JP2008184155A - 航空機胴体およびその他の構造の複合バレルセクション、および係るバレルセクションを製造する方法およびシステム - Google Patents

Abstract

【課題】複合パネルを用いた航空機胴体のセクションを提供する。
【解決手段】軸周りに３６０°延在する連続的な表面を形成する複数の単方向の繊維を有する外板２２０と、この外板２２０の内表面に結合する第１のフランジ部２３１と、外板２２０から離れて内側に突出する第１の突起部とを有する第１のスティフナ２３０と、外板２２０の内表面に結合する第２のフランジ部分２３１と、外板２２０から離れて内側に突出する第２の突起部とを有する第２のスティフナ２３０とを備える。
【選択図】図２Ａ

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２００４年４月６日に出願され、参照によりその全体が本書に援用される、同時係属の米国仮特許出願第６０／５５９，８９０号［代理人事件整理番号第０３００４．８１３８ＵＳ００号］の「航空機胴体およびその他の構造の複合バレルセクション、および係るバレルセクションを製造する方法およびシステム」の優先権を主張する。

技術分野
以下の開示は、通常、航空機の構造に関し、より具体的には、航空機胴体の複合バレルセクションおよびこのような胴体セクションを製造する方法およびシステムに関する。

背景
航空機の製造者は、航空機の性能を上げ、製造コストを下げる方法を求めてたゆまぬ努力をしている。航空機の性能を上げるある周知の方法は、比較的高い強度重力比を有する複合材料を用いて機体重量を減少させることである。複合材料は、戦闘機、高性能のプライベート航空機、およびビジネスジェット機の機体に用いられてきた。しかし、大きな民間用輸送機などの大きな航空機は通常、主要な構造の全てもしくはほとんどに金属材料を用いる。民間用輸送機の胴体シェルはたとえば、通常、アルミニウムおよびその他の金属から製造される。

複合材料を用いてビジネスジェット機の機体を製造する従来の方法は通常、大規模な工具設備と労働集約型の組立て手順とを必要とする。カンザス州ウィチタのレイセオンエアクラフトカンパニーによって用いられる、Ｐｒｅｍｉｅｒ ＩおよびＨａｗｋｅｒ Ｈｏｒｉｚｏｎビジネスジェット機を製造する周知の方法の１つは、自動繊維配置システムを用いて、回転するマンドレルの周りにカーボン繊維を巻きつけることを含む。マンドレルは、胴体セクションの基本的な形を与える。カーボン繊維は、熱硬化エポキシ樹脂をあらかじめ含浸し、回転するマンドレルの上に複数の層で適用され、胴体セクションの内面外板を形成する。そして内面外板はハニカムコアの層で覆われる。そして繊維配置システムは、あらかじめ含浸したカーボン繊維のさらなる層を、ハニカムコアの上に適用して、外面外板を形成し、サンドイッチ構造となる。最終層は、落雷からの保護をもたらす、カーボン繊維と細い金属ワイヤとの合成のファブリックを含む。

Ｐｒｅｍｉｅｒ Ｉの胴体は、上述の方法で形成された２つの複合胴体セクションを含む。Ｈａｗｋｅｒ Ｈｏｒｉｚｏｎの胴体は、上述の方法で形成された３つのセクションを含む。形成後、それぞれの胴体セクションは、円周方向の接合部に沿って相互に接合されて、完全な胴体シェルを形成する。従来技術にしたがった、複合胴体シェルを形成する他の方法は、胴体の半分もしくは４分の１のパネルを（たとえば、ファブリックのレイアッププロセスによって）、別々に形成すること、そして別々の部分を長手方向の接合部に沿って接合し、完全な胴体の断面を形成することを含む。

フィラメントの巻き、繊維の配置、およびテープの敷設は、単方向の複合繊維を回転するマンドレルに適用し、連続的な円筒形外板を形成する、３つの周知の方法である。フィラメントの巻きプロセスにおいて、マンドレルは一般的に、端支持の間に水平に吊るされる。繊維適用器具がマンドレルの長さに沿って前後に動くにつれ、マンドレルは水平軸周りに回転し、所定の形状で、繊維をマンドレルの上に配置する。ほとんどの適用において
、フィラメントの巻き装置は、材料がマンドレルに接触する直前に、繊維材料を樹脂“浴”に通す。これは“湿巻き”と呼ばれる。他の適用において、繊維は樹脂にあらかじめ含浸し、樹脂浴の必要性を除去する。樹脂のオーブンもしくはオートクレーブ硬化に続いて、マンドレルは適切な位置にとどまって巻き構成要素の部分となってよく、もしくは除去されてよい。

繊維配置プロセスは、一般的に、複数の“トウ”（すなわち、エポキシなどの熱硬化樹脂材料にあらかじめ含浸した、カーボンもしくはグラファイト繊維などの連続的なフィラメントの撚られていない束）、テープ、もしくはスリットテープを高速で回転するマンドレルの上に自動で配置することを含む。一般的なトウは、平らに延ばされたとき、約０．１２インチ〜０．２５インチの間の幅である。従来の繊維配置機は、複数のトウを、トウを平行にする（トウを平行にならしめる）、動作可能なペイオフヘッドに分配し、トウを表面に対して圧縮する１以上の圧縮ローラーを用いて、トウを回転するマンドレルの表面に適用する。さらに、このような機器は通常、配置の間に個々のトウを分配し、固定し、カットし、再スタートさせる手段を含む。

テープの敷設は、個々のトウよりはむしろ、含浸した繊維テープが回転するマンドレルの上に置かれて部分を形成すること以外は、上述された繊維の配置プロセスと同様である。テープの形状の１つは、繊維の幅と方向を保持する裏紙を含む。裏紙は適用の間に除去される。スリットテープは、製造者によって標準の幅に作成された後、細長く切られたテープである。テープを細長く切ることは、適用の間、強化された可動性および適合化が生産性と設計目標を達成することを可能にする、より狭い幅をもたらす。スリットテープは約０．１２インチ〜約６インチまでの変動する幅を有してよく、裏紙を含むかもしれないし、含まないかもしれない。テープの他の形状は、布材料とともに織られた複数の個別の繊維を含む。この開示の全体にわたって、それ以外に指示される場合を除き、“テープ”の用語は、テープ、裏紙を有するテープ、スリットテープ、および複合構造を製造するのに用いる、テープ形状のその他の種類の複合材料に言及する。テープは比較的容易な方向変化が可能とするため、テープの敷設はしばしば、大変複雑な輪郭もしくは角度を有する部分に用いられる。

