DE102022127923A1 - Wing body and method for producing and repairing a wing body - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Flügelkörper für ein Flugobjekt mit einem Flügelkasten, der einen ersten Strömungsoberflächenabschnitt einer der umgebenden Luftströmung zugewandten Strömungsoberfläche hat, und mit einer in Strömungsrichtung vor dem Flügelkasten angeordnete Flügelvorderkante, die einen zweiten Strömungsoberflächenabschnitt der Strömungsoberfläche hat, so dass Flügelkasten und Flügelvorderkante ein aerodynamisch umströmbares Strömungsprofil bilden, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens der zweite Strömungsoberflächenabschnitt der Flügelvorderkante zumindest teilweise aus einer flächigen, metallischen Formgedächtnislegierung gebildet ist, wobei die metallische Formgedächtnislegierung derart eingerichtet ist, dass sie durch Temperierung in ihre ursprüngliche Form zurückkehrt, wenn sie zuvor durch Krafteinwirkung deformiert wurde. The invention relates to a wing body for a flying object with a wing box which has a first flow surface section of a flow surface facing the surrounding air flow, and with a wing leading edge arranged in the flow direction in front of the wing box, which has a second flow surface section of the flow surface, so that the wing box and wing leading edge form an aerodynamically flowable flow profile, characterized in that at least the second flow surface section of the wing leading edge is formed at least partially from a flat, metallic shape memory alloy, wherein the metallic shape memory alloy is designed such that it returns to its original shape by tempering if it has previously been deformed by the application of force.
Description
Die Erfindung betrifft einen Flügelkörper für ein Flugobjekt mit einem Flügelkasten, der einen ersten Strömungsoberflächenabschnitt einer der umgebenden Luftströmung zugewandten Strömungsoberfläche hat, und mit einer in Strömungsrichtung vor dem Flügelkasten angeordnete Flügelvorderkante, die einen zweiten Strömungsoberflächenabschnitt der Strömungsoberfläche hat, so dass Flügelkasten und Flügelvorderkante ein aerodynamisch umströmbares Strömungsprofil bilden.The invention relates to a wing body for a flying object with a wing box which has a first flow surface section of a flow surface facing the surrounding air flow, and with a wing leading edge arranged in the flow direction in front of the wing box, which has a second flow surface section of the flow surface, so that the wing box and wing leading edge form an aerodynamically flowable flow profile.
Die Erfindung betrifft ebenso ein Verfahren zum Reparieren eines solchen Flügelkörpers sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.The invention also relates to a method for repairing such a wing body and a method for its production.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung werden unter dem Begriff „Flügelkörper“ diejenigen Elemente eines Flugobjektes verstanden, die von dem Rumpf des Flugobjektes abstehend angeordnet sind und bei bestimmungsgemäßen Gebrauch des Flugobjektes durch umgebende Luftschichten angeströmt werden, wodurch aerodynamische Kräfte hervorgerufen werden. So sind insbesondere die Tragflügel (Tragflächen) sowie die Leitwerke (Höhenleitwerk, Seitenleitwerk) Flügelkörper im Sinne der vorliegenden Erfindung.In the sense of the present invention, the term "wing body" refers to those elements of a flying object that are arranged in a protruding manner from the fuselage of the flying object and that, when the flying object is used as intended, are exposed to air flow from surrounding layers, thereby causing aerodynamic forces. In particular, the wings (airfoils) and the tail units (horizontal stabilizer, vertical stabilizer) are wing bodies in the sense of the present invention.
Die Profilflächen der Flügelkörper von Flugobjekten, wie beispielsweise Tragflächen von Verkehrsflugzeugen, besitzen bei Anströmung zunächst grundsätzlich laminare Grenzschichten, die bei heutigen Verkehrsflugzeugen jedoch frühzeitig in turbulente Grenzschichten umschlagen. Eine solche turbulente Grenzschicht weist dabei einen deutlich erhöhten Reibungswiderstand auf als eine laminare Grenzschicht. Die Instabilität der Grenzschicht, die zum Umschlag führt, wird durch Formabweichungen, wie bspw. Lücken und Stufen in der Kontur der Profilfläche, begünstigt.The profile surfaces of the wing bodies of flying objects, such as the wings of commercial aircraft, initially have laminar boundary layers when exposed to airflow, but in today's commercial aircraft these quickly turn into turbulent boundary layers. Such a turbulent boundary layer has a significantly higher frictional resistance than a laminar boundary layer. The instability of the boundary layer, which leads to the transition, is promoted by shape deviations, such as gaps and steps in the contour of the profile surface.
