JP5188953B2 - 一体化された航空機構造用床材 - Google Patents

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Description

発明の分野
本発明は、軽量の航空機床材のための新規の構造体および装置に関する。
発明の背景
当初は、自然から得られる比較的軽量の材料、たとえば木材が、航空機を製造するのに使用される最も一般的な材料であった。しかしながら、新たな合金の開発とともに、航空機製造産業は、木工品産業から金属成形産業へとシフトした。
比較的最近になって、「複合物」または「複合材料」として知られている新世代の材料が開発された。いくつかの複合材料は、金属と比較して優れた強度−重量比を示すことが多く、こういった複合材料は、ほぼ世界的にさまざまな航空機産業において受け入れられている。
一般的に、複合材料の主要な種類として2つの種類、すなわちハニカム構造体および積層体がある。ハニカム構造体は、極めて軽量の材料であり、所与の航空機の翼およびそれ以外の要所に配置されると、(その重量の割には)他に類を見ない構造用支えをもたらす。積層材料は、概して典型的にハニカム構造体よりも丈夫であり、通常はハニカム構造体ほど軽量ではないものの、同等の有効な金属よりは軽量であることが多い。
航空機産業の競争が激化するにつれて、本質的な構造上の保全性を損なわずに航空機を軽量化するための材料の新たな応用が求められている。したがって、複合材料の新たな用途が望まれるであろう。
発明の概要
1局面において、航空機用の軽量複合材料からなる一体化された床材は、最上層被覆部と、最下層被覆部と、最上層被覆部と最下層被覆部との間に配置された第1の構造用コアとを含み、第1の構造用コアはハニカム複合材料からなる。
別の局面において、航空機用の一体化された床材は、最上層被覆部と、最上層被覆部に固定された高密度ハニカムコアと、高密度ハニカムコアに固定された低密度ハニカムコアとを含む。
さらに別の局面において、航空機用の一体化された床材は、最上層被覆部と、最上層被覆部に固定され構造用支えを与えるための第1の構造手段と、最上層被覆部に固定され座席を一体化された床に取付けるための取付手段とを含む。
このように、本発明のいくつかの実施例について、本明細書における実施例の詳細な説明がより良く理解されるよう、かつ当該技術への貢献がより良く理解されるよう、やや大まかに概要を述べてきた。当然ながら、以下で説明または言及され添付の請求項の主題をなすさらに他の実施例がある。
この点に関し、本発明の少なくとも1つの実施例についての詳細な説明の前に、本発明は、その出願において、以下の説明で述べられるまたは図面で例示される構成の詳細事項
にも構成要素の配置にも限定されないことが理解されるべきである。本発明には、記載した実施例以外の実施例が可能であり、本発明は、さまざまなやり方で実施および実行可能である。また、本明細書で使用される表現および用語ならびに要約は、説明を目的としたものであって限定とみなされるべきではないことが理解されるべきである。
したがって、当業者は、ここでの開示の基になる概念は、本発明のいくつかの目的を果たすための、他の構造、方法およびシステムの設計の基礎として容易に利用し得ること理解するであろう。よって、重要なのは、請求項が、本発明の精神および範囲から逸脱しない限り、このような等価の構成を含むとみなされることである。
詳細な説明
開示されている複合床材は、堅牢であるが極めて軽量の構造部品を現代の航空機に提供するために生み出された、さまざまな発明の新機軸を象徴している。
図1は、具体例としての複合床材の一部100の平面図である。図1に示されるように、複合床材の一部100は、複合床材の一部100の長さに沿って延びる多数の座席レール110と、複合床材の一部100の幅に沿って延びる多数の床ビーム経路120とを含む。さらに図1に示されるように、座席レール110およびビーム経路120は、全体的に互いに垂直をなして延び、多数の交差ノード150は、ある座席レール110が、あるビーム経路120と交差するすべての場所にある。
図2は、第1の具体例としての複合床材の一部200の断面図を示す。図2に示されるように、第1の具体例としての複合床材の一部200は、最上層被覆部210(被覆部は一種の覆い、すなわち被覆部)と、最上層被覆部210の直接下に配置された高密度コア230と、高密度コア230に隔壁240を介して取付けられた低密度コア260と、最下層被覆部280とを含む。
第1の具体例としての複合床材の一部200は、座席レール110を中心としているので、図2は、管状の取付管250と、任意の最上部ストラップ220と、任意の最下部ストラップ270とを含む取付構造202を示す。この取付構造202は、複数の孔290を設けることができる構造の基礎を与える。このような孔の大きさおよび位置は、航空機の座席またはそれ以外の外部構造が複合床材の一部200に固定されるように定められている。
