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TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft eine formstabile und bedarfsweise auch druckfeste Hülle, insbesondere für einen Flugzeugrumpf, die die Merkmale des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 aufweist, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
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Soweit in der Definition der vorliegenden Erfindung davon die Rede ist, dass Versteifungsrippen einer eine Haut der Hülle versteifenden Struktur mehreckige Felder der Haut begrenzen, so bedeutet dies, dass die Haut innerhalb dieser Felder nicht oder nur durch zusätzliche Versteifungsrippen verstärkt ist, die deutlich geringer dimensioniert sind als die die sechseckigen Felder begrenzenden Versteifungsrippen. Anders gesagt sind die von den Versteifungsrippen begrenzten mehreckigen Felder die Grundeinheiten der formstabilen Hülle.
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STAND DER TECHNIK
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Bei einer bekannten druckfesten Hülle mit den Merkmalen des Oberbegriffs des unabhängigen Patentanspruchs 1 für einen Flugzeugrumpf weist eine Struktur, die eine fluiddichte Haut der Hülle versteift, Versteifungsrippen auf, welche rechteckige Felder der Haut begrenzen. Dabei werden die in Umfangsrichtung der zylindermantelförmigen Hülle verlaufenden Versteifungsrippen als Spante und die in Längsrichtung verlaufenden Versteigungsrippen als Stringer bezeichnet. Dies ist die herkömmliche Bauweise für Flugzeugrümpfe und wird auch als Semimonocoque-Bauweise bezeichnet.
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Demgegenüber ist aus der
US 4,086,378 B1 eine Versteifung einer fluiddichten Haut mit Versteifungsrippen in Netzstruktur bekannt. Konkret handelt es sich um eine sogenannte Isogrid-Bauweise bekannt, bei der neben in Umfangsrichtung verlaufenden Spanten in gegenläufigen Richtungen helikal um die Zylinderachse der zylindermantelförmigen Hülle umlaufende Versteifungsrippen vorgesehen sind, so dass die Haut in gleiche dreieckige Felder unterteilt wird. Die helikal umlaufenden Versteifungsrippen werden auch als Helikalrippen bezeichnet.
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Bei einer aus der
DE 10 2009 057 018 A1 bekannten anderen Versteifung einer fluiddichten Haut mit Versteifungsrippen in Netzstruktur, die als Anisogrid-Bauweise bezeichnet wird, kreuzen sich die helikal um die Zylinderachse herum verlaufenden Versteifungsrippen nicht im Bereich der Spante, sondern dazwischen, wodurch sich ein Nebeneinander von dreieckigen und unregelmäßig sechseckigen Feldern der fluiddichten Haut ergibt.
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Aus der
EP 0 948 085 A2 ist eine parabolisch kuppelförmig gewölbte Hülle, zum Beispiel für einen Antennenreflektor, bekannt, die in Isogrid-Bauweise ausgeführt ist.
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Nachteil der Semimonocoque-Bauweise ist die nicht optimale Anordnung der Versteifungsrippen der versteifenden Struktur in Längs- und Umfangsrichtung. Hierdurch kommt es zu ungünstigen Lastumleitungen von Lasten in der Struktur, wie sie im Flug auf einen Flugzeugrumpf typischerweise einwirken. Aus den Maßnahmen zur Kompensierung dieser Lastumleitungen resultiert ein erhöhtes Gewicht der Struktur, insbesondere bei Verwendung von Faserverbundwerkstoffen, wie sie aktuell zur Gewichtsreduktion im Flugzeugbau vermehrt Verwendung finden. Faserverbundwerkstoffe sollen möglichst nur in Faserlängsrichtung, d. h. in Richtung ihrer höchsten Festigkeit, belastet werden. Deshalb sollte die versteifende Struktur mit ihren Verstärkungsrippen bereits in Lastrichtung ausgerichtet sein. Ein weiterer Nachteil der Semimonocoque-Bauweise ist die komplexe Einbringung von Öffnungen oder Ausschnitten in die Hülle, wenn die Größe der rechteckigen Felder überschritten wird, in die die Haut von den Versteifungsrippen unterteilt wird. In diesem Fall sind lokale Versteifungen der Haut erforderlich, die das Gewicht der gesamten Hülle erhöhen.
