DE102016217022B4

DE102016217022B4 - Strukturbauteil für ein Luft- oder Raumfahrzeug, Herstellungsverfahren desselben sowie Luft- oder Raumfahrzeug

Info

Publication number: DE102016217022B4
Application number: DE102016217022.8A
Authority: DE
Inventors: Hermann Benthien; Matthias Hegenbart; Axel Söffker
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2016-09-07
Filing date: 2016-09-07
Publication date: 2022-09-08
Anticipated expiration: 2036-09-08
Also published as: DE102016217022A1

Abstract

Strukturbauteil (100) für ein Luft- oder Raumfahrzeug, umfassend:ein Hautelement (102);einen am Hautelement (102) befestigten Strebenstützkörper (104), welcher eine entsprechend einem Oberflächenabschnitt eines Rotationskörpers (130) geformte Strebenstützfläche (106) aufweist; undeine Strebe (108, 109) mit einer entsprechend einem Oberflächenabschnitt des Rotationskörpers (130) geformten Gegenfläche (110), welche an der Strebenstützfläche (106) derart verschieblich abgestützt ist, dass eine entlang der Strebe (108, 109) verlaufende Strebenachse (112) innerhalb des Hautelements (102) eine Rotationsachse (114) des Rotationskörpers (130) kreuzt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Strukturbauteil für ein Luft- oder Raumfahrzeug, insbesondere ein Strukturbauteil, das sich dazu eignet, wechselnden Anforderungen während der Benutzung des Luft- oder Raumfahrzeugs dynamisch angepasst zu werden. Unter weiteren Gesichtspunkten betrifft die Erfindung ein Luft- oder Raumfahrzeug mit einem solchen Strukturbauteil und ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Strukturbauteils.
HINTERGRUND
Obgleich auf beliebige Strukturbauteile für ein Luft- oder Raumfahrzeug andwendbar, wird die vorliegende Erfindung nachfolgend in erster Linie mit Bezug auf die Tragflächen von Flugzeugen erläutert. Herkömmliche Flugzeugtragflächen weisen eine feste Geometrie auf, die für einen bestimmten, durch die Flughöhe, Fluggeschwindigkeit, Gewicht usw. gekennzeichneten Auslegungspunkt optimiert ist, der einen Kompromiss für die in einem typischen Flugeinsatz auftretenden Flugsituationen darstellt. Beispielsweise sind die Tragflächenprofile von Verkehrsflugzeugen nahezu standardisiert, wobei es dessen ungeachtet regelmäßig auch zu vom Auslegungspunkt weit entfernten Flugsituationen kommt, in denen sich der Treibstoffverbrauch aufgrund des suboptimalen Tragflächenprofils deutlich erhöht.
Die EP 2 921 600 B1 offenbart ein aus längenverstellbaren Streben und Drehverbindungen konstruiertes Rahmenwerk in Form eines Tragflächenquerschnittes. Heutige Luft- und Raumfahrzeuge können jedoch ihre Formen nicht ohne aerodynamische Spalte verändern, die ihrerseits eine unerwünschte Beeinträchtigung der Energieeffizienz bewirken. Wünschenswert wäre es, eine dynamische Anpassung der Tragflächengeometrie an unterschiedliche Flugsituationen ohne Auftreten von Spalten zu realisieren.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die obige Aufgabe wird gelöst durch ein Strukturbauteil für ein Luft- oder Raumfahrzeug gemäß Anspruch 1, durch ein Luft- oder Raumfahrzeug gemäß Anspruch 10 und durch ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils gemäß Anspruch 13.
Das erfindungsgemäße Strukturbauteil umfasst ein Hautelement. In der vorliegenden Beschreibung bezeichnet der Begriff „Hautelement“ sowohl Abschnitte der Außenhaut des Luft- oder Raumfahrzeugs als auch andere im Luft- oder Raumfahrzeug eingesetzte flächenartige Elemente wie z.B. Innenwände oder die Wandungen von Einbauten. Ein „Hautelement“ im Sinne der vorliegenden Erfindung kann aus einem homogenen Material wie z.B. Aluminium, aus einem faserverstärkten Kunststoffmaterial, aber auch aus Schichtmaterialien wie z.B. Metall-Faser-Laminaten oder Sandwichstrukturen gebildet sein. Ferner umfasst das erfindungsgemäße Strukturbauteil einen am Hautelement befestigten Strebenstützkörper, der eine entsprechend einem Oberflächenabschnitt eines Rotationskörpers geformte Strebenstützfläche aufweist, sowie eine Strebe mit einer entsprechend einem Oberflächenabschnitt des Rotationskörpers geformten Gegenfläche. Die Gegenfläche ist an der Strebenstützfläche derart verschieblich abgestützt, dass eine entlang der Strebe verlaufende Strebenachse innerhalb des Hautelements eine Rotationsachse des Rotationskörpers kreuzt. Unter weiteren Gesichtspunkten betrifft die Erfindung ein Luft- oder Raumfahrzeug mit einem solchen Strukturbauteil und ein Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils.
