ES2910461T3

ES2910461T3 - Combinación de una superficie aerodinámica y un arreglos de dentículos

Info

Publication number: ES2910461T3
Application number: ES13176022T
Authority: ES
Inventors: Diane C Rawlings; James D Mclean; Mary J Mathews
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2009-09-25
Filing date: 2010-08-25
Publication date: 2022-05-12
Anticipated expiration: 2030-08-25
Also published as: US20110073710A1; ES2452175T3; EP2650214B1; EP2480453B1; CN102510828A; JP2013506097A; EP2650214A1; US8413928B2; EP2480453A2; US8876052B2; US20130193270A1; WO2011037716A3; JP5963673B2; CN102510828B; WO2011037716A2; CA2771393C; CA2771393A1

Abstract

Un arreglo de dentículos que comprende: una capa de superficie (204) para adherirse a una superficie aerodinámica (111) de una aeronave (110); una pluralidad de puntas de dentículo (202) que se extienden desde la capa de superficie (204), donde las puntas de dentículo (202) tienen una sección transversal parabólica, y donde las puntas de dentículo (202) son una construcción multicapa, donde la capa de superficie (204) y las puntas de dentículo (202) se forman a partir de un elastómero de alta elongación recuperable elásticamente para una elongación de 300 - 3000%.

Description

DESCRIPCIÓN

Combinación de una superficie aerodinámica y un arreglos de dentículos

Campo de la invención

La divulgación se relaciona generalmente con el campo de la adaptación de geometrías de superficie para mejoras aerodinámicas en aeronaves o superficies que tienen una interfaz de flujo y, más particularmente, a aspectos y métodos de fabricación para el uso de materiales muy rígidos (como el níquel) y materiales con una significativa, pero recuperable, elongación (como los polímeros elastoméricos de alta elongación y los polímeros y metales con memoria de forma) para formar dentículos/nervaduras/costillas (“riblets”) aerodinámicos u otras microestructuras de superficie con una relación de aspecto alta que requieren una gran durabilidad.

Antecedentes técnicos

El aumento de la eficiencia del combustible en los aviones modernos se logra mediante la mejora del rendimiento aerodinámico y la reducción del peso de los componentes estructurales y no estructurales. Los avances recientes en el uso de microestructuras, como los dentículos en superficies aerodinámicas, se han mostrado prometedores en la reducción de la resistencia para ayudar a reducir el uso de combustible. Los dentículos tienen varias formas, pero los aspectos ventajosos pueden ser estructuras similares a rebordes que minimizan la resistencia en la superficie de una aeronave. Los dentículos se pueden usar en áreas de una superficie de una aeronave expuesta a una capa límite turbulenta. Los rebordes de los dentículos tienden a inhibir los movimientos turbulentos que involucran velocidades laterales, reduciendo así la intensidad de los vórtices de pequeña escala en la corriente en la parte inferior de la capa límite y reduciendo así la fricción superficial.

En ciertas aplicaciones probadas, los dentículos han sido rebordes piramidales o en forma de V invertidos espaciados en la superficie aerodinámica para extenderse a lo largo de la superficie en la dirección del flujo de fluido. Las estructuras de dentículos han empleado típicamente materiales poliméricos, polímeros termoestables o termoplásticos no elastoméricos. Sin embargo, en uso de servicio, como en la superficie aerodinámica de un avión, estos dentículos de polímero se dañan con relativa facilidad, lo que reduce el rendimiento del dentículo y degrada la apariencia de la superficie. Estas superficies serían fácilmente perforadas por herramientas, bordes de botas, equipos de mantenimiento que impactan o frotan a lo largo de la superficie, lo que resulta en la necesidad de reemplazar o quitar los dentículos. Esta falta de durabilidad ha sido el principal impedimento para el uso de dentículos para la reducción de la resistencia. Los dentículos poliméricos no elastoméricos pueden fracturarse fácilmente o deformarse permanentemente cientos de por ciento con la presión inducida por herramientas o uñas. Los polímeros termoplásticos (fluoropolímeros como el ter-polímero tetrafluoroetileno hexafluorpropileno fluoruro de vinilideno (THV), etileno propileno fluorado (FEP) o polietileno, por ejemplo, pueden sufrir grandes deformaciones (cientos de por ciento de elongación) sin romperse, pero esas deformaciones serán en gran medida irrecuperables destruyendo tanto la apariencia como los beneficios de reducción de arrastre de la estructura de dentículos. Los polímeros amorfos termoendurecibles (epoxis estructurales, por ejemplo) deformados más allá de su límite elástico cavitan y se agrietan con deformaciones bajas (típicamente con una elongación <10%). Los polímeros no elastoméricos se deforman fácilmente con una uña transversalmente a los rebordes/ranuras de los dentículos, ya sea por deformación plástica o por cavitación y agrietamiento. Dichas estructuras pueden ser indeseables en el uso de servicio normal en una aeronave u otro vehículo.

El documento US 5,069,403 establece, según su resumen, un artículo conformable para la reducción de la resistencia al arrastre que tiene una superficie modelada capaz de reducir la resistencia al arrastre por un fluido que fluye sobre ella.

El documento DE 101 44 259 establece, según su resumen, superficies y combinaciones de superficies que tienen al menos dos formas estructurales. Las formas estructurales pueden ser cualquier combinación de estructuras dirigidas y no dirigidas cuyas principales dimensiones de construcción están en el rango de micrómetros/micras. La combinación de estructuración superficial según la invención permite mejorar las ventajas de las estructuras individuales así como cumplir nuevas tareas.

El documento US 2004/0126541 establece, de acuerdo con su resumen, un artículo para reducir el arrastre provocado por un fluido que fluye sobre una superficie que comprende una capa de soporte que tiene una superficie modelada exterior expuesta que reduce el arrastre, y una capa de unión adhesiva para unir la capa de soporte a la superficie de un sustrato, estando el artículo libre de una capa de refuerzo.

El documento WO 2009/000703 expone, según su resumen, un método para reducir la fricción viscosa debida al movimiento relativo de un fluido y un objeto, donde el objeto incluye una pluralidad de proyecciones que se proyectan desde el plano base.