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Einige der genannten Nachteile der Semimonocoque-Bauweise werden durch die bekannten versteifenden Netzstrukturen beseitigt. So sind hier die Verstärkungsrippen sowohl in Umfangsrichtung als auch in beiden Steigungsrichtungen helikal um die Zylinderachse der Hülle angeordnet. Allerdings stellen die bekannten Netzstrukturen noch nicht das Optimum für eine formstabile Hülle unter dem Aspekt der minimalen Lastumleitung bei maximale Materialausnutzung dar. Nachteilig ist zudem die auch hier komplexe Einbringung von Öffnungen in die formstabile Hülle, oder die komplexe lokale Versteifung der bekannten Netzstrukturen zum Beispiel für den Flügel-Rumpf-Anschluss oder den Seitenleitwerks-Anschluss.
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Beide bekannten Bauweisen, d. h. sowohl Semimonocoque als auch Netzstrukturen, bieten zudem keine strukturelle und gewichtsmäßig optimale Lösung zum Verschließen einer Rumpfröhre vor allem am in Flugrichtung hinteren Ende, im Bereich des sogenannten Druckschotts, an. Hier sind bislang spezialisierte Lösungen im Einsatz, welche nicht im Einklang mit der restlichen Bauweise des jeweiligen Flugzeugs stehen und dementsprechend aufwändig anzuschließen sind.
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Beide bekannten Bauweisen werden praktisch so umgesetzt, dass ein ganzer Flugzeugrumpf als Einheit oder in Form großer, viele Felder der Haut überspannender Bauteile zusammengebaut wird.
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine formstabile Hülle, insbesondere für einen Flugzeugrumpf, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen formstabilen Hülle aufzuzeigen, die die geschilderten Nachteile des Stands der Technik beseitigen.
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LÖSUNG
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine formstabile Hülle mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche 2 bis 9 betreffen bevorzugte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen formstabilen Hülle. Der Anspruch 10 ist auf ein Flugzeug mit einer erfindungsgemäßen druckfesten Hülle gerichtet. Die Patentansprüche 11 und 12 betreffen zwei Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen formstabilen Hülle. Der abhängige Unteranspruch 13 ist auf eine bevorzugte Ausführungsform dieser beiden Verfahren gerichtet.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Eine erfindungsgemäße formstabile Hülle mit einer Haut und mit einer die Haut versteifenden Struktur, die in verschiedenen Richtungen längs der Hauptebene der Haut verlaufende Versteifungsrippen aufweist, wobei die Versteifungsrippen mehreckige Felder der Haut begrenzen, ist dadurch gekennzeichnet, dass die mehreckigen Felder mehrere in einer dichtesten Packung nebeneinander angeordnete sechseckige Felder umfassen. Die derart von den Versteifungsrippen gebildete versteifende Struktur wird hier auch als Hexagonalversteifung bezeichnet.
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Vorzugsweise sind diese sechseckigen Felder regelmäßig, d. h. regelmäßige Sechsecke. Eine erfindungsgemäße formstabile Hülle weist damit eine Art Isogrid-Struktur auf, bei der die Grundeinheiten jedoch keine Dreiecke sondern Sechsecke sind. In den Stegen eines reinen Hexagons bilden sich andere und strukturmechanisch günstigere Spannungsverteilungen aus, als in den Stegen eines Hexagons, welches aus Dreiecken gebildet ist – dies ist die Grundlage der vorliegenden Erfindung.
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Die versteifende hexagonale Struktur bzw. deren Versteifungsrippen stellen die Last tragende Grundstruktur der erfindungsgemäßen formstabilen Hülle dar. Deren Haut kann hingegen biegeweich sein. Vorzugsweise ist sie aber zugsteif. Insoweit unterscheidet sich die vorliegende Erfindung nicht nur aufgrund der gekrümmten Raumform der Hülle und der Tatsache, dass sie keinen Sandwichaufbau aufweist, von sogenannten Honeycomb-verstärkten Sandwichstrukturen. Bei diesen Sandwichstrukturen ist die häufig aus Papier bestehende bienenwabenförmige Zwischenschicht in den Haupterstreckungsrichtungen der Sandwichstruktur nicht Last tragend, sondern sie dient als leichter Abstandhalter zwischen bereits an sich formsteifen Decklagen des Sandwichaufbaus.