概要
本発明は概して、航空機胴体もしくはその他の構造の複合セクションを対象とする。本発明の一態様にしたがって構成されたセクションは、軸周りに３６０°にわたって延在する連続的な表面を形成する複数の繊維トウを有する外板を含む。セクションはさらに、少なくとも第１および第２のスティフナを含むことができる。第１のスティフナは、外板の内表面に接合された第１のフランジ部と、外板の内表面から離れて内側に突出する第１の突起部とを有することができる。第２のスティフナは、外板の内表面に接合された第２のフランジ部と、外板の内表面から離れて内側に突出する第２の突起部とを有することができる。本発明の他の態様にしたがって構成されたセクションは、複数の平行にされた繊維トウの代わりに、もしくはそれに加えて、連続的な表面を形成する複数の繊維テープを有する外板を含むことができる。

本発明の一態様にしたがって胴体のセクションを製造する方法は、複数のスティフナをマンドレルアセンブリ上に位置決めする工程と、マンドレルアセンブリを長手軸周りに回転させる工程を含む。該方法は、複数の繊維トウを適用して、マンドレルアセンブリの周囲に３６０°延在する連続的な外板を形成することをさらに含むことができる。繊維トウの適用の後、スティフナおよび繊維トウは、共に硬化されることができる。本発明の他の態様にしたがって胴体のセクションを製造する方法は、繊維トウの代わりに、もしくはそ
れに加えて、繊維テープを回転するマンドレルアセンブリ上のスティフナ上に敷設する工程を含むことができる。

詳細な説明
以下の開示は、航空機胴体およびその他の構造の複合バレルセクション、およびこのようなバレルセクションを製造する方法およびシステムを説明する。この開示全体にわたって、バレルセクションの用語は通常、便宜上、軸周りに３６０°延在する密封されたシェル構造を言及するのに用いられる。このような構造はたとえば、円形、長円形、楕円形、卵形、およびその他の対称および／もしくは非対称の断面形状を有する、円筒状のシェルを含むことができる。このような構造はさらに、密封された非円筒状のシェルを含むこともできる。いくつかの詳細は、以下の説明および図１〜図１４Ｃに説明され、本発明の多様な実施形態の完全な理解を提供する。しばしば航空機の構造および複合加工技術に関連する周知の構造およびシステムを説明するその他の詳細は、本発明の多様な実施形態の説明を不必要にあいまいにすることを避けるため、以下の開示には説明されない。

図面に示される詳細、寸法、角度、およびその他の特徴のうちの多くは、本発明の特定の実施形態を例証するに過ぎない。したがって、その他の実施形態は、本発明の精神もしくは範囲から外れることなく、その他の詳細、寸法、角度、および特徴を有することができる。さらに、さらなる実施形態が、以下に説明される詳細のうちのいくつかを有することなく実施されることができる。

図面において、同一の参照番号は、同一の、もしくは少なくとも通常同様である要素を識別する。任意の特定の要素の論考を容易にするべく、任意の参照番号の最上位桁の数字は、その要素が最初に紹介された図面に言及する。たとえば、要素１１０は、図面１を参照して最初に紹介され、論じられた。

図１は、本発明の実施形態にしたがって構成された、複数のバレルセクション１１０を含む胴体１０２を有する航空機１００の部分的に隠された等角図である。以下により詳細に説明されるこの実施形態の一態様において、バレルセクション１１０のそれぞれは、カーボンファイバー材料および／もしくはグラファイトエポキシ材料などの複合材料から、一体形のセクションとして個別に製作されることができる。製作の後に、バレルセクション１１０は接着、および／もしくは、周継手１１２に沿った機械留めによって共に接合され、胴体１０２を形成することができる。

本実施形態の他の態様において、胴体１０２は、複数の客席１０６を収容するよう構成された客室１０４を含むことができる。図示された実施形態において、客室１０４は少なくとも約５０の客席１０６、たとえば約５０〜約７００の客席を収容するよう構成される。他の実施形態において、客室１０４は約１５０〜約４００の客席１０６を収容するよう構成されることができる。他の実施形態において、客室１０４はより多い、もしくはより少ない客席を収容するように構成されることができ、あるいは、客席１０６は除去されてもよく、客室は、貨物の運搬などの、その他の目的に用いられてもよい。

図２Ａは、本発明の実施形態にしたがって構成された、図１のバレルセクション１１０のうちの１つの部分の、拡大部分分解内部等角図である。図２Ｂは、図２Ａのバレルセクション部分の組立等角図である。図２Ａおよび図２Ｂを共に参照すると、バレルセクション１１０は、外板２２０に取りつけられる、複数のスティフナ２３０（スティフナ２３０ａ〜２３０ｄとして個々に識別される）を含むことができる。スティフナ２３０のそれぞれは、外板２２０から離れて突出する突起２３４と複数のフランジ部２３１（スティフナ２３０の片側から外側に延在する複数の第１のフランジ部２３１ａおよびスティフナ２３
０の反対側から外側に延在する複数の第２のフランジ部２３１ｂとして識別される）とを含むことができる。フランジ部２３１は、外板２２０に直接結合されることができる。図示された実施形態において、スティフナ２３０は帽子状の断面を有する。しかし以下に説明される他の実施形態において、スティフナ２３０はその他の断面形状を有することができる。

以下により詳細に説明される一実施形態において、外板２２０およびスティフナ２３０は、カーボンファイバー材料などの複合材料を含むことができる。この実施形態において、スティフナ２３０は外板２２０に接合されることができる。たとえば、以下により詳細に説明される一実施形態において、スティフナ２３０は、スティフナ２３０と外板２２０が高温でおよび高圧で共に硬化される共硬化プロセスの間に、外板２２０に接合されることができる。他の実施形態において、スティフナ２３０はあらかじめ硬化されることができ、高温および高圧にさらされた時に、外板２２０に接着されることができる。さらにその他の実施形態において、スティフナ２３０は、外板２２０に機械的に留められることができる。