Zulässige Werte für diese Formabweichungen sind beispielsweise 0,5 mm für Stufen entgegen der Strömungsrichtung sowie 0,1 mm der Stufen in Richtung der Strömung.Permissible values for these shape deviations are, for example, 0.5 mm for steps against the flow direction and 0.1 mm for steps in the direction of flow.
Werden derlei Formabweichungen insbesondere im Vorderbereich der aerodynamischen Funktionsfläche vermieden, führt dies zu einem späteren Umschlag der Strömung von einer laminaren Grenzschicht in eine turbulente Grenzschicht und somit zu einem erweiterten Bereich der laminaren Profilumströmung. Dies wiederum führt zu einer Widerstandsreduzierung und direkter Treibstoffeinsparung bzw. gesteigerten Reichweite des Flugzeuges.If such shape deviations are avoided, particularly in the front area of the aerodynamic functional surface, this leads to a later change in the flow from a laminar boundary layer to a turbulent boundary layer and thus to an expanded area of laminar flow around the profile. This in turn leads to a reduction in drag and direct fuel savings or an increased range of the aircraft.
Abgesehen von den Vorteilen einer verbesserten Laminarität können wesentlich größere Abweichungen (z.B. mehrere Millimeter) von der vorgegebenen aerodynamischen Kontur an der Flügelvorderkante zu einem Auftriebsverlust führen und die Flugsicherheit des Flugzeugs gefährden. Solche großen Abweichungen können durch den Aufprall von großen Hagelkörnern oder anderen Fremdkörpern verursacht werden. In diesem Fall ist eine Reparatur der Vorderkante für eine ausreichende Flugsicherheit zwingend erforderlich.Apart from the benefits of improved laminarity, significantly larger deviations (e.g. several millimeters) from the specified aerodynamic contour at the wing leading edge can lead to a loss of lift and endanger the flight safety of the aircraft. Such large deviations can be caused by the impact of large hailstones or other foreign objects. In this case, a repair of the leading edge is essential to ensure sufficient flight safety.
Grundsätzlich bestehen derlei Flügelkörper, insbesondere die Tragflügel von Verkehrsflugzeugen, aus einem Flügelkasten, der zwei diametral gegenüberliegende Flügelschalen hat, die mit Hilfe von Holmen und Rippen im Inneren des Flügelkastens gehalten werden und dabei auch der Einhaltung der geforderten Profilkontur des Flügels dienen. Häufig bildet der Flügelkasten dabei auch einen innenliegenden Treibstofftank. In Strömungsrichtung vor dem Flügelkasten wird die Flügelvorderkante befestigt, welche die äußere Strömungsoberfläche des Flügelkastens mit der äußeren Strömungsoberfläche der Flügelvorderkante zu einem Strömungsprofil verbindet und darüber hinaus die bei einigen Flugzeugen vorgesehenen Hochauftriebssysteme im Vorflügel enthält (Slats oder Krüger-Flaps). Die Flügelvorderkante ist dabei derjenige exponierte Bereich des Flügelkörpers, der zuerst von den umgebenden Luftmassen angeströmt wird und somit einen wichtigen Beitrag zur Erhaltung der laminaren Grenzschichtströmung leistet.Basically, such wing bodies, especially the wings of commercial aircraft, consist of a wing box with two diametrically opposed wing shells that are held inside the wing box with the help of spars and ribs and also serve to maintain the required profile contour of the wing. The wing box often also forms an internal fuel tank. The wing leading edge is attached in the direction of flow in front of the wing box, which connects the outer flow surface of the wing box with the outer flow surface of the wing leading edge to form a flow profile and also contains the high-lift systems in the slats provided on some aircraft (slats or Kruger flaps). The wing leading edge is the exposed area of the wing body that is first exposed to the surrounding air masses and thus makes an important contribution to maintaining the laminar boundary layer flow.
Es ist bekannt, bei konventionellen Verkehrsflugzeugen den Flügel bzw. den Flügelkörper aus einem Aluminiummaterial herzustellen, wobei die Struktur der Flügelvorderkante mit der Struktur des Flügelkastens oftmals vermietet wird. Eine solche Nietverbindung zeichnet sich dabei dadurch aus, dass ein entsprechender Bolzen bzw. ein Verbindungselement durch die Oberfläche der jeweiligen Struktur geführt wird, wobei an den äußeren Kanten dann ein entsprechender Abschluss vorgesehen ist. Die Vorderflügelkante und eine der Flügelschalen des Flügelkastens werden hierfür überlappend angeordnet und dann mit mehreren Nietverbindungen verbunden, wobei eine solche Nietverbindung eine zusätzliche Störung auf der Strömungsoberfläche darstellt und somit die Grenzschicht negativ beeinflusst. So wird durch den Nietkopf an der Strömungsoberfläche der Umschlag von der laminaren in eine turbulente Grenzschicht begünstigt, so dass grundsätzlich eine derartige Nietverbindung im Vorflügelbereich vermieden werden sollte.It is known that in conventional commercial aircraft the wing or wing body is made from an aluminum material, whereby the structure of the wing leading edge is often merged with the structure of the wing box. Such a riveted connection is characterized by the fact that a corresponding bolt or a connecting element is guided through the surface of the respective structure, whereby a corresponding closure is then provided on the outer edges. For this purpose, the leading wing edge and one of the wing shells of the wing box are arranged to overlap and then connected with several riveted connections, whereby such a riveted connection represents an additional disturbance on the flow surface and thus has a negative effect on the boundary layer. The rivet head on the flow surface promotes the transition from the laminar to a turbulent boundary layer, so that such a riveted connection in the leading edge area should generally be avoided.
