JP3550104B2

JP3550104B2 - 翼の補強体

Info

Publication number: JP3550104B2
Application number: JP2001100647A
Authority: JP
Inventors: 智宏北川; 舜一板東
Original assignee: Kawasaki Jukogyo KK
Current assignee: Kawasaki Motors Ltd
Priority date: 2001-03-30
Filing date: 2001-03-30
Publication date: 2004-08-04
Anticipated expiration: 2021-03-30
Also published as: JP2002293295A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、航空機の翼の補強体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
航空機の主翼の先端部の主翼外翼は、飛行中は揚力を得て、機体を空中に支える働きをしている。航空機の後方に配置される尾翼は、水平尾翼と垂直尾翼とから構成され、水平尾翼は、機体に働く空気力を機体の重心まわりに釣り合わせて、上下方向の安定を保つ働きをしている。垂直尾翼は、機体の方向安定を保ち、機体の横滑りを制御する働きをしている。したがって、主翼外翼および尾翼は、航空機が安全に飛行するために欠くことのできない翼である。
【０００３】
従来の大型機の尾翼には、翼の長手方向に延びる桁、桁に垂直に配置されるリブ、外板、および外板に翼の内側から固定される多数のストリンガから構成されるマルチストリンガ構造が多く用いられている。マルチストリンガ構造において、外板およびストリンガには、桁と同様に、曲げモーメントおよびせん断力が作用し。外板と桁には、ねじりモーメントが作用する。
【０００４】
図１１は、対象物に炸裂弾２が衝突したときの状態を示す断面図である。図１１（１）に示されるように、対象物の外板１に炸裂弾２が着弾すると、炸裂弾２の炸薬３が爆発し、図１１（２）に示されるように、爆発によって生じる爆風とともに炸裂弾から小片４が放出され、対象物の内空間に飛散する。
【０００５】
図１２は、翼５に炸裂弾２が衝突したときの状態を示す断面図である。図１２（１）に示されるように、翼５の外板６に炸裂弾２が着弾すると、炸裂弾２の炸薬が爆発し、図１２（２）に示されるように、爆発によって生じる爆風とともに炸裂弾２から小片４が放出され、翼５の内空間に飛散する。爆風は、翼４の内空間に充満し、図１２（３）に示されるように外板６および薄肉部材を飛散させる。小片４は、ストリンガ、桁およびリブなどの構造部材に貫通孔を形成するなど、これらの部材を損傷する。このように炸裂弾２によって、翼５は致命的な損傷を受ける。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、ストリンガ、桁およびリブなどの翼の主要な構造部材に貫通孔が形成されると、翼全体の強度が低下する。マルチストリンガ構造の翼において、外板、ストリンガおよび桁は、翼に作用する主な荷重を分担しているので、これらの構造部材が損傷することは、航空機の安全な飛行を保証できなくなる。
【０００７】
航空機の翼に炸裂弾が着弾して爆発すると、図１２（３）に示されるように、爆風によって外板６などの構造部材が変形し、さらに小片４によって構造部材に貫通孔が形成される。特に大型航空機の主翼外翼および尾翼のような薄い外板を持つ翼の場合、爆風によって外板が飛散してしまう。外板が飛散した場合には、残っているストリンガなどの構造部材で翼に作用する荷重を分担しなければならない。また、このように翼の強度および剛性が低下すると、フラッタを引き起こす可能性があり、飛行の続行が極めて困難になる。
【０００８】