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Durch die Geometrie der Sechsecke unterliegen die sechseckigen Felder der Haut mit den zugehörigen Versteifungsrippen einer Selbstähnlichkeit, d. h. mehrere Felder bilden in der gekrümmten Hauptebene der formstabilen Hülle wieder ein Sechseck. Dadurch lassen sich besonders gut Öffnungen in eine erfindungsgemäße formstabile Hülle einbringen, ebenso wie lokale Versteifungen durch Füllen von sechseckigen Feldern mit kleineren sechseckigen Feldern. Ausgehend von den kleinsten sechseckigen Feldern gilt dann, dass ein sechseckiges Feld, sechs darum herum angeordnete weitere sechseckige Felder und sechs Teilfelder in den Ecken dieser Anordnung von einem übergeordneten regelmäßigen sechseckigen Feld abgedeckt sind, das durch massivere Verstärkungsrippen als die Verstärkungsrippen der sechseckigen Felder begrenzt ist. Es können auch noch mehr unterschiedlich große sechseckige Felder vorgesehen sein. Durch die Ausfüllung der sechseckigen Felder können diese für die Einleitung von externen Lasten, zum Beispiel im Bereich des Flügel-Rumpf-Anschluss, ertüchtigt werden. Daneben können Lasten auch an den Knotenpunkten der Versteifungsrippen eingeleitet werden. Von diesen Knotenpunkten aus werden die eingeleiteten Kräfte im Sinne eines optimalen Kraftflusses verteilt.
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Die Steifigkeit der einzelnen sechseckigen Felder kann durch Modifikation ihrer Größe, der Dicke und/oder Höhe der begrenzenden Versteifungsrippen sowie durch das eingesetzte Material variiert werden. Durch Kombination verschieden steifer sechseckiger Felder über die formstabile Hülle können die Steifigkeiten der Hülle bzw. eines daraus ausgebildeten Flugzeugrumpfs je nach lokaler Anforderung quasi modular maßgeschneidert werden.
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Auch von den übergeordneten regelmäßigen sechseckigen Feldern können mehrere in einer dichtesten Packung nebeneinander angeordnet sein. Hiervon müssen nicht alle durch die kleineren sechseckigen Felder gefüllt sein. Vielmehr können in einzelnen Bereichen der formstabilen Hülle auch die weiteren sechseckigen Felder die kleinste Unterteilung der formstabilen Hülle darstellen.
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In einer dichtesten Packung nebeneinander angeordnete regelmäßige sechseckige Felder grenzen in drei unter jeweils 60° zueinander angeordnete Richtungen direkt linienförmig aneinander an. Diese Richtungen können in Bezug auf einen zylindermantelförmigen Bereich der Hülle unterschiedlich ausgerichtet werden. Dabei gibt es drei Möglichkeiten, von denen je nach Verwendung der erfindungsgemäßen formstabilen Hülle Gebrauch gemacht werden kann. Bei der ersten Möglichkeit verläuft eine Richtung, in der die sechseckigen Felder direkt aneinander angrenzen, längs der Zylinderachse, d. h. parallel dazu. Die beiden anderen dieser Richtungen verlaufen dann symmetrisch helikal um die Zylinderachse. Bei der zweiten Möglichkeit läuft die eine Richtung, in der die sechseckigen Felder direkt aneinander angrenzen, in Umfangsrichtung um die Zylinderachse. Auch in diesem Fall laufen die beiden anderen Richtungen spiralförmig um die Zylinderachse, diesmal aber nicht unter einem Steigungswinkel von ±30°, sondern ±60°. Bei der dritten Möglichkeit verläuft die eine Richtung, in der die sechseckigen Felder direkt aneinander angrenzen, mit einem Steigungswinkel größer als 0°, aber kleiner als 30° spiralförmig um die Zylinderachse.
