JP2010522108A - 回転翼航空機用の複合材−鋼ハイブリッド・マスト - Google Patents

Abstract

回転翼航空機用の複合材−鋼ハイブリッド・マストは、その内部に空所を画定する内面を有する鋼部分と該鋼部分の前記内面により画定される前記空所内に配設され且つ前記鋼部分の前記内面に対して固定された空間的関係に保持される複合材部分を含む。
【選択図】 図２

Description

この発明は、回転翼航空機用のマストに関する。

伝統的な回転翼航空機のマストは、典型的には、４３４０鋼、９３１０低合金鋼、又は、ニトラロイ鋼のような窒化鋼より成る鋼鍛造から製造される。全ての連係するための造作は、マストの外表面上に機械で作成される。それらは、回転翼航空機のギヤボックス内の遊星歯車伝動装置及びローター・ハブのトラニオンと係合するスプライン、軸受レースウェイ、スピナー支持体等を含む。

例えば、図１に示されるように、回転翼航空機（図示しない）用の慣用的な鋼マスト１０１は、鋼鉄製の外壁１０３を有する細長い筒状構造より成る。マスト１０１は、典型的には、回転翼航空機（図示しない）のトランスミッション、ローター・ハブ、及びその他の構成部分とマスト１０１の接続を可能とする１以上の端部フィッティング１０５及び１０７を含む。

マストの主要部分は、外部に露出されており、ギャボックス外での保護は最小である。このマストの主要部分は、チリの吹きつけ、砂の拭きつけ、化学腐食、及び取り扱いによる損傷のような各種の破損要因を受け易い一方で、過酷に荷重を受ける。これらの破損要因の全てが、マスト表面上に危険なひび割れの結果を招く。伝統的なマストは、冗長性又は「フェルセーフ」構造の備えのない、役割が最重要な部品であって、このマストの機能喪失は、生命及び財産の損失を結果する可能性が非常に高い。

回転翼航空機のマストの技術分野においては、大きな進歩がなされてはいるものの、重大な欠陥が未だ残っている。

回転翼航空機用の複合材−鋼ハイブリッド・マストは、その内部に空所を画定する内面を有する筒状の鋼部分と、前記鋼部分の内面によって画定された前記空所内に配設され且つ前記鋼部分の前記内面に付着された複合材部分を含む。

回転翼航空機用の複合材−鋼ハイブリッド・マストを製造する方法は、その内部に空所を画定する内面を備えた筒状の鋼部分を設ける過程と、拡張可能なマンドレルの上に繊維強化ポリマー複合材料よりなる複合材部分を調製する過程と、前記複合材部分を伴う前記拡張可能なマンドレルを、前記鋼部分の前記内面によって画定された前記空所内に配置する過程を含む。この方法は、さらに、前記拡張可能なマンドレルを拡張する過程と、前記複合材部分を硬化する過程と、前記拡張可能なマンドレルを収縮する過程と、前記拡張可能なマンドレルを前記複合材部分から除去する過程を含む。

回転翼航空機用の慣用的な鋼のマストの縦断面図である。 複合材−鋼ハイブリッド・マストの例示的実施例の縦断面図である。 図２又は図８の複合材−鋼ハイブリッド・マストを製造する方法の特定の１つの例示的実施例を示す。 図２又は図８の複合材−鋼ハイブリッド・マストを製造する方法の特定の１つの例示的実施例を示す。 図２又は図８の複合材−鋼ハイブリッド・マストを製造する方法の特定の１つの例示的実施例を示す。 図２又は図８の複合材−鋼ハイブリッド・マストを製造する方法の特定の１つの例示的実施例を示す。 図２又は図８の複合材−鋼ハイブリッド・マストを製造する方法の特定の１つの例示的実施例を示す。 図２の実施例の代替例である、複合材−鋼ハイブリッド・マストの例示的実施例の縦断面図である

