außengurt
- 50
- Innengurt
- 52
- Rumpftonne
- 54
- Rumpftonne
- 56
- Axialspalt
- 58
- Niet
- X
- Flugrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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