DE3900167A1 - Luftfahrzeugrumpf - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Rumpfkonstruktion von Luftfahrzeugen, insbesondere von druckbelüfteten Flugzeugen. Die vorliegende Erfindung kann auch in der Konstruktion von Hochdruckkesseln und anderen hermetisch dichten, unter Überdruck stehenden Behältern angewendet werden. Bekannt ist ein Rumpf von Flugapparaten (S.M. Eger "Proektirovanie passazhirskikh reaktivnykh samoletov" (Projektierung von strahlgetriebenen Passagierflugzeugen), Verlag "Mashino­ stroenie", 1972, SS. 313, 315), der eine Außenschale enthält, die durch längsverlaufende Kraftelemente (Stringer) und querverlaufende Kraftelemente (Spante) verstärkt ist. Hierbei sind die querverlaufenden Kraftelemente zum Stoppen eines in der Schale möglichen Längsrisses mit zusätzlichen Titan­ bändern verstärkt, die zwischen der Schale und dem Spant auf der gesamten Umfangslänge angebracht sind.

Jedoch ist bei dieser Konstruktion des Rumpfes die Entstehung von Rissen in der Querrichtung der Schale möglich, wo es keine doublierende Verstärkung gibt. Ein Querriß kann sich über die maximal zulässigen Grenzen hinaus entwickeln, was zur Zerstörung der Rumpfkonstruktion im Flug führen kann. Die Rumpfkonstruktion gewährleistet also nur eine einseitige Dublierung der Schalenfestigkeit nur entlang der querverlaufenden Kraftelemente.

Bekannt ist ein Rumpf von Flugapparaten (SU, A Nr. 24 89 779) mit einer Schale, die durch sich gegenseitig kreuzende längs- und querverlaufende Kraftelemente verstärkt ist und Stoßstellen in der Längsrichtung besitzt. Zur Erhöhung der Standfestigkeit der Schalenkonstruktion sind in der Zone des Längsstoßes an den querverlaufenden Kraftelementen zusätzliche Verstärkungslaschen beiderseits der Stoßstelle angebracht, die durch besondere Ösenstäbe oder Kraftschrauben miteinander verbunden sind. Bei teilweiser Zerstörung der Rumpfschale entlang des Längsstoßes dienen die Ösenstäbe oder Kraftschrauben als dublierender Festigkeitskanal zur Übertragung der in der Zerstörungszone wirkenden Belastung.

Hierbei wird angenonmen, daß die Tragfähigkeit (Festigkeit) der Konstruktion mit einem Längsriß selbst bei dessen Ent­ stehen im Flug erhalten bleibt. Allerdings kann die fehlende Festigkeitsdublierung der Schale in Längsrichtung zur Ent­ stehung eines Querrisses und Entwicklung desselben über die höchstzulässigen Grenzen hinaus führen. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rumpf für Flugapparate zu schaffen, bei dem die Konstruktion seiner Schale ein effektives Stoppen von Rissen in der Längs- und Querrichtung gewährleisten würde. Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß im Rumpf von Flugapparaten, der eine Schale enthält, die durch längs- und querverlaufende Kraftelemente verstärkt ist, erfindungsgemäß die Schale einen ununterbrochenen Außenteil und einen Innenteil aufweist, die miteinander verbunden sind, wobei der Innenteil die Form des Außenteiles hat und gitterartig aus Stegen ausgeführt ist, die entlang der Kraftelemente liegen. Zweckmäßigerweise befindet sich die Dicke eines jeden Stegs des Schaleninnenteils im Bereich von 0,2 bis 1,0 der Dicke des Schalenaußenteiles. Seine Querschnittsfläche liegt zweckmäßigerweise im Bereich, der im Patentanspruch 2 angegeben ist. Die Ausführung der Schale aus einem Außen- und einem Innenteil, die starr miteinander verbunden sind, verhindert zuverlässig die Ausbreitung von im Schalenaußenteil auftretenden Rissen und begrenzt diese auf eine maximal zulässige Länge. Ein im Bereich eines Fensters des Innenteils auftretender Riß wird gestoppt, wenn er den Rand des Fensters, das heißt einen der berandenden Stege erreicht, wo die Grenze der doppelten Stärke des Außen- und Innenteiles der Schale liegt. Die Rißfortpflanzung wird dadurch wesentlich verlang­ samt, daß die Dicke des Schaleninnenteils in den Zerstörungs­ prozeß einbezogen wird, wodurch eine Verminderung der Spannun­ gen in der Mündung des sich entwickelnden Risses gewährleistet wird. Die gewählten Grenzwerte der Querschnittsflächen und der Dicke der Stege des Schaleninnenteiles sind aus der Bedingung der effektiven Rißbremsung abgeleitet. Wenn die Querschnittsfläche der Stege des Schaleninnenteils kleiner als 0,1 der Fläche des zugehörigen Kraftelementes ist oder die Dicke eines Stegs des Schaleninnenteiles kleiner als 0,2 der Dicke des Schalenaußenteiles ist, ist die Effekti­ vität der Rißbremsung bei einer solchen Konstruktion jener in einer Konstruktion mit glatter einheitlicher Schale ohne gitterartigen Innenteil ähnlich. Eine Vergrößerung der Querschnittsfläche der Längsstege des Schaleninnenteils über 1,0 bzw. der Querstege auf über 0,7 der Querschnitts­ fläche des zugehörigen Kraftelementes und eine Vergrößerung der Dicke der Stege des Schaleninnenteiles über 1,0 der Dicke des Schalenaußenteiles ist angesichts der Gewichtskenn­ werte der Konstruktion unzweckmäßig.