この発明の特徴と確信する新規な構造が、添付請求項内に記載されている。しかしながら、この発明自身は、使用の好実施例と同様に、また、さらにその目的及び利点と同様に、添付図面に関連して読まれる以下の詳細な説明を参照することによって最良に理解可能であり、その添付図面において、参照符号中の最左端の数字は、各参照符号が現れる最初の図を示している。

この発明は、様々な修正及び変更形態に順応可能であるが、その特定的な実施例が、図では例示の手段として示され、明細書では詳細に記述される。しかしながら、この明細書での特定的な実施例の記述は、この発明を、開示された特定の形態に限定することを企図したものではなく、逆に、添付請求項に記載された発明の精神及び範囲に該当する全ての修正例、均等例、及び変更例を包含することがその意図である。

この発明の例示的実施例が以下に記述される。明白とするため、この明細書には、現実施の全ての構成を記述していない。このような現実施のいずれの展開においても、一つの実施から他の実施へと変化するシステム関連の制約及び業務関連の制約に順応するような開発者の特定目標を達成するために、多数の実施における特定的な決定が必要であることが、当然に、理解されるであろう。さらに、そのような開発努力は複雑で且つ時間を浪費するものではあるが、この明細書の開示に関心のある当業者が携わる日常業務であることも理解されよう。

回転翼航空機用の複合材−鋼ハイブリッド・マストは、その内部に空所を画定する内面を有する筒状の鋼部分と、前記鋼部分の内面によって画定された前記空所内に配設され且つ前記鋼部分の前記内面に付着された複合材部分を含む。

回転翼航空機用の複合材−鋼ハイブリッド・マストを製造する方法は、その内部に空所を画定する内面を備えた筒状の鋼部分を設ける過程と、拡張可能なマンドレルの上に繊維強化ポリマー複合材料よりなる複合材部分を調製する過程と、前記複合材部分を伴う前記拡張可能なマンドレルを、前記鋼部分の前記内面によって画定された前記空所内に配置する過程を含む。この方法は、さらに、前記拡張可能なマンドレルを拡張する過程と、前記複合材部分を硬化する過程と、前記拡張可能なマンドレルを収縮する過程と、前記拡張可能なマンドレルを前記複合材部分から除去する過程を含む。

ここで、図２を参照するに、回転翼航空機用の複合材−鋼ハイブリッド・マストの好実施例２０１が図解されている。マスト２０１は、外側の鋼部分２０３を有する細長い同軸筒状構造である。マスト２０１の鋼部分２０３は、回転翼航空機（図示しない）のトランスミッション、ローター・ハブ、及びその他の構成部分へのマスト２０１の接続を可能とする１以上の端部フィッティング２０５と２０７を含む。

好実施例では、マスト２０１の鋼部分２０３は、マスト１０１（図１に示す）のような伝統的な鋼マストと同様の外部的特徴、外部的形状、並びに外部的寸法を維持する。しかし、マスト２０１は、カーボン強化エポキシ材料、ファイバーグラス強化エポキシ材料、又は同等物のような繊維強化ポリマー複合材料製の内側の複合材部分２０９を含む。複合材部分２０９は、鋼部分２０３によって画定された空所２１１内に配設され、外壁２０３の内面２１３に付着される。好ましくは、複合材部分２０９は、鋼部分２０３の内面２１３に接着される。内面２１３は、以下により詳細に説明するように、鋼部分２０３と複合材部分２０９の間の接着と荷重移動を改良する図３の溝３０１のような溝又はスロットのような造作及び／又は表面処理を含むことが可能である。

なお、図２を参照するに、複合材部分２０９は、鋼部分２０３の選択された部分の厚さを、マスト１０１のような伝統的な全鋼製マストよりも削減してマスト２０１の全重量を削減することを可能とする。特に、複合材部分２０９は、マスト１０１のような伝統的な全鋼製マストの対応する部分に比較して、複合材部分２０９に隣接する領域において、鋼部分２０３の壁２１５の厚さを削減することを可能とする。マスト２０１は、トルク・モーメント、スラスト・モーメント、せん断モーメント及び曲げモーメントに耐える。