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Die erfindungsgemäße formstabile Hülle ist aber nicht auf zylindermantelförmige Hüllen beschränkt. Insbesondere kann sie auch kegel- oder kegelstumpfmantelförmig sein und auch andere Abweichungen von einer reinen Zylindermantelform aufweisen. Dabei können die sechseckigen Felder der Haut auch unterschiedliche Größen und/oder Unregelmäßigkeiten aufweisen, um die Abweichungen von der Zylindermantelform zu kompensieren.
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Die Anordnung der sechseckigen Felder bei der erfindungsgemäßen formstabilen Hülle weist damit Parallelen zu den bekannten unterschiedlichen Ausrichtungen der hexagonalen Zellen bei Carbon Nanotubes (CNT) auf. Hier werden die oben geschilderte erste Variante als "Armchair", die zweite Variante als "Zig Zag" und die dritte Variante als "Chiral" bezeichnet.
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In einem zylindermantelförmigen Bereich der erfindungsgemäßen formstabilen Hülle können die sechseckigen Felder im Prinzip alle durch die versteifende Struktur gegeneinander abgegrenzten Felder der Haut der Hülle ausmachen. Zumindest machen sie nach Anzahl oder Fläche die Mehrheit der mehreckigen Felder der Haut aus.
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Neben den sechseckigen Feldern können zum Beispiel in einem kuppenförmig gewölbten Bereich der Hülle auch fünfeckige Felder vorgesehen sein. Dieses Konzept ist grundsätzlich von der Mischung von fünf- und sechseckigen Feldern bei einem Fußball oder auch einem sogenannten Bucky-Ball (einer Kohlenstoffstruktur) bekannt.
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Bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen formstabilen Hülle können zur Ausbildung der versteifenden Struktur zunächst endlose Rippenringe aus unter gegenläufigen Winkeln von 60° aneinander anschließenden geraden Versteifungsrippenbereichen in Richtung ihrer gemeinsamen Ringachse aneinander gefügt werden. Anschließend kann dann die Haut auf die Verstärkungsstruktur aufgebracht werden.
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Alternativ können zur Ausbildung der versteifenden Struktur endlose sechseckige Rippenringe aus unter gleichsinnigen Winkeln von 60° aneinander anschließenden geraden Versteifungsrippenbereichen seitlich aneinander gefügt werden, bevor die Haut auf die versteifende Struktur aufgebracht wird. Es können auch Mischformen dieser beiden genannten Verfahren zum Einsatz kommen, bei denen zum Beispiel zunächst in Umfangsrichtung der Hülle aus elementaren Rippenringen zusammengesetzte größere Rippenringe in Richtung ihrer gemeinsamen Achse aneinander gefügt werden.
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Die Haut der erfindungsgemäßen formstabilen Hülle kann anschließend in Form einer Endlosbahn auf die versteifende Struktur aufgewickelt werden. Grundsätzlich ist es bei der erfindungsgemäßen formstabilen Hülle aber auch möglich, die Haut auf der Innenseite der versteifenden Struktur anzuordnen, wenn die Innenseite der Struktur durch die Haut glatt überspannt werden soll. Für die Ausbildung eines Flugzeugrumpfs hingegen wird die Haut im Regelfall auf der Außenseite der versteifenden Struktur aufgebracht und dazu beispielsweise aufgewickelt werden.
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Die Haut kann sowohl auf eine bereits ausgehärtete als auch auf eine noch nicht ausgehärtete versteifende Struktur aufgebracht werden. Im ersteren Fall härten die versteifende Struktur und die Haut nacheinander, im letzteren Fall gleichzeitig aus. In jedem Fall gehen die versteifende Struktur und die Haut beim Aushärten der Haut eine Bindung ein.
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Die erfindungsgemäße formstabile Hülle kann aus unterschiedlichsten Materialien aufgebaut werden. Sie ist gut geeignet zur Ausbildung der formstabilen Hülle aus Faserverbundmaterial. Sie kann aber auch teilweise oder ganz aus Metall aufgebaut werden. Daneben sind auch Nanocomposite und andere Werkstoffe einsetzbar. Bei den Faserverbundwerkstoffen sind insbesondere Kohlenfaserverbundwerkstoffe bevorzugt.
