DE19649132A1 - Nase für eine aerodynamische Fläche und Verfahren zu ihrer Herstellung - Google Patents
Nase für eine aerodynamische Fläche und Verfahren zu ihrer HerstellungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Nase nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu ihrer Herstellung nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 5.
Die Notwendigkeit, die Strömung im Nasenbereich einer
aerodynamischen Fläche, beispielsweise eines Flügels oder
eines Leitwerks durch Absaugung günstig zu beeinflussen, macht
es erforderlich, daß die Außenfläche der Nase durch ein
luftdurchlässiges Element gebildet wird. Die EP-0 665 097 A2
zeigt ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Nase.
Die nach diesem Verfahren hergestellte Nase besteht aus einer
Stützstruktur aus faserverstärktem Kunststoff mit in
Längsrichtung verlaufenden Kanälen von trapezförmigem
Querschnitt, wobei die Außenfläche der Nase durch eine
perforierte mit der Stützstruktur durch Kleben verbundene
Außenhaut gebildet wird. Zur Herstellung dieser Nase dient
ein Verfahren zum Formen einer Stützstruktur mit einer
profilgebenden Fläche und einer rückwärtigen Fläche für ein
perforiertes aerodynamisches profilgebendes Element,
gekennzeichnet durch die Schritte Unterstützen des Elements
in einer profilgebenden Konfiguration auf der Rückseite des
perforierten Elementes, Formen eines Formwerkzeuges für die
Stützstruktur, Formen eines Geleges aus faserverstärktem
Material zusammen mit Kunststoff-Matrixmaterial in dem
Formwerkzeug und Aushärten der Stützstruktur durch Anwendung
von Wärme und Druck. Hierbei besteht eine Ausgestaltung des
Verfahrens darin, daß einzelne Formelemente in Gestalt von
Volldornen von trapezförmigem Querschnitt und in gleicher
Weise geformte Hohldorne aus einem dehnbaren Material
(Silicongummi) so in das Formwerkzeug eingelegt werden, daß
die aus Prepregmaterial zu bildende Stützstruktur eine
Wellenform erhält. Dabei werden zunächst die Hohldorne in das
in dem Formwerkzeug liegende perforierte Material
eingebracht, wobei schmale Bereiche des perforierten
Materials zwischen den Hohldornen frei bleiben. Dann wird das
Prepregmaterial auf die Hohldorne und in den schmalen
Bereichen auf das perforierte Element laminiert. Anschließend
werden die Volldorne in die zwischen den Hohldornen
bestehenden Lücken eingesetzt und die Innenschicht der
Stützstruktur auf die Hohl- und Volldorne laminiert. Diese
Schicht wird anhand eines entsprechenden Formteils angepreßt.
Zugleich werden die Innenräume der Hohldorne mit einer
Druckluftquelle verbunden. Hierdurch werden alle
Prepregschichten unter Druck gesetzt. Nach dem Aushärten
durch Wärmezufuhr bildet die wellenförmige Stützstruktur
abwechselnd mit dem perforierten Material und der
Innenschicht langgestreckte in Umfangsrichtung geschlossene
Hohlräume, in denen sich die Voll- und die Hohldorne
befinden. Da diese Dorne keine nennenswerte Eigensteifigkeit
aufweisen, ergeben sich infolge ihrer Länge Schwierigkeiten
sowohl beim Einlegen als auch bei der Entnahme der Dorne. Das
Einformen der Stützstruktur auf der Rückseite des
perforierten Elementes geschieht naturgemäß in einer
Negativform. Daher besteht bei den hier auszuführenden
Arbeiten nur eine beschränkte Zugänglichkeit.
Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine
gattungsgemäße Nase und ein Verfahren zu ihrer Herstellung
derart auszubilden, daß langgestreckte in die Form einlegbare
Dorne von geringer Eigensteifigkeit und die Verwendung von
Negativformen vermieden werden.
Diese Aufgabe wird bei den gattungsgemäßen Gegenständen durch
die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche 1 und 5
gelöst.
Dabei ist insbesondere von Vorteil, daß das Einformen der
Tragstruktur mit geringem Zeitaufwand erfolgen kann.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den
jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung ist anhand der Zeichnung dargestellt und
nachfolgend näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine Übersicht über ein Seitenleitwerk mit
einer Nase,
Fig. 2 den Querschnitt II-II der Nase nach Fig. 1,
mit einer Kunststoffstruktur und einer
Metallstruktur,
Fig. 3 die Einzelheit III nach Fig. 2,
Fig. 4 die Kunststoffstruktur nach Fig. 3,
Fig. 5 die Metallstruktur nach Fig. 3,
Fig. 6 eine Ausgestaltung mit U-Profilen und
Fig. 7 die Metallstruktur nach Fig. 6.