内側の複合材部分２０９は、例えば、テープの配列、繊維の配列、繊維の巻き付け、ブレーディング及びレジンインジェクション成形（ＲＴＭ）、ハンド・レイアウト、等を含む任意の方法で製造された繊維強化複合材料により形成可能である。

図３−５は、マスト２０１のような複合材−鋼ハイブリッド・マストを製造する方法の特定の一好実施例を図示する。図３を特定的に参照するに、拡張していない拡張可能なマンドレル３０３の周囲に乾燥強化繊維をブレーディングすることによって内側の複合材部分２０９のファイバ・プリフォーム３０２が形成される。一実施例では、拡張可能なマンドレル３０３は、「風船」のように構成されたエラストマ材料より成り、該エラストマ材料は内部空所を画定し、該内部空所内に流体が圧縮下で導入されて拡張可能なマンドレル３０３を膨張させることができる。しかし、好ましくは、拡張可能なマンドレル３０３は、セグメントに分割された、金属製の、拡張可能なマンドレルである。必要とはされないが、マンドレル３０３は、制御された外部寸法を有することが好ましい。ファイバ・プリフォーム３０２を樹脂内に浸漬させることによって、エポキシ樹脂のような樹脂が、ファイバ・プリフォーム３０２内に分散される。

ここで、図４を参照するに、その上に配設されたファイバ・プリフォーム３０２を備えた拡張可能なマンドレル３０３が、次に、マスト２０１の鋼部分２０３内に挿入される。図５に示されるように、拡張可能なマンドレル３０３は、次に、鋼部分２０３の内面２１３に向かって拡張させられる。一実施例では、拡張可能なマンドレル３０３は、拡張可能なマンドレル３０３によって画定された内部空所内に、空気、窒素、又は同等物のような気体を、ポート３０５を介して導入することによって拡張させられる。別の実施例では、拡張可能なマンドレル３０３は、拡張可能なマンドレル３０３のセグメントを鋼部分２０３の内面２１３に向かって機械的に駆動することによって拡張させられる。鋼部分２０３、ファイバ・プリフォーム３０２、及びマンドレル３０３は、当業界において知られているように、図５の仮想線で表されたレジンインジェクション成形ツール５０１内に設置される。エポキシ樹脂のような樹脂が、ファイバ・プリフォーム３０２内に導入され、一方、ファイバ・プリフォームは、ファイバ・プリフォーム３０２内へ樹脂を効率的に移動し且つファイバ・プリフォーム３０２内の気体を除去する真空下にある。樹脂及びファイバ・プリフォーム３０２が、内側の複合材部分２０９を構成する。鋼部分２０３と複合材部分２０９は、次に、加熱されて複合材部分２０９の樹脂を硬化させ、一方、複合材部分２０９は、鋼部分２０１の内面２１３に接触して剛性の複合材部分２０９及び鋼部分２０１の内面２１３への接着複合材部分２０９を形成する。好ましくは、硬化工程は、真空下において行なわれる。

この発明は、レジンインジェクション成形以外の方法によって複合材部分２０９の形成を企図していることに留意されるべきである。例えば、拡張可能なマンドレル３０３上に、複合「樹脂浸透加工」材料として知られる樹脂によって浸漬された強化繊維を付着又は「塗設」することができる。

