DE102013102812B4

DE102013102812B4 - Rumpfstruktur für ein Verkehrsmittel, Verkehrsmittel und Verfahren zum Herstellen einer Rumpfstruktur für ein Verkehrsmittel

Info

Publication number: DE102013102812B4
Application number: DE102013102812.8A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Gleine
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2013-03-19
Filing date: 2013-03-19
Publication date: 2017-01-26
Anticipated expiration: 2033-03-20
Also published as: DE102013102812A1; US20140286691A1

Abstract

Eine Rumpfstruktur für ein Verkehrsmittel weist mindestens zwei Rumpfabschnitte (2, 4) auf, die jeweils eine Außenhaut (6) mit jeweils einer Endkante (8) aufweisen. In einem Verbindungsbereich (10) zweier Rumpfabschnitte (2, 4) sind die Endkanten (8) der Rumpfabschnitte (2, 4) voneinander beabstandet. Verbindungselemente (16) stellen eine mechanische Verbindung zweier Rumpfabschnitte (2, 4) her. Die Leitung von Körperschall wird durch die mehrfache Umlenkung des Schallpfades geschwächt und führt somit zu einer Reduktion von durch Körperschall induzierten Lärms in der Kabine des Verkehrsmittels.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung betrifft eine Rumpfstruktur für ein Verkehrsmittel, ein Verkehrsmittel mit einer Rumpfstruktur und ein Verfahren zum Herstellen einer Rumpfstruktur für ein Verkehrsmittel.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Von Passagieren in einer Kabine eines Verkehrsmittels wahrnehmbarer Lärm wird durch Schallquellen innerhalb und außerhalb der Kabine hervorgerufen. In Flugzeugen tragen rumpfseitig installierte Systeme, etwa Hydrauliksysteme, eine Klimaanlage und Vakuumsysteme für Toiletten, außerhalb der Kabine etwa der Grenzschichtlärm und Triebwerke erheblich zum Schallpegel in der Kabine bei. Neuartige Antriebe, etwa Triebwerke mit gegenläufigen Propellern, können sehr hohe Schallpegel erzeugen, für die gezielte, zusätzliche Maßnahmen zur Lärmminderung an der Rumpfstruktur von großer Bedeutung sind, da sich dort lokal eingeführte Schallleistung in Form von Körperschallwellen entlang der Rumpfstruktur ausbreitet und entlang dieses Schallpfades Luftschall in die Kabine abgibt. Hieraus resultiert eine identische Lärmbelästigung durch hohe Schallpegel, insbesondere in der Nähe einer Schalleinkoppelstelle der Triebwerke.
Gegenwärtige Maßnahmen zur Minderung von Körperschall beispielsweise in Flugzeugen erstrecken sich auf Einbauten in einer vorgegebenen Flugzeugstruktur und umfassen etwa schallabsorbierende Glaswollisolierpakete, angepasste Kabinenwandelemente und akustisch entkoppelnde Aufhängungselemente. Schallwellen von externen Schallquellen treffen daher zunächst auf die Primärstruktur des Flugzeugrumpfs und regen dort Strukturschwingungen an, die sich in Form von Körperschallwellen entlang des Flugzeugrumpfs ausbreiten. Entlang des Ausbreitungsweges dieser Körperschallwellen werden Luftschallwellen in die Flugzeugkabine abgestrahlt und Kabinenausstattungselemente über deren Anbindungspunkte an die Rumpfstruktur zu Schwingungen angeregt, bei der es ebenfalls zu einer Schallabstrahlung in die Kabine kommt. Hohe Schallanregungspegel, die bei Triebwerken mit gegenläufigen Propellern an der Oberfläche des Flugzeugrumpfes in einer Größenordnung bis zu 150 dB zu erwarten sind, ergeben entsprechend hohe, in die Flugzeugkabine übertragene Schallpegel, da im Allgemeinen die bei der Körperschallübertragung durch den Flugzeugrumpf und in die bei der lokalen Luftschallübertragung in die Flugzeugkabine hinein auftretenden Verlustmechanismen erheblich unter dem erforderlichen Maß für einen dem heutigen Stand der Technik entsprechenden Kabinenschallpegel liegen. Aufgrund des fehlenden Einsatzes derartiger Flugantriebe in der zivilen Passagierluftfahrt existieren im Stand der Technik keine wirkungsvollen Einrichtungen zur Senkung des körperschallinduzierten Lärms in der Kabine.
DE 10 2009 021 369 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen eines Flugzeugrumpfes mit mindestens zwei Rumpftonnen, wobei zuerst Verbindungssegmente zur Bildung eines Querstoßbereichs für einen späteren Querstoß vorbereitet werden und dann die Rumpftonnen um die Verbindungssegmente herum aufgebaut werden, ohne ein separates Entfernen von Spänen oder das Bohren auf Endmaß.
DE 10 2010 039 705 A1 zeigt ein Strukturelement, insbesondere für ein Luft- und Raumfahrzeug, mit einem Kern, dessen Steifigkeit zum Optimieren der aeroelastischen Eigenschaften des Strukturelements zumindest abschnittsweise variiert.
DE 10 2010 047 561 A1 offenbart eine Klemmvorrichtung zur Montage einer Stringerkupplung im Bereich einer Querstoßverbindung zwischen zwei benachbarten Rumpfsektionen eines Flugzeugs zur koaxialen Verbindung je zugeordneter Stringer, wobei sich die Stringerkupplung im Bereich der Quer-stoßverbindung mit einem Spantprofil kreuzt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Aufgabe der Erfindung liegt daher darin, eine Rumpfstruktur für ein Verkehrsmittel vorzuschlagen, bei der ein möglichst geringer körperschallinduzierter Lärm innerhalb der Rumpfstruktur entsteht.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Rumpfstruktur mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungsformen sind den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung zu entnehmen.