Da sowohl die Strebenstützfläche des am Hautelement befestigten Strebenstützkörpers als auch die auf dieser verschieblich abgestützte Gegenfläche, die an der Strebe ausgebildet ist, in Form eines Oberflächenabschnitts desselben Rotationskörpers gebildet sind, lässt sich die Strebe um die Rotationsachse verschwenken, während die Strebenstützfläche und die Gegenfläche in einem fortgesetzten Flächenkontakt verbleiben. Hierbei bleibt aufgrund der Rotationssymmetrie von Strebenstützfläche und Gegenfläche in bezug auf die Rotationsachse der Schnittpunkt letzterer mit der Strebenachse bestehen. Dass dieser innerhalb des Hautelements liegt, ermöglicht, unabhängig von der Position, die die Strebe entlang der Rotationsbewegung einnimmt, eine längs der Strebenachse wirkende Kraft ohne Drehmoment unmittelbar in das Hautelement einzuleiten. Auf diese Weise ist es möglich, dem Hautelement, z.B. mittels einer gezielten Längenveränderung der Strebe und/oder weiterer mit der Strebe verbundener Streben usw., im Rahmen seiner elastischen Verformbarkeit ohne unerwünschte Verspannungen und Belastungen unterschiedliche Verformungen aufzuprägen.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst einen Schritt des Bereitstellens eines Hautelements, einen Schritt des Befestigens eines Strebenstützkörpers, der eine entsprechend einem Oberflächenabschnitt eines Rotationskörpers geformte Strebenstützfläche aufweist, am Hautelement, und einen Schritt des verschieblichen Abstützens einer Strebe, die eine entsprechend einem Oberflächenabschnitt des Rotationskörpers geformte Gegenfläche aufweist, derart an der Strebenstützfläche, dass eine entlang der Strebe verlaufende Strebenachse innerhalb des Hautelements eine Rotationsachse des Rotationskörpers kreuzt.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Strukturbauteils ist der Rotationskörper eine Kugel, deren Mittelpunkt innerhalb des Hautelements liegt. In diesem Fall kann die Strebe um mehr als eine Rotationsachse um den Mittelpunkt der Kugel rotieren, was komplexere elastische Verformungen des Hautelements ermöglicht, wie z.B. die gezielte dynamische Verformung sowohl des Querschnittsprofils als auch des Längsprofils einer Tragfläche. Vorzugsweise verläuft dabei die Strebenachse durch den Mittelpunkt der Kugel, was die drehmomentfreie Einleitung der Verformung bei jeder Lage der Rotationsachse ermöglicht.
Gemäß einer Weiterbildung umfasst das Strukturbauteil ferner eine Abdeckung des Strebenstützkörpers, die eine Strebendurchführöffnung, durch welche die Strebe geführt ist, und eine der Strebenstützfläche konstant beabstandet gegenüberliegende Innenfläche aufweist. Die Strebe weist hierbei einen Flansch auf, der sich bei jeder möglichen Lage der Strebe in jedem Falle zwischen der Strebenstützfläche und der Innenfläche erstreckt. Durch die konstante Beabstandung erstreckt sich die Innenfläche der Abdeckung entlang eines konzentrisch mit dem Rotationskörper ausgebildeten weiteren Rotationskörpers. Auf diese Weise kann die Strebe sowohl Druckkräfte (über die Strebenstützfläche) als auch Zugkräfte (über die Innenfläche der Abdeckung) ohne aus der Einleitung von Drehmomenten resultierende Verspannungen auf das Hautelement ausüben, was noch weitergehende dynamische Verformungen des Hautelements ermöglicht.
Gemäß einer Weiterbildung weist der Strebenstützkörper ein die Strebenstützfläche umgebendes Gewinde auf, wobei die Abdeckung auf das Gewinde aufgeschraubt ist. Dies ermöglicht eine besonders einfache Montage der Strebe am Hautelement und erleichtert zudem die Wartung.
Gemäß einer Weiterbildung ist die Strebenstützfläche außerhalb des Hautelements angeordnet. Dies ermöglicht vorteilhaft, Einflüsse auf das Hautelement gering zu halten. Vorzugsweise ist das Hautelement im Bereich des Strebenstützkörpers durchgehend unverändert ausgebildet, sodass insbesondere seine mechanische Stabilität lokal nicht herabgesetzt wird.