Eine weitere Möglichkeit, um das Gesamtgewicht eines Flugobjektes, insbesondere eines konventionellen Verkehrsflugzeuges, zu senken, umso Treibstoff einzusparen, besteht darin, Teile des Rumpfes und der Flügelkörper des Flugobjektes aus einem Faserverbundwerkstoff, beispielsweise einem CFK (Kohlenstoff-Faser-Kunststoffe) oder GFK (Glasfaser-Kunststoffe) Material, herzustellen. Dabei werden zunehmend auch strukturkritische Bauteile aus diesen Werkstoffen hergestellt, um Gewicht einzusparen.Another way to reduce the total weight of a flying object, especially a conventional commercial aircraft, and thus save fuel, is to make parts of the fuselage and the wing body of the flying object out of a fiber composite material, for example a CFRP (carbon fiber plastics) or GFRP (glass fiber plastics) material. Structurally critical components are also increasingly being made from these materials in order to save weight.
Zwar besitzen Faserverbundwerkstoffe ein sehr günstiges Gewichts-Stabilitätsverhältnis. Allerdings sind Bauteile, die aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt wurden, anfällig gegenüber äußeren Krafteinwirkungen, die senkrecht zur Faserebene der Faserverbundwerkstoffe auf das Bauteil einwirken. Eine Flügelvorderkante, die aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt ist, muss daher in der Regel durch eine Schutzschicht geschützt werden, um Beschädigungen der Flügelvorderkante aus einem Faserverbundwerkstoff bei äußerer Krafteinwirkung zu vermeiden. Ansonsten würden äußere Einwirkungen wie Hagel oder Vogelschlag zu einer Erosion führen, welche die Stabilität und Integrität der Flügelvorderkante beeinträchtigen kann.Although fiber composites have a very favorable weight-to-stability ratio, components made from fiber composites are susceptible to external forces acting on the component perpendicular to the fiber plane of the fiber composites. A wing leading edge made from fiber composites must therefore generally be protected by a protective layer to prevent damage to the wing leading edge made from fiber composites when external forces are applied. Otherwise, external influences such as hail or bird strikes would lead to erosion, which can impair the stability and integrity of the wing leading edge.
Es hat sich allerdings gezeigt, dass auch eine solche äußere Schutzschicht an der Flügelvorderkante regelmäßig ausgetauscht werden muss, damit die Flügelvorderkante auch weiterhin das Aufrechthalten einer laminaren Grenzschichtströmung begünstigt. Denn die durch eine äußere Krafteinwirkung auf die Flügelvorderkante entstehende Deformation führt in der Regel zu einem sehr frühzeitigen Umschlag von einer laminaren Grenzschichtströmung in eine turbulente Grenzschichtströmung, was aus den oben genannten Gründen es zu vermeiden gilt.However, it has been shown that such an outer protective layer on the leading edge of the wing must also be replaced regularly so that the leading edge of the wing continues to promote the maintenance of a laminar boundary layer flow. This is because the deformation caused by an external force on the leading edge of the wing usually leads to a very early transition from a laminar boundary layer flow to a turbulent boundary layer flow, which must be avoided for the reasons mentioned above.
Die Reparatur einer solchen deformierten Strömungsoberfläche ist dabei in der Regel recht aufwendig, da die äußere Schutzschicht von dem Flügelkörper entfernt und eine neue Schutzschicht aufgetragen werden muss. Es entstehen somit zum Teil erhebliche Wartungsintervalle, welche den Vorteil einer laminaren Grenzschichtströmung zum Zwecke der Treibstoffeinsparung wieder zunichtemachen.Repairing such a deformed flow surface is usually quite complex, as the outer protective layer must be removed from the wing body and a new protective layer applied. This can result in considerable maintenance intervals, which negates the advantage of laminar boundary layer flow for the purpose of saving fuel.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen verbesserten Flügelkörper für Flugobjekte anzugeben, bei dem sich die äußere Strömungsoberfläche leicht und schnell reparieren lässt.It is therefore an object of the present invention to provide an improved wing body for flying objects in which the outer flow surface can be easily and quickly repaired.