Es wird eine Rumpfstruktur vorgeschlagen, die mindestens zwei miteinander verbundene Rumpfabschnitte aufweist, wobei die Rumpfabschnitte jeweils eine Außenhaut mit mindestens einer Endkante aufweisen, wobei in einem Verbindungsbereich zweier Rumpfabschnitte die Endkanten der Außenhaut der betreffenden Rumpfabschnitte voneinander beabstandet sind und wobei mindestens ein Verbindungselement eine mechanische Verbindung der betreffenden Rumpfabschnitte herstellt.
Ein Kern der Erfindung liegt demnach darin, eine direkte Körperschallleitung zwischen zwei miteinander verbundenen Rumpfabschnitten über die Außenhaut zu unterbinden. Die vollständige Unterbrechung der Außenhaut in dem Verbindungsbereich und das Herstellen einer mechanischen Verbindung über strukturseitig angeordnete Verbindungselemente erfordert eine mehrfache Umlenkung bzw. Umleitung von Körperschall, der von einem Rumpfabschnitt ausgeht. Insgesamt führt dies zu einer deutlichen Reduktion der Stärke des durch Körperschall entstehenden Lärms in der Kabine. Durch den Abstand von Endkanten zueinander gewandter Rumpfabschnitte werden insbesondere Wellen mit tiefen Frequenzen bzw. großen Wellenlängen an den Endkanten reflektiert. Eine Schallwellenreflexion wird weiterhin auch durch eine Massediskontinuität aufgrund der Masse der Verbindungselemente strukturseits im Vergleich zu der der Außenhaut hervorgerufen.
Die Verbindungselemente sollten derart ausgestaltet und eingesetzt werden, dass eine möglichst geringe Anzahl an Verbindungselementen ausreicht, um an den Endkanten der Außenhaut einen Abstand gewährleisten zu können. Bei Verkehrsmitteln wie Flugzeugen, Eisenbahnen, Schiffen etc. werden Rumpfabschnitte in axialer Richtung aneinander gereiht. Der zwischen den zu verbindenden Rumpfabschnitten einzustellende Abstand sollte daher bevorzugt in axialer Richtung ausgeführt sein. Die axiale Richtung ist als eine Haupterstreckungsrichtung zu verstehen und besonders bevorzugt als Längsrichtung parallel zu der Längsachse des betreffenden Rumpfabschnitts. Für den Fall des Flugzeugs ist die Richtung etwa die mit der „x“-Achse zusammenfallende Richtung des Flugzeugrumpfs gemäß der für die Luftfahrt geltenden DIN 9300. Sollte das Verkehrsmittel eine Rumpfstruktur mit mehreren Rumpfabschnitten aufweisen, die in lateraler Richtung miteinander verbunden werden, ist demnach eine Beabstandung in dieser Richtung erforderlich.
Die zum Verbinden zweier Rumpfabschnitte resultierende, aktive Gesamtquerschnittsfläche von herkömmlichen, beispielsweise als Schraubbolzen, Schraubnieten oder ähnlichen form- und/oder kraftschlüssigen ausgeführten Verbindungselementen, bewirken insgesamt eine Verkleinerung eines Schallübertragungsquerschnitts im Vergleich mit einer konventionellen Verbindung der Außenhaut zweier zueinander gerichteter Rumpfabschnitte in einem Verbindungsbereich. Daneben bewirken, bedingt durch die erfindungsgemäße Bauweise, mehrfache Richtungsänderungen des Schallausbreitungswegs von der Außenhaut über die Verbindungselemente ebenfalls Schallreflexionen. Jeder Richtungsänderung folgt stets ein Überkoppeln bestehender Schallwellenausbreitungsformen in andere Formen, begleitet von einer Schwächung der Stärke.
Zur Wahrung eines Mindestabstandes zwischen zueinander gewandten Endkanten von Rumpfabschnitten ist die Verwendung von Abstandshaltern sinnvoll. Derartige Abstandshalter sind auf unterschiedliche Arten realisierbar, eine einfache Form könnte Pass- oder Unterlegscheiben in Kombination mit bolzenartigen Verbindungselementen umfassen. Ein Abstandshalter kann auch durch einen Abschnitt eines Verbindungselements realisiert sein, der etwa einen Vorsprung, einen Absatz oder Ähnliches beinhaltet, der zum Aufliegen auf einer Endfläche eines Strukturverbindungselements oder dergleichen eingerichtet ist.
Mindestens ein Abstandshalter weist ein Piezoelement auf, welches dazu eingerichtet ist, durch äußere Anregung Körperschallleitung zu reduzieren. Die gegenphasige Anregung des Piezoelements oder das Bewirken einer Kraft gegen eine mechanische Anregung kann die Leitung von Körperschall reduzieren.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform weist mindestens eines der Rumpfabschnitte Längsversteifungselemente auf, die im Bereich der Endkante der Außenhaut enden, so dass Längsversteifungselemente zweier miteinander verbundener Rumpfabschnitte in einer Längsrichtung voneinander beabstandet sind. Derartige Längsversteifungselemente, die im Flugzeugbau auch als Stringer bekannt sind, dienen neben Spanten und der Außenhaut zur Herstellung einer formstabilen Rumpfstruktur. Durch die Trennung der Längsverteifungselemente kann die Körperschallübertragung an dieser Stelle ebenfalls eliminiert werden, was die Entstehung von durch Körperschall induziertem Lärm noch deutlicher reduziert. Die Längsversteifungselemente müssen nicht zwangsläufig bündig mit den Endkanten der Außenhaut enden, sondern können diese überragen, sofern ein Abstand zu Längsversteifungselementen und der Außenhaut des zu verbindenden Rumpfabschnitts gewährleistet werden kann. Alternativ kann ein Längsversteifungselement auch innerhalb des Rumpfabschnitts noch vor der Endkante der Außenhaut unterbrochen werden. Selbstverständlich ist auch eine in Umfangsrichtung versetzte Anordnung von Längsversteifungselementen im Wechsel zwischen den Rumpfabschnitten möglich, wobei dafür aus Gründen der symmetrischen Kraftverteilung eine über den Umfang regelmäßig verteilte Anordnung zu bevorzugen ist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weist jeder Rumpfabschnitt ein Strukturverbindungselement auf, das an der Endkante der Außenhaut angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, das mindestens eine Verbindungselement zum Verbinden mit einem Strukturverbindungselement eines anderen Rumpfabschnitts aufzunehmen. Jedes Strukturverbindungselement sollte daher eine mechanische Festigkeit aufweisen, die zur Aufnahme sämtlicher strukturellen Lasten ausreicht. Es ist hierbei darauf hinzuweisen, dass die Strukturverbindungselemente in einem Verbindungsbereich selbstverständlich auch einen Abstand zueinander aufweisen, um eine kontaktinduzierte Weiterleitung von Schall zu vermeiden.
