专利名称：由复合面板和金属面板构成的飞机机翼的制作方法
技术领域：
本发明涉及机翼组件，更为具体地，涉及具有复合面板和金属面板二 者的机翼组件。
背景技术：
近代商用飞机的机翼组件一般包括由铝制面板、桁梁以及肋板制成的 机翼箱。虽然采用先前技术的机翼组件已经取得所希望的结果，但仍有改 进的余地。比如，减轻飞机结构重量通常等同于得到更好的飞机性能。在 商用飞机方面，这种性能改进有利于市场销售。复合材料作为铝材的替代 物已经经过考验，不过，复合材料比起铝材一般是昂贵的，并且不是很适 于承载在某些情况下经受的很大的压缩载荷。发明内容本发明目标在于具有复合面板和金属面板二者的机翼。符合本发明的 方法和系统的各项实施例之有利之处在于与现有技术的机翼组件相比具有明显减轻的重量、比较牢靠的闪电/EME防护特性、更好的预估源损伤容差 特性、以及改善的成本。在一项实施例中，机翼组件包括具有适配得联接于飞机的第一端部的 支承结构；由金属材料制成并联接于支承结构的上部面板总成；以及由复 合材料制成并联接于支承结构的下部面板总成。金属材料可以是铝、钛， 或任何其他适当的金属，复合材料可以是碳纤维增强塑料(CFRP)或其他 适当的复合材料。在另一实施例中，上部面板总成包括下悬的位置接近支 承结构的第 一端部的第 一腹板部分，下部面板总成包括上伸的第二腹板部 分，此第二腹板部分接近第一腹板部分，机翼组件还包括设置在第一与第 二腹板部分之间的绝缘材料制成的交接件，以及将第二腹板部分、交接件 和第 一腹板部分联接于支承结构的至少 一个固紧件。
本发明的优选和备选实施例将参照以下各图在下面予以详细说明。图1是符合本发明一项实施例的一种机翼组件的顶视立面图； 图2是沿着直线2-2所取、图l机翼组件的端视剖面图； 图3是符合本发明 一项实施例的交接部分的放大立面视图； 图4是图3的交接部分的应变梯度；以及图5是具有符合本发明另 一 实施例的机翼组件的飞机的侧视立面图。
具体实施方式
本发明涉及用于具有复合面板和金属面板二者的机翼组件。本发明某 些实施例的许多具体细节在以下说明之中和图1-5之中予以叙述以提供对 于这些实施例的透彻了解。不过，本领域技术人员将会理解，本发明可能 具有一些另外的实施例，以及本发明可以在没有以下说明中所述若干细节 的情况下予以实施。一般，本发明的各实施例配置具有复合面板和铝制面板二者的机翼组 件。某些复合材料，包括碳纤维增强塑料(CFRP)材料在抗拉伸和抗疲劳 损伤方面性能良好。铝材具有相对良好的抗压特性但相对低下的抗拉伸和 抗疲劳性能。因而，机翼组件，在主要承受拉伸载荷的区域内包含复合面 板和在主要承受压缩载荷的其他区域内包含铝制面板，与先前技术中的机 翼组件相比，可以显著地降低重量，并可以提供一种机翼组件，该机翼组 件轻于完全铝制的机翼组件或完全碳纤维增强塑料的机翼组件。在研制具有CFRP面板和铝制面板二者的各实施例时遇到许多特别复 杂的问题，包括1)在CFRP/铝材交接处的电腐蚀，2)热致膨胀的不同速 率，以及3)铝材和CFRP的不相容应变极限。在此项披露内容中论及了这 些被关切的方面，并已经由本发明的各项实施例至少部分地予以緩解，一 如以下更为完整地所述。图1是符合本发明一项实施例的机翼组件100的顶视立面图。图2是 沿着直线2-2所取、图1机翼组件100的端^L剖面图。在此实施例中，才几翼 组件100包4舌上部面板总成102以及各上部街梁弦杆104。在一项当前优选 实施例中，上部面板总成102和上部桁梁弦杆104是由铝或其他适当的金 属材料诸如钛制成的。同样，机翼组件100包括下部面板总成112和下部