スティフナ２３０のそれぞれは、１つのスティフナ２３０の複数の第１のフランジ部２３１ａが、隣接するスティフナ２３０の対応する複数の第２のフランジ部２３１ｂと揃えられるように、外板２２０上に位置づけられることができる。たとえば、第１のフランジ部２３１ａのそれぞれは、第１の外縁２３３ａを含むことができ、第２のフランジ部２３１ｂのそれぞれは、対応する第２の外縁２３３ｂを含むことができる。一実施形態において、第１の外縁２３３ａは、第２の外縁２３３ｂから、約０．５インチ以下の距離Ｄだけ離間してよい。他の実施形態において、距離Ｄは約０．２インチ以下、たとえば、約０．１インチであってよい。さらに他の実施形態において、スティフナ２３０は、第１のフランジ部２３１ａが、第２のフランジ部２３１ｂに少なくともほぼ接触するように、外板２２０上に位置づけられることができる。この場合、距離Ｄは少なくとも約０である。フランジ部２３１が上述の方法で整列する時、フランジ部２３１は、スティフナ２３０の突起２３４間に延在する、複数の少なくともほぼ連続的な支持面２３５を形成することができる。

バレルセクション１１０は、複数の支持部材もしくはフレーム２４０（第１のフレーム２４０ａおよび第２のフレーム２４０ｂとして個々に識別される）をさらに含むことができる。図示された実施形態において、フレーム２４０は、第１のフレームセクション２４１および第２のフレームセクション２４２を含むツーピースのフレームである。この実施形態において、第２のフレームセクション２４２は、Ｃ字形状の断面を有する。他の実施形態において、第２のフレームセクション２４２は、Ｌ字形状の断面など、他の断面形状を有することができる。さらに他の実施形態において、フレーム２４０は除去されてよく、あるいは、バレルセクション１１０は、より多い、もしくはより少ないフレームセクションから構成される、他のフレームを含んでよい。

第１のフレームセクション２４１は、ベース部２４４とベース部２４４から離れて突出する直立部２４６とを含む。直立部２４６は、複数の開口部、たとえば、スティフナ２３０の突起２３４がそれを通って延在する“マウスホール”２４８を含むことができる。ベース部２４４は、マウスホール２４８間に延在する、複数の結合面２４３を含むことができる。結合面２４３は、スティフナ２３０の突起２３４間に延在する支持面２３５の対応する１つに接触するように構成される。図示された実施形態の結合面２４３には、それが結合する対応する支持面２３５がスティフナ２３０間で少なくともほぼ連続的であり、いかなる重大な表面ステップもしくはずれも含まないため、マウスホール２４８間にジョグルがない。この特徴の利点は、ジョグルを有するフレームを製造することに関連するさらなるコストが避けられることである。ジョグルもしくはステップを、展性があり容易に形
成することができる金属に作成することと異なり、複合表面にジョグルもしくはステップを作成することは、特別な機械設備および／もしくは後硬化加工を一般的に必要とするため、このようなコストは複合材料を扱う時に特に大きい。

本発明の一実施形態において、まず第１のフレームセクション２４１が、バレルセクション１１０に取りつけられることができ、次に第２のフレームセクション２４２が第１のフレームセクション２４１に取りつけられることができる。第１のフレームセクション２４１をバレルセクション１１０に取りつける時、第１のフレームセクション２４１のベース部２４４は、外板２２０に結合されることなく、スティフナ２３０のフランジ部２３１に結合される。すなわち、ベース部２４４の結合面２４３は、支持面２３５に接触するが、外板２２０には接触しない。このように、フランジ部２３１は、第１のフレームセクション２４１と外板２２０との間に効果的に挟まれる。一実施形態において、第１のフレームセクション２４１は、図２Ｂに示されるように、一連の適切な留め具２５２によってバレルセクション１１０に留めつけられることができる。他の実施形態において、ベース部２４４は、直接フランジ部２３１に直接接着されることができる。

第１のフレームセクション２４１がバレルセクション１１０に取りつけられた後、第２のフレームセクション２４２が第１のフレームセクション２４１に取りつけられることができる。一実施形態において、第２のフレームセクション２４２は、図２Ａに示されるように、第１のフレームセクション２４１の直立部２４６に、一連の適切な留め具２５０で留めつけられることができる。他の実施形態において、第２のフレームセクション２４２は、直立部２４６に接着されることができる。第２のフレームセクション２４２を第１のフレームセクション２４１に、第１のフレームセクション２４１が据えつけられた後に取りつけることの利点の１つは、第２のフレームセクション２４２の最終的な位置が調整され、第２のフレームセクション２４２の据えつけの間に起こるであろう第１のフレームセクション２４１のいかなるずれも補償することができることである。しかし、他の実施形態において、まず第１のフレームセクション２４１が第２のフレームセクション２４２に取りつけられることができ、次いでフレーム２４０がバレルセクション１１０に、完成品一式として取りつけられることができる。

本発明の他の実施形態において、スティフナ２３０のフランジ部２３１は、少なくとも部分的に除去されることができる。この実施形態において、突起は、材料のさらなる層により、スティフナ２３０の間の外板２２０上に形成されてよい。突起は、第１のフレームセクション２４１のベース部２４４が結合されるところの支持面２３５を形成する点で、フランジ部２３１に取って代わることができる。

図３Ａおよび図３Ｂはそれぞれ、本発明の他の実施形態にしたがって構成されたバレルセクション３１０の部分の上面図および端面図である。図３Ａおよび図３Ｂを共に参照すると、バレルセクション３１０は、外板３２０に取りつけられた、複数の第１のスティフナ３３６および複数の第２のスティフナ３３８を含むことができる。スティフナ３３６および３３８のそれぞれは、外板３２０から離れて突出する突起３３４を含むことができる。第１のスティフナ３３６のそれぞれは、少なくとも通常はまっすぐである、第１のフランジ部３３７ａおよび対向する第２のフランジ部３３７ｂをさらに含むことができる。しかし、第２のスティフナ３３８のそれぞれは、突起３３４から少なくとも隣接する第１のスティフナ３３６の最も近い対応するフランジ部３３７まで外側に延在する、複数の第１のフランジ部３３１ａおよび複数の対向する第２のフランジ部３３１ｂをさらに含むことができる。フレーム（図示せず）は、図面２Ａおよび図２Ｂを参照して上述されたように、フランジ部３３１および３３７に結合することができる。