Ist die Rumpfstruktur mit Längsversteifungselementen ausgestattet, können diese in den betreffenden Rumpfabschnitten mechanisch fest mit den Strukturverbindungselementen verbunden sein, so dass ein präziser Kraftfluss über diesen mechanischen Abschluss ermöglicht wird. Es kann daher von Vorteil sein, wenn die Strukturverbindungselemente einen in Umfangsrichtung verlaufenden bandartigen Flansch aufweisen, mit dem die Längsversteifungselemente verbindbar sind. Dieser bandartige Flansch kann ein integraler Bestandteil eines ringförmigen Rahmens, etwa eines spantartigen Bauteils sein, der einen festigkeitsoptimierten Querschnitt mit einer oder mehreren Auskragungen aufweist.
In einer vorteilhaften Ausführungsform weisen die miteinander verbundenen Rumpfabschnitte in einem Verbindungsbereich unterschiedlich ausgeformte Strukturverbindungselemente auf. Diese weisen folglich unterschiedliche Resonanzfrequenzen auf, so dass damit zuverlässig eine Resonanz vermieden wird, die sonst gleichzeitig in beiden zueinander gewandten Strukturverbindungselementen auftreten würde.
Neben der Geometrie können sich in einer vorteilhaften Ausführungsform auch die Massen der Strukturverbindungselemente voneinander unterscheiden. Sind keine Druckdifferenzen innerhalb und außerhalb des Rumpfabschnitts zu erwarten, beispielsweise wenn der betroffene Rumpfabschnitt außerhalb eines druckbeaufschlagten Kabinenbereichs angeordnet ist, sind zusätzliche, gelochte Bereiche unter Berücksichtigung der erforderlichen strukturellen Festigkeiten in den Strukturverbindungselementen möglich, um eine Luftschallübertragung zwischen parallelen Flächen zueinander gewandter Strukturverbindungselemente denkbar.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist ein Strukturverbindungselement als ein Spant ausgeführt, der etwa eine Ringform mit einem ein- oder mehrfach abgewinkelten Querschnitt aufweist, um eine Aussteifung der Rumpfstruktur in Umfangsrichtung zur Aufnahme von Radialkräften bereitzustellen. Ein Spant ist üblicherweise ein- oder mehrteiliger, sich radial an der Innenseite der Außenhaut erstreckender Körper, der zur Aufnahme von in radialer Richtung wirkenden Kräften dient und in regelmäßigen axialen Abständen an der Rumpfstruktur angeordnet ist. In der erfindungsgemäßen Rumpfstruktur weist dieser als Strukturverbindungselement dienende Spant insbesondere eine Endfläche auf, die in einem Bereich der Endkante der Außenhaut des betreffenden Rumpfabschnitts liegt, sodass die Endflächen von Strukturverbindungselementen zueinander gerichteter Rumpfabschnitte in einem Verbindungsbereich parallel verlaufen und eine optimale Aufnahme von Verbindungselementen und optionalen, dazwischen liegenden Komponenten ermöglichen.
Die Strukturverbindungselemente können mit dem gleichen Material ausgeführt seien, wie sämtliche verbleibenden Teile der Rumpfstruktur, alternativ dazu jedoch auch ein anderes, ausreichend festes Material aufweisen, sodass jedes Strukturverbindungselement die bei dem Betrieb des Verkehrsmittels auftretenden Strukturlasten vollständig aufnehmen kann.
Zur Überbrückung des Abstands zwischen zueinander gewandten Endkanten von Rumpfabschnitten ist es vorteilhaft, mindestens ein Abdeckelement einzusetzen, welches sich zumindest zwischen den zueinander gewandten Endkanten erstreckt. Das Abdeckelement ist bevorzugt flexibel und überdeckt den Spalt zwischen den Endkanten oder füllt ihn vollständig aus. Das Abdeckelement kann eine bandartige, flache und sich an die Außenhautkontur anpassbare Form aufweisen, so dass sich ein manschettenartiges Umgreifen der miteinander verbundenen Rumpfabschnitte ergibt. Zum strömungsmechanisch verbesserten Übergang zwischen der Außenhautkontur und der Abdeckung kann die Außenhaut im Bereich der Endkante eine Vertiefung bzw. einen Absatz aufweisen, in den sich das Abdeckelement anschmiegen kann und bei angepasster Materialstärke eine gleichmäßige äußere Kontur herstellen kann. Das Abdeckelement kann sowohl mechanisch fest mit der Außenhaut verbindbar sein, als auch zumindest einseitig verschiebbar, um einen Ausgleich von Bewegungen der Rumpfstruktur zu ermöglichen, sei es durch thermische oder mechanische Einwirkung. Eine Öffnung des Spalts zur Umgebung muss jedoch insbesondere bei Flugzeugen mit einer erfindungsgemäßen Rumpfstruktur vermieden werden, so dass eine ausreichend positionsfeste Anordnung des Abdeckelements anzustreben ist. Bei der Wahl des zu verwendenden Materials ist darauf zu achten, dass insbesondere bei Flugzeugen während des Flugbetriebs stark unterschiedliche Temperaturen, beispielsweise am Boden an einem heißen Tag oder beim Reiseflug in großer Höhe bzw. bei Start- und Landevorgängen mit den unterschiedlichen Rumpfdurchbiegungen zu berücksichtigen sind. Aus diesem Grunde könnten sich Elastomere anbieten.