したがって、爆風によって外板が飛散しても、翼全体としての強度の低下を最小限に留めるような翼の補強材が要求されている。そのために、さらなる補強材を付加したり、翼に防弾アーマを装着したり、複合材料からなる構造部材をチタン合金などの金属材料にしたりすることで、炸裂弾による損傷に対処することができるが、翼の重量が大幅に増加してしまい、大型機の尾翼および主翼外翼として適切ではない。
【０００９】
本発明の目的は、軽量、かつ炸裂弾による爆風の影響が少なく、また炸裂弾の小片による損傷を軽減できる翼の補強体を提供することである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、航空機の翼の外板に、翼の内方側から固定される補強体であって、
発泡合成樹脂材料から成るコアが、繊維材料に合成樹脂を含浸した複合材料から成る外層によって、周方向全周にわたって被覆されて構成され、外板に固定される補強体本体と、
補強体本体を外方から覆い、密度と弾性率との積の値が前記複合材料よりも大きい材料から成る保護層とを含むことを特徴とする翼の補強体である。
【００１１】
本発明に従えば、補強体本体は、発泡合成樹脂材料から成るコアが、繊維材料に合成樹脂を含浸した複合材料から成る外層によって、周方向全周にわたって被覆される。このように、外層は筒状を成し、軸直角断面において閉じており、補強体本体が厚肉閉断面構造に形成されるので、断面における最小外接円半径が同一となる従来のＪ字形などの開いた断面構造の補強体と比べて、ねじりに対する強度を高くすることができる。したがって、たとえば何らかの要因によって外板が損傷して、補強体に風圧による荷重が作用しても、補強体の変形を防ぐことができる。さらに発泡合成樹脂材料および複合材料は、型による成形が容易であるので、複雑な形状の翼の補強体を容易に成形することができる。
また、補強体には、補強体本体を外方から覆い、密度と弾性率との積の値がコアを被覆する複合材料よりも大きい材料から成る保護層が設けられるので、何らかの要因によって、小片が補強体に衝突しても、少なくとも補強体本体の損傷を防ぐことができる。これによって補強体の損傷による翼全体の強度の低下を防ぐことができる。
【００１４】
また本発明は、前記保護層は、板材から成り、補強体本体に接着されることを特徴とする。
【００１５】
本発明に従えば、板材から成る保護層は、補強体本体に接着されるので、リベットなどの保護層を貫通するファスナによって接合する場合に比べて、均一な保護強度を得ることができる。また保護層の補強体本体への取付が容易である。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の一形態の翼の補強体を用いた航空機１１を示す斜視図である。本実施の形態の翼の補強体は、尾翼１５および主翼外翼１３に用いられる。主翼外翼１３は、飛行中は揚力を得て、機体を空中に支える働きをする航空機１１の主翼１４の先端部である。航空機１１の後方に配置される尾翼１５は、水平尾翼１２と垂直尾翼１６とを含んで構成され、水平尾翼１２は、機体に働く空気力を機体の重心まわりに釣り合わせて、ピッチ方向の安定を保つ働きをする。垂直尾翼１６は、機体のヨー方向の安定を保ち、機体の横滑りを制御する働きをする。
【００１７】
図２は、航空機１１の水平尾翼１２を示す斜視図である。水平尾翼１２は、機体に固定される水平安定板２１と、変位自在な動翼２２とを含んで構成される。水平安定板２１は、前縁部２３、後縁部２４、および前縁部２３と後縁部２４との間に配置される翼桁間構造部２５を含んで構成される。動翼２２は、後縁部２４に角変位自在に直結されている。
【００１８】