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Neben dem Einsatz für Flugzeugrümpfe kommen Verwendungen der erfindungsgemäßen formstabilen Hülle für Kessel, Raketenrümpfe, Waschmaschinentrommeln und dergleichen in Frage. Je nach Einsatzgebiet kann die Haut der formstabilen Hülle fluiddicht, insbesondere gasdicht sein, oder z. B. eine gewollte Perforation oder Siebstruktur aufweisen. Eine fluiddichte formstabile Hülle ergibt dabei eine druckdichte Hülle.
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Die vorliegende Erfindung ist zur vorteilhaften Ausbildung hexagonal versteifter, bedruckter oder nicht bedruckter mantelförmiger, insbesondere zylindermantelförmiger, formstabiler Hüllen geeignet. Zum Beispiel sind die Zwischenringe zwischen den Stufen einer Proton-M-Rakete derzeit aus herkömmlichen Anisogrid-Strukturen hergestellt, welche nicht bedruckt sind. Hier wäre der Einsatz einer formstabilen oder einer druckfesten, aber nicht bedruckten erfindungsgemäßen Hülle möglich.
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Bei einem Flugzeug mit einem Flugzeugrumpf, der eine erfindungsgemäße druckfeste Hülle aufweist, können auch eine hintere Schottwand und eine vordere Cockpitstruktur nach den geschilderten Prinzipien der erfindungsgemäßen formstabilen Hülle ausgebildet sein. Es ist aber ebenso möglich, hier auf andere Bauweisen zurückzugreifen. Auch in diesem Fall wirkt sich vorteilhaft aus, dass in eine erfindungsgemäße formstabile Hülle sehr leicht Kräfte eingeleitet werden können, die durch die Versteifungsrippen ihrer versteifenden Struktur in günstiger Weise verteilt und entsprechend sicher abgestützt werden.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft und können alternativ oder kumulativ zur Wirkung kommen, ohne dass die Vorteile zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Ohne dass hierdurch der Gegenstand der beigefügten Patentansprüche verändert wird, gilt hinsichtlich des Offenbarungsgehalts der ursprünglichen Anmeldungsunterlagen und des Patents Folgendes: weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert und beschrieben.
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1 zeigt ein Fugzeug, bei dem die Ausbildung eines im Wesentlichen zylindrischen Bereichs seines Rumpfs durch eine erfindungsgemäße formstabile Hülle illustriert ist.
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2 illustriert ein Verfahren zur Herstellung einer versteifenden Struktur für eine erfindungsgemäße formstabile Hülle mit der Form eines Zylindermantels.
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3 zeigt eine alternative Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung der versteifenden Struktur der erfindungsgemäßen formstabilen Hülle.
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4 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung der versteifenden Struktur der erfindungsgemäßen formstabilen Hülle.
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5 zeigt eine hierarchische Anordnung von sechseckigen Feldern in dichtester Packung in der Fläche, wie sie bei einer erfindungsgemäßen druckdichten Hülle zur Anwendung kommen kann; und
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6 illustriert das Aufwickeln einer Haut auf die gemäß 2, 3 oder 4 hergestellte versteifende Struktur.
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FIGURENBESCHREIBUNG
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Das in 1 dargestellte Flugzeug 1 ist ein Verkehrsflugzeug und weist einen Flugzeugrumpf 2, an den Flugzeugrumpf 2 angesetzte Tragflügel 3 mit daran gelagerten Triebwerken 4, ein Höhenleitwerk 5 und ein Seitenleitwerk 6 am Heck 7 des Flugzeugrumpfs 2 und einen den Flugzeugrumpf 2 vor einem Cockpitbereich 8 nach vorne abschließende Nase 9 auf. In einem im Wesentlichen zylindrischen Bereich 10 weist der Flugzeugrumpf 2 eine druckfeste Hülle mit einer hier nicht wiedergegebenen äußeren fluiddichten Haut und einer darunter liegenden versteifenden Struktur 11 auf. Diese versteifende Struktur 11 weist eine hexagonale Anordnung von Versteifungsrippen 12 auf und wird daher auch als Hexagonalstruktur bezeichnet. Die Versteifungsrippen 12 unterteilen die in 1 nicht dargestellte Haut der druckfesten Hülle in regelmäßige sechseckige Felder 24, die in der zylindermantelförmigen Hauptebene der druckfesten Hülle in dichtester Packung nebeneinander angeordnet sind. Dabei verlaufen die drei Richtungen, in denen diese Sechsecke direkt aneinander angrenzen, hier einmal längs zur Zylinderachse 13 des zylindermantelförmigen Bereichs 10 und mit gegenläufigen Steigungen von 30° spiralförmig um die Zylinderachse 13. Bei einem CNT wird eine derartige Anordnung der hexagonalen Struktur als "Armchair" bezeichnet. Die versteifende Struktur 11 könnte aber auch so ausgebildet sein, dass eine der genannten Richtungen, in denen die einzelnen durch die Versteifungsrippen 12 begrenzten Sechsecke direkt aneinander angrenzen, in Umfangsrichtung um die Zylinderachse 13 verläuft oder unter einem kleinen Winkel dazu. Diese Anordnungen werden bei einem CNT als "Zig Zag" oder "Chiral" bezeichnet.