Gemäß einer Weiterbildung weist der Strebenstützkörper einen in das Hautelement eingebetteten Einbettungsabschnitt auf. So kann der Bereich, in den Kräfte in das Hautelement eingeleitet werden, vergrößert werden, was ermöglicht, lokale Belastungen des Hautelements zu reduzieren. Vorzugsweise ist der Einbettungsabschnitt gestuft ausgebildet. Dies ermöglicht eine besonders stabile Verankerung insbesondere in Fällen, in denen das Hautelement mehrere Lagen von z.B. Fasern aufweist, entsprechend denen die Stufen ausgebildet sein können.
Gemäß einer Weiterbildung kreuzt die Strebenachse die Rotationsachse des Rotationskörpers an einer neutralen Faser des Hautelements. Dies kann bei einem in der Dickenrichtung symmetrisch aufgebauten Hautelement an einem mittigen Punkt in der Dickenrichtung sein, anderenfalls oder z.B. im Falle von Einbettungen in das Hautelement an einem von diesem abweichenden Punkt. Hierdurch werden die im Hautelement auftretende Belastungen minimiert.
Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens wird der Strebenstützkörper am Hautelement befestigt, indem er dreidimensional auf das Hautelement gedruckt wird. Dies ermöglicht eine hochstabile Verbindung und kostengünstige Herstellung.
Gemäß einer anderen Weiterbildung des Herstellungsverfahrens weisen das Hautelement und der Strebenstützkörper einen duroplastischen Kunststoff auf, wobei ein Schritt des gemeinsamen Aushärtens des Hautelements und des Strebenstützkörpers vorgesehen ist. Dies ermöglicht eine besonders stabile Verbindung bei geringem Herstellungsaufwand.
Figurenliste

1 zeigt eine schematische Querschnittansicht einer Tragfläche, die ein Strukturbauteil gemäß einer Ausführungsform der Erfindung darstellt;
2 zeigt eine ausschnitthafte Querschnittansicht eines Strukturbauteils gemäß einer weiteren Ausführungsform;
3 zeigt eine ausschnitthafte Querschnittansicht eines Strukturbauteils gemäß einer Ausführungsform, z.B. der Tragfläche aus 1;
4 zeigt eine ausschnitthafte Querschnittansicht eines Strukturbauteils, mit einem Sandwichelement, gemäß einer Ausführungsform;
5 zeigt eine ausschnitthafte Querschnittansicht eines Strukturbauteils, mit zylindrischem Rotationskörper, gemäß einer Ausführungsform;
6 zeigt eine ausschnitthafte Querschnittansicht eines Strukturbauteils, mit Schraubbefestigung, gemäß einer anderen Ausführungsform;
7 zeigt eine ausschnitthafte, schematische Querschnittansicht eines Strukturbauteils gemäß einer Ausführungsform mit innerhalb des Hautelements angeordneter Strebenstützfläche; und
8 zeigt eine ausschnitthafte, schematische Querschnittansicht eines Strukturbauteils gemäß einer Ausführungsform mit außerhalb des Hautelements angeordneter Strebenstützfläche.

Sofern nicht ausdrücklich anders angegeben oder eingeschränkt, bezeichnen gleiche Bezugszeichen in den Figuren gleiche oder äquivalente Elemente.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt in einer schematischen Querschnittansicht eine Tragfläche 100 eines Flugzeugs oder Raumfahrzeugs (nicht dargestellt). Die Tragfläche 100 umfasst eine Außenhaut 102, die sich über eine Oberseite 140 und Unterseite 141 der Tragfläche 100 erstreckt, sowie ein im Inneren der Tragfläche 100 angeordnetes, die Außenhaut 102 stützendes Gerüst einer Vielzahl geradliniger Streben 108, 109.
Die Außenhaut 102 ist aus einem flexiblen Material gebildet, das z.B. laminierten kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFRP), glasfaserverstärkten Kunststoff (GFRP) oder/und aramidfaserverstärkten Kunststoff (AFRP) aufweisen kann, ebenso wie Gummiwerkstoff, Nylon oder jedes andere geeignete flexible Material. Die Außenhaut 102 kann auch ganz oder teilweise durch Verbundplatten gebildet sein, die einen Grad von Steifheit bereitstellen, der zur Aufnahme der Belastungen im Betrieb benötigt wird.