図４Ａおよび図４Ｂはそれぞれ、本発明のさらなる実施形態にしたがって構成されたバ
レルセクション４１０の部分の上面図および端面図である。図４Ａおよび図４Ｂをともに参照すると、バレルセクション４１０は、外板４２０に取りつけられた複数の非対称のスティフナ４５０を含むことができる。非対称のスティフナ４５０のそれぞれは、突起４３４の片側から外側に延在する複数の第１のフランジ部４３１と、突起４３４の反対側から外側に延在する第２のフランジ部４３７とを含むことができる。第２のフランジ部４３７は、少なくともほぼまっすぐであってよい。しかし第１のフランジ部４３１は、突起４３４から外側に、少なくとも隣接するスティフナ４５０の最も近い対応する第２のフランジ部４３７まで突出してもよい。フレーム（図示せず）は、図２Ａおよび図２Ｂを参照して上述されるように、フランジ部４３１および４３７に結合することができる。

図５Ａおよび図５Ｂはそれぞれ、本発明の他の実施形態にしたがって構成されたバレルセクション５１０ａおよび５１０ｂの部分の断面端面図である。まず図５Ａを参照すると、本実施形態の一態様において、バレルセクション５１０ａは、外板５２０ａに取りつけられた複数のＩ字断面スティフナ５３０ａを含む。Ｉ字断面スティフナ５３０ａのそれぞれは、少なくとも通常、構造および機能の点で、図２Ａおよび図２Ｂを参照して上述された対応するフランジ部２３１と同様である、複数の第１のフランジ部５３１ａおよび複数の第２のフランジ部５３１ｂを含むことができる。本実施形態の他の態様において、フレーム５４０ａは、図２Ａおよび図２Ｂを参照して上述されたように、フランジ部５３１に結合することができる。

次に図５Ｂを参照すると、本実施形態の一態様において、バレルセクション５１０ｂは、外板５２０ｂに取りつけられた複数のＣ字断面スティフナ５３０ｂを含む。Ｃ字断面スティフナ５３０ｂは、少なくとも通常、構造および機能の点で、図４Ａおよび図４Ｂを参照して上述された第１のフランジ部４３１と同様である、フランジ部５３１を含むことができる。本実施形態の他の態様において、図２Ａおよび図２Ｂを参照して上述されたように、フレーム５４０ｂはフランジ部５３１に結合することができる。

図６は、本発明の一実施形態にしたがって工場フロア６０２に配置された、バレルセクション製造システム６００の部分概略等角図である。以下により詳細に説明される本実施形態の一態様において、バレルセクション製造システム６００は、図１〜図５Ｂを参照して上述された胴体バレルセクションを製造するよう構成された製造ステーションの直列配置を含む。概観として、図示された実施形態において、バレルセクション製作は、外板積層ステーション６２０に移動する前の、スティフナ装填ステーション６１０からはじまる。外板積層の後、バレルセクション（図示せず）は、硬化ステーション６４０へ移動する前に、バキュームバッグに入れるために、バキュームステーション６３０へ移動する。そこから、バレルセクションは引き続いて検査ステーション６５０、トリミングステーション６６０、そして組み立てステーション６７０へと移動する。

製造ステーションの上述の配置はしかし、上述の胴体バレルセクションを製造するのに用いられることができる１つの配置である。他の実施形態においては、他の製造配置および／もしくは他の種類の製造ステーションが、図６に示される１以上の製造ステーションに代わって、もしくはそれに追加して、用いられることができる。たとえば、一実施形態において、１以上の製造ステーションが、図６に示される直列配置よりはむしろ、並列配置で位置づけられることができる。他の実施形態において、２以上の製造ステーションが組み合わせられて単一のステーションを形成することができる。

図７Ａおよび図７Ｂは、本発明の実施形態にしたがって、バレルセクションツールアセンブリ７００上に複数のスティフナ７３０を装填する方法の２つの段階を説明する、スティフナ装填ステーション６１０の拡大部分概略等角図である。まず図７Ａを参照すると、本実施形態の一態様において、バレルセクションツールアセンブリ７００は、複数のツー
ル断片７０６（ツール断片７０６ａ〜７０６ｆとして個々に識別される）を円筒状の配置に支持するよう構成された回転可能なツール固定具７０２を含む。ツール断片７０６は、鉄、インバール、アルミニウム、もしくは複合材料を含む複数の適切な材料から製造されることができる。ツール断片７０６のそれぞれは、スティフナ７３０のうちの対応する１つを個別に受けるよう構成された複数のスティフナ溝７０８を含むことができる。一実施形態において、スティフナ７３０は帽子状断面形状のスティフナ（たとえば、少なくとも構造および機能の点で、図２Ａおよび図２Ｂを参照して上述されるスティフナ２３０と通常同様である、帽子状断面形状のスティフナ）であってよい。この実施形態において、スティフナ７３０のそれぞれは、スティフナのフランジ部（たとえば図２Ａのフランジ部２３１）がスティフナ溝７０８に隣接するツール断片７０６に形成された対応するくぼみに位置するように、対応するスティフナ溝７０８において反転している。

本実施形態の他の態様において、スティフナ７３０は、スティフナ溝７０８内に位置づけられた場合に、少なくとも通常、硬化されていない。硬化されていない状態において、スティフナ７３０は比較的もろい。結果として、適切な機械設備（図示されない）が、スティフナ溝７０８に据えつけられた後に、少なくとも一時的にツール断片７０６に対してスティフナ７３０を適切な位置に保持するのに必要とされる。他の実施形態において、スティフナ７３０は少なくとも部分的に硬化されることができ、その場合、より少ない、もしくは異なる機械設備が、スティフナ７３０を適切な位置に保持するために必要とされる。

一旦、ツール断片７０６にスティフナ７３０が完全に装填されると、図７Ｂに示されるように、ツール断片７０６はツール固定具７０２上に装填される。本実施形態の一態様において、ツール固定具７０２は、複数のローラー７０５によって、ツール支持構造７０４に回転可能に支持される。ローラー７０５はツール固定具７０２が長手軸７０７周りを回転することを可能にする。回転の間、スティフナ７３０がスティフナ溝７０８から落ちることを防止するべく、複合ファブリックの最も内側の層７２１は、ツール断片７０６の周囲に巻きつけられ、スティフナ７３０を適切な位置に保持することができる。他の実施形態において、最も内側の層７２１は除去されてよく、スティフナ７３０が、局部機械設備クリップもしくはその他の特徴を含む他の手段で適切な位置に保持されてよい。最も内側の層７２１が完全に据えつけられた後、ツール支持構造７０４はツールアセンブリを、フロアトラック７１２を介して積層ステーション６２０（図６）に運搬する。