作業を促進し且つ硬化工程を完了するため、オートクレーブ、オーブン、空気圧縮機、真空ポンプ、１以上の材料取り扱いツール、又は同等物のような特殊な器具の使用が可能であることを理解されよう。また、鋼部分２０３の内面２１３と複合材部分２０９の間の境界面における鋼部分２０３と複合材部分２０９の間の熱膨張係数の相違に起因し且つ硬化工程によって生起される熱残留応力は、常に、圧縮状態にあり、これが、鋼部分２０３からの複合材部分２０９の偶発的な離脱を抑制し且つ防止する。複合材部分２０９は高温で硬化し、そして鋼部分２０３は複合材部分２０９よりも大きな熱膨張係数を有するので、硬化温度よりも低い作業温度のとき、鋼部分２０３は、複合材部分２０９周りで圧縮状態にある。幾つかの実施例では、残留圧縮応力は、鋼部分２０３の内面２１３と複合材部分２０９の間に固定された空間的関係を維持するのに十分である。しかしながら、他の実施例においては、この明細書でより詳細に論述するように、例えば、内面２１３に複合材部分２０９の樹脂を接着することにより又は追加的な接着材料を接着することにより、鋼部分２０３の内面２１３に複合材部分２０９を接着する。

しかしながら、特定の一実施例では、マスト２０１の複合材部分２０９と鋼部分２０３の２つの構成部分の相乗作用の促進を目的として、複合材部分２０９と鋼部分２０３の境界面２１３の少なくとも一部に、少なくとも１つの層の接着剤フィルムが付加される。内側の複合材部分２０９とマンドレル３０３が、鋼部分２０３内に挿入される前に、鋼部分２０３の内面２１３は、化学的処理工程、機械的処理工程、熱処理工程、及び／又はこれらの組合せのような適合する処理工程によって選択的に処理され、内側の複合材部分２０９と外側の鋼部分２０３の間の接着及び荷重移動を改善する。化学的処理工程の１つの例は、フッ化リン酸塩のような化学剤による鋼部分２０３の表面２１３の調製と、定着剤の塗布と、表面２１３上への接着剤フィルムの「タッキフィケーション」である。この明細書の開示の目的に関連して、この用語「タッキフィケーション」とは、鋼部分２０３の内面２１３上に接着剤フィルムを軽く貼り付けることを意味する。機械的処理工程の１つの例は、図３に示されるような、鋼部分２０３の内面２１３内での溝３０１、３０７、及び／又は３０９のような、溝又は浅いスロットの機械による形成である。溝３０１、３０７及び３０９は、鋼部分２０３の内面２１３によって形成可能なそのような溝の単なる例であり且つ他の溝の形状及び幾何学的構造が存在することに留意されるべきである。さらに、鋼部分２０３の溝３０１、３０７及び／又は３０９のような溝又はスロットは必須ではないということにも留意されるべきである。

マスト２０１が硬化した後、マンドレル３０３は、図６に示されるように収縮又は縮小され、そして、図７に示されるように除去される。一実施例では、マンドレル３０３は、例えば、空気又は窒素のような気体である流体をマンドレル３０３内から抜き出すことによって収縮又は縮小される。マスト２０１及び／又はマンドレル３０３の表面は、所望のように洗浄される。

図２の実施例を参照するに、複合材部分２０９の端部面２１７及び２１９は、先細りテーパ面に形成される。代替的には、図８に示されるように、端部面２１７及び２１９は、各々、半径Ｒ１又はＲ２を示すフィレット面に形成される。フィレット面に形成された又は先細りテーパ面に形成された面２１７及び２１９が、拡張されたマンドレル３０３と「型造（ｍｏｌｄｅｄ ｉｎ）」とによって作成されない場合には、所望ならば、フィレット面に形成された又は先細りテーパ面に形成された面２１７及び２１９は、複合材部分２０９の端部に、機械で作成される。概ね、フィレット面に形成された又は先細りテーパ面に形成された面２１７及び２１９は、鋼部分２０３から複合材部分２０９へのトルク移動及び複合材部分２０９から鋼部分２０３へのトルク移動によって生起される境界面でのせん断応力を最小に抑え、滑らかなトルク移動を提供する。移動域外での境界面のせん断応力は、鋼部分２０３又は複合材部分２０９の壁厚が変化する領域を除き、材料の強さの線形理論に従い、０である。フィレット面に形成された又は先細りテーパ面に形成された面２１７及び２１９の最適寸法は、実施例ごとに特定されるものであり、好ましくは、応力分析を介して仕立てられる。しかしながら、複合材部分２０９の面２１７及び２１９のような、フィレット面に形成された又は先細りテーパ面に形成された面は、全ての実施例で必要なのではない、ということに留意されるべきである。

