JP5478289B2 - 開口部の閉塞部材、航空機 - Google Patents

Description

本発明は、航空機の機体に設けられる開口部の閉塞部材、およびこれを備えた航空機に関する。

航空機の主翼は、桁材の上下に翼表面を形成する翼面パネルを取り付けることで、中空構造とされている。このような主翼の内部空間が燃料タンクとされているのが一般的である。
そして、燃料タンクの内部の点検・保守作業等を行うため、主翼の表面に、開口部が形成されている。通常時においては、この開口部はアクセスドアにより閉塞され、点検・保守作業等を行うときには、アクセスドアを開放する。（例えば、特許文献１参照。）。

このアクセスドアは、開口部に対して主翼の内部空間側に配置されるドア本体と、主翼の外部側に配置されるクランプリングとから構成される。
ドア本体、クランプリングは、それぞれ開口部よりも大きな外形寸法を有している。ドア本体の外周部と、クランプリングの外周部とで、開口部の周縁部を挟み込んだ状態で、ドア本体とクランプリングとがファスナ部材等により締結されることで、開口部がドア本体により閉塞される。

"Airframe Structural Design" Michael C. Y. Niu, Conmilit Press Ltd.社, 香港, 1988年, p.265, Fig. 8.3.16

ところで近年、航空機の主翼に炭素繊維を用いた複合材料を用いることが検討されている。主翼が通常の金属材料により形成されている場合、アクセスドアに雷が落ちても、雷による電流はアクセスドアから主翼の翼面パネルへと流れて分散する。しかし、主翼が複合材料により形成されている場合、アクセスドアに雷が直撃した場合、電流が分散しにくく、アクセスドアの外周部でアーク放電が生じる可能性があるため、確実な耐雷対策を施す必要がある。

また、ドア本体とクランプリングとは、その外周部を多数本のファスナ部材で締結する。このためドア本体側には、ファスナ部材の受け部を形成する必要がある。ドア本体の外周部に多数のファスナ部材の受け部を設けると、ドア本体が非常に複雑な形状となる。このような複雑な形状を有したドア本体を、複合材料で形成するのは非常に困難であり、高コスト化につながるという問題もある。

また、炭素繊維を用いた複合材料は、わずかではあるが電流を流す。アクセスドアを形成する材質に関わらず、アクセスドアが電気的に孤立してしまうことを防ぐため、アクセスドアと翼面パネルの間で電気的ボンディングを確保する必要がある。
航空機の機体を炭素繊維複合材料で形成する場合、接触面で電気的ボンディングを確保しようとすると、ドア本体やクランプリングを形成する材料は、炭素繊維複合材料と同種金属と見做せる金属である、チタニウム合金、ＣＲＥＳ等に限定されてしまう。しかし、チタニウム合金、ＣＲＥＳ（ステンレス合金）ともに、難加工材であり、さらに、チタニウム合金は高価であり、ＣＲＥＳは比重が大きく重量増に繋がるという問題がある。

なお、このような問題は、航空機の機体に設けられた他の開口部についても共通する。

本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、耐雷性能に優れ、低コストで製作することのできる開口部の閉塞部材を提供することを目的とする。

かかる目的のもとになされた本発明は、航空機の機体の外表面を構成するパネルに形成された開口部の閉塞部材であって、閉塞部材は、パネルの一面側に配置され、開口部よりも大きな外径寸法を有して開口部を塞ぐ閉塞部材本体と、パネルの他面側に配置され、開口部よりも大きな外径寸法を有したリング状のクランプ部材と、閉塞部材本体の外周部とクランプ部材の外周部とでパネルを挟み込んだ状態で、閉塞部材本体とクランプ部材とを締結するファスナと、を備える。
パネルは、炭素繊維を含んだ複合材料により形成されている。
クランプ部材は、少なくとも機体の外方側に臨む側がチタン合金、ステンレス合金、炭素繊維を含んだ複合材料のいずれかにより形成されている。これらの材料は、閉塞部材本体に用いられた複合材料と電気的に同属であり、電位差による腐食が生じにくいからである。
そして、閉塞部材本体は、機体の外方に臨む面が、炭素繊維を含んだ複合材料により形成され、機体の内方に臨む面が、金属材料により形成される。閉塞部材本体における複合材料により形成された第一の層の外周部とクランプ部材の内周部とが突き当たり、クランプ部材の外周部と開口部の内周縁部とが突き当たることで、閉塞部材がクランプ部材を介しパネルに電気的に接続されていることを特徴とする。
このようにして閉塞部材本体において機体の外方に臨む面を、炭素繊維を含んだ複合材料により形成することで、閉塞部材本体に雷が直撃した場合に、炭素繊維を通して電流をクランプ部材、開口部周囲のパネルへと流すことができる。
また、閉塞部材本体において、機体の外表面を構成するパネルと接する部分を、パネルと同じ炭素繊維複合材料により形成することで、チタンやＣＲＥＳのような炭素繊維複合材料と電気的に同属の金属を用いた場合と比べ、安価かつ軽量に、電気的ボンディングを確保することが可能となる。
また、機体の内方に臨む面を、金属材料により形成することで、ファスナの受け部等、複雑な形状も、鋳造や機械加工により形成することができる。
そして、第一の層の外周部とクランプ部材の内周部との突き当たり面、クランプ部材の外周部と開口部の内周縁部との突き当たり面は、機体表面に直交する方向に対して傾斜したテーパ面とする。このようにすることで、炭素繊維の切断面同士を突き合わせることができ、電気的ボンディングを確実に行うことができる。