図３は、水平尾翼１２の水平安定板２１の内部構造体２１ａを示す斜視図である。内部構造体２１ａは、水平尾翼（以後「翼」ということがある）１２の長手方向に延びて配置される前桁２６、翼１２の長手方向に延び、前桁２６の翼弦方向後縁側に配置される後桁２７、翼弦方向に延び、翼１２の長手方向に所定の間隔をあけて並び、前桁２６と後桁２７とに連結される複数のリブ２８、翼の長手方向に延び、前桁２６の翼弦方向前縁側に配置される前縁補強部材２９ａ、翼の長手方向に延び、後桁２７の翼弦方向後縁側に配置される後縁補強部材２９ｂ、前縁補強部材２９ａと前桁２６とを連結する複数の第１連結部材３０ａ、および後縁補強部材２９ｂと後桁２７とを連結する複数の第２連結部材３０ｂを含んで構成される。前桁２６、後桁２７、リブ２８、前縁補強部材２９ａ、後縁補強部材２９ｂ、第１連結部材３０ａおよび第２連結部材３０ｂを総称して、内部構造部材と呼ぶ。これらの内部構造部材を外部から覆うように外皮体３１を連結して、翼１２が構成される。
【００１９】
図４は、図２のセクションＩＶを拡大して、前桁２６と後桁２７との間の水平尾翼１２の構造を示す斜視図である。外皮体３１は、外板３２、および前桁２６と後桁２７との間の外板３２に、翼１２の長手方向に延び、翼１２の翼弦方向に並んで、翼１２の内側から固定される補強体である複数のストリンガ３３を含んで構成される。翼桁間構造部２５は、前桁２６、後桁２７および複数のリブ２８を含み、さらに前桁２６と後桁２７との間の外板３２およびストリンガ３３を含んで構成される。
【００２０】
図５は、本発明の実施の一形態のストリンガ３３を示す断面図である。ストリンガ３３は、ストリンガ本体３３ａと、ストリンガ本体３３ａの外側から、フィルム状の接着剤４４を介して接着される保護板４３とから構成される。
【００２１】
ストリンガ本体３３ａは、軸直角断面における外形が一様に台形状で、発泡合成樹脂材料、たとえばポリエーテルイミド（Ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｉｍｉｄｅ）またはポリエタクルイミド（Ｐｏｌｙｍｅｔｈａｃｒｙｌｉｍｉｄｅ）から成るコア４１と、コア４１を周方向全周にわたって被覆する炭素繊維強化樹脂材料（略称：ＣＦＲＰ）からなる外層４２とを含んで構成される。ＣＦＲＰは、繊維材料、たとえば炭素繊維に、合成樹脂、たとえばエポキシ樹脂を含浸した複合材料である。
【００２２】
ストリンガ本体３３ａは、軸直角断面における外形が一様に略台形状で、軸直角断面で見たときに、台形の平行な２つの辺のうち長い方の辺を成す側面３１ｂが、外板３２に、翼の内方側からコキュア（ｃｏｃｕｒｅ）接着によって、接着される。
【００２３】
コキュア接着は、成形した外板３２およびストリンガ３３を硬化せずに、外板３２にストリンガ３３を密着させて、外板３２とストリンガ３３とを個々に硬化させると同時にストリンガ３３に含浸される合成樹脂を接着剤として接着する接着方法である。コキュア接着は、予め別々に硬化した外板とストリンガとを、接着剤を用いて接着して、さらに外板とストリンガとを硬化する接着方法である２次接着のように、硬化工程を２回以上行う必要がなく、１回の硬化工程で外板３２とストリンガ３３とを接着することができる。
【００２４】
図６（１）は、ストリンガ本体３３ａを示す断面図であり、図６（２）は、ストリンガ本体３３ａを示す斜視図である。外層４２は、コア４１を周方向全周にわたってほぼ均一に被覆する略台形筒状の第１外層４２ａと、第１外層４２ａの軸直角断面で見たときに、台形の平行な２つの辺のうち短い方の辺を成す側面を除く３つの側面をほぼ均一に被覆する、軸直角断面が略Ｕ字状である第２外層４２ｂと、第１外層４２ａの、軸直角断面で見たときに、台形の平行な２つの辺のうち短い方の辺を成す側面、および第２外層４２ｂの軸直角断面で見たときに、台形の平行な２つの辺を除く２つの斜辺を成す側面をほぼ均一に被覆する、軸直角断面が略Ｕ字状である第３外層４２ｃとを有する積層構造となっている。
【００２５】