Die Aufgabe wird mit dem Flügelkörper gemäß Anspruch 1 erfindungsgemäß gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung finden sich dann in den entsprechenden Unteransprüchen.The object is achieved according to the invention with the wing body according to
Gemäß Anspruch 1 wird ein Flügelkörper für Flugobjekte vorgeschlagen, wobei der Flügelkörper eine Flügelkasten sowie eine in Strömungsrichtung vor dem Flügelkasten angeordnete Flügelvorderkante aufweist. Zusammen bilden der Flügelkasten und die Flügelvorderkante ein aerodynamisch umströmbares Strömungsprofil, wobei der Flügelkasten auch die Flügelhinterkante umfasst. Der Flügelkörper besitzt eine äußere Strömungsoberfläche, die von den äußeren Luftmassen umströmt wird. Der Flügelkasten weist hierfür einen ersten Strömungsoberflächenabschnitt auf, der mit dem zweiten Strömungsoberflächenabschnitt der Flügelvorderkante für eine gemeinsame Strömungsoberfläche zusammenwirkt.According to
Erfindungsgemäß ist und vorgesehen, dass mindestens der zweite Strömungsoberflächenabschnitt der Flügelvorderkante zumindest teilweise aus einer flächigen, metallischen Formgedächtnislegierung gebildet ist, wobei die metallische Formgedächtnislegierung derart eingerichtet ist, dass sie durch Temperierung in ihre ursprüngliche Form zurückkehrt, wenn sie zuvor durch Krafteinwirkung deformiert wurde.According to the invention, it is provided that at least the second flow surface section of the wing leading edge is formed at least partially from a flat, metallic shape memory alloy, wherein the metallic shape memory alloy is designed such that it returns to its original shape by tempering if it has previously been deformed by the action of force.
Vorzugsweise wird der gesamte Bereich der Nase der Flügelvorderkante mit einer solchen metallischen Formgedächtnislegierung versehen, da das derjenige exponierte Bereich ist, der am häufigsten von Deformationen und Beschädigungen betroffen ist. Befinden sich Deformationen wie Beulen, Dellen und dergleichen nach dem Gebrauch des Flugobjektes im Bereich der Flügelvorderkante, so kann durch eine Temperierung der Formgedächtnislegierung auf eine in den meisten Fällen materialabhängige Temperatur die ursprüngliche Form ohne Deformationen wiederhergestellt werden. Hierfür wird die Flügelvorderkante bzw. der Flügelkörper durch eine externe oder in dem Flügelkörper integrierte Heizeinrichtung temperiert, bis die Formgedächtnislegierung ihre ursprüngliche Form wieder einnimmt, wodurch die Deformationen in der Flügelvorderkante eliminiert werden.Preferably, the entire area of the nose of the wing's leading edge is provided with such a metallic shape memory alloy, as this is the exposed area that is most frequently affected by deformations and damage. If deformations such as dents, dents and the like are found in the area of the wing's leading edge after use of the flying object, the original shape can be restored without deformations by tempering the shape memory alloy to a temperature that is in most cases material-dependent. To do this, the wing's leading edge or the wing body is tempered by a heating device external or integrated in the wing body until the shape memory alloy returns to its original shape, thereby eliminating the deformations in the wing's leading edge.
Es wurde hierbei erkannt, dass Deformationen wie Hagelschäden oder Vogelschläge, die häufig an Flügelvorderkanten auftreten, mithilfe einer Formgedächtnislegierung eliminiert werden können, indem die Formgedächtnislegierung auf die entsprechende Temperatur temperiert wird.It was recognized that deformations such as hail damage or bird strikes, which often occur on wing leading edges, can be eliminated using a shape memory alloy by tempering the shape memory alloy to the appropriate temperature.