また、閉塞部材本体は、複合材料により形成された第一の層と、金属材料により形成された第二の層との間に、絶縁層が設けられている。これにより、第一の層に落雷した場合も、第二の層に電流が届かず、第二の層側でスパークが生じるのを防ぐことができる。
このような第一の層と第二の層は、ピンおよび／または接着剤により一体に接合するのが好ましい。

閉塞部材本体を構成する金属材料としては、アルミ合金が例示される。

このような閉塞部材が設けられる開口部は、いかなる用途、構成であっても良いが、開口部が、機体を構成する主翼に設けられ、主翼内の燃料タンクへの出入り口である場合、アーク放電の発生を抑えることができるため、特に好ましい。
本発明は、上記した開口部の閉塞部材を備えた航空機も提供する。

本発明によれば、閉塞部材本体において機体の外方に臨む面を、炭素繊維を含んだ複合材料により形成することで、閉塞部材本体に雷が直撃した場合に、電流を、炭素繊維を通してクランプ部材、開口部周囲のパネルへと流すことができる。その結果、閉塞部材を、耐雷性能に優れるものとすることができる。
また、閉塞部材本体において機体の内方に臨む面を金属材料により形成することで、閉塞部材本体を固定するための受け部等、複雑な形状等も低コストで形成することができる。

本実施の形態における航空機の主翼に設けられたアクセスドアを示す斜視図である。 主翼の翼面パネルに対するアクセスドアの取付構造を示す断面図である。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１は、本実施の形態における開口部の閉塞部材を適用した航空機の機体を構成する主翼１０に設けられたアクセスドア（閉塞部材）２０を、主翼１０の内側から見た斜視図である。
アクセスドア２０は、主翼１０の内部空間に設けられた燃料タンク内に整備担当員が出入りするため、主翼１０の上側または下側の表面を形成する翼面パネル（パネル）１１に設けられている。

図２に示すように、翼面パネル１１には、主翼１０の内外を連通する開口部１２が形成されている。この開口部１２は、例えば、長円系、楕円形、円形等、適宜形状とすることができる。

アクセスドア２０は、開口部１２に対して主翼１０の内部空間側に配置されるドア本体（閉塞部材本体）３０と、主翼１０の外部側に配置されるクランプリング（クランプ部材）４０と、これらドア本体３０とクランプリング４０とを締結するファスナ部材（ファスナ）５０と、から構成される。

ドア本体３０は、開口部１２よりも大きな外形寸法を有している。ドア本体３０は、翼面パネル１１の翼外表面１１ａと連続した面を形成する外表面３１ａを有し、開口部１２よりも小さな外形寸法とされたプレート部３１と、プレート部３１の外周部に一体に形成され、主翼１０の内部空間側において、開口部１２の周囲に突き当たるフランジ部３２と、を備えている。

フランジ部３２は、主翼１０の内部空間側において、開口部１２の周囲に突き当たる突き当たり面３２ａと、突き当たり面３２ａよりも内側において、クランプリング４０に対向する部分に形成された、ファスナ部材５０の受け部３３と、を備えている。
受け部３３は、ドア本体３０の外周部の周方向に沿って、ファスナ部材５０の設置位置に対応して複数が設けられている。
各受け部３３は、主翼１０の内部空間側に向けて突出しており、クランプリング４０に対向する側に開口した凹部３３ａが形成されている。そして、凹部３３ａ内に、ファスナ部材５０を構成するナット５１を保持するとともに、ファスナ部材５０を構成するファスナ本体５２の軸部５２ａを収容する。