Von nahe der Vorderkante 142 der Tragfläche 100 bis nahe ihrer Hinterkante 143 verlaufen die Streben 108, 109, indem sie aneinander anschließen, zickzackartig zwischen den jeweiligen Innenflächen der Außenhaut 102 an der Unterseite 141 und an der Oberseite 140 der Tragfläche 100. Nahe der Vorderkante 142 ist eine eine feste Länge aufweisende Strebe 109 mit ihrem einen Ende mittels einer mit Bezug auf 2 näher zu beschreibenden einfachen Strebenanbindung 150 schwenkbar an der Außenhaut 102 angebunden und erstreckt sich von dort schräg nach hinten oben bis zur Oberseite 140 der Tragfläche 100, wo sie mit ihrem anderen Ende mittels einer mit Bezug auf 3 näher zu beschreibenden doppelten Strebenanbindung 152 schwenkbar an der Außenhaut 102 angebunden ist. Mittels derselben doppelten Strebenanbindung 152 ist auch das eine Ende einer eine variable Länge aufweisenden Strebe 108 schwenkbar an der Außenhaut 102 angebunden, von wo diese Strebe 108 sich schräg nach hinten unten zu einer weiteren doppelten Strebenanbindung 152 erstreckt, die das andere Ende wiederum schwenkbar an der Außenhaut 102 an der Unterseite 141 der Tragfläche anbindet. In ähnlicher Weise schließen sich weitere Streben 108 mit variabler Länge an, bis die solchermaßen zickzackartig gebildete Kette von Streben 109, 108 nahe der Hinterkante 143 der Tragfläche durch eine schräg nach oben verlaufende Strebe 109 mit konstanter Länge abgeschlossen wird, die mit ihrem hinteren Ende wiederum mittels einer einfachen Strebenanbindung 150 schwenkbar an der Außenhaut 102 angebunden ist.
Die eine variable Länge aufweisenden Streben 108 sind jeweils in ihrem mittleren Abschnitt mit einem Aktor 154 ausgestattet, der beispielsweise einen elektrisch betriebenen Gewindevortrieb aufweist, mit dem die Länge der jeweiligen Strebe gezielt eingestellt werden kann. Die Aktoren 154 sind zur koordinierten Ansteuerung mit einer (nicht gezeigten) Steuervorrichtung des Luft- oder Raumfahrzeugs verbunden.
2 stellt eine ausschnitthafte Querschnittansicht eines Strukturbauteils 100 dar, bei dem es sich, wie im Folgenden beispielhaft angenommen werden soll, dass es sich um die Tragfläche 100 aus 1 oder einen Teil derselben handelt. Das Strukturbauteil 100 umfasst ein Hautelement 102, das entsprechend mit der Außenhaut 102 aus 1 oder einem Teil derselben identifiziert werden kann. Das Hautelement 102 ist beispielhaft aus einem flexiblen Laminat mit mehreren Schichten aufgebaut, wobei eine neutrale Faser 134 des Hautelements 102 mittig im Hautelement 102 verläuft. Der in 2 gezeigte Ausschnitt umfasst eine einfache Strebenanbindung 150, an der eine einzelne Strebe 109 um ein Rotationszentrum 116 schwenkbar am Hautelement 102 angebunden ist.
Die Strebenanbindung 150 umfasst einen im Wesentlichen zylindrisch geformten Strebenstützkörper 104, der aus einer Titanlegierung gebildet ist, vorzugsweise grundierte Oberflächen aufweist und an einer Stirnseite seiner zylindrischen Form einstückig in einen angeformten, sich stufenartig verbreiternden Einbettungsabschnitt 132 übergeht. Der Einbettungsabschnitt 132 ist etwa bis zur Tiefe der neutralen Faser auf eine solche Weise im Hautelement 102 eingebettet, dass lediglich der Strebenstützkörper 104 aus dem Hautelement 102 herausragt, wobei die Achse der zylindrischen Form des Strebenstützkörpers 104 vorzugsweise in einer Richtung verläuft, die mit einer neutralen Richtung der Strebenachse 112 der Strebe 109 bezüglich des Hautelements 102 übereinstimmt. Ohne Beschränkung der Allgemeinheit verlaufen in der Ausführungsform von 2 die Achse der zylindrischen Form des Strebenstützkörpers 104 sowie die neutrale Richtung der Strebenachse 112 senkrecht zur Ebene des Hautelements 102.
An der vom Hautelement 102 abgewandten Stirnseite der zylindrischen Form des Strebenstützkörpers 104 ist eine Strebenstützfläche 106 zur schwenkbaren Abstützung der Strebe 109 ausgebildet. Die Strebenstützfläche 106 hat die Form einer Kugelkalotte, deren Kugelmittelpunkt 116 sich innerhalb des Hautelements 102 befindet. Der Kugelmittelpunkt 116 liegt an der neutralen Faser des Hautelements 102, d.h. in der vorliegenden Ausführungsform etwa im Bereich der tiefsten Erstreckung des Einbettungsabschnitts 132. In alternativen Ausführungsformen kann sich der Kugelmittelpunkt 116 deutlich innerhalb oder außerhalb des im Hautelement 102 eingebetteten Einbettungsabschnitts 132 befinden.