しかし、図７Ａおよび図７Ｂを参照して上述されたツールアセンブリ７００は、本発明にしたがって、複合外板材料の適用に先立ち、スティフナを円筒状の配置に位置づけるために用いられることができる１つの種類のツールアセンブリである。他の実施形態において、他の種類のツールアセンブリが用いられることができる。たとえば、他の実施形態において、同様のツールアセンブリが、ツール固定具７０２を外部ローラー７０５の代わりに支持し、回転させるべく、中心スピンドルを用いることができる。さらなる実施形態において、個々のツール断片７０６は除去されてよく、代わりにツール固定具７０２が、スティフナ７３０を保持するよう構成された、完全な円筒状の表面を含んでよい。この特定のアプローチは、スティフナの装填時間が短いという利点を提供するであろう。しかし、複数のツール断片を用いる他のアプローチは、完成したバレルセクションを硬化の後にツールアセンブリから分離するのに必要な時間が短いという利点を有する。

図８は、本発明の一実施形態にしたがって構成された、積層ステーション６２０の拡大部分概略等角図である。本実施形態の一態様において、積層ステーション６２０は、トラックビーム８１６上に動作可能に支持された繊維配置機械８１４（概略的に示される）を含む。トラックビーム８１６は、ツールアセンブリ７００が積層ステーション６２０に停められた時、ツールアセンブリ７００に隣接して位置づけられた作業プラットフォーム８
２２の部分であってよい。明瞭さを期すために図８には詳細に示されていないが、繊維配置機械８１４は、複数の繊維トウ８１８を平行にするよう構成された１以上のペイオフヘッドを含むことができる。さらに、繊維配置機械８１４は、一般的に複数軸の、ガントリーに取りつけられた配置機械と共に用いられ、繊維トウ、および／もしくは、ファブリック、テープ、個別のフィラメントなどのその他の複合材料、およびその他の単方向もしくは多方向のあらかじめ含浸した、もしくはあらかじ含浸していない複合材料、およびそれらの組み合わせを分配し、固定し、カットし、再スタートする、支持ハードウェア（材料クリール、圧縮ローラーなど）、をさらに含むことができる。

操作中、繊維配置機械８１４はトラックビーム８１６に沿って前後に動き、平行にされた繊維トウ８１８を、最も内側の層７２１の上に、ツールアセンブリ７００が長手軸７０７周りを回転するにつれ、積層する。繊維配置機械８１４は、繊維トウ８１８の適用の間、最も内側の層７２１にしわが寄ることを防止するべく、最も内側の層７２１を適切な位置に保持する、１以上のローラーもしくはその他の適切な装置（図示されない）を含むことができる。繊維配置機械８１４は多様なパターンの複数の層に適用することができる。たとえば、一実施形態において、繊維配置機械８１４は、層を、―４５／０／＋４５°のバイアスに置き、所望の構造特性を提供することができる。他の実施形態において、他の層パターンおよび／もしくは他の方向づけが用いられ、他の構造特性を提供することができる。さらに、あらかじめ含浸したファブリックの層のハンドレイアップがまた、トウ層の上および間に適用され、切り欠きの周囲にさらなる強度およびその他の局部特性を提供する。上述の方法で、最も内側の層７２１と共に繊維トウ８１８は、複数のスティフナ７３０の周囲に延在する、連続的な円筒型外板８２０を形成する（図７Ａおよび図７Ｂ）。

上述の実施形態において、繊維配置機械８１４は繊維トウ（たとえば、熱硬化性のエポキシ樹脂をあらかじめ含浸したカーボン繊維トウ）を積層体８２０に適用する。このような繊維トウは、圧縮ローラーによって延ばされた後、約０．０６インチ〜約０．５０インチの幅（たとえば、約０．３８インチ）を有することができる。他の実施形態において、繊維配置機械は他の種類のトウ、たとえばグラスファイバートウ、グラファイトファイバートウ、および／もしくは、その他の種類のアラミドファイバーおよび樹脂を含むトウなどに適用されることができる。

他の実施形態において、繊維配置機械８１４は、ツールアセンブリ７００が回転するにつれ、ファイバーテープ、および／もしくは、スリットファイバーテープを、積層体８２０に適用することができる。ファイバーテープは、カーボンファイバーなどの、複数の単方向繊維を含むことができる。繊維は、他の材料と布テープに織り合わせられることができ、および／もしくは、繊維は、適用に先立ち除去される裏紙によって共に保持されることができる。

さらなる実施形態において、繊維配置機械８１４は、フィラメント巻きプロセスにおいて、個別のフィラメントを積層体８２０に適用することができる。さらに他の実施形態において、繊維配置機械８１４は、複合ファブリックシートなどの上述の複合材料の多様な組み合わせを、積層体８２０に適用することができる。積層体８２０に適用される材料の最終層は、構造負荷運搬能力と落雷からの保護の両方を提供する、織られたワイヤファブリックを含むことができる。上述の実施形態において、ツールアセンブリ７００は、繊維配置機械８１４が材料を適用するにつれ、長手軸７０７周りを回転する。しかし他の実施形態において、ツールアセンブリ７００は回転固定されることができ、繊維配置機械８１４がツールアセンブリ７００の外側を移動し、材料を適用することができる。材料の最終層が適用されると、ツール支持構造７０４はツールアセンブリ７００を積層ステーション６２０からバキュームステーション６３０（図６）に、トラック７１２を介して運搬する。