Damit wird es möglich, derartige deformationsbedingte Beschädigungen der Flügelvorderkante durch einfaches Temperieren zu reparieren, sodass der Austausch der Flügelvorderkante bzw. dessen Schutzschicht entfällt. Der Flügelkörper kann somit in sehr kurzer Zeit wieder in den ursprünglichen Zustand zurückversetzt werden, wodurch langanhaltend über den gesamten Betrieb des Flugobjektes hinweg eine laminare Grenzschichtströmung realisiert werden kann.This makes it possible to repair such deformation-related damage to the leading edge of the wing by simply tempering it, so that the leading edge of the wing or its protective layer does not need to be replaced. The wing body can therefore be returned to its original state in a very short time, which means that a laminar boundary layer flow can be achieved over the entire operation of the aircraft.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass als Material für einen Flügelkörper Faserverbundwerkstoffe verwendet werden können, da die Flügelvorderkante nunmehr mithilfe der Formgedächtnislegierung als Schutzschicht geschützt werden kann. Der Flügelkörper, insbesondere aber die Flügelvorderkante, wird dabei aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt bzw. gebildet, wobei die flächige, metallische Formgedächtnislegierung als Schutzschicht die darunterliegende Struktur aus dem Faserverbundwerkstoff schützt.Another advantage is that the material used for a wing body is fiber composite materials can be used, as the leading edge of the wing can now be protected using the shape memory alloy as a protective layer. The wing body, but in particular the leading edge of the wing, is manufactured or formed from a fiber composite material, with the flat, metallic shape memory alloy as a protective layer protecting the underlying structure made of the fiber composite material.
Dabei kann vorgesehen sein, dass zwischen der flächigen, metallischen Formgedächtnislegierung und der Faserverbundstruktur der Flügelvorderkante eine elastische Schicht (beispielsweise aus einem Elastomer) angeordnet wird, sodass schwere Deformationen der äußeren Schutzschicht aus der Formgedächtnislegierung nicht die darunterliegende Faserverbundstruktur der Flügelvorderkante beschädigen.It can be provided that an elastic layer (for example made of an elastomer) is arranged between the flat, metallic shape memory alloy and the fiber composite structure of the wing leading edge, so that severe deformations of the outer protective layer made of the shape memory alloy do not damage the underlying fiber composite structure of the wing leading edge.
Somit wird es möglich, Faserverbundwerkstoffe für Flügelkörper zu verwenden, wobei eine einfache Reparatur der Flügelvorderkante aufgrund der Formgedächtnislegierung möglich wird.This makes it possible to use fiber composite materials for wing bodies, with easy repair of the wing leading edge possible due to the shape memory alloy.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die metallische Formgedächtnislegierung eine Nickel-Titan-Legierung aufweist oder aus einer solchen besteht.According to one embodiment, the metallic shape memory alloy comprises or consists of a nickel-titanium alloy.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die metallische Formgedächtnislegierung einen ersten martensitischen Materialzustand hat, bei dem die metallische Formgedächtnislegierung in ihrer ursprünglichen Form vorliegt, und einen durch Temperierung wechselbaren zweiten austenitischen Materialzustand hat, bei dem die matallische Formgedächtnislegierung wieder in ihre ursprüngliche Form zurückkehrt, wenn diese in dem ersten Materialzustand durch äußere Krafteinwirkung deformiert wurde.According to one embodiment, it is provided that the metallic shape memory alloy has a first martensitic material state in which the metallic shape memory alloy is in its original shape, and a second austenitic material state that can be changed by tempering and in which the metallic shape memory alloy returns to its original shape if it has been deformed in the first material state by the action of external force.
Die Formgedächtnislegierung wird dabei für den Zweck der Reparatur derart temperiert, dass die Formgedächtnislegierung über den ersten martensitischen Materialzustand (auch Phase oder Martensit genannt) in den zweiten austenitischen Materialzustand (auch Phase oder Austenit genannt) wechselt, sodass die Formgedächtnislegierung in ihre ursprüngliche Form zurückkehrt und sämtliche Beschädigungen, die durch Deformationen wie Beulen oder Dellen hervorgerufen wurden, eliminiert werden.For the purpose of repair, the shape memory alloy is tempered in such a way that the shape memory alloy changes from the first martensitic material state (also called phase or martensite) to the second austenitic material state (also called phase or austenite), so that the shape memory alloy returns to its original shape and all damage caused by deformations such as dents or dings is eliminated.
Die ursprüngliche Form der Formgedächtnislegierung ist dabei diejenige Form, bei der die durch die Formgedächtnislegierung gebildete äußere Strömungsoberfläche keinerlei Deformationen aufweist und prinzipiell eine laminare Grenzschichtströmung begünstigt.The original shape of the shape memory alloy is the shape in which the outer flow surface formed by the shape memory alloy does not show any deformations and in principle promotes a laminar boundary layer flow.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Flügelkörper eine Temperiereinrichtung aufweist, die mit dem Teil der Strömungsoberfläche, die aus der flächigen, metallischen Formgedächtnislegierung gebildet ist, zum Temperieren der Formgedächtnislegierung zusammenwirkt.According to one embodiment, it is provided that the wing body has a tempering device which cooperates with the part of the flow surface which is formed from the flat, metallic shape memory alloy for tempering the shape memory alloy.