また第２外層４２ｂの、軸直角断面で見たときに、台形の平行な２つの辺のうち長い方の辺を成す外側面と平行となるような張出部５１が、第３外層４２ｃの周方向端部に互いに離反する方向に延びて設けられる。このような張出部５１を設けることによって、ストリンガ３３と外板３２との接着面積が大きくなり、ストリンガ３３と外板３２との接着力を強めることができる。また発泡合成樹脂材料およびＣＦＲＰは、型による成形が容易であり、冶具を必要としないので、複雑な形状のストリンガ本体３３ａを容易に、かつ安価に製造することができる。
【００２６】
第１外層４２ａおよび第２外層４２ｂとして、主に０°一方向材、たとえば弾性率が２４０〜３００ＧＰａ程度の炭素繊維にエポキシ樹脂を含浸させた複合材料を複数枚用いて、第１外層４２ａの繊維が延びる方向である繊維方向をストリンガ本体３３ａの軸線方向と平行にする。第２外層４２ｂの一部および最外層である第３外層４２ｃとして、±４５°織物材、たとえば弾性率が２４０〜３００ＧＰａ程度の炭素繊維にエポキシ樹脂を含浸させた複合材料を用いて、前記第２外層４２ｂの一部および第３外層４２ｃの繊維方向をストリンガ本体３３ａの軸線方向と４５度の角度を成すようにする。外層４２をこのような積層構造にすることによって、ねじりおよび座屈に対する強度を高めることができ、なんらかの要因によって外板３２が損傷した時に、ストリンガ３３に風圧による荷重が作用しても、ストリンガ本体３３ａの変形を防ぐことができる。
【００２７】
図７は、ストリンガ本体３３ａおよび保護板４３を示す断面図である。保護層である保護板４３は、第１保護板４３ａ、第２保護板４３ｂおよび第３保護板４３ｃから成る。第１〜第３保護板４３ａ〜４３ｃは、ストリンガ本体３３ａの軸直角断面で見たときに、台形の平行な２つの辺のうち長い方の辺を成す側面を除く側面に、フィルム状の接着剤４４を介してそれぞれ接着される。
【００２８】
保護板４３は、密度ρと弾性率Ｅとの積であるインピーダンスρＥが、コア４１を被覆する複合材料よりも大きい材料を用いる。本実施の形態において、保護板４３は、チタン合金から成る厚さ０．５ｍｍの板材を用いる。これによって、何らかの要因によって、小片がストリンガ３３に衝突しても、少なくともストリンガ本体３３ａの損傷を防ぐことができ、ストリンガ３３の損傷による翼全体の強度の低下を防ぐことができる。また保護板４３を３分割することによって、保護板４３の加工を容易にすることができるだけでなく、保護板４３に小片が衝突した場合に、保護板４３の損傷は、実際に小片が衝突した分割された保護板のうちの１枚に留めることができる。
【００２９】
また保護板４３は、ストリンガ本体３３ａに接着されるので、リベットなどの保護板を貫通するファスナによって接合する場合に比べて、均一な保護強度を得ることができる。また保護板４３のストリンガ本体３３ａへの取付けが容易である。
【００３０】
保護板４３は、チタン合金から成る板材としたが、コア４１を被覆する複合材料よりもインピーダンスの大きい材料、たとえばステンレス鋼または小片の貫通を阻止する貫通抵抗が大きいアラミド繊維複合材料などを用いてもよい。コア４１を被覆する複合材料であるＣＦＲＰ、チタン合金およびステンレス鋼の密度ρ、弾性率ＥおよびインピーダンスρＥの値を表１に示す。
【００３１】
【表１】

【００３２】
保護板４３の材料のインピーダンスρＥは、３０００［Ｐａ・Ｎ／ｍｍ３］以上であることが望ましい。また保護板４３は、第１〜第３保護板４３ａ〜４３ｃに３分割される構成としたが、分割しない一体型としてもよい。
【００３３】
ストリンガ３３の製造工程を簡略化するために、外板３２とストリンガ３３との接着、ストリンガ３３と保護板４３との接着、およびコア４１と外層４２との接着を同時に行う。
【００３４】
このように、ストリンガ３３の軸直角断面における外形が一様に略台形状で、軸直角断面で見たときに、台形の平行な２つの辺のうち長い方の辺を成す側面３１ｂが、外板３２に、翼の内方側から接着されるので、たとえば何らかの要因によって外板３２が損傷したときに、翼内に流れ込んだ風がストリンガ３３の外周を滑らかに流れるので、風圧によってストリンガ３３に作用する荷重を軽減することができる。