図９は、本発明の実施形態にしたがって構成された、バキュームステーション６３０の拡大部分概略等角図である。本実施形態の一態様において、バキュームステーション６３０は、トラック７１２の対向する側に動作可能に位置づけられた、対向する圧力パッド支持９２４（第１の圧力パッド支持９２４ａおよび第２の圧力パッド支持９２４ｂとして個々に識別される）を含む。圧力パッド支持９２４のそれぞれは、対応する圧力パッド９２６（第１の圧力パッド９２６ａおよび第２の圧力パッド９２６ｂとして個々に識別される）を運ぶ。操作中、圧力パッド支持９２４は、ツールアセンブリ７００に向かって内側に動き、対応する圧力パッド９２６を、シェル形状に、積層体８２０の周囲に位置づける。一実施形態において、圧力パッド９２６は、比較的平坦な外表面を形成する続く硬化の間に、積層体８２０に均一な圧力をかけるよう構成された、適合可能な圧力パッド、および／もしくは、当て板シートを含むことができる。一旦、圧力パッド９２６が積層体８２０に据えつけられると、圧力パッド支持９２４は退避され、バキュームバッグ（図示されない）が圧力パッド９２６および積層体８２０の周囲に据えつけられることができる。バキュームバッグが排気された後、ツールアセンブリ７００がツール支持構造７０４から持ち上げられ、オーバーヘッドガントリービーム９１２を介して、硬化ステーション６４０（図６）へ運ばれる。他の実施形態において、バキュームバッグは除去されてよく、積層体８２０が、先立って排気されることなく硬化されてよい。

図１０は、本発明の実施形態にしたがって構成された、硬化ステーション６４０の拡大部分概略等角図である。本実施形態の一態様において、ガントリービーム９１２はバキュームステーション６３０から、硬化ステーション６４０内に位置づけられるオートクレーブ１０５０内へ延在する。オートクレーブ１０５０は、各端（第１のドア１０５１ａおよび第２のドア１０５１ｂとして個々に識別される）にドア１０５１を含むことができる。第１のドア１０５１ａは、退避され、ツールアセンブリ７００が、ガントリービーム９１２上のオートクレーブ１０５０に入ることを可能とする。一旦、ツールアセンブリ７００がオートクレーブ１０５０内に完全に位置づけられると、ガントリービーム９１２のゲートセクション１０１３が邪魔にならないようその場を移動し、第１のドア１０５１ａが所定の位置に後退することを可能とする。そしてオートクレーブ１０５０内の温度は上昇し、積層体８２０およびスティフナ７３０（図示せず）を硬化する。一実施形態において、オートクレーブ１０５０は、標準の３５０°Ｆ硬化サイクルを用いて、積層体８２０およびスティフナ７３０を硬化することができる。他の実施形態において、材料塑性、厚さなどの多様な要因に依存して、他の硬化サイクルが用いられることができる。一旦、部分が冷めると、第２のドア１０５１ｂが、図１１に示されるように退避され、ツールアセンブリ７００がオートクレーブ１０５０から、ガントリービーム９１２を介して、検査ステーション６５０へ移動する。他の実施形態において、硬化ステーション６４０は、ツールアセンブリ７００をオートクレーブの中へ、および外へ移動させる、他のシステムを含むことができる。このようなシステムは、たとえば、オートクレーブカート、地上のレールなどを含むことができる。

図１１は、本発明の実施形態にしたがって構成された、検査ステーション６５０の拡大部分概略等角図である。ツールアセンブリ７００が検査ステーション６５０に到達すると、これはガントリービーム９１２からツール支持構造１１０４上に下げられる。次に、積層体８２０はバッグから出され、圧力パッド９２６（図９）は除去される。ツール支持構造１１０４は、少なくとも通常、構造および機能において、図７Ａ〜図７Ｂを参照して上述されたツール支持構造７０４と同様であってよい。したがって、ツール支持構造１１０４は、ツールアセンブリ７００を長手軸７０７周りを回転させるよう構成された複数のローラー１１０５を含むことができる。

本実施形態の一態様において、検査ステーション６５０は、ツール支持構造１１０４に
隣接して動作可能に支持された検査機器１１６０を含む。検査機器１１６０は、ツールアセンブリ７００が回転して積層体８２０の構造的完全性を検査するにつれ、積層体８２０の長さに沿って前後に動くように構成することができる。一実施形態において、検査機器１１６０は、積層体８２０における空隙や剥離を発見する超音波検査装置を含むことができる。他の実施形態において、当該技術分野において周知の、他の種類の適切な検査機器が、積層体８２０を検査するのに用いられてよい。このような機器は、たとえば、パルスエコー検査器具もしくはサーモグラフィ検査器具を含む。一旦、積層体８２０が完全に検査されると、ツールアセンブリ７００はガントリービーム９１２によって再び持ち上げられ、トリミングステーション６６０（図６）へ運ばれる。

図１２は、本発明の実施形態にしたがって構成されたトリミングステーション６６０の拡大部分概略等角図である。ツールアセンブリ７７０がトリミングステーション６６０に到達すると、これはガントリービーム９１２からツール支持構造１２０４上へ下げられる。ツール支持構造１２０４は少なくとも、構造および機能の点で、上述されたツール支持構造７０４および１１０４と、通常同様であってよい。したがって、ツール支持構造１２０４は、ツールアセンブリ７７０を、長手軸７０７周りを回転させるよう構成された複数のローラー１２０５を含むことができる。

本実施形態の一態様において、トリミングステーション６６０は、ＣＮＣ（コンピュータ数値制御）ルータ１２７０、およびツール支持構造１２０４に隣接して動作可能に支持されたＣＮＣドリル固定具１２７２を含む。規定の位置決め固定具を用いて、ＣＮＣルータ１２７０は、複数の窓切り欠き１２２８を積層８２０に形成するよう構成することができる。ツールアセンブリ７００は、長手軸７０７周りを回転し、窓切り欠き１２２８の正確な配置を容易にすることができる。同様に、ＣＮＣドリル固定具１２７２は、この時、複数の留め具穴および／もしくはアセンブリ穴を積層体８２０に開けるよう構成することができる。これらのトリミングおよび穴開け操作の後、バレル支持リング（図示せず）は積層体８２０の内側に位置づけられ、ツール断片７０６（図７Ａおよび図７Ｂ）が除去される間、シェル外形を保持する。ツール断片７０６はそこで、スティフナ装填ステーション６１０（図６）に戻され、次の製作サイクルの準備をすることができる。ツール断片７０６が除去された後、ツール支持構造１２０４はツールアセンブリ７００を、フロアトラック７１２を介して、トリミングステーション６６０から最終アセンブリステーション６７０（図６）まで運搬する。

図１３は、本発明の実施形態にしたがって構成された、アセンブリステーション６７０の拡大部分概略等角図である。本実施形態の一態様において、最終アセンブリステーション６７０は、内表面から積層体８２０の構造的な完全性を検査する、ロボット超音波検査機器などの検査機器（図示せず）を支持するよう構成された、内部作業プラットフォーム１３８０を含むことができる。この検査の後、複数のフレームセクション１３４０がスティフナ７３０および／もしくは積層体８２０に、ツールアセンブリ７００の内側から取りつけられることができる。