街梁弦杆114。在一项实施例中，下部面板总成112和下部桁梁弦杆114是 由复合材料诸如CFRP制成的。
如图3所示，上部面板总成102包括上部蒙皮108和许多上部腹板件 106。这些上部腹板件106将上部蒙皮108联接于机翼组件100的支承结构 110。同样，下部面板总成112包括下部蒙皮和许多下部腹板件116,后者 将下部蒙皮118联接于支承结构110。
位于支承结构110的相对端处的一对交接部分120将每一上部桁梁弦 杆104联接于下部桁梁弦杆114。更为具体地说，如图3最为清楚地示出， 下部桁梁弦杆114包括腹板部分115，该部分向上伸展以覆盖上部街梁弦杆 104的向下伸展的腹板部分105。肋板件122沿着上部桁梁弦杆104和下部 桁梁弦杆114的腹板部分105和115向上伸展。交接件126设置在下部桁梁 弦杆114的腹板部分115与上部桁梁弦杆104的腹板部分105之间，并同时 在下部街梁弦杆114的腹板部分115与支承结构110之间。在一项实施例中， 交接件126是玻璃纤维网层材料。许多固紧件124穿过肋板件122、 一或多 个上部和下部軒梁弦杆104、 114的腹^1部分105、 115，以及交4妻件126， 将这些部件固牢于支承结构110。在一项实施例中，各固紧件124是钛制螺 栓。许多填料密封件128设置在金属部件(比如上部桁梁弦杆104和支承 结构110)邻近或充分接近复合部件(比如下部街梁弦杆114)的多个边缘 或交会处。
在一项特定实施例中，为防止金属的上部桁梁弦杆104的电腐蚀，采 用以下特征(1 )交接件126使下部桁梁弦杆114的腹板部分115绝缘于上 部桁梁弦杆104的腹板部分105, (2)上部桁梁弦杆104敷以一或多个非导 电材料敷层，(3)交接部分120敷以密封剂薄层，以及(4)各固紧件124 装有湿的密封剂，在接近上部衔梁弦杆104的一侧上具有绝缘套圈(未示 出)。在另一实施例中，固紧件124的端头可以是用盖帽密封的而各套圈可 以是自密封的。确保复合材料与金属材料物理隔绝，并防止各交接面处湿 气的侵入，就可以减少并消除电腐蚀的威胁。其次，交接部分120位于机 翼组件100的上部之内可以用以保持接合部没有任何储集水分。
复合材料(比如CFRP材料)和金属材料(比如铝材)可以展现出显 著不同的热致应变速率。因而，装接于承受热循环的复合材料下部面板总 成112的金属上部面板总成102将表现出弯曲应变(受冷时上倾，受热时
下斜)。作为热弯曲的几何后果，掠翼飞机也将经受机翼扭曲。这些机翼扭 曲可以以非掠翼结构予以緩解。在翼箱的静力和疲劳评估中必须计及热负 荷。这些负荷一般附加于机械负荷。图4是图3交接部分120的应变梯度200。在一项特定的实施例中，在 上部面板总成102由铝材制成和下部面板总成112由当前优选的CFRP材料 制成的地方，铝材的压缩轴向应变极限是大约0.007in/in，而包含CFRP纤 维在内的当前优选复合材料在压缩作用下轴向受载时的应变极限大致上是 0.005in/in。因而，如果铝制上部面板总成102真的在最大应力区域处装接 于CFRP下部面板总成112，则铝制面板的设计会受到CFRP应变中断的限 制而不会实现重量节省。图4表明，装接两种材料的上部和下部街梁弦杆 104、 114， CFRP轴向应变峰值在接合部处显著减小。通过在高压缩轴向应 变区域内从下部街梁弦杆114 (和肋板部分122)中去除轴向纤维，可以进 一步增强应变相容性。因而，两种材料可以用在弯曲方面并仍然达到较高 的铝材应变水平(以及因而降低重量)。