Im folgenden wird die Erfindung durch ein konkretes Aus­ führungsbeispiel derselben anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert; in diesen zeigt:

Fig. 1 in schematischer Darstellung einen Luftfahrzeugrumpf­ abschnitt in Perspektive;

Fig. 2 das Schalenaußenteil des Rumpfs;

Fig. 3 den Schaleninnenteil des Rumpfs;

Fig. 4 den Schnitt nach Linie IV-IV von Fig. 1;

Fig. 5 den Schnitt nach Linie V-V von Fig. 1.

Der Rumpf von Flugapparaten stellt eine Schale 1 dar, die durch längsverlaufende Kraftelemente 2 (Stringer) und quer­ verlaufende Kraftelemente (Spanten) verstärkt ist, welche aus Profilen 3 und 9 bestehen. Die Schale 1 besteht aus einem ununterbrochenen Außenteil 4 (Fig. 2) und einem Innen­ teil 5 (Fig. 3), die miteinander verbunden sind, wobei der Innenteil 5 die Form des Außenteils 4 hat und derart gitterartig ausgebildet ist, daß zwischen sich kreuzenden Längsstegen 6 und Querstegen 6′ Fenster gebildet sind.

Im Beispiel gemäß Fig. 3 liegen die Fenster in regelmäßiger Anordnung in Längs- und in Umfangsrichtung. Es sind auch Anordnungen möglich, bei denen die Fenster einer Umfangsreihe gegenüber denen der benachbarten Umfangsreihen schachbrettartig versetzt sind oder eine Umfangsreihe dichter mit Fenstern besetzt ist als die benachbarten Umfangsreihen oder noch andere ähnliche Anordnungen. Im Interesse der Gewichtser­ sparnis werden möglichst viele Fenster vorgesehen, wobei deren Abmessungen die maximal zulässige Länge eines sich im Außenteil 4 bildenden Rißes nicht überschreiten. Der Innenteil 5 ist mit seiner Oberfläche ganzflächig fest mit dem Außenteil 4 verbunden.

Der Außenteil 4 und der Innenteil 5 können aus dem gleichen oder aus verschiedenen Werkstoffen (Metall, Nichtmetall bzw. deren Kombination) ausgeführt sein. Die sich kreuzenden Stege 6, 6′ des gitterförmig ausgebildeten Innenteiles 5 der Schale 1 sind entlang der Längs- und Querachsen 7, 8 der Kraftelemente 2, 3 gelegen.