具体例としての最上層被覆部210および最下層被覆部280は、チタン箔の層および炭素繊維強化プラスチック(CFRP(Carbon-Fiber Reinforced Plastic)、当該技術においては単に「グラファイト」と呼ばれることが多い材料)の層を交互にしたものからなる複合積層シートである。しかしながら、他の実施例では、最上層被覆部210および最下層被覆部280を、任意の数の材料から構成することができる。この材料は、任意の数の周知または最近開発された多層積層体、チタン箔、それ以外の金属からなる箔、ガラス繊維、ノーメックス(登録商標)、ケブラー(登録商標)、CFRPシート、熱可塑性CFRPシート、または、好都合もしくは望ましいと思われるそれ以外の材料を含む。
低密度コア260は、ハニカム構造材料であり、一般的には密度が1平方インチ当り約2ポンドから1平方インチ当り約6ポンドである。同様に、高密度コア230もハニカム構造材料であり、一般的には密度が1平方インチ当り約8ポンドから1平方インチ当り約20ポンドである。上記密度の数値は、最も製品化されている航空機床板設計に非常に適しているが、この特定の密度は、用途によって異なり得ることがわかるはずである。また、密度は、新たなハニカム材料が開発されれば異なるかもしれないこともわかるはずであ
る。したがって、「低密度コア」および「高密度コア」は、予め定められた密度の範囲内にあると単純に定義されているものの、相対的なものとして捉えることができる。
ハニカム複合材料は当該技術では周知なので、有効な材料および開示されてわかっている一体化された床材に使用できる材料の組合せの総合リストを作成することは、実際的でない。しかしながら、ここで対象となっている材料は、チタンおよびアルミニウムといったある種の金属複合物、セラミック複合物、ノーメックス複合物、ケブラー複合物などを確かに含んでおり、全体の密度は、使用される材料、使用される材料の厚み、使用される樹脂の種類および量、セルサイズなどの要因である。使用される樹脂は、ハニカム複合物にとって有効な、周知または最近開発された樹脂とすることができる。
取付管250は、チタンからなる矩形で中空の管である。しかしながら、取付管250の組成および形状は、好都合な、そうでなければ使用可能な用途によって異なり得ることが理解されるはずである。たとえば、さまざまな実施例において、厚みがより大きなアルミ管が好ましいかもしれず、または、炭素繊維基が望ましい場合があるかもしれない。
具体例としてのストラップ220および270は、BMS8−276複合物(東レ株式会社製造の、硬化温度350度の炭素繊維エポキシプレプレグ複合物)からなる。しかしなら、使用されている特定の材料は、チタンまたはそれ以外の金属、CFRP、チタン−CFRP積層体、好都合な、そうでなければ望ましい他のさまざまな積層体など、任意の数の材料を含むように変形され得る。
具体例としての隔壁240は、2つの接着材料の間に挟まれたCFRP層などの構造用層である。しかしながら、さまざまな実施例において、隔壁240の中心材料は、チタンまたはそれ以外の金属、CFRP、チタン−CFRP積層体、好都合な、そうでなければ望ましい他のさまざまな積層体など、任意の数の材料を含むように変形され得る。
図3は、図2の部分200に類似する複合床板端部分300である。図3に示されるように、複合床板端部分300は、最上層被覆部210と、最上層被覆部210の直接下に配置された高密度コア230と、高密度コア230に隔壁240を介して取付けられた低密度コア260と、最下層被覆部280とを有する。しかしながら、この具体例としての複合床板端部分300は、床の端部分に位置するとともに、端座席レール110を中心としており、取付構造302に関してはかなり相違点がある。たとえば、図3に示されるように、取付管250の左側に、低密度中空コア材料または下側のストラップ部分はない。その代わり、遮蔽L型断面鋼材装置310を、取付管250の左に設けることで、取付管250と上ストラップ220との間を構造的に強化している。上ストラップ220および下ストラップ270と同様、遮蔽L型断面鋼材装置310は、上記東レのBMS8−276複合物ならびに特定の用途および状況に適した任意の数の他の材料で作ることができる。
図4は、図2〜3の第1の床材と同様であるが、座席およびそれ以外の対象物を取付けるための取付装置が異なる、第2の具体例としての複合床材の一部400を示す。図4に示されるように、取付構造402は、全体的に台形状の構造を有し、上取付ストリップ410と、取付ストリップ410の下方に配置された高密度コア440と、高密度コア440の下方に配置された下ストラップ460とを有する。