Auf der Strebenstützfläche 106 ist entlang dieser verschieblich eine konvexkugelkalottenförmige Gegenfläche 110 angeordnet, die mit gleichem Krümmungsradius wie die Strebenstützfläche 106 an dem der Anbindungsstelle 150 zugewandten Ende der Strebe 109 einschließlich eines dieses verbreiternden Flansches 126 konstanter Dicke derart ausgebildet ist, dass die Strebenachse 112 durch den Kugelmittelpunkt der Gegenfläche 110 geht. Der Flansch 126 und die Gegenfläche 110 weisen einen geringeren Durchmesser als der Strebenstützkörper 104 und die Strebenstützfläche 106 auf. Der Flansch 126 wird mittels einer hutförmigen Abdeckung 118, die auf ein an der Zylindermantelfläche des Strebenstützkörpers 104 gebildetes Außengewinde 128 geschraubt ist, derart auf der Strebenstützfläche 106 gehalten, dass die Strebenstützfläche 106 und die Gegenfläche 110 aneinander anliegen. Die Abdeckung 118 weist eine zentrale Strebendurchführöffnung 120, durch die die Strebe 109 geführt ist, und eine der Strebenstützfläche 106 konstant beabstandet gegenüberliegende Innenfläche 124 auf. Der Abstand zwischen der Innenfläche 124 und der Strebenstützfläche 106 ist geringfügig größer als die Dicke des Flansches 126. Die kreisförmige Strebendurchführöffnung 120 weist einen größeren Durchmesser als die Strebe 109 oberhalb des Flansches 106 auf, wobei die Differenz zwischen beiden etwa mit dem Betrag der Differenz zwischen dem Durchmesser der Strebenabstützfläche 104 und dem Durchmesser der Gegenfläche 106 übereinstimmt, dabei jedoch geringer ist als eine Breite des Flansches 106. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass die Strebe 109 über einen begrenzten Raumwinkel um den Kugelmittelpunkt 116 der Strebenstützfläche 104 verschwenkbar ist, während der Flansch 126 unabhängig von der Schwenkposition stets mit seinem gesamten Rand zwischen der Strebenstützfläche 106 und der Innenfläche 124 gehalten bleibt. Da der Kugelmittelpunkt der Gegenfläche 110 dabei stets im Kugelmittelpunkt 116 der Strebenstützfläche 106 angeordnet bleibt, verläuft auch die Strebenachse 112 stets durch den Kugelmittelpunkt 116 der Strebenstützfläche 106. Anzumerken ist, dass jede denkbare Rotationsachse der die Strebenstützfläche 104 beschreibenden Kugel durch deren Kugelmittelpunkt 116 führt, wo sie die Strebenachse 112 kreuzt.
3 stellt eine ausschnitthafte Querschnittansicht eines Strukturbauteils 100 dar, von dem im Folgenden ebenfalls beispielhaft angenommen werden soll, dass es sich um die Tragfläche 100 aus 1 oder einen Teil derselben handelt. Das Strukturbauteil 100 umfasst ein Hautelement 102, das entsprechend mit der Außenhaut 102 aus 1 oder einem Teil derselben identifiziert werden kann. Um Wiederholungen zu vermeiden, werden im Folgenden in der Hauptsache nur die Unterschiede zur vorstehend beschriebenen Ausführungsform erläutert. Der in 3 gezeigte Ausschnitt umfasst eine doppelte Strebenanbindung 152 zur schwenkbaren Anbindung zweier Streben am Hautelement 102, von denen der Übersichtlichkeit halber nur eine einzelne Strebe 108 der beiden Streben dargestellt ist. Die doppelte Strebenanbindung 152 ermöglicht, beide Streben unabhängig voneinander um ein gemeinsames, im Hautelement 102 angeordnetes Rotationszentrum 116 zu verschwenken.