クランプリング４０は、開口部１２の内径寸法よりも大きな外径と、開口部１２の内径寸法よりも小さな内径を有したリング状をなしている。クランプリング４０は、断面四角形状で、主翼１０の外側となる外表面４０ａが、翼面パネル１１の翼外表面１１ａと連続した面を形成し、ドア本体３０の受け部３３に対向する対向面４０ｂが、外表面４０ａと平行に形成されている。
クランプリング４０には、外表面４０ａ、対向面４０ｂを貫通する貫通孔４１が、ドア本体３０の受け部３３に対応した位置に形成されている。各貫通孔４１には、ファスナ部材５０の軸部５２ａが挿通される。各貫通孔４１において、主翼１０の外表面に対向する側に、ファスナ部材５０の頭部５２ｃを収容するテーパ状の座面４２が形成されている。

本実施形態においては、クランプリング４０は断面台形状で、外表面４０ａと対向面４０ｂの間にテーパ面４０ｃ、４０ｄが形成されている。これらテーパ面４０ｃ、４０ｄは、対向面４０ｂ側から外表面４０ａ側に向けて、それらの間隔が漸次拡大するよう傾斜されている。

前記のプレート部３１の外周部には、クランプリング４０の内周側のテーパ面４０ｃに当たる当たり面３４が形成されている。本実施形態において、当たり面３４は、外表面３１ａから、主翼１０の内側を向く内表面３１ｂ側に向けて、プレート部３１の外径寸法が漸次拡大するよう、クランプリング４０のテーパ面４０ｃに対応した角度で傾斜して形成されている。
また、翼面パネル１１の開口部１２の内周部には、クランプリング４０の外周側のテーパ面４０ｄに当たる当たり面１４が形成されている。本実施形態において、当たり面１４は、クランプリング４０のテーパ面４０ｄに対応した角度で傾斜して形成されている。

このようなアクセスドア２０は、開口部１２を閉塞した状態においては、ドア本体３０のフランジ部３２の突き当たり面３２ａと、クランプリング４０とで、開口部１２の内周縁部を挟み込む。そして、ファスナ部材５０のファスナ本体５２を、クランプリング４０の貫通孔４１に主翼１０の外側から挿入し、軸部５２ａをナット５１にねじ込むことによって、ドア本体３０とクランプリング４０とが締結される。
この状態で、開口部１２の当たり面１４とクランプリング４０のテーパ面４０ｄとが突き当たり、クランプリング４０のテーパ面４０ｃとドア本体３０のプレート部３１の当たり面３４とが突き当たる。

さて、本実施形態において、上記のドア本体３０は、プレート部３１の外表面３１ａが、炭素繊維を用いたＣＦＲＰからなる複合材料層（第一の層）６０により形成され、プレート部３１の内表面３１ｂ側およびフランジ部３２が、アルミ合金等からなる金属材料層（第二の層）６１により形成されている。これら複合材料層６０と金属材料層６１とは、例えば絶縁性のエポキシ系材料からなる接着剤６２により一体に接合された積層構造とされている。また、複合材料層６０と金属材料層６１は、ピン状のファスナ（ピン）７０により一体に接合するようにしてもよく、さらには接着剤６２と組み合わせてもよい。ファスナ７０は、金属材料層６１にインサート、またはネジ溝加工により締結すればよい。

ここで、複合材料層６０には、接着剤６２による接着面側に、ガラス繊維（絶縁材料）が焼き付けられることによって、図示しない絶縁膜が形成されている。
金属材料層６１には、接着剤６２による接着面側に絶縁材料が塗装されることによる絶縁膜（図示なし）が形成されている。
これら複合材料層６０の絶縁膜、接着剤６２、金属材料層６１の絶縁膜により、絶縁層を形成することができる。

また、複合材料層６０の外周端部は、前記の当たり面３４とされている。この当たり面３４は傾斜面であるため、複合材料層６０を構成する、主翼１０の表面に沿った方向に設けられて導電性を有する炭素繊維の端部が、当たり面３４に露出している。

一方、クランプリング４０は、少なくとも機体の外方側に臨む側が複合材料層６０と同様の炭素繊維を用いたＣＦＲＰ（複合材料）の他、チタン合金、ＣＲＥＳ等、複合材料層６０と電気的に同属の材料により形成されている。クランプリング４０が複合材料で形成されている場合、テーパ面４０ｃ、４０ｄには、前記の当たり面３４と同様、主翼１０の表面に沿った方向に設けられて導電性を有する炭素繊維の端部が露出している。
また、主翼１０の開口部１２の当たり面１４においても、翼面パネル１１を形成し、主翼１０の表面に沿った方向に設けられて導電性を有する炭素繊維の端部が露出している。