取付ストリップ410は、チタン(またはそれ以外の金属)からなり、座席およびそれ以外の対象物を固定するために内部に作られたはめ込み構造420を有するとともに、取付ストリップ410全体の重量を減じるために作られた側部の2つの刻み目430も有する。側部の刻み目430は任意の数の軽量の材料で充填しても、中空のままでもよい。
この例の高密度コア440は、チタンハニカムコアであるが、他のハニカムコア230および260と同様、好都合であれば、組成、密度および構造を変形し得る。
この例の下ストラップ460は、チタン−CFRP積層材料であるが、他の実施例では、東レのBMS8−276複合物、金属またはCFRPのブロックなど、さまざまな積層材料を含むように変形し得る。
図5は、複合床材200と関連する、具体例としての複合床材ビーム500の断面図を示す。図5に示されるように、複合床材ビーム500は、中央コア510、上キャップ530、下キャップ532、その上に積層された左右ウェブ514、下強化キャップ534、およびビーム500の最上部に位置し構造上の支えを与える左右重ね板520を有する。
本実施例について、コア510は、主としてケブラーまたはチタンからなる高密度ハニカム材料であり、キャップ530、532およびウェブ514はチタンであり、重ね板520はBMS8−276からなる。しかしながら、各要素510〜532の正確な組成は、必要に応じ、そうでなければ望ましいのであれば、用途に応じて変化し得る。下強化キャップ534はCFRPから作ることができ、これにより、チタンまたは別の金属から作られる場合よりも、はるかに厚みが大きく、構造的により硬く/より優れた支えとなる装置にすることができる。しかしながら、他の実施例では、下強化キャップ534を、CFRP、チタン−CFRP積層体、ボロン−エポキシ積層体またはそれ以外の適切な材料から作ることができる。
図6は、金属床材ビーム502のある実施例の上下断面実施例を示す。金属床材ビーム502の構造は、図5に示されたものと似ているが、コア510について特有の細部を示す。示されたコア510は、厚みTにわたって正弦波パターンをなして波を描く1枚のチタンシートからなる。図6は正弦波を示しているが、使用される特定の波形は、ジグザグパターン、方形波パターン、隣接するまたは不連続の円形または楕円形などを含むように、用途によって変形し得るものであり、特定の形状各々に異なる利点がある。加えて、それ以外の金属を代わりに用い、異なる強度および密度を有するビームを作成してもよい。図6には具体的に示されていないが、コア510は上キャップ530(図示せず)および下キャップ532双方と接触している。これらの接触場所は、コア510を上キャップ530および下キャップ532に溶接するための適切な溶接位置を与える。このような溶接は、接触部分の長さ全体にわたって延びていても、より局所的、たとえばコア510に沿って間隔が置かれたポイントにあってもよい。
図7は、複合床材200の、交差ノードすなわち座席レール110が床材ビームと交差する部分に関連する、具体例としての複合床材ビーム500の断面図を示す。図7に示されるように、床材200およびビーム500は、図5に示されたものと似ているが、いくつかの相違点が明らかである。たとえば、床材200は、図2に示されたものと似ているものの、図2を見る角度に対し90度の角度で見たものであり、取付管250の内部を示している。特に、取付管250は、ビーム500の直上において厚みの大きな部分を有する。加えて、ビーム500にはいくつかの強化改良点がある。注目すべき第1の改良点は、重ね板520が下向きに延在している点であり、第2の改良点は、上キャップ530およびウェブ514の真下に設けられたラジアルフィラー710が追加されている点であり、第3の改良点は、締付け具装置712の存在であり、これは、この例では、ボルト/座金/ナットの組合せであるが、リベット、ねじまたはそれ以外の当該技術で周知の有効な締付け具装置でもよい。
航空機の床材は、座席またはそれ以外の対象物を固定するための何らかの手段を備えていなければならないという要件があり得るが、それに加えて、航空機の床自身が航空機のフレームまたはその他の対象物に固定される必要がある。例として、図8は、調理室の取付具800を複合床材100と組み合わせて示すために与えられ、調理室の取付具800は、応力破壊またはそれ以外の故障の可能性を減じるために、負荷を十分に大きな面積に分散させるように形成されている。図8に示されるように、調理室の取付具800は、上調理室台830と、ボルト820、ナット822、座金824およびスペーサ832の組合せを介して互いに固定されかつ複合床材200に固定された下肋間部810とを含む。本実施例の肋間部810は、任意としてBMS8−276から作られ、床材200と接触する表面積は、不必要な損傷を避けるようなやり方で、床材が受けやすい負荷を分散させるのに十分広い。加えて、第2の肋間部(またはそれ以外の応力分散装置)を、床材200の最上部および調理室台830の下に加えてもよい。