El documento WO 2007/036349 A1 expone, según su resumen, un método para dar forma a una superficie de cuerpo de cojinete, en particular de manera que optimice el flujo, donde al menos una superficie tiene una forma provista de una pluralidad de cavidades y/o protuberancias y un barniz se aplica de tal manera que se adhiere a la conformación después de aplicarlo a la misma.

Por lo tanto, la practicidad de los dentículos para el uso en aeronaves comerciales mejoraría significativamente con una estructura de dentículos que proporcionara una mayor durabilidad.

Breve descripción de la invención

Los aspectos ejemplares proporcionan un arreglo (“array”) de dentículos con una capa de superficie para adherirse a una superficie aerodinámica y una pluralidad de puntas de dentículo que tienen una sección transversal parabólica que se extiende desde la capa de superficie. Las puntas de dentículo son una construcción multicapa. La capa de superficie y las puntas de dentículo están formadas por un elastómero de alta elongación elásticamente recuperable para una elongación de 300 - 3000%. Para los aspectos descritos, la sección transversal parabólica de cada punta tiene una ecuación de y=px2 h con respecto a un eje y sustancialmente perpendicular a la capa de superficie donde h es la altura del dentículo desde la capa de superficie y p se determina con base en gran medida en el material de fabricación de las puntas de dentículo.

En ciertos casos, la capa de superficie y las puntas de dentículo se forman a partir de un elastómero de alta elongación, como epoxi, uretano, perfluoroéter o fluorosilicona, y los aspectos pueden incluir una capa adhesiva depositada en la capa de superficie opuesta a las puntas, un revestimiento en las puntas de dentículo como como un recubrimiento reflectante de UV o una capa de soporte de polímero depositada sobre la capa de superficie opuesta a las puntas. En un ejemplo no reivindicado, las puntas de dentículo están formadas por materiales de alto módulo seleccionados del conjunto de níquel, cromo, aleaciones metálicas, vidrios, cerámicas, carburo de silicio o nitruro de silicio. En otro ejemplo no reivindicado, las puntas también pueden construirse con múltiples materiales, que incluyen multicapas de alto módulo y polímeros. Una capa metálica o una capa metálica discontinua y una capa de soporte de polímero intermedia entre la capa elastomérica y la capa adhesiva pueden incluirse como un aplique (“applique”) para rayos u otra aplicación funcional.

Los aspectos divulgados se fabrican en un método ejemplar seleccionando el material para la base y el revestimiento del arreglo de dentículos y luego determinando un factor de forma parabólica, p, para los materiales seleccionados. Se determinan los requisitos aerodinámicos para la altura de los dentículos, h y el espaciado, y se calcula un perfil parabólico para los dentículos con la ecuación y=px2 h. Se forma una herramienta maestra que tiene protuberancias o depresiones/muescas con el perfil parabólico correspondiente a un arreglo de dentículos deseados y se forma una herramienta complementaria a partir de la herramienta maestra. En otro método alternativo para el procesamiento de largueros, la herramienta complementaria es una herramienta de largueros.

Las características, funciones y ventajas que se han discutido se pueden lograr de forma independiente en varias realizaciones de la presente invención o se pueden combinar en otras realizaciones adicionales de las cuales se pueden ver más detalles con referencia a la siguiente descripción y dibujos.

Breve descripción de los dibujos

La FIG. 1 es una vista isométrica de una porción de una superficie aerodinámica tal como el revestimiento de un ala o fuselaje que muestra dentículos ejemplares que se extienden en la dirección del flujo;

La FIG. 2A es una vista en sección transversal detallada de una punta de dentículo del aspecto ejemplar con un perfil parabólico;

La FIG. 2B es un aspecto ejemplar con una estructura parabólica variable en la dirección de la corriente;

La FIG. 3 es un gráfico comparativo del diseño de la punta de dentículo del aspecto mostrado en la FIG. 2 con diseños previos de sección triangular;

La FIG. 4 es un gráfico comparativo detallado del diseño de la punta de dentículo del aspecto mostrado en la FIG. 2 con diseños anteriores de sección triangular en una escala exagerada del eje y para demostrar la superposición relativa del área;

La FIG. 5 es un gráfico que compara la deflexión de la punta para el aspecto descrito en este documento en varios anchos de base;

La FIG. 6 es un gráfico que compara la tensión/esfuerzo de Von Mises en la punta y la base del aspecto descrito aquí en varios anchos de base;

La FIG. 7A es una malla de sección que muestra una desviación exagerada de la punta de una sección transversal triangular para una punta de dentículo ejemplar;

La FIG. 7B es una malla de sección que muestra una desviación exagerada de punta de una punta de dentículo de sección transversal parabólica del presente aspecto;

La FIG. 8A es un gráfico de tensión de sección de las tensiones de Von Mises en una punta de dentículo del presente aspecto;

La FIG. 8B es un gráfico de tensión de sección de los tensiones de Von Mises en una punta de dentículo que tiene una sección transversal triangular como ejemplo comparativo del presente aspecto, como se muestra en las FIGs. 8A y 8B; La FIG. 8C es un gráfico de tensión de una punta de dentículo de sección transversal parabólica ejemplar formada a partir de un elastómero de alta elongación y doblada en contacto con la capa de superficie;

La FIG. 8D es un gráfico de tensión de sección de un dentículo con borde angulado (“fillet”) redondo con distribución de deformación principal máxima;

La FIG. 8E es un diagrama de tensión de la sección de un dentículo con borde angulado (“fillet”) redondo con una deformación principal máxima;

La FIG. 8F es un gráfico de tensión de sección de un dentículo con borde angulado (“fiNet”) elíptico con la deformación principal máxima para comparación con la FIG. 8E;

La FIG. 9A es una vista en sección lateral mirando hacia la dirección del flujo de un primer aspecto que puede emplear dentículos aerodinámicos diseñados estructuralmente;

La FIG. 9B es una vista en sección lateral de una modificación del aspecto de la FIG.2A con una capa de soporte adicional; La FIG. 9C es una vista en sección lateral de una modificación del aspecto de la FIG. 2A con revestimiento sobre el material base del dentículo;

La FIG. 9D es una vista en sección lateral de un aspecto alternativo con puntas de dentículo rígidas;

La FIG. 10A es una vista desde arriba de una porción de una superficie aerodinámica que emplea dentículos del aspecto que se muestra en la FIG. 9B;

La FIG. 10B es una vista en sección comparable a la FIG. 9B como referencia con las características de la FIG. 10A; La FIG. 11 es un diagrama de flujo de un método de conformación para puntas de dentículo del presente aspecto; La FIG. 12A es un diagrama de flujo que describe el uso de los aspectos de los dentículos rígidos con punta descritos en el presente documento en el contexto de un método de fabricación y servicio de aeronaves; y

La FIG. 12B es un diagrama de bloques que representa una aeronave que emplea los dentículos de punta rígida con aspectos como los descritos en este documento.