Im Vergleich zur einfachen Strebenanbindungsstelle 150 der Ausführungsform aus 2 weist die doppelte Strebenanbindungsstelle 152 einen verbreiterten Einbettungsabschnitt 132 auf, der einstückig mit zwei nebeneinander angeordneten Strebenstützkörpern 104, 104' gebildet ist. Der Einbettungsabschnitt 132 weist eine gestufte Kontur auf, deren Stufenhöhen jeweils der Dicke einer Faserlage 158 des Materials des Hautelements 102 entsprechen. (In 3 ist der Übersichtlichkeit halber nur eine der Faserlagen 158 gezeigt.) Beide Strebenstützkörper 104, 104' sind jeweils wesentlich zylindrisch mit einer kugelkalottenförmigen Strebenstützfläche 106, 106' geformt, wobei die Kugelkalotten beider Strebenstützflächen 106, 106' auf einer gemeinsamen Kugelfläche liegen, in deren Mittelpunkt 116 sich die zugehörigen Strebenachsen 112, 112', die für eine neutrale Schwenkstellung der Streben dargestellt sind, unter einem Winkel α schneiden. Analog zu 2 liegen die Zylinderachsen der Strebenstützkörper 104, 104', bezogen auf eine neutrale Schwenkstellung der zugehörigen Streben, entlang der jeweiligen Strebenachse 112, 112'.
4 zeigt eine ausschnitthafte Querschnittansicht eines weiteren Strukturbauteils 100 mit einem Hautelement 102, das ein aus einer Schichtverbundplatte mit einer zwischen zwei Deckschichten 160 eingeschlossenen Mittelschicht 162 aufgebaut ist. Beispielsweise kann das Hautelement 102 Teil der Außenhaut einer Flugzeugtragfläche oder auch Teil der Wandung eines in einer Flugzeugkabine eingebauten Moduls sein. Der gezeigte Ausschnitt umfasst zwei doppelte Strebenanbindungen 152 mit je zwei Strebenanbindungskörpern 104, die den Strebenanbindungskörpern 104, 104' aus 3 gleichen, im Unterschied zu diesen jedoch einstückig mit einem kugelsegmentförmigen Sockel 164 gebildet sind. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist nur eine Strebe 108 gezeigt. Der Mittelpunkt 116 der zur Kugelsegmentform des Sockels 164 gehörigen Kugel 166, der zugleich der Krümmungsmittelpunkt der Strebenstützflächen 106 aller auf diesem Sockel 164 ausgebildeten Strebenstützkörper 104 ist, liegt an einer neutralen Faser 134 in der Mitte der Mittelschicht 162.
5 zeigt eine ausschnitthafte Querschnittansicht eines Strukturbauteils 100, das zwei identische, jeweils dreifache Strebenanbindungen 153, 153' aufweist. Die in 5 rechts dargestellte dreifache Strebenanbindung 153' ist gegenüber der links dargestellten dreifachen Strebenanbindung 153 um 90° um die gezeigte Strebenachse 112' verdreht. Im Unterschied zu den vorstehend erläuterten Ausführungsformen, bei denen für jede Strebe ein eigener Strebenstützkörper mit kugelkalottenförmiger Strebenstützfläche ausgebildet war, umfassen bei der vorliegenden Ausführungsform die Strebenanbindungen 153, 153'jeweils nur einen gemeinsamen zylindersegmentförmigen Strebenstützkörper 104, 104' für die drei jeweils angebundenen Streben 108, 108'. Die Rotationsachse 114, 114' (Zylinderachse) des zugehörigen Zylinders verläuft innerhalb des Hautelements 102 parallel zu dessen Ebene.
Gemäß seiner Zylindersegmentform weist der Strebenstützkörper 104, 104' der Strebenanbindungen 153, 153' an seiner von dem Hautelement 102 abgewandten Seite eine konvex-zylinderkalottenförmige Strebenstützfläche 106, 106' auf. Entsprechend sind die Gegenflächen 110, 110', die an den durch Flansche 126, 126' verbreiterten Enden der Streben 108, 108' mit gleichem Krümmungsradius konkavzylinderkalottenförmig ausgebildet. Die über den Flanschen 126 angeordnete Abdeckung 118, 118' weist die Form eines Zylindermantels auf, wodurch die den Flanschen 126, 126' gegenüberliegende Innenfläche 124 konkavzylinderkalottenförmig gebildet ist. Hierbei stimmen die zugehörigen Zylinderachsen mit der jeweiligen Zylinderachse 114, 114' des Strebenstützkörpers 104, 104' überein.
Aufgrund des vorstehend beschriebenen Aufbaus sind bei der vorliegenden Ausführungsform die Streben 108, 108' einer Strebenanbindung 153, 153' unabhängig voneinander innerhalb eines beschränkten Winkelbereichs um die Rotationsachse 114 verschwenkbar.