床材を強化する必要はあるかもしれないものの、床材を必ずしも別の対象物に固定する必要がない場合、図9の肋間部910のような、任意の数の他の肋間装置を設けることができる。図9に示されるように、肋間部910は必ずしも床材100の厚みを通して延びる調理室台を必要とせず、床材200に接着剤で固定および/または1つ以上の締め具712を介して何らかの場所に(ここでは座席レール110の近くに)固定すればよい。肋間部910は、重量の増加を最小限にして、床材200の負荷容量を大幅に増すことができる。
本発明の数多くの特徴および利点は、詳述した明細書から明らかであり、したがって、添付の請求項は、本発明の真の精神および範囲に含まれる本発明のこのような特徴および利点すべてを含むことが意図されている。さらに、当業者には数多くの変形および変更が容易に思い浮かぶであろうため、本発明を、例示し説明したまさにその構成および動作に限定することは望ましくなく、したがって、適切な変形および等価物はすべて本発明の範囲に含まれるであろう。
複合床材の平面図である。 第1の具体例としての複合床材と取付構造の断面図を示す。 第1の具体例としての複合床材と端取付構造の断面図を示す。 第2の具体例としての複合床材と第2の種類の取付構造の断面図を示す。 第1の具体例としての複合床材ビームの断面図を示す。 ある特定の複合床材ビームの実施例の上下断面図を示す。 ビーム/部材交差部における、具体例としての複合床材ビームの断面図を示す。 具体例としての複合床材および第1の固定装置の図である。 具体例としての複合床材および第2の固定装置の図である。

Claims (11)

  1. 航空機用の軽量複合材料からなる一体化された床材であって、
    最上層被覆部と、
    前記最上層被覆部の下方に配置された最下層被覆部と、
    前記最上層被覆部と前記最下層被覆部との間に配置された第1の構造用コアと、
    前記最上層被覆部と第1の構造用コアとの間に配置された第2の構造用コアとを含み、
    前記一体化された床材の長さに沿って延びる1つ以上の取付構造体をさらに含み、
    各取付構造体は、外部構造体を前記一体化された床材に固定するのに役立つように、一体化された固定構造体及びはめ込み構造が中に形成された金属片を含み
    各取付構造体は中空の管を含み、
    前記第1及び第2の構造用コアはハニカム複合材料からなり、前記第2の構造用コアは前記第1の構造用コアより密度が高い、
    航空機用の軽量複合材料からなる一体化された床材。
  2. 各取付構造体は、少なくとも1つの座席を前記一体化された床材に固定するのに役立つように構成される、請求項1に記載の一体化された床材。
  3. 前記一体化された床材の長さに沿って延びる1つ以上の第1のストラップをさらに含み、各第1のストラップは各中空の管の上方にある、請求項1又は2に記載の一体化された床材。
  4. 前記一体化された床材の長さに沿って延びる1つ以上の第2のストラップをさらに含み、各第2のストラップは各中空の管の下方にある、請求項1ないし3のいずれかに記載の一体化された床材。
  5. 前記第1の構造用コアと第2の構造用コアとの間に、さらに隔壁を含む、請求項1ないし4のいずれかに記載の一体化された床材。
  6. 各取付構造体は、自身の金属片の下方に配置された第2の構造用コアを含み、各第2の構造用コアは、ハニカム複合材料からなり、前記第1の構造用コアより密度が高い、請求項に記載の一体化された床材。
  7. 前記最上層被覆部は、チタン箔シート、チタン−CFRP積層体、ガラス繊維積層体、炭素繊維強化プラスチックシートおよび熱可塑性シートのうち少なくとも1つからなる、請求項1ないしのいずれかに記載の一体化された床材。
  8. 前記最下層被覆部の下方に配置され、前記一体化された床材の幅に沿って延びる1つ以上の床ビームをさらに含む、請求項1ないしのいずれかに記載の一体化された床材。
  9. 各複合床ビームは、実質的に平坦な薄い部分を含み、この部分の面は前記最下層被覆部の面に対して実質的に直角をなす、請求項に記載の一体化された床材。
  10. 各複合床ビームは、ハニカムコアと、前記ハニカムコアを覆うウェブとを含む、請求項に記載の一体化された床材。
  11. 床ビームと取付構造体との交差ノードに位置する強化手段をさらに含む、請求項10に記載の一体化された床材。
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