Descripción detallada

Los aspectos descritos en el presente documento proporcionan dentículos diseñados estructuralmente para una máxima durabilidad proporcionando una tensión igualada a lo largo de la superficie del dentículo. Los aspectos descritos aquí proporcionan una sección parabólica y son particularmente aplicables para materiales de alto módulo y materiales elastoméricos de alta elongación para dentículos que pueden verse afectados por equipos de apoyo en tierra o peligros ambientales como granizo para evitar deformaciones/daños permanentes. Estos aspectos también permiten un diseño estructural optimizado de los dentículos, lo que les permite ser más delgados y aerodinámicamente más eficientes. Los materiales que tienen una pequeña región elástica que normalmente se deformaría plásticamente de manera irrecuperable pueden emplearse más fácilmente con la sección parabólica definida en este documento. Un aspecto ejemplar de los dentículos elastoméricos que tienen una estructura como se describirá con mayor detalle posteriormente se muestra como una porción de una superficie aerodinámica para una aeronave como se muestra en la FIG. 1. La aeronave 110 emplea una estructura con una superficie 111, que se muestra ampliada, que tiene múltiples dentículos sustancialmente paralelos 112 dispuestos paralelos a la dirección del flujo como se representa por la flecha 114. Para el aspecto ilustrativo que se muestra, la dimensión de altura 116 perpendicular a la superficie 111 es de aproximadamente 0,0508 mm (0,002 pulgadas) mientras que el espaciado 118 entre los dentículos es de aproximadamente 0,0762 mm (0,003 pulgadas) como se muestra, por ejemplo, en la FIG. 9A. El espaciamiento o distribución de los dentículos en un arreglo puede variar dependiendo de las propiedades dinámicas de fluido del aire, agua u otro fluido para el que se emplea la aplicación de dentículos, y estar predeterminado por ellas. La superficie aerodinámica es normalmente, sin limitación, curva y puede ser una parte de un ala, una góndola de motor, una superficie de control, un fuselaje u otra superficie adecuada. Por lo tanto, puede ser necesaria la flexibilidad y adaptabilidad de los dentículos y cualquier estructura que soporte y fije los dentículos a la superficie. Si bien se describe aquí con respecto a la superficie aerodinámica de una aeronave, los aspectos revelados aquí son igualmente aplicables para la reducción del arrastre aerodinámico en superficies de otros vehículos aeroespaciales como, entre otros, misiles o cohetes y otros vehículos como automóviles, camiones, autobuses y trenes que se mueven en un fluido gaseoso, comúnmente aire, o en barcos, submarinos, hidroalas, conductos de flujo de fluido u otras superficies expuestas al flujo de fluido líquido. Además, estos dentículos pueden usarse en componentes giratorios, como palas de rotor de helicópteros o molinos de viento, que requieren una alta durabilidad y un rendimiento aerodinámico mejorado.

Los aspectos descritos en el presente documento reconocen y proporcionan la capacidad de los dentículos que pueden resistir varios impactos y/u otras fuerzas que pueden reducir la durabilidad de los dentículos. Además, algunos de los diferentes aspectos ventajosos proporcionan una estructura multicapa que puede tener una capa de soporte y una pluralidad de puntas de dentículo ubicadas sobre la capa de soporte o que se extienden desde ella. En aspectos ejemplares descritos en detalle posteriormente, las puntas que forman los dentículos pueden fabricarse a partir de materiales elastoméricos de alta elongación. Las puntas de dentículo en sí mismas son una construcción de múltiples capas. Los aspectos que se muestran también son aplicables a los dentículos con puntas rígidas o dentículos con memoria de forma para una capacidad adicional estructural o de alta temperatura.

En la FIG. se muestra una forma ejemplar del perfil de dentículo para igualar la tensión a lo largo de la altura del dentículo y maximizar el beneficio del material del dentículo elegido. 2A, las puntas de dentículo individuales 202 para los aspectos descritos en este documento pueden incorporar una sección transversal de forma parabólica que tiene una ecuación y = px2 h con respecto a un eje y, donde h es la altura del dentículo 116 y el grosor del dentículo t = 2x en un elevación de y. La determinación del parámetro de forma real, p, puede depender del material seleccionado para los dentículos, la rigidez deseada de los dentículos y el rendimiento aerodinámico requerido, como se describirá con mayor detalle posteriormente. Un parámetro de forma preferido p=- h/xB 2, donde xb es la mitad del ancho de la base de la parábola, proporciona una punta estrecha con una superficie muy inclinada cerca de la punta para el rendimiento aerodinámico. Para el aspecto ejemplar h = 50 micras y xb = 5 micras y, por lo tanto, el parámetro de forma p = -2 proporciona una amplia aplicabilidad a numerosos materiales, incluidos materiales rígidos como el níquel y elastómeros como poliuretanos de alta elongación con un diseño único y herramientas maestras. Se define un borde angulado de base 205 en la interfaz entre los dentículos 202 y la capa de superficie 204 para distribuir la carga para evitar fallas plásticas o ruptura de la capa de superficie en la desviación máxima de los dentículos. Para el aspecto ejemplar, se eligió 1 micra como radio de borde angulado para maximizar la extensión de la forma parabólica ya que distribuye la tensión/deformación uniformemente; y porque es suficiente para eliminar la discontinuidad con la superficie plana evitando que se convierta en la causa del fallo de los dentículos bajo las cargas combinadas. La transición entre el borde angulado y la parábola debe ser suave y se realiza haciendo que la forma del borde angulado sea tangente a la parábola (y también a la superficie plana). En varios aspectos, el borde angulado puede ser circular, elíptico, parabólico u otra forma que varíe suavemente tangente al dentículo y la superficie plana.