Zur Abdichtung von Rumpfabschnitten, die eine druckbeaufschlagte Kabine beinhalten, sind Dichtelemente besonders vorteilhaft. Die Rumpfstruktur weist demnach ferner mindestens ein bevorzugt innen in der Rumpfstruktur liegendes Dichtelement in einem Verbindungsbereich zweier Rumpfabschnitte zum Herstellen eines fluiddichten Übergangs zwischen den zwei Rumpfabschnitten auf. Weisen diese etwa eine radial innenliegende Begrenzung auf, ist das Dichtelement besonders bevorzugt an dieser radial innenliegenden Begrenzung anzuordnen. Das Dichtelement ist für die dauerhafte Gewährleistung einer Abdichtung auszulegen, wobei insbesondere unter Berücksichtigung der zu erwartenden Rumpfstrukturverformungen eine dauerhafte Flexibilität notwendig ist. Dies kann durch balgartige Strukturen aus einem Elastomer oder einem Gemisch aus einem Elastomer, Metallen und/oder Faserverbundwerkstoffen erreicht werden.
Druckbeaufschlagte Balg- oder Schlauchkonstruktionen, die sich an stetig lokal verändernde Spaltgeometrien anpassen lassen, sind ebenso möglich wie verschiebbare- oder verformbare, flache Abdeckelemente.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Piezoelement über eine damit verbundene Regeleinheit dazu verwendbar, eine aktive Reduktion von Körperschallübertragung auszuführen. Das Piezoelement weist ein piezoaktives Material auf, welches durch Anlegen einer Spannung zu Schwingungen angeregt werden kann. Die Kompensation erfolgt durch gegenphasiges Aufbringen von Kontraktion bzw. Extraktion des piezoaktiven Materials. Zur effizienten Ansteuerung ist ein Erfassen der zu kompensierenden Körperschallwellen notwendig, was durch einen an der Rumpfstruktur befestigten Beschleunigungsaufnehmer durchführbar ist. Etwa kann ein Strukturverbindungselement hiermit ausgerüstet werden. Mit dem darüber gewonnenen Signal kann die Regeleinheit die Steuersignale für eine gegenphasige Schwingungserzeugung an dem Piezoelement generieren und über einen eventuell noch zusätzlichen Verstärker eine Ansteuerung bereitstellen. Der Beschleunigungsaufnehmer ist zweckmäßigerweise in Bezug auf den Schallpfad genügend weit vor dem ansteuerbaren Abstandshalter angeordnet, damit die Regeleinheit ausreichend Zeit hat, Steuersignale zu generieren und diese dann zur richtigen Zeit, also phaseneffektiv bezüglich einer Schallauslöschung an das Piezoelement zu senden.
In einer ebenso vorteilhaften Ausführungsform ist das Piezoelement mit einem elektrischen Widerstand verbindbar, der bei mechanischer Anregung des Piezoelements Wärme erzeugt und der mechanischen Anregung des Piezoelements gegensteuert. Das Piezoelement bildet dabei einen Schwingungsdämpfer. Die am Piezoelement während der Bewegung entstehende elektrische Leistung wird über einen an dem Piezoelement angeschlossenen Widerstand in Wärme umgewandelt.
In einer weiter vorteilhaften Ausführungsform weist mindestens ein Strukturverbindungselement mindestens einen Schwingungstilger auf, der als pendelartiger Schwinger zur Kompensation von Schwingungen einsetzbar ist. Ein Schwingungstilger kann aktiv oder passiv ausgeführt sein. Während eine aktive Anregung im Prinzip wie bei dem vorangehend dargestellten Piezoelement funktioniert, weist ein passiver Schwingungstilger relativ weich mit dem betreffenden Strukturverbindungselement verbunden, so dass die schwingende Masse des Schwingungstilgers den lokalen, körperschallinduzierten Bewegungen des Strukturverbindungselements mit einer gewissen Verzögerung folgt, so dass eine Kompensation erfolgt.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verkehrsmittel mit mindestens einer vorangehend dargestellten Rumpfstruktur. Das Verkehrsmittel kann hierbei ein für den Transport einer größeren Anzahl von Passagieren dienen, die sich in einer im Innern der Rumpfstruktur ausgebildeten Kabine aufhalten. Das Verkehrsmittel kann ein Flugzeug, ein schienengebundenes Fahrzeug, ein bodengebundenes Fahrzeug oder ein Wasserfahrzeug sein. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Rumpfstruktur kann eine besonders vorteilhafte Reduktion körperschallinduzierten Lärms erfolgen. Das Flugzeug kann weiterhin Triebwerke mit Propellern, etwa jeweils zwei gegenläufigen Propellern aufweisen.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren mit den Merkmalen des nebengeordneten Verfahrensanspruchs. Das Verfahren weist insbesondere das Anordnen zweier Rumpfabschnitte zueinander auf, die jeweils eine Außenhaut mit jeweils mindestens einer Endkante aufweisen, derart, dass zueinander gewandte Endkanten in einem Verbindungsbereich voneinander beabstandet sind. Bevorzugt wird der hieraus resultierende Spalt mit mindestens einem Abdeckelement abgedeckt.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele und den Figuren. In den Figuren stehen weiterhin gleiche Bezugszeichen für gleiche oder ähnliche Objekte.
1 zeigt zwei miteinander verbundene Rumpfabschnitte in einer schematischen Darstellung.
2 zeigt ein Strukturverbindungselement in einer Draufsicht.
3 zeigt eine Rumpfstruktur mit einem druckbeaufschlagten Rumpfabschnitt und einem daran befestigten, nicht druckbeaufschlagten Rumpfabschnitt.
4 zeigt eine Rumpfstruktur mit drei aufeinanderfolgenden, druckbeaufschlagten Rumpfabschnitten.
5 zeigt eine mögliche, starre Verbindung zwischen zwei Rumpfabschnitten.