一実施形態において、フレームセクション１３４０は、少なくとも通常、構造および機能の点で、図２Ａ〜図２Ｂおよび図５Ａ〜図５Ｂを参照して上述された、フレーム２４０および／もしくはフレーム５４０と同様であってよい。他の実施形態において、フレームセクション１３４０は他の特性を有してよく、あるいは、これらは除去されてよい。フレームセクション１３４０は、トリミングステーション６６０（図１２）において先だって開けられた規定のアセンブリ穴を用いて配置されることができ、これらは半自動化された密閉および留めプロセスを用いて、取りつけられることができる。ツールアセンブリ７００は、長手軸７０７周りを回転して、フレームセクション１３４０の据えつけを容易にすることができる。さらに、あらかじめ組立てられたフロアモジュール（図示せず）が、こ
の時、フレームのスタブアウトに挿入され、配置され、取りつけられることができる。本実施形態のさらなる態様において、上述の製造操作は、胴体バレルセクション１１０の基礎的な構造組立てを、あらかじめ組立てられたペイロードおよびインテリア一式が据えつけられることができるところまで完成させる。その後、バレルセクション１１０は、図１に示される胴体１０２の最終組立てのため、隣接するバレルセクションに接合されてよい。

図１４Ａ〜図１４Ｃは、本発明の実施形態にしたがった、スティフナ１４３０を積層体１４２０に接合する方法の多様な段階を示す断面端面図である。まず図１４Ａを参照すると、硬化されていないスティフナ１４３０がツール１４０６に位置づけられることができる。スティフナ１４３０は、帽子状断面形状のスティフナであってよい（たとえば、少なくとも通常、構造および機能の点で、それぞれ図２Ａ〜図２Ｂおよび図７Ａ〜図７Ｂを参照して上述されたスティフナ２３０および７３０と同様である、帽子状断面形状のスティフナ）。さらに、ツール１４０６は、少なくとも通常、構造および機能の点で、図７Ａ〜７Ｂを参照して上述されたツール断片７０６と同様であってよい。スティフナ１４３０がツール１４０６内に位置づけられた後、ファブリック１４８２（もしくはテープなど）の部分を支持するチューブ状の空気袋１４８０が、ファブリック１４８２が、対向するフランジ部１４３１ａおよび１４３１ｂの間のスティフナ１４３０の内表面１４３２に接触するように、スティフナ１４３０の内部に位置づけられる。

次に図１４Ｂを参照すると、一旦、空気袋１４８０およびファブリック１４８２がスティフナ１４３０の内部に位置づけられると、複合材料が、ツーリング断片１４０６上に積層され、フランジ部１４３１およびファブリック１４８２に接触する外板１４２０を形成する。本実施形態の一態様において、外板１４２０は少なくとも通常、構造および機能において、それぞれ図２Ａ〜図２Ｂおよび図８を参照して上述した、外板２２０および積層体８２０と同様であってよい。

次に図１４Ｃを参照すると、圧縮力のあるパッドもしくは当て板シート１４９０が、外板１４２０上に位置づけられる。次に、バキュームバッグ１４９２が当て板シート１４９０およびツーリング断片１４０６の周りに位置づけられる。バキュームバッグ１４９２と空気袋１４８０との間の空間は、そこで排気され、複合部分（すなわち、スティフナ１４３０、外板１４２０およびファブリック１４８２）に対して均一な圧力がかけられる。複合部分はそこで、高温の真空下において共同で硬化される。硬化の後、スティフナ／積層体の組み合わせはバッグから出され、ツーリング断片１４０６から除去される。

図１４Ａ〜図１４Ｃを参照して上述された方法の一実施形態において、スティフナ１４３０は、材料の１以上の層を直接ツール１４０６にレイアップすることで、製造されることができる。他の実施形態において、スティフナは、ツール１４０６内への配置の前に、あらかじめ硬化されることができ、もしくは少なくとも部分的にあらかじめ硬化されることができる。あらかじめ硬化されたスティフナが用いられる時、これらは次に、続く硬化プロセスの間、接着剤を用いて、外板１４２０に接合されることができる。

上述の方法の１つの特徴は、ファブリック１４８２が、スティフナ１４３０の内表面を、対向するフランジ部１４３１の間の外板１４２０の隣接部分に接合する、内側のダブラーとして機能することである。この特徴の利点の１つは、ファブリック１４８２が、フランジ部１４３１にかかる剥離応力を減少させることである。結果として、使用中に直面するであろう、高い環状の荷重下において、スティフナ１４３０が外板１４２０から剥離する傾向が減少する。

ここに説明された多様な構成要素は、どちらも２００４年４月６日に出願され、その全
体が参照することによりここに援用される、同時係属の米国仮特許出願第［代理人事件整理番号第０３００４．８１３５ＵＳ００号］号の“航空機胴体およびその他の構造に用いる構造パネル”、および／もしくは、同時係属の米国特許出願第［代理人事件整理番号第０３００４．８１３７ＵＳ００号］号の“航空機胴体およびその他の構造に用いる構造パネル”の教示にしたがって、製造され、および／もしくは組立てられる。

さらに、同時係属の米国特許出願の、２００３年８月２２日に出願された第１０／６４６，５０９号“大きなバレルセクション構成要素を製作する、複数ヘッド自動複合積層機器”、２００３年１１月１８日に出願された第１０／７１７，０３０号“大きな未硬化複合積層体を運搬する方法”、２００３年８月２２日に出願された第１０／６４６，３９２号“内部胴体マンドレルへの自動化複合レイアップ”、２００３年７月２８日に出願された第１０／６３０，５９４号“複合胴体機器”、２００３年８月２２日に出願された第１０／６４６，３１６号“単方向複数ヘッド繊維配置”、２００２年１１月２２日に出願された第１０／３０１，９４９号“並行構成複合材料製作器”、２００４年３月１２日に出願された第１０／７９９，３０６号“材料配置機への自動返却および／もしくはその欠陥の修理を可能とするシステムおよび方法”、２００３年１２月２日に出願された第１０／７２６，０９９号“複合構造の欠陥の特徴を規定するシステムおよび方法”、２００３年７月２８日に出願された、第１０／６２８，６９１号“複合構造の製作中に異物および破片（ＦＯＤ）および欠陥を識別するシステムおよび方法”、および２００４年４月１２日に出願された［代理人事件整理番号第７７８４―０００６９６号］“複合材料の欠陥位置を示すのにライトを用いるシステムおよび方法”の主題の全体が、参照することによりその全体が本書に援用される。さらに、米国特許第６，１６８，３５８号の主題もまた、参照することによりその全体が本書に援用される。