Se puede obtener una reducción adicional de la deformación/tensión localizada mediante la oscilación de la altura a lo largo de la línea del reborde 200 de las puntas de dentículo 202, como se muestra en la FIG. 2B. Para el aspecto mostrado, una altura de oscilación de ±Se emplea el 10% de la altura de los dentículos.

La FIG. 3 muestra el perfil parabólico de la sección transversal de un dentículo 202 del aspecto actual descrito anteriormente en comparación con formas de dentículo de la técnica anterior ejemplares. Secciones transversales triangulares máximas y mínimas (50° y 20°) según lo divulgado por Bechert (patente de EE. UU. No. 5,971,326) emitida el 26/10/1999 a Bechert para un perfil mínimo 302 y un perfil máximo 304. El borde angulado de radio máximo de Bechert 306 para el triángulo mínimo y el borde angulado de radio máximo para el triángulo máximo 308 también se muestran para comparación. También se muestra un ejemplo de radio de filete 310 para el presente aspecto. El perfil mínimo de Bechert, si bien es deseable desde un punto de vista aerodinámico, no proporciona suficiente resistencia estructural para la alta durabilidad requerida de las superficies de los dentículos. El perfil máximo de Bechert proporciona una mayor resistencia estructural en la base, pero no en la punta y proporciona una reducción del arrastre aerodinámico significativamente menor. El diseño triangular más angosto brinda una buena reducción del arrastre antes de la implementación en el servicio, pero la punta se distorsiona mucho como resultado de las concentraciones de tensión y deformación cerca de la punta debido específicamente a la geometría triangular y al espaciado de las pequeñas costillas. El diseño parabólico del aspecto actual es más angosto y mantiene superficies más inclinadas cerca de la parte superior del reborde de los dentículos para un rendimiento aerodinámico mejorado en comparación con cualquiera de los dentículos triangulares de 20°-50° mientras mejora significativamente la capacidad estructural al mantener una distribución de tensión equilibrada sobre el área de la sección transversal. La punta del dentículo 202 se muestra en detalle en la FIG.

4A con un eje x expandido para mayor claridad al demostrar la ventaja de la forma (pendientes más altas cerca de la cumbrera) del diseño parabólico con respecto a los perfiles triangulares de Bechert. Como se muestra en la FIG. 4B, las pendientes para los dentículos triangulares de 50° y 20° de Beckert (302, 304), y un dentículo triangular de 30° intermedio 402 son 2,1, 5,7 y 3,7 respectivamente, mientras que la pendiente del dentículo parabólico ejemplar puede considerarse entre 10 y 13,4, considerando las pendientes de un triángulo 404 que se incluye dentro del perfil parabólico y un triángulo 406 en el que se incluye el perfil parabólico.

Las FIGs. 5 y 6 ilustran las grandes diferencias en el comportamiento estructural entre el dentículo triangular con un ángulo incluido de 30° y una serie de diseños de dentículos parabólicos. Para la comparación, se eligió un dentículo triangular de 30 grados con una base de 0,0254 mm (0,001 pulgadas), punto de datos 502, ya que había datos de laboratorio o de vuelo que mostraban problemas de durabilidad para esta geometría con composición de níquel y polímero. En ambos gráficos, se aplica una carga de 6890 Pa (0,0689 bar, 1 psi) a la punta de los dentículos parabólicos y triangulares. Los puntos de datos para un diseño parabólico 502, 504, 506, 508, 510 y 512 en la FIG. 5 demuestran que un diseño parabólico con una base de 0,0147 mm (0,00058 pulgadas) tiene una deflexión de la punta equivalente a un dentículo triangular de 30° con una base de 0,0254 mm (0,001 pulgadas), el punto de datos 502 que ilustra el ahorro de peso potencial y los beneficios aerodinámicos del diseño parabólico que derivan de las paredes muy inclinadas cerca de la punta.

Como se muestra en la FIG. 6, comparaciones de la tensión de Von Mises bajo una carga de 6890 Pa (0,0689, bar, 1 psi) aplicada a las puntas para los dentículos triangulares de 30° y varios dentículos parabólicos ilustran la gran reducción de tensión obtenida específicamente con un dentículo parabólico. La figura también demuestra que existen tensiones muy dispares en la base de la punta 602 y en el extremo de la punta 604 del dentículo de sección triangular de 30°; aproximadamente 110316 Pa (1,103 bar, 16 psi) en la base de la punta y 896318 Pa (130 psi) en el punta afilada del triángulo, mientras que para los anchos de base que varían de 0,0254 mm (0,001 pulg.) a 0,0102 mm (0,0004 pulg.) de la sección parabólica tienen una tensión sustancialmente constante de aproximadamente 199948 Pa (1.999 bar, 29 psi) en los extremos de la punta 606, 608 y 610 entre anchos de base de 0,0254 mm (0,001 pulg.) y 0,0147 mm (0,00058 pulg.) mientras que la tensión es inferior a 241317 Pa (2.413 bar, 35 psi) en las bases de la punta 614, 616 y 618 para esos anchos de base y sólo aumenta marginalmente para anchos de base bajando hasta 0,00102 cm (0,0004 pulgadas). Las líneas discontinuas muestran la tensión de la punta y la base del dentículo parabólico con un ancho de base donde la punta del dentículo se ha desviado de manera equivalente al dentículo triangular.

Esta disparidad en los niveles de tensión dentro de la sección transversal de los dentículos tiene un efecto dramático en el perfil de deflexión a través de la estructura del dentículo como se muestra en las FIGs. 7A y 7B para un dentículo triangular 702 y un dentículo parabólico 704, respectivamente, con un factor de escala de mejora de 0,05 para exagerar la desviación por motivos de claridad. Las desviaciones que podrían exceder los límites elásticos cerca del extremo de la punta en una punta de dentículo de perfil triangular se distribuyen a través de la sección en una punta de dentículo parabólico evitando así deformaciones plásticas irrecuperables. Se utiliza un aspecto que emplea una punta de dentículo de níquel para el análisis mostrado en las FIGs. 7A y 7B.