このような構成により、ドア本体３０、クランプリング４０、翼面パネル１１の開口部１２は、ドア本体３０の当たり面３４とクランプリング４０のテーパ面４０ｃとの突き合わせ部分、クランプリング４０のテーパ面４０ｄと開口部１２の当たり面１４との突き合わせ部分において、導電性材料どうしの面ボンディングにより電気的に接続される。これにより、ドア本体３０に落雷しても、電流は、ドア本体３０の複合材料層６０からクランプリング４０を経て翼面パネル１１へと拡散していくので、耐雷性を向上させることができる。
また、ドア本体３０は、プレート部３１の外表面３１ａが、複合材料層６０により形成され、内表面３１ｂ側およびフランジ部３２が金属材料層６１により形成され、これら複合材料層６０と金属材料層６１は、絶縁層によって絶縁されているため、複合材料層６０を流れる電流が金属材料層６１に流れることはなく、落雷時に、燃料タンクの内側でアーク放電が生じるのを抑えることができる。

このとき、ドア本体３０の当たり面３４とクランプリング４０のテーパ面４０ｃ、クランプリング４０のテーパ面４０ｄと開口部１２の当たり面１４は、テーパ面どうしの面接触であるため、クランプリング４０のテーパ面４０ｄと開口部１２の当たり面１４には、炭素繊維の切断面が大量に露出する。これにより、クランプリング４０のテーパ面４０ｄと開口部１２の当たり面１４の炭素繊維どうしの接触面積を増やし、これらを確実に接触させて電気的な導通を確保することができる。
また、ドア本体３０の当たり面３４、クランプリング４０のテーパ面４０ｃ、４０ｄ、開口部１２の当たり面１４は、例えば、ドア本体３０、クランプリング４０の着脱方向、すなわちドア本体３０や翼面パネル１１の表面に直交する面内である場合、これらの面に露出した炭素繊維の端部が、ドア本体３０やクランプリング４０の着脱を繰り返すうちに、擦れてほぐれてしまう可能性がある。これに対し、これらの面をテーパ面とすることで、炭素繊維がほぐれるのを防止することができる。

また、ファスナ部材５０の受け部３３等は、金属材料層６１に形成されているため、その成形も、これを複合材料で形成する場合に比較して容易であり、低コストでアクセスドア２０を形成することができる。

なお、上記実施の形態では、ドア本体３０とクランプリング４０について説明をしたが、それらの締結構造や、ドア本体３０やクランプリング４０の形状等については、上記したものに何ら限定する意図はなく、適宜他の構成とすることが可能である。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

１０…主翼、１１…翼面パネル（パネル）、１２…開口部、１４…当たり面、２０…アクセスドア（閉塞部材）、３０…ドア本体（閉塞部材本体）、３１…プレート部、３１ａ…外表面、３１ｂ…内表面、３２…フランジ部、３３…受け部、３４…当たり面、４０…クランプリング（クランプ部材）、４０ａ…外表面、４０ｂ…対向面、４０ｃ…テーパ面、４０ｄ…テーパ面、４１…貫通孔、５０…ファスナ部材（ファスナ）、６０…複合材料層（第一の層）、６１…金属材料層（第二の層）、６２…接着剤、７０…ファスナ（ピン）

Claims (10)