Eine solche Temperiereinrichtung kann beispielsweise in die Struktur der Flügelvorderkante integriert sein. Wird die Flügelvorderkante beispielsweise aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt, der elektrisch leitfähige Fasern aufweist, so können diese im Bereich der Formgedächtnislegierung bestromt werden, sodass aufgrund des elektrischen Widerstandes sich der Bereich der Flügelvorderkante mit der Formgedächtnislegierung erwärmt. Denkbar ist aber auch, dass die Temperiereinrichtung entsprechende Fluidkanäle aufweist, die in die Struktur der Flügelvorderkante integriert sind, sodass ein temperiertes Fluid durch die Fluidkanäle hindurchströmen können, um so die Formgedächtnislegierung auf die gewünschte Temperatur zu Temperieren. Ein solches temperierte Fluid kann beispielsweise die Zapfluft der Triebwerke sein.Such a tempering device can, for example, be integrated into the structure of the wing's leading edge. If the wing's leading edge is made from a fiber composite material that has electrically conductive fibers, these can be energized in the area of the shape memory alloy so that the area of the wing's leading edge with the shape memory alloy heats up due to the electrical resistance. It is also conceivable, however, that the tempering device has corresponding fluid channels that are integrated into the structure of the wing's leading edge so that a tempered fluid can flow through the fluid channels in order to temper the shape memory alloy to the desired temperature. Such a tempered fluid can, for example, be the bleed air of the engines.
Denkbar ist aber auch, dass die Formgedächtnislegierung direkt oder indirekt mithilfe von Induktion und/oder mithilfe von Infrarotstrahlung erwärmt wird.It is also conceivable that the shape memory alloy is heated directly or indirectly by means of induction and/or infrared radiation.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Temperiereinrichtung Teil eines Enteisungssystems zur Enteisung des Flügelkörpers ist.According to one embodiment, it is provided that the tempering device is part of a de-icing system for de-icing the wing body.
Die Aufgabe wird auch mit dem Verfahren zum Reparieren eines solchen Flügelkörpers gemäß Anspruch 6 erfindungsgemäß gelöst, wobei der Teil der Strömungsoberfläche, die aus der flächigen, metallischen Formgedächtnislegierung gebildet ist, auf eine Temperatur temperiert wird, bei der die Formgedächtnislegierung wieder in ihre ursprüngliche Form zurückkehrt, wenn sie zuvor durch Krafteinwirkung deformiert wurde.The object is also achieved according to the invention with the method for repairing such a wing body according to claim 6, wherein the part of the flow surface which is formed from the flat, metallic shape memory alloy is tempered to a temperature at which the shape memory alloy returns to its original shape if it was previously deformed by the action of force.
Zunächst wird dem Verfahren ein Flügelkörper gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5 bereitgestellt. Ein solcher bereitgestellter Flügelkörper weist dabei durch äußere Krafteinwirkung entstandene Deformationen im Bereich seiner flächigen, metallischen Formgedächtnislegierung auf, die oftmals einen Umschlag in eine turbulente Grenzschichtströmung begünstigen. Der Flügelkörper wird dabei nun zumindest im Bereich der Formgedächtnislegierung auf eine entsprechende Temperatur temperiert, bei der die Formgedächtnislegierung wieder die ursprüngliche Form zurückkehrt. Nach dem Abkühlen der Formgedächtnislegierung sind diese Deformationen entfernt und der Flügelkörper ist repariert.First, a wing body according to one of
Die Aufgabe wird auch mit dem Verfahren zur Herstellung eines solchen Flügelkörpers gemäß Anspruch 7 erfindungsgemäß gelöst. Das Verfahren umfasst dabei die folgenden Schritte:
- - Bereitstellen eines Flügelkörpers mit einem Flügelkasten sowie einer in Strömungsrichtung vor dem Flügelkasten angeordnete Flügelvorderkante,
- - Herstellen zumindest eines Teils der Strömungsoberfläche des bereitgestellten Flügelkörpers aus einer metallischen Formgedächtnislegierung in einer ursprünglichen Form unterhalb einer ersten Temperatur,
- - Temperieren des hergestellten Teils der Strömungsoberfläche oberhalb einer zweiten Temperatur,
- - Abkühlen des hergestellten Teils der Strömungsoberfläche, nach dem die zweite Temperatur überschritten wurde, unter die erste Temperatur,
- - Anordnen des hergestellten Teils der Strömungsoberfläche an den Flügelkörper derart, dass dieser Bestandteil der Strömungsoberfläche des Flügelkastens wird.
- - Providing a wing body with a wing box and a wing leading edge arranged in front of the wing box in the direction of flow,
- - producing at least part of the flow surface of the provided wing body from a metallic shape memory alloy in an original shape below a first temperature,
- - Tempering the produced part of the flow surface above a second temperature,
- - cooling the manufactured part of the flow surface after the second temperature has been exceeded to below the first temperature,
- - Arranging the manufactured part of the flow surface on the wing body in such a way that it becomes part of the flow surface of the wing box.