Una visualización gráfica de las tensiones de Von Mises en la punta de dentículo parabólico de níquel 704 ejemplar que tiene un ancho de base 802 de 0,0147 mm (0,00058 pulgadas) y una altura de 0,0508 mm (0,002 pulgadas) se muestra en la FIG. 8A. También se utiliza un aspecto que emplea una punta de dentículo de níquel para el análisis que se muestra en la FIG. 8A. Para simplificar, el modelo ejemplar no tiene un borde angulado en la base y, por lo tanto, hay una concentración de tensión justo encima de la base debido a esta discontinuidad. Se emplea un borde angulado, como se describe en varios aspectos del presente documento, para distribuir la carga en esta área, eliminando así el fallo estructural en esta ubicación. El perfil parabólico de la punta de dentículo 704 permite que las tensiones se distribuyan uniformemente a lo largo de la altura de todo el dentículo en lugar de concentrarse cerca de la punta. Tenga en cuenta que las altas tensiones representadas en el dibujo en la punta parabólica de la FIG. 8A se deben a la falta de fidelidad geométrica en el modelo. Por el contrario, la imagen del dentículo triangular de 30° 702 en la FIG. 8B muestra una deformación y una tensión muy localizadas que pueden provocar una deformación irrecuperable o grietas en el área del extremo de la punta. Como se describirá más adelante, las estructuras de la puntas de dentículo pueden emplear un revestimiento sobre un núcleo rígido o elastomérico. La igualación de la tensión a lo largo de la superficie en toda la longitud del dentículo proporcionada por el perfil parabólico, como se muestra en la FIG. 8A puede evitar el agrietamiento localizado del revestimiento proporcionando una tensión igualada en la capa de superficie. Alternativamente, para un diseño más frágil, como el triángulo de 30° con agrietamiento anticipado del revestimiento, los niveles de tensión igualados pueden proporcionar un agrietamiento constante espaciado a lo largo de la superficie de la punta.

La conformación parabólica proporciona un beneficio significativo porque distribuye uniformemente la tensión y la deformación a lo largo de todo el dentículo. Cuanto mayor sea la elongación recuperable en el material, mejor porque las puntas de dentículo son muy estrechas, especialmente en el caso de la forma triangular donde las puntas pueden ser de 0,1 micras. Una gubia de uña para un elastómero que tiene un grosor de 0,1 micras en la punta de un dentículo triangular se puede estirar a lo largo de más de un y tal vez varios dentículos que están separados aproximadamente 90 micras, lo que es más del 900 % si solo participa la punta. Para los aspectos ejemplares, el dentículo parabólico plegado plano sobre la superficie plana tiene una deformación máxima a lo largo del borde exterior de sólo el 37% como se muestra en la FIG.

8C. La FIG. 8D muestra la distribución de deformación principal máxima para la forma de dentículo ejemplar. Las FIGs.

8E y 8F muestran una comparación de un borde angulado en forma de elipse y un borde angulado redondo, respectivamente, con la deformación principal máxima.

Un aspecto de dentículos ejemplares que emplean dentículos elastoméricos de alta elongación con punta rígida o aleaciones con memoria de forma se muestra en la FIG. 9A como construcción multicapa. Las puntas individuales 202 de los dentículos, que tienen una sección parabólica como se ha descrito anteriormente, sobresalen de la capa de superficie 204. Las pequeñas costillas que sobresalen y la capa de superficie continua se forman por fundición o deposición de materiales de alto módulo como níquel, cromo, otras aleaciones metálicas, vidrio, cerámica, carburo de silicio o nitruro de silicio, aleaciones de metales amorfos como Vitreloey 105 (Zr: 52,5 Ti: 5 Cu: 17,9 Ni: 14,6 Al:10) o Vitreloy 106a (Zr: 58,5 Cu:15,6 Ni: 12,8 Al: 10,3 Nb: 2,8), aleaciones con memoria de forma (SMA), como cobre-zinc-aluminio-níquel, cobrealuminio-níquel, níquel-titanio (NiTi), aleaciones pseudoelásticas de titanio beta y otras aleaciones metálicas adecuadas, que proporcionen un comportamiento superelástico derivado de la transformación de fase martensítica inducida por tensión reversible, elastómero con memoria de forma tal como, por ejemplo, sin limitación, poliuretano modificado con oligosilsesquioxano poliédrico (POSS) o elastómeros más típicos que incluyen poliuretanos, siliconas, epoxi, polisulfuro, etileno propilendieno, fluorosilicona y fluoroelastómeros, con un revestimiento de metal rígido como el níquel o materiales rígidos alternativos como el cromo, otras aleaciones metálicas, vidrio, cerámica, carburo de silicio o nitruro de silicio, o como aspecto ejemplar, un elastómero de alta elongación como un uretano similar al PRC PR 1664D. En varios aspectos, el elastómero de alta elongación se puede seleccionar del conjunto de polímeros y copolímeros (típicamente copolímeros de bloque) y polímeros con memoria de forma de epoxi, poliuretano, poliurea, poliolefina, etileno propileno, silicona, polibutadieno, policloropreno, polietileno clorado y fluorosiliconas, fluoradas poliuretanos, perfluoropoliéteres, poliuretanos sililados y otros polímeros híbridos que incluyen silsesquioxano oligomérico poliédrico (POSS). El polímero elastomérico puede estar cargado/tener relleno o no cargado/no tener relleno. En la aspecto mostrado en la FIG. 9a , una capa adhesiva 206 se deposita en el fondo 204a de la capa de superficie 204. Este adhesivo podría ser una de muchas posibilidades que incluyen, sin limitación, adhesivos acrílicos sensibles a la presión, adhesivos sensibles a la presión de poliuretano, polisulfuro, epoxi, termoplásticos, adhesivos termorreactivos, adhesivos de silicona o adhesivos de fluorosilicona.

En aspectos alternativos, una capa de polímero de soporte 208 se acopla a la capa de superficie 204 entre la capa de superficie 204 y la capa adhesiva 206 como se muestra en la FIG. 9B. La capa de polímero de soporte 208 puede ser una película de polímero u otro material adecuado. En ciertos aspectos se emplea polieteretercetona (PEEK). El polímero de soporte, el adhesivo y/u otros elementos en la segunda capa proporcionan rigidez o resiliencia adicional y la capacidad de adherirse a la superficie y pueden prepararse como un aplique prefabricado sobre la cual se deposita o se forma el elastómero de alta elongación de la capa de superficie y las puntas.