鋼部分２０３と複合材部分２０９の厚さ及び径は、選択された力学的要求に適合するねじれ強さおよび曲げ強さを有するように仕立てることが可能である。特定の一実施例においては、ハイブリッド・マスト２０１が全体として静的及び疲労に関する構造設計基準に適合するように、複合材部分２０９と鋼部分２０３の両者は、持上げ荷重、スラスト荷重、ねじれ荷重、及び曲げ荷重の少なくとも１つを担持する。複合材部分２０９と鋼部分２０３の間の荷重分布は、各壁厚と径によって決定される。例えば、複合材部分２０９だけで、通常作動条件下での最大到達可能荷重である設計限界荷重を担持することが可能であるように、マスト２０１を設計することができる。したがって、鋼部分２０３の突然のひび割れの拡大又は伝播が直接的に複合材部分２０９へと伝播することがないため壊滅的な機能喪失を防止する。これが、鋼−複合材ハイブリッド・マストの「フェルセーフ」特性である。このことが、マスト２０１を、伝統的な鋼マストよりも信頼性と耐久性に優れたものとする。鋼部分２０３は厳しい環境及びほとんどの損傷源にさらされるので、望ましくないひび割れ又はその他の損傷は、鋼部分２０３で始まる可能性が高い。

複合材−鋼ハイブリッド・マストは、有人及び無人の両方のヘリコプター及びティルトローター航空機を含むいずれの種類の回転翼航空機に関しても、二重荷重経路を提供する。複合材−鋼ハイブリッド・マストは、最小の重量で最大の構造的完全性をなすのためのハイブリッド設計の最適化を可能とする。

複合材−鋼ハイブリッド・マストは、（１）二重荷重経路、すなわち、複合材と鋼が、伝統的なローター・マストの単一荷重経路設計とは対照的に、より一層信頼性があり且つより一層耐久性のあるローター・マストを作成し、並びに（２）複合材料の比較的軽い重量の故に、航空機の型式および適用の種類に依拠してローター・マストの重量を削減することが可能であることを含む重要な利点を有する。

この発明は、この明細書の教示に関心のある当業者には明白な、異なるしかし均等な様式で修正し且つ実施することが可能であるので、上記に開示の特定実施例は、単なる例示である。さらに、添付請求項に記載の事項を除き、この明細書に示した詳細な構造又は設計へのいかなる限定も企図していない。したがって、上記に開示の特定実施例は改変又は修正が可能であり且つそのような変更の全てはこの発明の範囲及び精神の範囲内であると認められることは明らかである。したがって、この明細書において請求する保護は、添付請求項に記載されている。重要な利点を備えた発明が記述され且つ図解されていることは明白である。この発明は、限定された数の形態で示されているが、それらの形態だけに限定されず、この発明の精神から逸脱しない各種の変更及び修正に順応可能である。

１０１ マスト
１０３ 外壁
１０５ 端部フィッティング
１０７ 端部フィッティング
２０１ マスト
２０３ 鋼部分
２０５ 端部フィッティング
２０７ 端部フィッティング
２０９ 複合材部分
２１１ 空所
２１３ 内面
２１５ 壁
２１７ 端部面
２１９ 端部面
３０１ 溝
３０２ ファイバ・プリフォーム
３０３ マンドレル
３０５ ポート
３０７ 溝
３０９ 溝

Claims (18)