Fig. 1 zeigt eine aerodynamische Fläche am Beispiel eines
trapezförmigen Seitenleitwerks 1 mit einer Nase 2. Die Nase 2
stellt zum einen sicher, daß die anhand aerodynamischer
Verfahren ermittelte Profilgeometrie im Vorderkantenbereich
des Seitenleitwerks eingehalten wird, zum anderen nimmt die
Nase 2 alle an ihr angreifenden Lasten auf und leitet sie in
die Leitwerksstruktur ein. Um die im Flugbetrieb innerhalb
der Grenzschicht ablaufenden Vorgänge günstig zu
beeinflussen, weist die Nase eine Außenhaut mit einer
Perforation auf, so daß die Grenzschicht beispielsweise durch
Absaugung beeinflußt werden kann.
Fig. 2 zeigt den Querschnitt II-II der Nase 2 nach Fig. 1,
mit einem vorwiegend aus Rohren 3 mit einem Kreisquerschnitt
bestehenden Kanalsystem und einer perforierten aus einem
geeigneten Metall, beispielsweise Titan, bestehenden
Außenhaut 4. Im Vorderkantenbereich der Nase 2 ist anstelle
der Rohre 3 eine Gruppe von Kanälen 6 mit vorwiegend
rechteckigem Querschnitt angeordnet, die zu beiden Seiten
jeweils durch einen Kanal 7 mit einem Übergangsquerschnitt
begrenzt wird. Die Rohre 3 und Kanäle 6, 7 des Kanalsystems
sind in eine Anordnung aus faserverstärktem Kunststoff
eingebettet mit der sie eine Kunststoffstruktur bilden. Dabei
stehen jeweils die einzelnen Rohre 3 und Kanäle 6, 7 mit einem
dem betreffenden Rohr bzw. Kanal zugeordneten
streifenförmigen Bereich der Außenhaut 4 in Verbindung. Die
innere Wandung der Kunststoffstruktur wird durch ein inneres
Laminat 10 gebildet.
Fig. 3 zeigt die Einzelheit III nach Fig. 2. Diesem
Teilbereich sind die für das gesamte Bauteil geltenden
Gestaltungsmerkmale zu entnehmen. Hier ist einer der
Kanäle 7 mit einem benachbarten Rohr 3 dargestellt. Die
Außenhaut 4 ist über Abstandelemente in Form von
leistenförmigen Stegen 8 mit einer Innenhaut 9 verbunden und
bildet mit dieser eine formsteife Metallstruktur, die durch
Kleben auf der Kunststoffstruktur befestigt ist.
Die Fig. 4 und 5 zeigen die Kunststoffstruktur 5 bzw. die
Metallstruktur 16 bevor diese miteinander verbunden werden.
So zeigt Fig. 4 den Teilbereich nach Fig. 3, wobei nur die
Stützstruktur 5, dargestellt ist. Diese besteht im
wesentlichen aus dem inneren Laminat 10, den Rohren 3 und den
Kanälen 7 sowie einem äußeren Laminat 11. Die Laminate 10
bzw. 11 bestehen aus mehreren Lagen eines in ein
ausgehärtetes Kunstharz eingebetteten Fasermaterials,
vorzugsweise Kohlefasern. Die Rohre 3 und die Kanäle 7 sowie
die hier nicht sichtbaren Kanäle 6 bestehen aus dem gleichen
Material. Die Hohlräume zwischen den Rohren 3 und den
Kanälen 6, 7 sind mit einem ausgehärteten Kunststoffschaum
ausgefüllt. Die konische Form der Rohre 3 und Kanäle 6, 7
ergibt sich aus der Trapezform des Seitenleitwerks nach Fig. 1.
In vorbestimmten Abständen sind Bohrungen 13 und 14 an
der Stützstruktur 5 angebracht, wodurch der Zugang zu den
Rohren 3 und Kanälen 6, 7 hergestellt wird. Dabei sind die
Bohrungen, die in die Rohre 3 einmünden, einreihig angeordnet
und mit 13 bezeichnet. Die mit 14 bezeichneten in die
Kanäle 7 einmündenden Bohrungen sind demgegenüber zweireihig
ausgeführt. Um beim Einschäumen den Durchtritt des
Kunststoffschaums zu erleichtern, können die Rohre 3 und die
Kanäle 7 durch kurze in Längsrichtung verteilte
Abstandhalter 12 in einem vorbestimmten gegenseitigen Abstand
gehalten werden.