应该理解，可能希望将两种材料的 装接设置在上部和下部街梁弦杆104、 114的腹板部分105、 115上(即接近 翼箱的中性轴)，允许铝制上部面板总成102实现其全部应变潜力而同时在 材料交接处维持应变相容性。在接合部处的热致疲劳载荷也由于接合部相 对于中性轴的位置而较小。本发明的各项实施例可以提供超过现有技术的各种优点。比如，通过 设计一种如上所述的翼箱，可以实现显著的重量节省。在一些实施例中， 可能实现重量节省，以致本发明的各项实施例轻于完全复合材料(比方 CFRP)翼箱，并大致上轻于全部铝材翼箱20%。另外一些好处可以包括提 供比起完全复合材料机翼设计来更为牢靠的闪电/EME防护特性，以及比起 具竟争性的完全复合材料观念来更好的预估源损伤容差。吊舱、机体一侧 和主着陆装置的整合也可以采用本发明各项实施例，与完全复合材料设计 相比，予以简化。另外的好处是，相比于完全复合材料翼箱设计，具有成 本效益。符合本发明的机翼组件的各项实施例可以用在广为多样的飞行器之 中。比如，图5示出具有一对符合本发明另一实施例的一对机翼组件304 的飞机300的侧视立面图。飞机300 —般包括联接于机翼组件304的一或 多部推进装置302,或者可选择地，联接于机身306、设置在机身306之内
的飞机抢架307或者甚至飞机300的其他各部分之内。另外，飞机300还 包括联接于机身306和/或飞机抢架307的着陆组件310和机尾组件308。 飞机300还包括一般为飞机300的正确运行所需的多种其他系统和子系统。 比如，飞机300包括飞机控制系统312，以及许多其他的电气、机械和机电 系统，协同执行飞机300运行所必需的各种任务。虽然图3所示的飞机300 —般代表一种商用客机，包括比如伊利诺伊 斯州芝加哥市波音^^司(The Boeing Co匪any of Chicaqo Illinois )出售的 737、 747、 757、 767和777客机，^旦在备选实施例中，本发明也可以装入 其他类型的飞行器。这种飞行器的一些实例包括有人和无人驾驶的军用飞 机、旋翼飞机、导弹、火箭，或者沖击飞行器， 一如较为完整地示于多种 说明性书巻之中，诸如英国萨瑞郡考斯顿市的简氏资讯集团有限公司(Jane，s Information Group Ltd. Of Coulsdon， Surrey, UK )出售的简氏世界飞机全书 (Jane's All The World's Aircraft )。虽然已经图示和说明了本发明的优选的和另外的实施例， 一如上述， 但在不偏离本发明的精神和范畴的情况下可以作出许多改变。于是，本发 明的范畴不为这些优选和另外实施例的披露所限。相反，本发明应当完全 通过参照下随的各项权利要求予以确定。
权利要求
1.一种用在飞机上的机翼组件，包括支承结构，该结构具有适于联接于飞机的第一端部；上部面板总成，该上部面板总成由金属材料制成并联接于支承结构；以及下部面板总成，该下部面板总成由复合材料制成并联接于支承结构。
2. 按照权利要求1所述的机翼组件，其中金属材料包括铝和钛之中的 至少一种，其中复合材料包括碳纤维增强塑料(CFRP)材料。
3. 按照权利要求1所述的机翼组件，其中上部面板总成包括下悬的位 于支承结构的第 一端部附近的第 一腹板部分，下部面板总成包括上伸的第 二腹板部分，第二腹板部分接近第一腹板部分，机翼组件还包括设置在第 一与第二两腹板部分之间的绝缘材料的交接件，以及将第二腹板部分、交 接件和第 一腹板部分联接于支承结构的至少 一 个固紧件。
4. 按照权利要求3所述的机翼组件，还包括肋板件，该肋板件沿着第 一和第二腹板其中的至少一个伸展并联接于它。