上述より、本発明の具体的な実施形態が説明の目的でここに説明されたが、多様な修正が、本発明の精神および範囲から外れることなくなされるであろうことが理解されるであろう。たとえば、上述された多様なバレルセクションは航空機の構造の文脈で説明されたが、他の実施形態において、このようなセクションは、宇宙、水中、および陸上車の適用などの他の構造適用において用いられることができる。したがって、本発明は添付の請求の範囲によってのみ限定される。

本発明の実施形態にしたがって構成された複数のバレルセクションを含む胴体を有する航空機の、部分的に隠された等角図である。 本発明の実施形態にしたがって構成された胴体バレルセクションの部分の分解等角図である。 本発明の実施形態にしたがって構成された胴体バレルセクションの部分の組立て等角図である。 本発明の他の実施形態にしたがって構成された胴体バレルセクションの部分の上面図である。 本発明の他の実施形態にしたがって構成された胴体バレルセクションの部分の端面図である。 本発明のさらなる実施形態にしたがって構成された胴体バレルセクションの部分の上面図である。 本発明のさらなる実施形態にしたがって構成された胴体バレルセクションの部分の端面図である。 本発明のさらに他の実施形態にしたがって構成された胴体バレルセクションの部分の断面端面図である。 本発明のさらに他の実施形態にしたがって構成された胴体バレルセクションの部分の断面端面図である。 本発明の実施形態にしたがって構成されたバレルセクション製造システムの部分概略等角図である。 本発明の実施の形態にしたがったツールアセンブリ上にスティフナを装填する方法の第１の段階を示す、バレルセクションスティフナ装填ステーションの拡大部分概略等角図である。 本発明の実施の形態にしたがったツールアセンブリ上にスティフナを装填する方法の第２の段階を示す、バレルセクションスティフナ装填ステーションの拡大部分概略等角図である。 本発明の実施形態にしたがって構成されたバレルセクション積層ステーションの拡大部分概略等角図である。 本発明の一実施形態にしたがって構成されたバレルセクションバキュームバッグステーションの拡大部分概略等角図である。 本発明の一実施形態にしたがって構成されたバレルセクション硬化ステーションの拡大部分概略等角図である。 本発明の一実施形態にしたがって構成されたバレルセクション調査ステーションの拡大部分概略等角図である。 本発明の一実施形態にしたがって構成されたバレルセクショントリミングステーションの拡大部分概略等角図である。 本発明の一実施形態にしたがって構成されたバレルセクションアセンブリステーションの拡大部分概略等角図である。 本発明の実施形態にしたがってスティフナを積層体に接合する方法の段階を示す断面端面図である。 本発明の実施形態にしたがってスティフナを積層体に接合する方法の段階を示す断面端面図である。 本発明の実施形態にしたがってスティフナを積層体に接合する方法の段階を示す断面端面図である。

Claims (13)

1. 軸周りに３６０°延在する連続的な表面を形成する複数の繊維テープを有する外板と、
   前記外板の内表面に接合された第１のフランジ部と、前記外板の前記内表面から離れて内側に突出する第１の突起部を有する第１のスティフナと、
   前記第１のスティフナと離間した少なくとも第２のスティフナであって、前記外板の前記内表面に接合された第２のフランジ部と、前記外板の前記内表面から内側に離れて突出する第２の突起部とを有する第２のスティフナとを備える、航空機胴体のセクション。
2. 前記繊維テープのそれぞれが、樹脂をあらかじめ含浸した複数の単方向の繊維ストランドを含む、請求項１に記載のセクション。
3. 前記繊維テープのそれぞれが、ファブリックテープに織り交ぜられた複数の単方向の繊維ストランドを含む、請求項１に記載のセクション。
4. 前記繊維テープのそれぞれが、複数の単方向のカーボン繊維ストランドを含む、請求項１に記載のセクション。
5. 前記外板の前記内表面に取りつけられたフレームセクションをさらに備える、請求項１に記載のセクション。
6. 前記第１および第２のスティフナに取りつけられたフレームセクションをさらに備える、請求項１に記載のセクション。
7. 前記外板の前記内表面に少なくとも近接して取りつけられたフレームセクションをさらに備え、前記フレームセクションが少なくとも第１および第２の開口部を含み、前記第１のスティフナの前記第１の突起部が前記第１の開口部を通じて延在し、前記第２のスティフナの前記第２の突起部は前記第２の開口部を通じて延在する、請求項１に記載のセクション。
8. ベース部を有するフレームセクションをさらに備え、前記第１のスティフナの前記第１のフランジ部および前記第２のスティフナの前記第２のフランジ部の少なくとも一方が、前記第１のフランジ部および前記第２のフランジ部の他方へ向かって延在して、前記第１のスティフナの前記第１の突起部と前記第２のスティフナの前記第２の突起部との間に延在する少なくともほぼ連続的な支持表面を形成し、前記フレームセクションの前記ベース部が前記少なくともほぼ連続的な支持表面に結合する、請求項１に記載のセクション。
9. 複数のスティフナを軸周りに位置づける手段と、
   前記スティフナの少なくとも一部を複数の繊維トウで覆って、前記軸周りに３６０°延在する外板を形成する手段と、
   前記スティフナと前記繊維トウとを共に硬化する手段とを備える、胴体のセクションを製造するシステム。
10. 前記複数の繊維トウを平行にする手段をさらに備える、請求項９に記載のシステム。
11. 複数のスティフナを位置づける前記手段が、複数の帽子状断面形状のスティフナを位置づける手段を含む、請求項９に記載のシステム。
12. 前記複数のスティフナを、前記位置づける手段から前記覆う手段まで移動させる手段をさらに備える、請求項９に記載のシステム。
13. 前記複数のスティフナを前記位置づける手段から前記覆う手段まで運搬する第１の移動手段と、
    前記スティフナおよび前記繊維トウを前記覆う手段から前記共に硬化する手段まで運搬する第２の移動手段とをさらに備える、請求項９に記載のシステム。

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