【００３５】
ストリンガ本体３３ａを、発泡合成樹脂材料から成るコア４１、およびＣＦＲＰから成る外層４２とすることによって、金属材料から成る同一の断面形状のストリンガ本体に比べて、所定のねじりおよび座屈に対する強度を出すのに必要な質量を小さくすることができる。これによって、前桁２６と後桁２７との間の外板３２に固定するストリンガ３３の本数を変更することなく、ストリンガ３３の断面積を小さくすることができたり、ストリンガ３３の断面積を変更することなく、ストリンガ３３の本数を減らして、ストリンガ３３の配置間隔を広げることができる。
【００３６】
本実施の形態において、ストリンガ３３は、軸直角断面が略台形状としたが、何らかの要因によって外板３２が損傷したときに、翼内に流れ込んだ風がストリンガ３３の外周を滑らかに流れるような三角形などの多角形および半円などの断面形状としてもよい。この場合、保護板はストリンガ本体に応じた形状とし、ストリンガ本体に応じて分割または成形するものとする。
【００３７】
図８（１）は、水平尾翼１２に着弾した炸裂弾の爆発によって外板３２が飛散した状態の外皮体３１を示す断面図であり、図８（２）は、図８（１）のセクションＩＩを拡大した断面図である。上述のようにストリンガ３３は、炸裂弾の爆発によって生じる爆風の風圧による変形を防ぐことができる。また外板３２が飛散しても、ストリンガ３３は変形しないので、水平尾翼１２全体のねじりおよび座屈に対する強度低下を防ぐことができる。さらにストリンガ３３を中空構造にしないで、コア４１を充填させるような構造にすることで、炸裂弾から放出された小片がストリンガ３３を貫通したときに、小片とともにストリンガ３３内部に爆風が侵入して充満することを防ぐことができる。またストリンガ３３は外板３２にコーキュア接着によって固定されるので、外板３２が飛散しても、ストリンガ３３が外板３２とともに飛散することがない。
【００３８】
図９（１）は、炸裂弾から放出された小片８１が貫通したストリンガ３３を示す断面図である。万一、炸裂弾から放出された小片８１、ストリンガ３３の第１保護板４３ａを貫通して、ストリンガ本体３３ａを貫通する場合には、第１保護板４３ａの一部が、ストリンガ本体３３ａから離反するが、第２保護板４３ｂおよび第３保護板４３ｃは、損傷しないとともにストリンガ本体３３ａから離反しない。
【００３９】
図９（２）は、炸裂弾から放出された小片８１が貫通したストリンガ３３Ａを示す断面図である。図９（２）に示されるストリンガ３３Ａは、本実施の形態のストリンガ３３と同一のストリンガ本体３３ａに、一体型の保護板４３Ａがフィルム状の接着剤４４を介して接着される構造になっている。万一、炸裂弾から放出された小片８１、ストリンガ３３Ａの、ストリンガ本体３３ａの軸直角断面で見たときに、台形の平行な２つの辺を除く２つの斜辺の一方の斜面を成す側面に接着される保護板４３Ａの第１保護部８２ａを貫通して、ストリンガ本体３３ａを貫通する場合には、第１保護部４３ａの一部が、ストリンガ本体３３ａから離反し、第１部８２ａに連なる保護板４３Ａの第２保護部８２ｂは第１保護部８２ａとともにストリンガ本体３３ａから離反してしまうが、保護板４３Ａが一体型であるので、図９（１）に示される第１保護板４３ａに比べて、ストリンガ本体３３ａからストリンガの軸線方向にはあまり離反しない。
【００４０】
図１０（１）は、本実施の形態の外皮体３１を示す断面図であり、図１０（２）は、従来の外皮体３１Ａを示す断面図である。従来の外皮体３１Ａは、外板３２Ａと、軸直角断面が略Ｊ字形状で金属材料から成るストリンガ９１を含んで構成される。所定の翼のねじりおよび座屈に対する強度を出すために必要なストリンガの間隔は、図１０（２）に示される外皮体３１Ａでは、Ｌであるが、図１０（１）に示される外皮体３１ではストリンガの間隔は、Ｌ＋αである。αは０以上の値である。このように、本実施の形態のストリンガ本体３３ａの外層４２は筒状を成し、軸直角断面において閉じており、ストリンガ本体３３ａが厚肉閉断面構造に形成されるので、断面における最小外接円半径が同一となる従来のＪ字形などの開いた断面構造のストリンガ９１と比べて、ねじりに対する強度を高くすることができるので、外皮体３１に設けられるストリンガ３３の間隔を広げる、換言すればストリンガ３３の本数を減らすことができるので、炸裂弾から放出される小片がストリンガ３３に衝突する確率を低くすることができる。