6 zeigt eine Modifikation mit einer starren Verbindung und einem daran angeordneten Schwingungstilger.
7 zeigt eine elastische Verbindung zwischen zwei Rumpfabschnitten.
8 zeigt eine Kombination einer starren Verbindung und einer elastischen Verbindung.
9 zeigt eine starre Verbindung zweier Rumpfabschnitte mit einem zusätzlichen, aktiven Verbindungselement.
10 zeigt eine starre Verbindung zweier Rumpfabschnitte, wobei die Außenhaut jeweils über ein Dämpfungselement mit einem Strukturverbindungselement eines Rumpfabschnitts in Verbindung ist.
11 zeigt eine Verbindung zwischen zwei Rumpfabschnitten, die um ein Dichtelement für eine druckbeaufschlagte Kabine ergänzt ist.
12 zeigt ein von 11 abweichend ausgestaltetes Dichtelement.
DETAILLIERTE DARSTELLUNG EXEMPLARISCHER
AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt die Verbindung eines ersten Rumpfabschnitts 2 mit einem zweiten Rumpfabschnitt 4, die jeweils eine Außenhaut 6 mit einer Endkante 8 aufweisen, die in einem Verbindungsbereich 10 zueinander gerichtet und voneinander beabstandet sind. Die Körperschallleitung zwischen dem ersten Rumpfabschnitt 2 und dem zweiten Rumpfabschnitt 4 über die Außenhaut 6 kann damit vermieden werden. Die Verbindung erfolgt über ein erstes Strukturverbindungselement 12 und ein zweites Strukturverbindungselement 14, die jeweils an einer axialen Begrenzungsfläche des ersten Rumpfabschnitts 2 oder des zweiten Rumpfabschnitts 4 angeordnet sind. Die Strukturverbindungselemente 12 und 14 bilden dabei jeweils eine Art Flansch in Form eines Spants, die über Verbindungselemente 16 miteinander in Verbindung stehen. Eine Schallleitung zwischen dem ersten Rumpfabschnitt 2 und dem zweiten Rumpfabschnitt 4 kann demnach nur durch eine Umlenkung von der Haut 6 über die beiden Strukturverbindungselemente 12 und 14 sowie das dazwischen angeordnete Verbindungselement 16 stattfinden. Aufgrund des vergleichsweise niedrigen Verbindungsquerschnitts über die Verbindungselemente 16 wird dadurch die direkte Schallleitung im Vergleich zur Übertragung über die Haut 6 stark reduziert. Die Massediskontinuität zwischen der Haut 6 und jeweils den Strukturverbindungselementen 12 und 14 führt zu Reflexionen von Körperschallwellen insbesondere einer niedrigeren Frequenz, was den Effekt noch weiter verbessert.
Die Verbindungselemente 16 können in Form länglicher, form- und/oder kraftschlüssiger Elemente ausgeführt sein, die eine vollständige Übertragung von Strukturkräften erlauben und hierbei gleichzeitig einen Abstand zwischen den Endkanten 8 der Außenhaut 6 der Rumpfabschnitte 2 und 4 im Verbindungsbereich 10 gewährleisten. Beispielhaft sind die Verbindungselemente 16 in Form von Bolzen ausgeführt, die über jeweils mindestens ein mit einem Gewinde ausgerüstetes Ende und einen Mittelteil mit einem bevorzugt größeren Durchmesser verfügen, der als Abstandshalter zwischen den Strukturverbindungselementen 12 und 14 dient. Die Mittelteile der Verbindungselemente 16 können sich daher zwischen zueinander gewandten Flächen der Strukturverbindungselemente 12 und 14 erstrecken, während sich das Gewinde durch die Strukturverbindungselemente 12 und 14 erstreckt oder rumpfabschnittseitig erreichbar ist. Über die Anordnung von Schraubmitteln rumpfabschnittseitig in die Verbindungselemente 16 kann somit eine zuverlässige Verbindung der beiden Rumpfabschnitte 2 und 4 erreicht werden.
Optional und in 1 nicht dargestellt ist die Verwendung von zusätzlichen Abstandshaltern bzw. von ein Piezoelement mit einem piezoaktiven Material aufweisenden Abstandshaltern, beispielsweise in Form von Unterlegscheiben oder Buchsen, möglich. Alternativ oder zusätzlich hierzu kann auch die Verwendung von Schwingungstilgern sinnvoll sein, die sich von den Strukturverbindungselementen 12 und 14 radial in das Innere des Rumpfes erstrecken und durch aktive oder passive Anregung einer Schwingung lokal die dynamische Masse beeinflussen können bzw. lokale Schwingungen kompensieren.
Der Spalt zwischen dem ersten Strukturverbindungselement 12 und dem zweiten Strukturverbindungselement 14 wird zur Harmonisierung der einer Luftströmung ausgesetzten Außenfläche mit einem Abdeckelement 19 abgedeckt. Dieses kann insbesondere einen flachen Querschnitt mit einer glatten Außenkontur aufweisen. Zur Realisierung des Abdeckelements 19 existieren eine Reihe von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen.
2 stellt exemplarisch das zweite Strukturverbindungselement 14 in einer Draufsicht dar, wobei exemplarisch eine ringförmige Struktur mit kreisrunder Form gewählt ist. Eine Ringfläche 20 des zweiten Strukturverbindungselements 14 weist eine Reihe von Ausnehmungen 22 auf, die in gleichmäßigen Abständen über die gesamte Ringfläche 20 verteilt sind. Dies kann dazu dienen, gleichzeitige Resonanzeffekte des beiden Strukturverbindungselemente 12 und 14 zu vermeiden, da die Massen der Strukturverbindungselemente 12 und 14 dabei unterschiedlich sind. Das Anordnen von Ausnehmungen 22, die sich in die Ringfläche 20 erstrecken, die parallel zu einer damit korrespondierenden Ringfläche des ersten Strukturverbindungselements 12 liegt, kann eine Luftschallübertragung reduziert werden.