Fig. 5 zeigt nur die Metallstruktur der Nase 2. Dabei sind
innerhalb der Innenhaut 9 Bohrungen 15 so angebracht, daß sie
nach dem Zusammenbau mit der Stützstruktur 5 mit den darin
befindlichen Bohrungen 13, 14 deckungsgleich übereinander
liegen. Das Bild zeigt die Außenhaut 4 und die Innenhaut 9,
die durch die Stege 8 miteinander verbunden sind. Diese Teile
sind durch Hochtemperaturlöten in sogenannten Stumpflötungen,
insbesondere an der Außenhaut 4, miteinander verbunden.
Hierdurch wird sichergestellt, daß von der perforierten
Außenhaut 4 nur im Bereich der jeweiligen Verbindung mit dem
betreffenden Steg 8 ein schmaler Streifen der perforierten
Fläche durch den betreffenden Steg 8 abgedeckt wird und daher
für die Absaugung verloren geht. Die Anwendung des
Hochtemperaturlötens bietet außerdem den Vorteil, daß
Deformationen der Außenkontur vermieden werden, wie sie bei
Anwendung des Widerstandsschweißens zwangsläufig entstehen.
Fig. 6 zeigt eine Ausgestaltung der Nase, wobei U-Profile 18
als Abstandhalter innerhalb der Metallstruktur dienen.
Hierbei ist die Ausbildung der Stützstruktur gegenüber der
der Fig. 4 und 5 unverändert. Die U-Profile 18 sind durch
Abkanten hergestellt, und zwar so, daß deren Jochbreite nach
außen, das heißt zur Spitze des Leitwerks hin abnimmt.
Fig. 7 zeigt die Ausgestaltung nach Fig. 6, jedoch ohne die
Stützstruktur 5. Die hier gezeigte Metallstruktur besteht
wieder aus der Außenhaut 4 und der Innenhaut 9, zwischen
denen die besagten U-Profile 18 so angeordnet sind, daß das
jeweilige Joch der Querschnittsform an der Innenhaut 9
anliegt und die Schenkel dieser Querschnittsform auf der
Außenhaut 4 stehen. Dabei liegen die Schenkel benachbarter
U-Profile 18 aneinander an und die Verbindungen der
U-Profile 18 untereinander sowie deren Verbindungen mit der
Innenhaut 9 und der Außenhaut 4 sind wieder durch
Hochtemperaturlöten hergestellt. Auch bei dieser Lösung wird
nur ein schmaler Streifen der perforierten Außenhaut jeweils
durch die betreffenden Schenkel abgedeckt. Dabei sind wieder
innerhalb der Innenhaut 9 Bohrungen 19 so angebracht, daß sie
nach dem Zusammenbau mit der Stützstruktur 5 mit den dort
bereits angebrachten Bohrungen 13, 14 deckungsgleich
übereinander liegen.
Zur Herstellung der Stützstruktur 5 sind folgende
Arbeitsschritte erforderlich:
- - Ablegen des inneren Laminates 10 auf eine positive Klebevorrichtung,
- - Ablegen der vorgefertigten Rohre 3 und Kanäle 6, 7 mit den Abstandhaltern 12 auf das innere Laminat 10,
- - Einspritzen des Füllmaterials,
- - Ablegen des äußeren Laminates 11 auf die Rohre 3 und Kanäle 6, 7,
- - Aushärten des Kunststoffs im Autoklav,
- - Bohren der Absauglöcher 14.
Die Herstellung der Metallstruktur 16 mit den leistenförmigen
Stegen 8 erfolgt mittels einer geeigneten als Positivform
ausgebildeten Vorrichtung und umfaßt im wesentlichen folgende
Arbeitsschritte:
- - Formen der Innenhaut 9 gemäß der Kontur der Vorrichtung,
- - Zuschneiden der leistenförmigen Stege 8 mit Übermaß,
- - Verbinden der Stege 8 mit der Innenhaut 9 durch Hochtemperaturlöten oder Laserstrahlschweißen,
- - Fräsen der Stege 8 auf Kontur,
- - Formen der Außenhaut 4,
- - Verbinden der Außenhaut 4 mit den Stegen 8 durch Hochtemperaturlöten,
- - Bohren der Absauglöcher 15.
Zur Herstellung der Metallstruktur 17 mit U-Profilen mittels
einer Positivform sind folgende Arbeitsschritte erforderlich:
- - Formen der Innenhaut 9 gemäß der Kontur der Vorrichtung,
- - Abkanten der U-Profile 18 mit nach außen abnehmender Jochbreite und Übermaß der Schenkel,
- - Verbinden der U-Profile 18 mit der Innenhaut 9 durch Hochtemperaturlöten oder Laserstrahlschweißen,
- - Fräsen der Schenkel der U-Profile 18 auf Kontur,
- - Formen der Außenhaut 4,
- - Verbinden der Außenhaut 4 mit den Schenkeln der U-Profile 18 durch Hochtemperaturlöten,
- - Bohren der Absauglöcher 19.