Das Herstellen des zumindest einen Teils der Strömungsoberfläche aus der Formgedächtnislegierung kann dabei mithilfe einer geschlossenen Werkzeugform erfolgen. Dabei wird zunächst ein Halbzeug aus einer Formgedächtnislegierung bereitgestellt, wobei das Halbzeug dann in die Werkzeugform eingelegt und die Werkzeugform dann geschlossen wird. Die Werkzeugform weist dabei die gewünschte Form auf, in der die Formgedächtnislegierung in ihrer ursprünglichen Form vorliegen soll.The production of at least part of the flow surface from the shape memory alloy can be carried out using a closed tool mold. First, a semi-finished product made of a shape memory alloy is provided, the semi-finished product is then placed in the tool mold and the tool mold is then closed. The tool mold has the desired shape in which the shape memory alloy should be in its original form.
Die so in die ursprüngliche Form gebrachte Formgedächtnislegierung kann nun aus der Werkzeugform entnommen oder in der Werkzeugform verbleiben, wenn sich der anschließende Temperprozess anschließt. Dabei wird die Formgedächtnislegierung auf die notwendige Temperatur temperiert und anschließend sehr schnell abgekühlt, sodass die Formgedächtnislegierung ihre ursprüngliche Form angelernt bzw. „trainiert“ hat.The shape memory alloy, which has been brought into its original shape in this way, can now be removed from the tool mold or remain in the tool mold when the subsequent tempering process begins. The shape memory alloy is tempered to the required temperature and then cooled very quickly so that the shape memory alloy has learned or "trained" its original shape.
Wird die Formgedächtnislegierung später wieder über diese gewisse Temperatur, die materialabhängig sein kann, temperiert, sondern sie die ursprüngliche Form wieder an, die sie während des Herstellungsprozesses erhalten hat.If the shape memory alloy is later tempered above this certain temperature, which may depend on the material, it returns to the original shape it acquired during the manufacturing process.
Die so hergestellte Formgedächtnislegierung kann nun als Schutzschicht auf den gewünschten Bereich der Flügelvorderkante aufgebracht werden und mit dieser verbunden werden. Das Verbinden der Formgedächtnislegierung mit der Flügelvorderkante kann dabei beispielsweise durch verkleben erfolgen.The shape memory alloy produced in this way can now be applied as a protective layer to the desired area of the wing's leading edge and connected to it. The shape memory alloy can be connected to the wing's leading edge by gluing, for example.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass nach dem Abkühlen der Vorgang des Temperierens und Abkühlens einmal oder mehrmals wiederholt wird.According to one embodiment, after cooling, the tempering and cooling process is repeated once or several times.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass der hergestellte Teil der Strömungsoberfläche zumindest einen Teil der Strömungsoberfläche der Flügelvorderkante bildet.According to one embodiment, it is provided that the manufactured part of the flow surface forms at least part of the flow surface of the wing leading edge.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die erste Temperatur der Beginn des martensitischen Materialzustandes ist und die zweite Temperatur der Beginn des austenitischen Materialzustandes ist.According to one embodiment, the first temperature is the beginning of the martensitic material state and the second temperature is the beginning of the austenitic material state.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Figuren beispielhaften erläutert. Es zeigt:
-
1 schematische Darstellung eines Flügelkörpers im Querschnitt; -
2 schematische Darstellung der Herstellung der an Formgedächtnislegierung.