Das erfindungsgemäße Verbindungsprinzip zwischen zwei Rumpfsektionen ist insbesondere dazu geeignet, Körperschall von mit Propellern ausgestatteten Triebwerken und insbesondere mit gegenläufigen Propellern zu reduzieren. Derartige Triebwerke können an unterschiedlichen Rumpfsektionen direkt benachbart zu einem Passagierbereich oder heckseitig angeordnet sein, so dass sich unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich der zu bewältigen Aufgaben ergeben.
3 stellt etwa einen ersten Rumpfabschnitt 24 dar, in dem ein Druckschott 26 angeordnet ist, um einen druckbeaufschlagten Bereich einer Passagierkabine heckseitig zu begrenzen. In axialer Richtung folgt dem Druckschott 26 ein erstes Strukturverbindungselement 12 in Form eines Spants wie in 1 dargestellt. Mit dem ersten Rumpfabschnitt 24 ist ein zweiter Rumpfabschnitt 28 verbunden, an dem zwei Triebwerke 30 mit gegenläufigen Propellern angeordnet sind. Dieser hintere Rumpfabschnitt 28 weist ein zweites Strukturverbindungselement 14 in Form eines Spants auf, das mit dem ersten Strukturverbindungselement 12 über eine Reihe von Verbindungselementen 16 verbunden ist. Das Abdeckelement 19 zur Überbrückung des Spalts zwischen den beiden Strukturverbindungselementen 12 und 14 muss demzufolge keine Differenzdrücke zwischen dem Rumpf und der Umgebung des Flugzeugs aufrechterhalten, da kein Differenzdruck zwischen dem Innern der Rumpfabschnitte 24 und 28 in dem Verbindungsbereich 10 und der Umgebung des Flugzeugs herrscht. Die dadurch bedingten mechanischen Anforderungen sind deutlich geringer als exemplarisch in 4 dargestellt.
4 zeigt einen ersten Rumpfabschnitt 32, einen zweiten Rumpfabschnitt 34 und einen dritten Rumpfabschnitt 36, die sich aneinander anreihen und miteinander nach den erfindungsgemäßen Verbindungsprinzipien verbunden sind. So weist der erste Rumpfabschnitt 32 ein erstes Strukturverbindungselement 12 in Form eines Spants auf, während der zweite Rumpfabschnitt 34 ein zweites Strukturverbindungselement 14 aufweist, ebenfalls als ein Spant. Diese beiden Strukturverbindungselemente 12 und 14 sind über Verbindungselemente 16 miteinander verbunden und weisen ein Dichtelement 38 auf, welches eine Druckdifferenz zwischen den Innenseiten der Rumpfabschnitte 32 und 34 und der Umgebung des Flugzeugs aufrechterhalten müssen. An einer Verbindungsstelle zwischen dem zweiten Rumpfabschnitt 34 und dem dritten Rumpfabschnitt 36 ist die gleiche Anordnung aus einem ersten Strukturverbindungselement 12 und einem zweiten Strukturverbindungselement 14 angeordnet, die über Verbindungselemente 16 miteinander verbunden sind. Ein Dichtelement 38 dient zur Harmonisierung der Form der Außenhaut in den Verbindungsbereichen 10 und ist gleichzeitig dazu eingerichtet, eine Druckdifferenz zwischen den Innenseiten der Rumpfabschnitte 32–36 und der Umgebung des Flugzeugs aufrechterhalten.
Exemplarisch sind zwei Triebwerke 30 mit gegenläufigen Propellern 30 an dem zweiten Rumpfabschnitt 34 angeordnet und übertragen aufgrund ihres Betriebs Körperschall in den zweiten Rumpfabschnitt 34. Durch die erfindungsgemäß entkoppelnde Verbindung zu den benachbarten Rumpfabschnitten 32 und 36 kann die Körperschallleitung deutlich reduziert werden. Die Lärmbelästigung der Passagiere, die sich in den benachbarten Rumpfabschnitten 32 und 36 aufhalten, wird damit deutlich eingeschränkt.
In 5 wird in einem Detail ein starres Verbindungselement 43 zwischen einem ersten Strukturverbindungselement 12 und einem zweiten Strukturverbindungselement 14 offenbart, die zueinander gerichtete Begrenzungsflächen 20 und 21 aufweisen. Zur Verbindung der beiden Strukturverbindungselemente 12 und 14 sind Bohrungen 40 und 42 vorgesehen, die miteinander fluchten und zur Aufnahme eines exemplarisch schraubbaren Verbindungselements 44 eingerichtet sind. Beispielhaft weist das Verbindungselement 44 einen Schraubkopf 46 und ein Gewinde 48 auf, auf das eine Mutter 50 aufschraubbar ist. Zur Begrenzung des Abstandes zwischen den beiden zueinander gewandten Flächen 20 und 21 der Strukturverbindungselemente 12 und 14 wird eine Unterlegscheibe 45 verwendet, die bündig auf den beiden Flächen 20 und 21 aufliegt. Das Verbindungselement 44 erstreckt sich durch beide Öffnungen 40 und 42 und die Unterlegscheibe 45.
Eine gewisse Massediskontinuität kann durch unterschiedliche radiale Erstreckungen der Strukturverbindungselemente 12 und 14 erreicht werden, was durch die unterschiedliche Höhe von Spantköpfen 52 und 54 deutlich wird. Die Geometrie ist strukturmechanisch und akustisch optimierbar, was auch das Verwenden von unterschiedlichen Materialien umfassen könnte. 5 stellt eine starre Verbindung dar, wobei das Material und die Geometrie gemäß strukturmechanischen Gesichtspunkten und die Position des Verbindungselements 44 an den Strukturverbindungselementen 12 und 14 optimiert ist.
6 zeigt eine ähnliche starre Verbindung wie 5, weist jedoch zusätzlich einen Schwingungstilger 56 auf, der beispielhaft an dem zweiten Strukturverbindungselement 14 angeordnet ist und über eine Regeleinheit derart angeregt werden kann, dass die dynamisch wirksame Masse des zweiten Strukturverbindungselements 14 einstellbar ist. Einer Übertragung von Körperschall kann somit aktiv trotz einer starren Verbindung entgegengewirkt werden.