Durch das in beiden Beispielen angewendete Fräsen der Stege 8
bzw. der Schenkel der U-Profile 18 auf Kontur wird
sichergestellt, daß die aus aerodynamischen Gründen
erforderliche Formgebung der Nase mit hoher Genauigkeit
eingehalten wird.
Durch die Verwendung der vorgefertigten Kunststoffrohre 3
bzw. Kanäle 6, 7 wird erreicht, daß das Einformen der
Tragstruktur mit geringem Zeitaufwand erfolgt.
Claims (7)
1. Nase für eine aerodynamische Fläche, bestehend aus einer
Stützstruktur aus faserverstärktem Kunststoff mit in
Längsrichtung verlaufenden Kanälen, wobei die Außenhaut der
Nase durch ein perforiertes mit der Stützstruktur verbundenes
Hautelement gebildet wird,
dadurch gekennzeichnet, daß die Stützstruktur (5) im
wesentlichen aus einem inneren Laminat (10), Rohren (3) und
Kanälen (6, 7) und einem äußeren Laminat (11) besteht und die
Verbindung der perforierten Außenhaut (4) mit der
Stützstruktur über Abstandelemente und eine Innenhaut (9)
erfolgt, die mit der Außenhaut (4) eine formsteife
Metallstruktur bilden.
2. Nase nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Rohre (3) und die
Kanäle (6, 7) durch Abstandhalter (12) in einem vorbestimmten
gegenseitigen Abstand gehalten werden.
3. Nase nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandelemente zwischen der
Außenhaut (4) und der Innenhaut (9) durch leistenförmige
Stege (8) gebildet werden.
4. Nase nach Anspruch ,
dadurch gekennzeichnet, daß die Abstandelemente zwischen der
Außenhaut (4) und der Innenhaut (9) durch die Schenkel von
U-Profilen (18) gebildet werden.
5. Verfahren zur Herstellung einer Nase nach Anspruch (1),
bestehend aus einer Stützstruktur aus faserverstärktem
Kunststoff und einer formsteifen Metallstruktur,
gekennzeichnet, durch folgende Verfahrensschritte zur
Herstellung der Stützstruktur
- a) Ablegen des inneren Laminates (10) auf eine positive Klebevorrichtung,
- b) Ablegen der vorgefertigten Rohre (3) und Kanäle (6, 7) mit den Abstandhaltern (12) auf das innere Laminat (10),
- c) Einspritzen des Füllmaterials,
- d) Ablegen des äußeren Laminates (11) auf die Rohre (3) und Kanäle (6, 7),
- e) Aushärten des Kunststoffs im Autoklav,
- f) Bohren der Absauglöcher (14).
6. Verfahren zur Herstellung einer Nase nach Anspruch (2),
bestehend aus einer Stützstruktur aus faserverstärktem
Kunststoff und einer formsteifen Metallstruktur,
gekennzeichnet, durch folgende Verfahrensschritte zur
Herstellung der Metallstruktur
- a) Formen der Innenhaut (9) gemäß der Kontur der Vorrichtung,
- b) Zuschneiden der leistenförmigen Stege (8) mit Übermaß,
- c) Verbinden der Stege (8) mit der Innenhaut (9) durch Hochtemperaturlöten oder Laserstrahlschweißen,
- d) Fräsen der Stege (8) auf Kontur,
- e) Formen der Außenhaut (4),
- f) Verbinden der Außenhaut (4) mit den Stegen (8) durch Hochtemperaturlöten,
- g) Bohren der Absauglöcher (15).
7. Verfahren zur Herstellung einer Nase nach Anspruch (3),
bestehend aus einer Stützstruktur aus faserverstärktem
Kunststoff und einer formsteifen Metallstruktur,
gekennzeichnet, durch folgende Verfahrensschritte zur
Herstellung der Metallstruktur
- a) Formen der Innenhaut (9) gemäß der Kontur der Vorrichtung,
- b) Abkanten der U-Profile (18) mit nach außen abnehmender Jochbreite und Übermaß der Schenkel,
- c) Verbinden der U-Profile (18) mit der Innenhaut (9) durch Hochtemperaturlöten oder Laserstrahlschweißen,
- d) Fräsen der Schenkel der U-Profile (18) auf Kontur,
- e) Formen der Außenhaut (4),
- f) Verbinden der Außenhaut (4) mit den Schenkeln der U-Profile (18) durch Hochtemperaturlöten,
- g) Bohren der Absauglöcher (19).
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