-
1 schematic representation of a wing body in cross section; -
2 Schematic representation of the production of the shape memory alloy.
Die sich davor anschließende Flügelvorderkante 30 weist ebenfalls eine innenliegende Tragstruktur 31 auf, die ebenfalls aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt sein kann. Zur Abgrenzung der Tragstruktur 31 hin zu den umströmenden Luftmassen erhält die Flügelvorderkante 30 eine äußere Schutzschicht 32, die den zweiten Strömungsoberflächenabschnitt 33 bildet.The
Der erste Strömungsoberflächenabschnitt 23 bildet dabei zusammen mit den zweiten Strömungsoberflächenabschnitt 33 eine äußere Strömungsoberfläche und somit ein äußeres Strömungsprofil, welches Auftriebskräfte oder andere Kräfte auf das Flugzeug übertragen kann, wenn das Strömungsprofil von äußeren Luftmassen angeströmt wird.The first
Die äußere Schutzschicht 32 der Flügelvorderkante 30, die einen Teil der äußeren Strömungsoberfläche des Flügelkörpers 10 bildet, ist dabei erfindungsgemäß aus einer metallischen Formgedächtnislegierung hergestellt, die sich die ursprüngliche Form der Schutzschicht 32 „gemerkt“ hat. Die ursprüngliche Form der Schutzschicht 32 entspricht dabei der gewünschten Form der Flügelvorderkante an der äußeren Strömungsoberfläche ohne einschränkende Deformationen oder Beschädigungen. The outer
Vorteilhafterweise ist die ursprüngliche Form der Schutzschicht 32 so ausgebildet, dass sie eine laminare Grenzschichtströmung begünstigt.Advantageously, the original shape of the
Die Flügelvorderkante 30 weist dabei des Weiteren eine Heizeinrichtung 40 auf, die vollständig in der Flügelvorderkante 30 enthalten sein kann oder nur bestimmte Teile davon. Die Heizeinrichtung 40 ist darauf ausgebildet, die Schutzschicht 32 auf eine Temperatur zu erwärmen, bei der die Schutzschicht 32 gebildet aus der metallischen Formgedächtnislegierung wieder in ihre ursprüngliche Form zurückkehrt, sodass Beschädigungen an der Schutzschicht 32 in Form von Beulen oder Dellen entfernt werden.The
Ist die Heizeinrichtung 40 Bestandteil des Flügelkörpers 10, so können Beschädigungen an der Flügelvorderkante 30 auch während eines Zwischenstopps oder im Zusammenhang mit einfachen Wartungsmaßnahmen durch Temperieren der Formgedächtnislegierung repariert werden.If the
Die Herstellung einer solchen Schutzschicht 32 aus der Formgedächtnislegierung ist dabei in
Hierfür wird ein Formwerkzeug 60 bereitgestellt, welches eine untere Formwerkzeughälfte 61 und eine obere Formwerkzeughälfte 62 aufweist. Die untere Formwerkzeughälfte 61 weist dabei eine Bauteilkavität auf, in die die Platte 51 mithilfe der oberen Formwerkzeughälfte 62 hineingedrückt wird. Das Ergebnis ist im Schritt 2 der
Anschließend wird die in der Bauteilkavität befindliche Platte 51 zwischen der oberen Formwerkzeughälfte 62 und der unteren Formwerkzeughälfte 61 über die Austenit-Temperatur temperiert, sodass die Platte 51 in der ursprünglichen Form konsolidiert wird.Subsequently, the
Anschließend wird die so geformte Schutzschicht 32 aus dem Formwerkzeug 60 entfernt und in ein kaltes Flüssigkeitsbad 63 getaucht, sodass die Temperatur der Schutzschicht 32 in kurzer Zeit unter die Martensit-Temperatur fällt. Anschließend können die Schritte 1 bis 3 wiederholt werden, bis ein hinreichender Gedächtniseffekt der Schutzschicht 32 entstanden ist.The
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 1010
- FlügelkörperWing body
- 2020
- FlügelkastenWing box
- 2121
- TragstrukturSupporting structure
- 2222
- HalbschalenHalf shells
- 2323
- erster Strömungsoberflächenabschnittfirst flow surface section
- 3030
- FlügelvorderkanteWing leading edge
- 3131
- TragstrukturSupporting structure
- 3232
- Schutzschicht aus FormgedächtnislegierungProtective layer made of shape memory alloy
- 3333
- zweiter Strömungsoberflächenabschnittsecond flow surface section
- 4040
- HeizeinrichtungHeating device
- 5050
- Halbzeug einer FormgedächtnislegierungSemi-finished product of a shape memory alloy
- 5151
- konfektionierte Platteprefabricated plate
- 6060
- FormwerkzeugForming tool
- 6161
- untere Formwerkzeughälftelower mold half
- 6262
- obere Formwerkzeughälfteupper mold half
- 6363
- FlüssigkeitsbadLiquid bath
Claims (10)
Priority Applications (1)
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---|---|---|---|
DE102022127923.5A DE102022127923A1 (en) | 2022-10-21 | 2022-10-21 | Wing body and method for producing and repairing a wing body |
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ID=90629027
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DE102022127923.5A Pending DE102022127923A1 (en) | 2022-10-21 | 2022-10-21 | Wing body and method for producing and repairing a wing body |
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Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE112004002393T5 (en) | 2003-12-04 | 2006-09-28 | General Motors Corp., Detroit | Airflow control devices based on active materials |
US20160137284A1 (en) | 2010-10-21 | 2016-05-19 | U.S.A. As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Autonomous slat-cove-filler device for reduction of aeroacoustic noise associated with aircraft systems |
DE102015107275A1 (en) | 2015-05-11 | 2016-11-17 | Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V. | Device for deicing a surface of an aerodynamic body |
-
2022
- 2022-10-21 DE DE102022127923.5A patent/DE102022127923A1/en active Pending
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