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Während 1 die versteifende Struktur 11 mit den Versteifungsrippen 12 in hexagonaler Anordnung nur über den zylindermantelförmigen Bereich 10 hinweg zeigt, kann sie sich mit Abwandlungen von der Regelmäßigkeit in den Bereich 10 auch bis in das Heck 7 und in den Cockpitbereich 8 bis zu der Nase 9 erstrecken. Zudem kann sie sowohl vordere als auch hintere Druckschotts innerhalb des Flugzeugrumpfs 2 ausbilden, wobei dazu die druckfeste Hülle neben sechseckigen auch fünfeckige Felder aufweisen kann, wie dies von einem Fußball her bekannt ist. Ebenso kann der Rumpf auch im Bereich eines Flügelkastens 14 und eines Fahrwerkschachts 15 die versteifende Struktur 11 mit Versteifungsrippen 12 in hexagonaler Anordnung aufweisen, wobei dort die von den Versteifungsrippen 12 begrenzten Felder größer oder kleiner sein können, um Ausschnitte stabil zu umranden oder die versteifende Struktur 11 lokal noch weiter auszusteifen, um sie für die Einleitung externer Kräfte zu ertüchtigen.
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2 illustriert eine Möglichkeit, eine versteifende Struktur 11 für eine zylindermantelförmige druckfeste Hülle auszubilden. Dazu werden zunächst um die Zylinderachse 13 einfach umlaufende Rippenringe 16 aus Versteifungsrippenabschnitten 17 ausgebildet. Die Versteifungsrippensabschnitte 17 grenzen unter gegenläufigen Winkeln von 60° aneinander an. Die Richtungsumkehr der Richtung der Winkel findet dabei nach jeweils zwei Knicken statt. Diese Rippenringe 16 können insbesondere aus Faserverbundmaterial ausgebildet sein, wobei die Verstärkungsfasern über die Knicke zwischen den einzelnen Versteifungsrippenabschnitten 17 durchlaufen. In Richtung parallel zu der Zylinderachse 13 werden die Rippenringe 16 aneinander gefügt, wobei sie im Bereich ihrer parallel aneinander anliegenden Rippenabschnitte 17' miteinander verbunden, beispielsweise miteinander verklebt werden. So entsteht die zylindermantelförmige versteifende Struktur 11.
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3 illustriert eine Ausbildung der versteifenden Struktur 11 durch Ablegen von vorimprägnierten endlosen Fasergelegen 27 mit mindestens einem Ablegekopf 28 in Rillen 29 in einem Kern 30. Dabei können die Fasergelege 27 jeweils zu Ringen abgelegt werden, die den Rippenringen 16 gemäß 2 entsprechen. Die Fasergelege können aber auch lagenweise in unterschiedlichen Richtungen über die Verbindungspunkte der Versteifungsrippen 12 hinweg in die Rillen 29 abgelegt werden, so dass sie nicht in voneinander trennbaren Ringen sondern in einem zusammenhängenden, sich über die gesamte versteifende Struktur 11 erstreckenden Netz angeordnet sind. Der Kern ist 30 ist zerlegbar und wird nach dem Aushärten der versteifende Struktur 11 entfernt.