Bei einem geeigneten Verfahren zur Herstellung des gezeigten Strukturbauteils 100 werden die Strebenstützkörper 104, 104' am Hautelement 102 z.B. durch dreidimensionales Drucken der Strebenstützkörper 104, 104' auf das Hautelement 102 befestigt. Wenn sowohl das Hautelement 102 als auch die Strebenstützkörper 104, 104' einen duroplastischen Kunststoff aufweisen, kann dessen Aushärtung in einem nachfolgenden gemeinsamen Schritt erfolgen. Anschließend werden für jede Strebenanbindung 153, 153' die Flansche 126, 126' der Streben 108, 108' in der Abdeckung 118, 118' angeordnet. Dann wird die jeweilige Abdeckung 118, 118' samt den darin angeordneten Flanschen 126, 126' über den zugehörigen Strebenstützkörper 104 gestülpt und am Hautelement 102 befestigt. In der Ausführungsform von 5 sind die Abdeckungen 118, 118' mittels Klebeschichten 170 am Hautelement 102 befestigt, wobei durch Ankleben von Stützwinkeln 172, die sich vom Hautelement 102 auf die Abdeckung 118, 118' erstrecken, zusätzliche Stabilität gewonnen wurde.
6 zeigt eine ausschnitthafte Querschnittansicht eines Strukturbauteils 100, das sich von dem Strukturbauteil aus 5 lediglich durch die Art der Befestigung der Strebenanbindungen 153, 153' am Hautelement 102 unterscheidet. Im vorliegenden Fall sind die Abdeckungen 118, 118' mittels Schraubbolzen 174, die durch Bohrungen durch das Hautelement 102 geführt sind, am Hautelement 102 befestigt. Die Befestigung der Strebenstützkörper 104, 104' am Hautelement 102 kann z.B. ebenfalls mit Schraubbolzen oder alternativ durch Klebung oder durch dreidimensionales Drucken des Strebenstützkörpers 104, 104' auf das Hautelement 102 erreicht werden.
7 zeigt eine ausschnitthafte, schematische Querschnittansicht eines Strukturbauteils 100, bei dem das Hautelement 102 als eine Mehrschichtverbundplatte ausgebildet ist. Zwei zueinander parallele Deckschichten 160 der Mehrschichtverbundbplatte sind durch senkrecht zu diesen verlaufende Trennwände 161, die das Innere des Hautelements 102 in Kammern unterteilen, miteinander verbunden. Ein zylindrischer Strebenstützkörper 104 mit einem Durchmesser, der geringer als die Dicke des Hautelements 102 ist, ist vollständig innerhalb einer Kammer des Hautelements 102 angeordnet, wobei die Zylinderachse 114 an einer neutralen Faser 134 des Hautelements 102 verläuft. Auf der Strebenstützfläche 104 verschieblich angeordnete Flansche 126 von Streben 108, 109 befinden sich ebenfalls vollständig innerhalb des Hautelements 102, sodass ein besonders kompakter Aufbau erreicht ist. Eine optional vorgesehene Abdeckung der Flansche 126 ist in 7 nicht dargestellt.
8 zeigt ebenfalls eine ausschnitthafte, schematische Querschnittansicht eines Strukturbauteils 100, bei dem das Hautelement 102 als eine Mehrschichtverbundplatte mit zueinander parallelen Deckschichten 160 und senkrecht zwischen diesen verlaufenden Trennwänden 161 ausgebildet ist. Ein zylindersegmentförmiger Strebenstützkörper 104 mit einem Zylinderdurchmesser, der größer als die Dicke des Hautelements 102 ist, ist vollständig außerhalb des Hautelements 102 am Ort einer Trennwand 161 an einer Deckschicht 160 befestigt. Die dem Strebenstützkörper 104 über die Deckschicht 160 hinweg gegenüberliegende Trennwand 161 weist eine prismenförmige Verdickung 180 auf, die sich zur innerhalb des Hautelements 102 an einer neutralen Faser desselben angeordneten Zylinderachse des Strebenstützkörpers 104 hin verjüngt. Hierdurch wird eine hohe Stabilität bei geringem Gewicht erzielt. Eine optional vorgesehene Abdeckung der Flansche 126 ist in 8 nicht dargestellt.