Die Dicke jedes Stegs 6, 6′ des Innenteiles 5 der Schale 1 liegt im Bereich von 0,2 bis 1,0 der Dicke des Außenteiles 4. Die Querschnittsfläche der Längsstege 6 liegt im Bereich von 0,1 bis 1,0 der Querschnittsfläche der zugehörigen längsverlaufenden Kraftelemente 2 und die Querschnittsfläche der Querstege 6′ liegt im Bereich von 0,1 bis 0,7 der Quer­ schnittsfläche der zugehörigen querverlaufenden Kraftelemente 3, 9.

Die Schale 1 des Rumpfes steht im Bereich der (nicht ge­ zeichneten) Druckkabine unter einem inneren Überdruck, der bei jedem Flug in entsprechender Höhe wirksam wird. Während der gesamten Nutzungsdauer des Flugzeugs wird die Schale 1 bis zu 20-30 Tsd. Malen einer solchen Wechselbean­ spruchung ausgesetzt.

In der normalen Lebensdauer eines Flugzeugs entstehen Er­ müdungs- bzw. zufällige Brüche der Schale 1 durch solche zyklische Belastungen oder mechanische Beschädigungen sowohl in der Längs- als auch in der Querrichtung der Schale 1. Katastrophale Zerstörungen sind bei der vorliegenden Rumpf­ konstruktion aber wegen des Innenteils 5 ausgeschlossen, der einen Rißstopper darstellt. Beim Entstehen eines Rißes im Außenteil 4 der Schale 1 erreichen die Rißenden während des allmählichen Rißwachstums im Bereich eines der Gitter­ fenster den Rand eines Stegs 6 oder 6′ und werden gestoppt oder erheblich verlangsamt. Dies hängt mit den Kerbspannungen an der Spitze des Rißes zusammen, von welchen die Rißwachstums­ geschwindigkeit abhängt. Bei einer Rißentwicklung nur im Außenteil 4, das heißt im Bereich eines Fensters des Innen­ teils 5, sind diese Spannungen höher und verringern sich, wenn die Rißspitze den Bereich eines Stegs 6, 6′ erreicht, wo die Spannungen auf Grund der größeren summarischen Blech­ dicke abnehmen. Hierdurch wird eine effektive Herabsetzung der Rißwachstumsgeschwindigkeit gewährleistet.

Hierbei halten die gewählten geometrischen Rippenparameter die Restfestigkeit aufrecht, d.h. sie gewährleisten, da die Länge des Rißes innerhalb eines Gitterfensters bleibt, die Havariesicherheit des Flugzeugs, sogar wenn der Riß während des Flugs entstanden ist. Bei der Nachflugkontrolle auf dem Boden muß der entstandene Riß entdeckt werden. Die Verwendung des beschriebenen Rumpfes von Luftfahrzeugen gestattet es, die Lebensdauer der Konstruktion zu erhöhen und die Effektivität der Rißbremsung wird je nach dem Gitter­ werkstoff um den Faktor 5 bis 27 erhöht.

Claims (2)

1. Rumpf eines Luftfahrzeugs aus einer Schale (1), die durch längs- und querverlaufende Kraftelemente (2; 3, 9) verstärkt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Schale (1) aus einem ununter­ brochenen Außenteil (4) und einem Innenteil (5) besteht, die miteinander verbunden sind, wobei der Innenteil (5) die Form des Außenteils (4) hat und gitterartig aus Stegen (6, 6′) ausgeführt ist, die entlang der Kraftelemente (2; 3, 9) liegen.

2. Rumpf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke jedes Stegs (6, 6′) des Innenteils (5) der Schale (1) das 0,2- bis 1,0fache der Dicke des Außenteils (4) der Schale (1) beträgt,
daß die Querschnittsfläche jedes Längsstegs (6) das 0,1- bis 1,0fache der Querschnittsfläche des längsverlaufenden Kraftelements (2) beträgt
und daß die Querschnittsfläche jedes Querstegs (6′) das 0,1- bis 0,7fache der Querschnittsfläche des querverlaufenden Kraftelements (3, 9) beträgt.