7 offenbart eine elastische Verbindung 61, bei dem ein Verbindungselement 58 im Vergleich zu dem Verbindungselement 44 aus 5 eine deutlich größere Länge aufweist, so dass sich zwischen einer auf das Verbindungselement 58 aufschraubbaren Mutter 60 ein Dämpferpaket 62 erstrecken kann, in das die Strukturverbindungselemente 12 und 14 formschlüssig gehalten werden können. Das Dämpferpaket 62 kann beispielhaft in Form von einer Vielzahl von Elastomerscheiben 64 realisiert sein, zwischen denen sich Formelemente 66 befinden. Diese dienen dazu, bei abnormen Kraftübertragungen eine übermäßige Verformung des Dämpferpakets 62 zu verhindern und für das Verbindungselement 58 und die Mutter 60 einen mechanischen Anschlag bereitzustellen.
Das Verbindungselement 58 kann auch in einer elastischen/dämpfenden Hülse 68 angeordnet sein, um das Verbindungselement 58 von den Strukturverbindungselementen 12 und 14 mechanisch zu trennen. Selbstverständlich ist auch, wie beispielsweise in 6 dargestellt, die Anordnung eines radial nach innen gerichteten Schwingungstilgers beispielsweise an dem zweiten Strukturverbindungselement 14 möglich.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel gemäß 8, das schematisch dargestellt ist, können die Verbindungsprinzipien der 5 und 7 sowie eventuell 6 miteinander kombiniert werden. Zwei Strukturverbindungselemente 12 und 14 weisen demnach eine elastische Verbindung 61 und Der wirksame Frequenzbereich kann dadurch vergrößert werden, was insbesondere zur deutlich besseren Kompensation höherfrequenten Körperschalls führt.
9 offenbart in einer schematischen Ansicht die Kombination eines starren Verbindungselements 43 aus 5 mit einem zusätzlichen Abstandshalter 70, welches beispielsweise ein Piezoelement aufweist. Hiermit können Schwingungen aktiv durch gegenphasiges Anregen des Piezoelement ausgelöscht werden, was eine deutliche Verbesserung des Körperschallübertragungsverhaltens hervorruft. Die Parallelschaltung des Abstandshalters 70 mit Piezoelement zu dem starren Verbindungselement 43 führt dazu, dass ein Versagen des Piezoelements keine Auswirkung auf die Strukturfestigkeit hat. Dies kann die Zuverlässigkeit der Rumpfstruktur gewährleisten.
10 offenbart, ähnlich wie in 5, ein starres Verbindungselement 43 zwischen zwei Strukturverbindungselementen 72 und 74. Zusätzlich dazu sind die beiden Strukturverbindungselemente 72 und 74 nur über ein schalldämpfendes Elastomermaterial in Form von Dämpfungselementen 76 mit der Außenhaut 6 in Kontakt, so dass die Schallleitung über die Außenhaut 6 in die Strukturverbindungselemente 72 und 74 bereits deutlich reduziert wird. Die Verringerung des schallübertragenden Querschnitts aufgrund des starren Verbindungselements 43 resultiert in einer weiteren Reduktion des übertragenen Körperschalls, so die körperschallinduzierte Erzeugung von Lärm im Innern der Rumpfstruktur sehr gering ist.
11 zeigt zwei benachbarte Strukturverbindungselemente 78 und 80, die über ein beliebiges, exemplarisch starres Verbindungselement 82 miteinander verbunden sind. Zusätzlich sind die Strukturverbindungselemente 78 und 80 zwei druckbeaufschlagten Rumpfabschnitten zugeordnet, wobei dafür Sorge zu tragen ist, dass der in dem jeweiligen Rumpfabschnitt aufgebaute Druck nicht durch eine offene Verbindung mit der Umgebung abgebaut wird. Hierfür ist ein inneres Dichtelement 84 vorgesehen, welches sich beispielhaft zwischen Spantköpfen 86 des ersten Strukturverbindungselements 78 und 88 des zweiten Strukturverbindungselements 80 erstreckt. Das Dichtelement 84 kann eine beliebige, elastisch bzw. flexibel veränderbare Formgebung aufweisen, die aufgrund der radial innenliegenden Position nicht an die glatte Außenhautkontur angepasst werden muss und somit ausschließlich auf die Dichtfunktion ausgelegt werden kann.
Neben aus einem Elastomer gefertigten flachen Dichtelementen 84 kommen auch Faltenbalgkonstruktionen aus einem Elastomer oder einem Verbund aus Elastomerwerkstoffen und Metallen, Faserverbundwerkstoffen und/oder anderen Kunststoffen in Betracht. Die notwendigen Eigenschaften dieses Dichtelements 84 sind eine entsprechende Biegeweichheit auch bei tiefen Betriebstemperaturen, unter Berücksichtigung beispielsweise herkömmlicher Flughöhen mit der niedrigen Temperatur auf der Außenhaut von beispielsweise –30°C, eine ausreichende Zugfestigkeit insbesondere für die zu erwartenden Verformungen des Rumpfs bei Start und Landung, eine entsprechende Reiß- und Spannfestigkeit, eine Wechseldruckfestigkeit und selbstverständlich eine ausreichende Druckdichtheit.
12 zeigt ein hiervon abweichendes Dichtelement 86 beispielhaft in Form eines Hohlkörpers, der einen druckbeaufschlagten oder druckbeaufschlagbaren Hohlraum aufweist und sich zwischen zueinander gewandten Flächen 20 und 21 zweier benachbarter Strukturverbindungselemente 88 und 90 erstreckt und über entsprechende Dichtflächen eine ausreichende Druckdichtheit hervorruft. Die Flächen 20 und 21 können zur besonders zuverlässigen Abdichtung Ausnehmungen oder Vertiefungen 92 aufweisen, in denen das Dichtelement 86 angeordnet ist und sich gegen diese quetscht.