【００４１】
【発明の効果】
請求項１記載の本発明によれば、補強体本体は、発泡合成樹脂材料から成るコアが、繊維材料に合成樹脂を含浸した複合材料から成る外層によって、周方向全周にわたって被覆される。このように、外層は筒状を成し、軸直角断面において閉じており、補強体本体が厚肉閉断面構造に形成されるので、断面における最小外接円半径が同一となる従来のＪ字形などの開いた断面構造の補強体と比べて、ねじりに対する強度を高くすることができる。したがって、たとえば何らかの要因によって外板が損傷して、補強体に風圧による荷重が作用しても、補強体の変形を防ぐことができる。さらに発泡合成樹脂材料および複合材料は、型による成形が容易であるので、複雑な形状の翼の補強体を容易に成形することができる。
また、補強体には、補強体本体を外方から覆い、密度と弾性率との積の値がコアを被覆する複合材料よりも大きい材料から成る保護層が設けられるので、何らかの要因によって、小片が補強体に衝突しても、少なくとも補強体本体の損傷を防ぐことができる。これによって補強体の損傷による翼全体の強度の低下を防ぐことができる。
【００４３】
請求項２記載の本発明によれば、板材から成る保護層は、補強体本体に接着されるので、リベットなどの保護層を貫通するファスナによって接合する場合に比べて、均一な保護強度を得ることができる。また保護層の補強体本体への取付が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の一形態の翼の補強体を用いた航空機１１を示す斜視図である。
【図２】航空機１１の水平尾翼１２を示す斜視図である。
【図３】水平尾翼１２の水平安定板２１の内部構造体２１ａを示す斜視図である。
【図４】図２のセクションＩＶを拡大して、前桁２６と後桁２７との間の水平尾翼１２の構造を示す斜視図である。
【図５】本発明の実施の一形態のストリンガ３３を示す断面図である。
【図６】図６（１）は、ストリンガ本体３３ａを示す断面図であり、図６（２）は、ストリンガ本体３３ａを示す斜視図である。
【図７】ストリンガ本体３３ａおよび保護板４３を示す断面図である。
【図８】図８（１）は、水平尾翼１２に着弾した炸裂弾の爆発によって外板３２が飛散した状態の外皮体３１を示す断面図であり、図８（２）は、図８（１）のセクションＩＩを拡大した断面図である。
【図９】図９（１）は、炸裂弾から放出された小片８１が貫通したストリンガ３３を示す断面図であり、図９（２）は、炸裂弾から放出された小片８１が貫通したストリンガ３３Ａを示す断面図である。
【図１０】図１０（１）は、本実施の形態の外皮体３１を示す断面図であり、図１０（２）は、従来の外皮体３１Ａを示す断面図である。
【図１１】対象物に炸裂弾２が衝突したときの状態を示す断面図である。
【図１２】翼５に炸裂弾２が衝突したときの状態を示す断面図である。
【符号の説明】
３２外板
３３ストリンガ
３３ａストリンガ本体
４１コア
４２外層
４３保護板
４４接着剤

Claims

航空機の翼の外板に、翼の内方側から固定される補強体であって、
発泡合成樹脂材料から成るコアが、繊維材料に合成樹脂を含浸した複合材料から成る外層によって、周方向全周にわたって被覆されて構成され、外板に固定される補強体本体と、
補強体本体を外方から覆い、密度と弾性率との積の値が前記複合材料よりも大きい材料から成る保護層とを含むことを特徴とする翼の補強体。
前記保護層は、板材から成り、補強体本体に接着されることを特徴とする請求項１記載の翼の補強体。