La FIG. 9C es un aspecto alternativo adicional en el que el elastómero de alta elongación está recubierto con un revestimiento de superficie 209. Para el aspecto ilustrativo que se muestra, el revestimiento 209 es un revestimiento absorbente o reflectante ultravioleta (UV) pero transparente, como el óxido de zinc o el óxido de indio y estaño. A continuación, la capa de superficie elastomérica 204 puede adherirse a una superficie usando una capa adhesiva 206 o directamente como se describe con respecto a la FIG. 2D. El revestimiento también puede proporcionar una funcionalidad alternativa, como conductividad/resistividad eléctrica para disipar o conducir cargas p-estáticas (<500 ohmios/cuadrado), memoria de forma o proporcionar coloración u otros efectos decorativos. En varios aspectos alternativos para lograr la funcionalidad deseada, el revestimiento se selecciona de restos orgánicos e inorgánicos o híbridos. Pueden seleccionarse revestimientos ejemplares para varios aspectos de restos orgánicos e inorgánicos o híbridos. El revestimiento orgánico se selecciona del conjunto de películas delgadas de parileno, PTFE, poliamida (Nylon), poliimida y polietileno. El revestimiento inorgánico puede ser películas delgadas o películas multicapa que incluyen recubrimientos amorfos tipo diamante (DLC), metales como aluminio, cromo, oro, platino, rodio o níquel, y óxidos como dióxido de silicio, óxido de aluminio, óxido de indio y estaño, óxido de estaño, óxido de titanio, óxido de zinc y nitruros tales como nitruro de boro y nitruro de silicio. El revestimiento híbrido pueden ser sol-geles orgánicos-inorgánicos o POSS colgante o monocapas organometálicas, o nanocapas como metal-polímero producido por Modumetal 1443 N. Northlake Way, Seattle, WA 98103, o nanocapa de cerámica-metal o cerámica-polímero.

Se anticipa que el revestimiento protector 209 puede no tener propiedades de elongación similares a las puntas de elastómero de alta elongación 202 y se espera deformación de superficie del elastómero de alta elongación y tras la eliminación de la carga y la recuperación del elastómero a casi su forma original, la protección UV por el revestimiento, que permanece adherido a las puntas elastoméricas y a la capa de superficie aunque esté agrietado, se mantendrá sustancialmente. El revestimiento 209 puede proporcionar resistencia a los efectos electromagnéticos, como la carga estática, que una estructura compuesta por sí sola no puede proporcionar, sustituyendo o complementando así los apliques de lámina LSA y materiales similares. El revestimiento 209 también puede ser una película multicapa o de interferencia que puede proporcionar protección UV, color y efectos decorativos mejorados. El revestimiento también puede ser un arreglo a escala nanométrica de partículas o varillas u otra estructura que se encuentra en o cerca de la superficie de la parábola. Tales nanoestructuras se pueden formar a partir de óxido de zinc o de óxido de titanio, por ejemplo.

En la forma que se muestra en las FIGs. 9A, 9B o 9C, el aspecto se puede fabricar como un aplique de múltiples capas 207 como se muestra en la FIG. 9B, incluidas las puntas 202, la capa de superficie 204, la capa de polímero de soporte 208 y la capa adhesiva 206 que luego se pueden adherir a la superficie aerodinámica usando la capa adhesiva 206. Los aspectos alternativos también pueden emplear una malla metálica/rejilla inductiva, rejilla capacitiva o lámina como el aluminio. La estructura multicapa de lámina, polímero y adhesivo puede ser comparable a un aplique Lightning Strike (LSA) actual empleado para superficies estructurales compuestas de aeronaves, como la descrita en la solicitud de patente de EE.UU. 11/611023 de Rawlings presentada el 14/12/2006, titulada MÉTODO Y APARATO DE PROTECCIÓN CONTRA RAYOS. La capa metálica en aspectos alternativos puede ser discontinua y puede proporcionar una estructura de superficie de desviador de rayos de área amplia (WALDO) 11/229911 de Rawlings et al., presentada el 19/09/2005 titulada SUPERFICIE DE DESVÍO DE RAYOS DE ÁREA AMPLIA o circuitos electrónicos integrados dentro de la estructura multicapa como se divulga en la solicitud complementaria n°. 112/612576 de Rawlings presentada el 19/12/2006 titulada APLIQUES USANDO CIRCUITOS DE á ReA AMPLIA, cuyas descripciones se incorporan aquí por referencia.

En aspectos alternativos, la capa de superficie 204 se puede adherir o depositar directamente sobre la superficie de la aeronave 111. En tales aspectos alternativos, la capa de polímero de soporte 208 puede emplear un termoplástico (o una resina termoendurecible como un epoxi) en una configuración similar a la descrita en la FIG. 9B sin capa adhesiva que permita la unión directa a la superficie de la aeronave 111 con aplicación de calor, radiación o mediante inductancia magnética.

Para el aspecto mostrado en la FIG. 9D, se muestran dentículos rígidos con punta fabricados con metales de alto módulo como el níquel (usado para el aspecto descrito en este documento) o materiales rígidos alternativos como el cromo, otras aleaciones metálicas, vidrio, cerámica, carburo de silicio o nitruro de silicio. Con superficies curvas complejas o múltiples, puede ser deseable que las puntas de dentículo individuales 202' estén separadas entre sí perpendicularmente a la dirección del flujo para una mayor flexibilidad lateral. Para el aspecto que se muestra, las puntas individuales 202' sobresalen de una capa elastomérica 204'. Las puntas 202' tienen un perfil parabólico como se describe con respecto a la FIG. 2. Una base 210 se expande desde cada punta. En ciertos aspectos, la capa elastomérica 204' rodea la base 210 para proporcionar una mayor continuidad estructural. En aspectos alternativos, una cara inferior 211 de la base se adhiere directamente a la superficie expuesta 204a de la capa elastomérica 204'.