Bezugszeichenliste

100: Strukturbauteil (Tragfläche)
102: Hautelement (Außenhaut)
104: Strebenstützkörper (Strebenanbindungskörper)
106: Strebenstützfläche
108: Strebe mit variabler Länge
109: Strebe mit fester Länge
110: Gegenfläche
112: Strebenachse
114: Rotationsachse
116: Mittelpunkt (Rotationszentrum)
118: Abdeckung
120: Strebendurchführöffnung
124: Innenfläche der Abdeckung
126: Flansch
128: Außengewinde (Gewinde)
130: Rotationskörper
132: Einbettungsabschnitt
134: neutrale Faser
140: Oberseite der Tragfläche
141: Unterseite der Tragfläche
142: Vorderkante der Tragfläche
143: Hinterkante der Tragfläche
150: einfache Strebenanbindung
152: doppelte Strebenanbindung
153: dreifache Strebenanbindung
154: Aktor
158: Faserlage
160: Deckschicht
161: Kammerwand (Trennwand)
162: Mittelschicht
164: Sockel
166: Kugel
170: Klebeschicht
172: Stützwinkel
174: Schraubbolzen
180: Verdickung

Claims

Strukturbauteil (100) für ein Luft- oder Raumfahrzeug, umfassend: ein Hautelement (102); einen am Hautelement (102) befestigten Strebenstützkörper (104), welcher eine entsprechend einem Oberflächenabschnitt eines Rotationskörpers (130) geformte Strebenstützfläche (106) aufweist; und eine Strebe (108, 109) mit einer entsprechend einem Oberflächenabschnitt des Rotationskörpers (130) geformten Gegenfläche (110), welche an der Strebenstützfläche (106) derart verschieblich abgestützt ist, dass eine entlang der Strebe (108, 109) verlaufende Strebenachse (112) innerhalb des Hautelements (102) eine Rotationsachse (114) des Rotationskörpers (130) kreuzt.
Strukturbauteil (100) nach Anspruch 1, wobei der Rotationskörper (130) eine Kugel ist, deren Mittelpunkt (116) innerhalb des Hautelements (102) liegt, wobei insbesondere die Strebenachse (112) durch den Mittelpunkt (116) verläuft.
Strukturbauteil (100) nach Anspruch 1 oder 2, ferner umfassend eine Abdeckung (118) des Strebenstützkörpers (104), welche eine Strebendurchführöffnung (120), durch welche die Strebe (108, 109) geführt ist, und eine der Strebenstützfläche (106) konstant beabstandet gegenüberliegende Innenfläche (124) aufweist, wobei die Strebe (108, 109) einen Flansch (126) aufweist, welcher sich stets zwischen der Strebenstützfläche (106) und der Innenfläche (124) erstreckt.
Strukturbauteil (100) nach Anspruch 3, wobei der Strebenstützkörper (104) ein die Strebenstützfläche (106) umgebendes Gewinde (128) aufweist, auf welches die Abdeckung (118) aufgeschraubt ist.
Strukturbauteil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Strebenstützfläche (106) außerhalb des Hautelements (102) angeordnet ist.
Strukturbauteil (100) nach Anspruch 5, wobei das Hautelement (102) im Bereich des Strebenstützkörpers (104) durchgehend unverändert ausgebildet ist.
Strukturbauteil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Strebenstützkörper (104) dreidimensional auf das Hautelement (102) gedruckt ausgebildet ist.
Strukturbauteil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Strebenstützkörper (104) einen, insbesondere gestuften, Einbettungsabschnitt (132) aufweist, welcher in das Hautelement (102) eingebettet ist.
Strukturbauteil (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Strebenachse (112) die Rotationsachse (114) des Rotationskörpers (130) an einer neutralen Faser (134) des Hautelements (102) kreuzt.
Luft- oder Raumfahrzeug, umfassend ein Strukturbauteil (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Luft- oder Raumfahrzeug nach Anspruch 10, wobei das Hautelement (102) Bestandteil einer Außenhaut des Luft- oder Raumfahrzeugs ist.
Luft- oder Raumfahrzeug nach Anspruch 10, ferner umfassend eine Innenbaugruppe, wobei das Hautelement (102) Bestandteil einer Umhüllung der Innenbaugruppe ist.
Verfahren zur Herstellung eines Strukturbauteils (100) für ein Luft- oder Raumfahrzeug, umfassend: Bereitstellen eines Hautelements (102); Befestigen eines Strebenstützkörpers (104), welcher eine entsprechend einem Oberflächenabschnitt eines Rotationskörpers (130) geformte Strebenstützfläche (106) aufweist, am Hautelement (102) ; und Verschiebliches Abstützen einer Strebe (108, 19), welche eine entsprechend einem Oberflächenabschnitt des Rotationskörpers (130) geformte Gegenfläche (110) aufweist, derart an der Strebenstützfläche (106), dass eine entlang der Strebe (108, 109) verlaufende Strebenachse (112) innerhalb des Hautelements (102) eine Rotationsachse (114) des Rotationskörpers (130) kreuzt.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Hautelement (102) und der Strebenstützkörper (104) einen, insbesondere faserverstärkten, duroplastischen Kunststoff aufweisen, ferner umfassend einen Schritt des gemeinsamen Aushärtens des Hautelements (102) und des Strebenstützkörpers (104).
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei das Befestigen des Strebenstützkörpers (104) durch dreidimensionales Drucken des Strebenstützkörpers (104) auf das Hautelement (102) erfolgt.