1. 航空機の機体の外表面を構成するパネルに形成された開口部の閉塞部材であって、
   前記閉塞部材は、
   前記パネルの一面側に配置され、前記開口部よりも大きな外径寸法を有して前記開口部を塞ぐ閉塞部材本体と、
   前記パネルの他面側に配置され、前記開口部よりも大きな外径寸法を有したリング状のクランプ部材と、
   前記閉塞部材本体の外周部と前記クランプ部材の外周部とでパネルを挟み込んだ状態で、前記閉塞部材本体と前記クランプ部材とを締結するファスナと、を備え、
   前記パネルが、炭素繊維を含んだ複合材料により形成されており、
   前記閉塞部材本体は、前記機体の外方に臨む面が、炭素繊維を含んだ複合材料により形成され、前記機体の内方に臨む面が、金属材料により形成され、
   前記クランプ部材が、少なくとも前記機体の外方側に臨む側がチタン合金、ステンレス合金、炭素繊維を含んだ複合材料のいずれかにより形成されており、
   前記閉塞部材本体における前記複合材料により形成された第一の層の外周部と前記クランプ部材の内周部とが突き当たり、前記クランプ部材の外周部と前記開口部の内周縁部とが突き当たることで、前記閉塞部材が前記クランプ部材を介して前記パネルに電気的に接続されており、
   前記第一の層の外周部と前記クランプ部材の内周部との突き当たり面、前記クランプ部材の外周部と前記開口部の内周縁部との突き当たり面が、前記機体表面に直交する方向に対して傾斜したテーパ面とされていることを特徴とする開口部の閉塞部材。
2. 前記閉塞部材本体は、前記複合材料により形成された第一の層と、前記金属材料により形成された第二の層との間に、絶縁層が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の開口部の閉塞部材。
3. 航空機の機体の外表面を構成するパネルに形成された開口部の閉塞部材であって、
   前記閉塞部材は、
   前記パネルの一面側に配置され、前記開口部よりも大きな外径寸法を有して前記開口部を塞ぐ閉塞部材本体と、
   前記パネルの他面側に配置され、前記開口部よりも大きな外径寸法を有したリング状のクランプ部材と、
   前記閉塞部材本体の外周部と前記クランプ部材の外周部とでパネルを挟み込んだ状態で、前記閉塞部材本体と前記クランプ部材とを締結するファスナと、を備え、
   前記閉塞部材本体は、前記機体の外方に臨む面が、炭素繊維を含んだ複合材料により形成され、前記機体の内方に臨む面が、金属材料により形成され、
   前記閉塞部材本体における前記複合材料により形成された第一の層の外周部と前記クランプ部材の内周部とが突き当たり、前記クランプ部材の外周部と前記開口部の内周縁部とが突き当たることで、前記閉塞部材が前記クランプ部材を介して前記パネルに電気的に接続されているとともに、
   前記閉塞部材本体は、前記複合材料により形成された第一の層と、前記金属材料により形成された第二の層との間に、絶縁層が設けられていることを特徴とする開口部の閉塞部材。
4. 前記第一の層と前記第二の層とが、ピンおよび／または接着剤により一体に接合されていることを特徴とする請求項２または３に記載の開口部の閉塞部材。
5. 前記パネルが、炭素繊維を含んだ複合材料により形成されていることを特徴とする請求項３または４に記載の開口部の閉塞部材。
6. 前記第一の層の外周部と前記クランプ部材の内周部との突き当たり面、前記クランプ部材の外周部と前記開口部の内周縁部との突き当たり面が、前記機体表面に直交する方向に対して傾斜したテーパ面とされていることを特徴とする請求項３から５のいずれか一項に記載の開口部の閉塞部材。
7. 前記閉塞部材本体を構成する前記金属材料が、アルミ合金であることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の開口部の閉塞部材。
8. 航空機の機体の外表面を構成するパネルに形成された開口部の閉塞部材であって、
   前記閉塞部材は、
   前記パネルの一面側に配置され、前記開口部よりも大きな外径寸法を有して前記開口部を塞ぐ閉塞部材本体と、
   前記パネルの他面側に配置され、前記開口部よりも大きな外径寸法を有したリング状のクランプ部材と、
   前記閉塞部材本体の外周部と前記クランプ部材の外周部とでパネルを挟み込んだ状態で、前記閉塞部材本体と前記クランプ部材とを締結するファスナと、を備え、
   前記パネルが、炭素繊維を含んだ複合材料により形成されており、
   前記閉塞部材本体は、前記機体の外方に臨む面が、炭素繊維を含んだ複合材料により形成され、前記機体の内方に臨む面が、金属材料により形成され、
   前記クランプ部材が、少なくとも前記機体の外方側に臨む側がチタン合金、ステンレス合金、炭素繊維を含んだ複合材料のいずれかにより形成されており、
   前記閉塞部材本体における前記複合材料により形成された第一の層の外周部と前記クランプ部材の内周部とが突き当たり、前記クランプ部材の外周部と前記開口部の内周縁部とが突き当たることで、前記閉塞部材が前記クランプ部材を介して前記パネルに電気的に接続されており、
   前記閉塞部材本体を構成する前記金属材料が、アルミ合金であることを特徴とする開口部の閉塞部材。
9. 前記開口部が、前記機体を構成する主翼に設けられ、前記主翼内に収容された燃料タンクへの出入り口であることを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の開口部の閉塞部材。
10. 請求項１から９のいずれか一項に記載の前記開口部の閉塞部材を備えた航空機。

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