Una estructura multicapa que incorpora una pantalla y/o una capa metálica de lámina 212 como aluminio, una capa de polímero 214 como PEEK y una capa adhesiva 216 soporta la capa elastomérica 204'. La capa de polímero 214 y la capa adhesiva 216 pueden suministrarse como una porción del aplique preformado o depositarse directamente sobre la capa elastomérica 204'. La capa metálica 212 proporciona un material conductor para la protección contra rayos en un uso ejemplar del aspecto en una aeronave. La estructura multicapa de capa metálica, polímero y adhesivo puede ser comparable a un aplique de impacto de rayo (LSA) actual empleado para superficies estructurales compuestas de aeronaves.

La capa de elastómero 204' que soporta las puntas de dentículo 202' puede proporcionar una deformación lateral elástica y una recuperación de las puntas cuando se aplican fuerzas laterales, mejorando así aún más la durabilidad de las puntas de dentículo rígidas. Además, la flexibilidad de la capa elastomérica puede permitir una mayor capacidad para adaptarse a formas de contorno complejas.

Las FIGs. 10A y 10B muestran vistas superior y lateral del aspecto descrito en la FIG. 9B como un ejemplo de los arreglos de dentículos resultantes de los aspectos descritos. Los dentículos 112 formados por las puntas 202 se expanden longitudinalmente a lo largo de la capa de superficie 204 en la dirección del flujo 114. La capa de superficie delgada 204 proporciona flexibilidad para adherirse a la curvatura que tiene tangentes sustancialmente perpendiculares a los dentículos 112 como se representa por la flecha 115. Las propiedades del elastómero de alta elongación utilizado en los aspectos descritos permiten flexibilidad en la deformación de los apliques para que coincidan con los contornos de la superficie de la aeronave u otra superficie sobre la que se aplican los arreglos de dentículos pequeños.

Como se muestra en la FIG. 11, para los aspectos descritos, se realiza la selección de un material deseado para una alta durabilidad de los dentículos tales como elastómeros de alta elongación, dentículos rígidos o aleaciones con memoria de forma, paso 1102. Se hace la determina la altura, h, y el espaciado, d, para el rendimiento aerodinámico del arreglo de dentículos, paso 1104, y se realiza la determinación del factor de perfil, p, para el perfil parabólico para el material seleccionado, paso 1106. A continuación, se calcula el perfil parabólico de los dentículos, paso 1108, y se realiza una determinación del rendimiento aerodinámico y estructural resultante 1110. La iteración del material, el factor de perfil, la altura y el espaciado se puede lograr para optimizar el arreglo de dentículos resultante. Además, para puntas de dentículos elastoméricos de alta elongación u otros materiales en los que se desea un revestimiento, la determinación del factor de perfil parabólico puede incluir la selección del factor de perfil consistente con un revestimiento en el material de dentículo seleccionado. Un material resistente a UV, como el óxido de zinc o el óxido de indio y estaño, sería un ejemplo para los dentículos elastoméricos de alta elongación.

Luego se forma una herramienta maestra que tiene protuberancias parabólicas correspondientes a la forma del arreglo de dentículos deseado y superficies intermedias sustancialmente planas para el espaciado, paso 1112. Se forma una herramienta complementaria a partir de la herramienta maestra, paso 1114, que puede lograrse mediante impresión en la herramienta maestra para proporcionar ranuras correspondientes a una forma de dentículos con un espaciado entre las ranuras que proporciona la superficie intermedia sustancialmente plana. Si bien se muestra como un conjunto único de herramienta maestra y herramienta complementaria para el método que se muestra, los aspectos alternativos pueden emplear múltiples conjuntos de herramientas maestras y complementarias para el procesamiento de largueros o procesos alternativos. Las puntas de dentículo y una capa de superficie se depositan en la herramienta complementaria, paso 1116. En varios aspectos del método, las puntas y la capa de superficie pueden ser de materiales elastoméricos de alta elongación o puntas rígidas o de aleación con memoria de forma incrustadas en una capa de superficie elastomérica. Los materiales elastoméricos de alta elongación se pueden seleccionar del conjunto de uretano, epoxi y fluorosilicio como se describe en los aspectos del presente documento. Los materiales elastoméricos se pueden colar sobre la herramienta complementaria o para aplicaciones de herramientas de largueros, rociar o moldear por inmersión sobre la herramienta. La formación de puntas de aleación rígidas o con memoria de forma puede lograrse mediante métodos tales como pulverización catódica de un revestimiento metálico sobre la herramienta complementaria y electroformado de las puntas sobre el revestimiento.

Luego se crea un aplique para las puntas de dentículo y la capa de superficie, paso 1118. En varios aspectos, el aplique puede ser una capa adhesiva depositada sobre la capa de superficie opuesta a las puntas de dentículo pequeños. Puede añadirse un forro adhesivo por conveniencia en el manejo del aplique y luego retirarse antes de la aplicación a una superficie. Los aspectos alternativos incluyen una capa de polímero de soporte intermedia entre la capa de superficie y la capa adhesiva y, opcionalmente, una lámina de metal o una capa de malla para la creación de una aplicación de protección contra rayos. Luego se retira el aplique de la herramienta complementaria, paso 1120, y se adhiere a una superficie aerodinámica, paso 1122. En ciertos aspectos alternativos, la herramienta complementaria puede actuar como una máscara protectora que se retiene hasta que el aplique se adhiere a la superficie. En otros aspectos, se puede añadir una capa de máscara para la protección contra la manipulación de los dentículos y luego retirarla después de que el aplique se haya adherido a la superficie.

Para los aspectos que emplean el elastómero de alta elongación para las puntas de dentículo y la capa de superficie, el revestimiento resistente a los rayos UV descrito anteriormente se puede depositar sobre la capa elastomérica de alta elongación después de retirarla de la herramienta complementaria o cuando la herramienta complementaria es una herramienta de largueros, el revestimiento resistente a los rayos UV puede pulverizarse sobre la herramienta de largueros antes de depositar la capa elastomérica de alta elongación.

Con referencia más particularmente a las FIGs. 12A y 12B, los aspectos de los dentículos elastoméricos de alta elongación descritos en este documento y los métodos para su fabricación pueden describirse en el contexto de un método 1200 de fabricación y servicio de aeronaves como se muestra en la FIG. 12A y una aeronave 1202 como se muestra en la FIG.