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4 illustriert eine alternative Ausbildung der versteifenden Struktur 11. Hier wird sie aus einzelnen endlosen sechseckigen Rippenringen 20 zusammengesetzt, deren Versteifungsrippenabschnitte 21 unter gleichsinnigem Winkel von 60° aneinander anschließen. Die bei der Zusammenstellung der Rippenringe 20 parallel aneinander anliegenden Versteifungsrippenabschnitte 21 werden miteinander verbunden, beispielsweise verklebt. Bei dieser Art und Weise der Ausbildung der versteifenden Struktur 11, auf die anschließend die Haut 18 gemäß 3 aufgewickelt werden kann, existieren bei Ausbildung aus Faserverbundwerkstoffen keine Fasern, die sich über die einzelnen Rippenringe 20 hinaus erstrecken. Als vorteilhaft erweist es sich jedoch, dass die einzelnen Rippenringe 20 bezüglich ihres Materials, der Stärke ihrer Versteifungsrippenabschnitte 21 und/oder anderer Faktoren individuell in Anpassung auf ihren jeweiligen Einsatzort ausgebildet werden können.
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Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, beispielsweise zur Ausbildung eines Rahmens für einen Ausschnitts neun der Rippenringe 20 durch einen in 4 mit gestrichelter Linie dargestellten größeren Rippenring 22 zu ersetzen. Dabei betrifft die Ersetzung nicht nur alle in die Fläche des Rippenrings 22 fallenden sieben Rippenringe 20, sondern auch die potentiell im Bereich der Ecken des Rippenrings 22 anzuordnenden Rippenringe 20.
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Umgekehrt kann zur weiteren Versteifung der Struktur 11 ein größerer Rippenring 22 durch sieben kleinere Rippenringe 20 ausgesteift werden, wie dies in 5 angedeutet ist. Auch die kleineren Rippenringe 20 können jeweils durch noch kleinere sieben Rippenringe 23 ausgesteift werden. Dabei wird die über der versteifenden Struktur angeordnete Haut 18 durch die Rippenringe 23 überwiegend in sechseckige Felder 24 aufgeteilt. Daneben verbleiben rautenförmiger Felder 25 und dreieckige Felder 26, deren Fläche aber gegenüber der Fläche der sechseckigen Felder 24 vergleichsweise klein bleibt. Durch die hierarchische Struktur gemäß 5 ist es neben der unterschiedlichen Ausbildung der einzelnen Rippenringe 20, 22 und 23 möglich, die lokale Steifigkeit der versteifenden Struktur 11 nach Bedarf einzustellen.
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6 zeigt, wie die fluiddichte Haut 18 durch Aufwickeln auf die versteifende Struktur 11 aufgebracht werden kann, um eine druckfeste Hülle 19 auszubilden. Bei dem Material für die Haut 18 kann es sich um vorimprägnierte Fasergelege handeln, die anschließend zusammen mit der versteifenden Struktur 11 ausgehärtet werden, um diese dauerhaft zu der Hülle 19 zu verbinden. Die Haut kann aber auch auf eine bereits ausgehärtete versteifende Struktur 11 aufgebracht und dann darauf ausgehärtet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Flugzeug
- 2
- Flugzeugrumpf
- 3
- Tragflügel
- 4
- Triebwerk
- 5
- Seitenleitwerk
- 6
- Höhenleitwerk
- 7
- Heck
- 8
- Cockpitbereich
- 9
- Nase
- 10
- Bereich
- 11
- versteifende Struktur
- 12
- Versteifungsrippe
- 13
- Zylinderachse
- 14
- Flügelkasten
- 15
- Fahrwerkschacht
- 16
- Rippenring
- 17
- Versteifungsrippenabschnitt
- 18
- Haut
- 19
- Hülle
- 20
- Rippenring
- 21
- Versteifungsrippenabschnitt
- 22
- Rippenring
- 23
- Rippenring
- 24
- Feld
- 25
- Feld
- 26
- Feld
- 27
- Verstärkungsfasergelege
- 28
- Ablegekopf
- 29
- Rille
- 30
- Kern
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 4086378 B1 [0004]
- DE 102009057018 A1 [0005]
- EP 0948085 A2 [0006]