1. 回転翼航空機用の複合材−鋼ハイブリッド・マストであって、
   その内部に空所を画定する内面を有する筒状の鋼部分と、
   前記鋼部分の内面によって画定される空所内に配設され且つ前記鋼部分の内面に対して固定された空間的関係に保持される複合材部分より成ることを特徴とする複合材−鋼ハイブリッド・マスト。
2. 前記複合材部分が、繊維強化ポリマー複合材料と前記複合材部分を前記鋼部分の内面に接着する前記複合材料のポリマーとを含むことを特徴とする請求項１に記載の複合材−鋼ハイブリッド・マスト。
3. 接着剤が前記複合材部分を前記鋼部分の内面に接着するように前記複合材部分と前記鋼部分の内面の間に配設された該接着剤をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の複合材−鋼ハイブリッド・マスト。
4. 前記鋼部分の内面が少なくとも１つの溝を形成してなることを特徴とする請求項１に記載の複合材−鋼ハイブリッド・マスト。
5. 前記複合材部分の端部がフィレット面に形成されるか又は先細りテーパ面に形成されてなることを特徴とする請求項１に記載の複合材−鋼ハイブリッド・マスト。
6. 前記鋼部分及び前記複合材部分が、使用中、持上げ荷重、スラスト荷重、ねじれ荷重及び曲げ荷重の少なくとも１つを担持するに適することを特徴とする請求項１に記載の複合材−鋼ハイブリッド・マスト。
7. 前記複合材部分が、設計上の限界荷重を担持するに適していることを特徴とする請求項１に記載の複合材−鋼ハイブリッド・マスト。
8. 前記マストは、ヘリコプター及びティルトローター航空機の１つへの組み入れに適することを特徴とする請求項１に記載の複合材−鋼ハイブリッド・マスト。
9. 回転翼航空機用の複合材−鋼ハイブリッド・マストの製造方法であって、
   その内部に空所を画定する内面を有する筒状の鋼部分を設ける過程と、
   拡張可能なマンドレルの上に繊維強化ポリマー複合材料より成る複合材部分を調製する過程と、
   その上の前記複合材部分とともに前記拡張可能なマンドレルを、前記鋼部分の前記内面によって画定される前記空所内に配置する過程と、
   前記拡張可能なマンドレルを拡張する過程と、
   前記複合材部分を硬化する過程と、
   前記拡張可能なマンドレルを収縮する過程と、
   前記複合材部分から前記拡張可能なマンドレルを除去する過程とより成ることを特徴とする方法。
10. 前記拡張可能なマンドレルが、風船構造を形成するエラストマ材料より成ることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記拡張可能なマンドレルの拡張が、圧縮下、流体を前記マンドレル内に導入することによって達成されることを特徴とする請求項９に記載の方法。
12. 前記流体は気体であることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記気体は、空気及び窒素の少なくとも１つであることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. 前記マンドレルの収縮は、前記マンドレルよりの前記流体の抜き出しによって達成されることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
15. 前記複合材部分の端部に先細りテーパ面及びフィレット面の少なくとも１つを機械で形成する過程をさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
16. 前記筒状の鋼部分の前記内面を化学剤で処理して接着性を高める過程と、
    前記筒状の鋼部分の前記内面に定着剤を塗布する過程と、
    前記鋼部分の前記内面によって画定される前記空所内に前記拡張可能なマンドレルと前記複合材部分を配置する前に、少なくとも１つの層の接着剤フィルムを前記筒状の鋼部分の前記内面に貼付する過程とをさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
17. 前記拡張可能なマンドレルが、セグメントに分割された金属製マンドレルより成ることを特徴とする請求項９に記載の方法。
18. 前記拡張可能なマンドレルの拡張は、前記セグメントに分割された金属製マンドレルのセグメントを、前記筒状の鋼部分の前記内面へと機械的に駆動することによって達成されることを特徴とする請求項１７に記載の方法。

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