12B. Durante la preproducción, el método ejemplar 1200 puede incluir la especificación y el diseño 1204 de la aeronave y la adquisición de material 1206. Durante la producción, tiene lugar la fabricación de componentes y subensambles 1208 y la integración del sistema 1210 de la aeronave. Los apliques de dentículos y sus procesos de fabricación, como se describe en el presente documento, se pueden lograr como parte de la producción, el paso de fabricación de componentes y subensambles 1208 y/o como parte de la integración del sistema 1210. Posteriormente, la aeronave puede pasar por la certificación y entrega 1212 para ser puesta en servicio 1214. Mientras está en servicio por parte de un cliente, la aeronave 1202 está programada para mantenimiento y servicio de rutina 1216(que también pueden incluir modificaciones, reconfiguraciones, reacondicionamientos, etc.). Los apliques de dentículos como se describe en este documento también se pueden fabricar y aplicar como parte del mantenimiento y servicio de rutina 1216.

Cada uno de los procesos del método 1200 puede ser realizado o llevado a cabo por un integrador de sistemas, un tercero, y/o un operador (por ejemplo, un cliente). A efectos de esta descripción, un integrador de sistemas puede incluir, entre otros, cualquier número de fabricantes de aeronaves y subcontratistas de sistemas importantes; un tercero puede incluir, entre otros, cualquier número de vendedores, subcontratistas y proveedores; y un operador puede ser una línea aérea, una empresa de arrendamiento, una entidad militar, una organización de servicios, etc.

Como se muestra en la FIG. 12B, la aeronave 1202 producida por el método ejemplar 1200 puede incluir un fuselaje/armazón de aeronave 1218 que tiene una superficie 111 como se describe con respecto a la FIG. 1 y una pluralidad de sistemas 1220 y un interior 1222. Ejemplos de sistemas de alto nivel 1220 incluyen uno o más de unos sistemas de propulsión 1224, un sistema eléctrico y de aviónica 1226, un sistema hidráulico 1228, y un sistema ambiental 1230. Puede incluirse cualquier número de otros sistemas. Los dentículos elastoméricos de alta elongación divulgados por los aspectos descritos en este documento pueden ser una porción del fuselaje 1218, en particular el acabado del revestimiento y las superficies exteriores. Aunque se muestra un ejemplo aeroespacial, los principios descritos en los aspectos del presente documento pueden aplicarse a otras industrias, como la industria automotriz y la industria naval/naviera.

Los aparato y métodos incorporados en este documento pueden emplearse durante cualquiera o más de las etapas del método de producción y servicio 1200. Por ejemplo, los componentes o subensambles correspondientes al proceso de producción 1208 pueden fabricarse o construirse de manera similar a los componentes o subensambles producidos mientras la aeronave 1202 está en servicio. Además, uno o más aspectos del aparato, aspectos del método o una combinación de los mismos pueden utilizarse durante las etapas de producción 1208 y 1210, por ejemplo, acelerando sustancialmente el montaje de una aeronave 1202 o reduciendo su coste. Del mismo modo, uno o más de los aspectos del aparato, los aspectos del método o una combinación de los mismos pueden utilizarse mientras la aeronave 1202 está en servicio, por ejemplo y sin limitación, para el mantenimiento y el servicio 1216.

Habiendo descrito ahora varias realizaciones en detalle según lo requerido por los estatutos de patentes, los expertos en la técnica reconocerán modificaciones y sustituciones a las realizaciones específicas descritas en este documento. Dichas modificaciones están dentro del alcance y la intención de la presente divulgación, tal como se define en las siguientes reivindicaciones.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Un arreglo de dentículos que comprende:

una capa de superficie (204) para adherirse a una superficie aerodinámica (111) de una aeronave (110);

una pluralidad de puntas de dentículo (202) que se extienden desde la capa de superficie (204), donde las puntas de dentículo (202) tienen una sección transversal parabólica, y donde las puntas de dentículo (202) son una construcción multicapa,

donde la capa de superficie (204) y las puntas de dentículo (202) se forman a partir de un elastómero de alta elongación recuperable elásticamente para una elongación de 300 - 3000%.

2. El arreglo de dentículos como se define en la reivindicación 1, donde la sección transversal parabólica de cada punta de dentículo (202) tiene una ecuación de y=px2 h con respecto a un eje y sustancialmente perpendicular a la capa de superficie (204) donde p se determina con base en el material de fabricación de las puntas de dentículo (202) y las cargas impartidas a la superficie por factores ambientales y de mantenimiento, donde p=-hb/x 2, donde xb es la mitad del ancho de una base de cada punta de dentículo (202).

3. El arreglo de dentículos como se define en la reivindicación 2, que comprende además una capa adhesiva (206) depositada sobre la capa de superficie (204) opuesta a las puntas.

4. El arreglo de dentículos como se define en la reivindicación 2, que comprende además un revestimiento (209) en las puntas de dentículo (202).

5. El arreglo de dentículos como se define en la reivindicación 2, que comprende además un revestimiento resistente a los rayos UV (209) sobre el elastómero de alta elongación, donde el elastómero de alta elongación se selecciona del conjunto de polímeros y copolímeros y polímeros con memoria de forma de epoxi, poliuretano, poliurea, poliolefina , etileno propileno, silicona, polibutadieno, policloropreno, polietileno clorado y fluorosiliconas, poliuretanos fluorados, perfluoropoliéteres, poliuretanos sililados y polímeros híbridos, incluido el silsesquioxano oligomérico poliédrico (POSS).

6. El arreglo de dentículos como se define en la reivindicación 1, que comprende además una capa de soporte de polímero (208) depositada sobre la capa de superficie (204) opuesta a las puntas.

7. El arrreglo de dentículos como se define en la reivindicación 6, que comprende además una capa adhesiva (206) depositada sobre la capa de soporte de polímero (208) para formar un aplique multicapa, dicha capa adhesiva (206) para adherir el aplique a la superficie aerodinámica (111) de la aeronave (110).

8. El arreglo de dentículos como se define en la reivindicación 1, donde el elastómero de alta elongación se selecciona del conjunto de polímeros y copolímeros y polímeros con memoria de forma de epoxi, poliuretano, poliurea, poliolefina, etileno propileno, silicona, polibutadieno, policloropreno, polietileno clorado y fluorosiliconas, poliuretanos fluorados, perfluoropoliéteres, poliuretanos sililados y polímeros híbridos que incluyen silsesquioxano oligomérico poliédrico (POSS).