Zur Verbesserung der Dichtwirkung kann eine aktive Druckbeaufschlagung des Dichtelements 86 hervorgerufen werden, sei es durch eine Druckluftquelle, eine Zapfluftleitung, eine Verbindung mit einer Komponente eines Klimatisierungssystems oder dergleichen. Alternativ kann das Dichtelement 86 über ein Ventil in regelmäßigen Abständen mit Druckluft versorgt werden und diese autark halten.

Claims

Rumpfstruktur für ein Verkehrsmittel, aufweisend mindestens zwei Rumpfabschnitte (2, 4, 24, 28, 32, 34, 36), die jeweils eine Außenhaut (6) mit jeweils einer Endkante (8) aufweisen und Abstandshalter (70) zum Definieren eines Abstandes zwischen den miteinander verbundenen Rumpfabschnitten (2, 4, 24, 28, 32, 34, 36), wobei in einem Verbindungsbereich (10) zweier Rumpfabschnitte (2, 4, 24, 28, 32, 34, 36) die Endkanten (8) der Rumpfabschnitte (2, 4, 24, 28, 32, 34, 36) voneinander beabstandet sind, wobei mindestens ein Verbindungselement (16, 43, 44, 58, 70, 82) eine mechanische Verbindung zweier Rumpfabschnitte (2, 4, 24, 28, 32, 34, 36) herstellt und wobei mindestens ein Abstandshalter (70) ein Piezoelement aufweist, welches dazu eingerichtet ist, durch äußere Anregung Körperschallleitung zu reduzieren.
Rumpfstruktur nach Anspruch 1, wobei mindestens eines der Rumpfabschnitte (2, 4, 24, 28, 32, 34, 36) Längsversteifungselemente aufweist, die im Bereich der Endkante (8) der Außenhaut (6) enden, so dass Längsversteifungselemente zweier miteinander verbundener Rumpfabschnitte (2, 4, 24, 28, 32, 34, 36) in einer Längsrichtung voneinander beabstandet sind.
Rumpfstruktur nach Anspruch 1 oder 2, wobei jeder Rumpfabschnitt (2, 4, 24, 28, 32, 34, 36) mindestens ein Strukturverbindungselement (12, 14, 72, 74, 78, 80, 88, 90) aufweist, das jeweils an der Endkante (8) der Außenhaut (6) des betreffenden Rumpfabschnitts (2, 4, 24, 28, 32, 34, 36) angeordnet ist und dazu eingerichtet ist, das mindestens eine Verbindungselement (16, 43, 44, 58, 70, 82) zum Verbinden mit einem Strukturverbindungselement (12, 14, 72, 74, 78, 80, 88, 90) eines anderen Rumpfabschnitts (2, 4, 24, 28, 32, 34, 36) aufzunehmen.
Rumpfstruktur nach Anspruch 3, wobei die miteinander verbundenen Rumpfabschnitte (2, 4, 24, 28, 32, 34, 36) in einem Verbindungsbereich (10) unterschiedlich ausgeformte Strukturverbindungselemente (12, 14, 72, 74, 78, 80, 88, 90) aufweisen.
Rumpfstruktur nach Anspruch 3 oder 4, wobei ein Strukturverbindungselement (12, 14, 72, 74, 78, 80, 88, 90) als Spant ausgeführt ist.
Rumpfstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend mindestens ein Abdeckelement (19), welches sich zumindest zwischen den zueinander gewandten Endkanten (8) zweier miteinander verbundener Rumpfabschnitte (2, 4, 24, 28, 32, 34, 36) erstreckt.
Rumpfstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend mindestens ein innen in der Rumpfstruktur liegendes Dichtelement (86) in einem Verbindungsbereich zweier Rumpfabschnitte (2, 4, 24, 28, 32, 34, 36) zum Herstellen eines fluiddichten Übergangs zwischen den zwei Rumpfabschnitten (2, 4, 24, 28, 32, 34, 36).
Rumpfstruktur nach Anspruch 1, wobei das Piezoelement mit einer Regeleinheit verbindbar ist, wobei die Regeleinheit dazu eingerichtet ist, das Piezoelement derart anzuregen, dass eine Leitung von Körperschall über den mindestens einen Abstandshalter in ihrer Stärke reduziert wird.
Rumpfstruktur nach Anspruch 1, wobei das Piezoelement mit einem elektrischen Widerstand verbindbar ist, der bei mechanischer Anregung des Piezoelements Wärme erzeugt und der mechanischen Anregung des Piezoelements gegensteuert.
Rumpfstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner aufweisend mindestens einen Schwingungstilger zum Reduzieren körperschallinduzierter Schwingungen im Bereich mindestens einer Endkante (8) einer AußAußenhaut (6).
Verkehrsmittel, aufweisend mindestens eine Rumpfstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
Verfahren zum Herstellen einer Rumpfstruktur für ein Verkehrsmittel, aufweisend die Schritte – Anordnen zweier jeweils eine Außenhaut (6) aufweisenden Rumpfabschnitte (2, 4, 24, 28, 32, 34, 36) zueinander derart, dass Endkanten (8) der jeweiligen Außenhaut (6) in einem Abstand zueinander angeordnet sind und – das Verbinden der zueinander gewandten Rumpfabschnitte (2, 4, 24, 28, 32, 34, 36) mit jeweils mindestens einem Verbindungselement (16, 43, 44, 58, 70, 82) derart, dass die Endkanten der Rumpfabschnitte (2, 4, 24, 28, 32, 34, 36) mit Hilfe von Abstandshaltern (70) zueinander beabstandet sind, wobei mindestens ein Abstandshalter (70) ein Piezoelement aufweist, welches dazu eingerichtet ist, durch äußere Anregung Körperschallleitung zu reduzieren.
Verfahren nach Anspruch 12, ferner aufweisend das Abdecken des Spalts zwischen den Endkanten (8) der Außenhaut (6) mit mindestens einem Abdeckelement (19).