5. 按照权利要求3所述的机翼组件，其中上部面板总成包括接近支承 结构第一端部的上部桁梁弦杆，第一腹板部分是一部分上部桁梁弦杆，以 及其中下部面板总成包括下部街梁弦杆，第二腹板部分是一部分下部桁梁弦杆。
6. 按照权利要求3所述的机翼组件，其中上部蒙皮通过许多第一腹板 部分联接于支承结构，而第二蒙皮通过许多第二腹板部分联接于支承结构。
7. 按照权利要求3所述的机翼组件，还包括至少一个填料密封件，其 设置在第一和第二两腹板部分其中至少一个的至少一个边缘部分上。
8. 按照权利要求3所述的机翼组件，其中交接件是由玻璃纤维绝缘网 层材料制成的。
9. 一种用在飞机上的机翼组件，包括 支承结构，该结构具有适于联接于飞机的第一端部； 上部面板总成，该上部面板总成联接于支承结构的上部并具有由金属材料制成的下悬构件；以及 材料制成的上伸构件，上伸构件联接于下悬构件。
10. 按照权利要求9所述的机翼组件，其中金属构件包括铝和钛之中的至少一种，其中复合材料包括碳纤维增强塑料(CFRP)材料。
11. 按照权利要求9所述的机翼组件，其中上部面板总成完全由金属材 料制成。
12. 按照权利要求9所述的机翼组件，其中下部面板总成完全由复合材 料制成。
13. 按照权利要求9所述的机翼组件，还包括设置在下悬构件与上伸构 件之间的至少 一 个交接件。
14. 一种用在飞机上的机翼组件，包括 支承结构，该结构具有适于联接于飞机的第一端部； 上部面板总成，该上部面板总成具有联接于支承结构的上部蒙皮并包括位于支承结构第一端部附近的下悬第一腹板部分，此第一腹板部分由金 属材料制成；下部面板总成，该下部面板总成具有联接于支承结构的下部蒙皮并包 括由复合材料制成的上伸第二腹板部分，此第二腹板部分接近第 一腹板部 分；设置在第 一与第二腹板部分之间的绝缘材料的交接件；以及 将第二腹板部分、交接件和第 一腹板部分联接于支承结构的至少 一个 固紧件。
15. 按照权利要求14所述的机翼组件，其中金属材料包括铝和钛二者 之中的至少一种，其中复合材料包括碳纤维增强塑料(CFRP)材料。
16. 按照权利要求14所述的机翼组件，其中上部面板总成完全由金属 材料制成。
17. 按照权利要求14所述的机翼组件，其中下部面板总成完全由复合 材料制成。
18. 按照权利要求14所述的机翼组件，还包括设置在第一和第二腹板 部分其中至少一个的至少一个边缘部分上的至少一个填料密封件。
19. 按照权利要求14所述的机翼组件，其中交接件是由玻璃纤维绝缘 网层材料制成的。
20. —种飞机，包括具有飞机舱架的机身；操作联接于机身和飞机舱架其中至少一个上的推进系统；以及 至少一个4几翼组件，包括支承结构，该结构具有联接于机身和飞机舱架二者其中至少 一个 的第一端部；上部面板总成，该上部面板总成联接于支承结构的上部并具有由 金属材料制成的下悬构件；以及下部面板总成，该下部面板总成联接于支承结构的下部并具有由 复合材料制成的上伸构件，上伸构件联接于下悬构件。
21. 按照权利要求20所述的飞机，其中金属材料包括铝和钛二者之中 的至少一种，其中复合材料包括碳纤维增强塑料(CFRP)材料。
22. 按照权利要求20所述的飞机，其中上部面板总成包括位于支承结 构第 一端部附近的下悬第 一腹板部分，下部面板总成包括上伸的第二腹板 部分，第二腹板部分接近第一腹板部分，机翼组件还包括设置在第一与第 二腹板部分之间的绝缘材料的交接件，以及将第二腹板部分、交接件和第 一腹板部分联接于支承结构的至少一个固紧件。
23. 按照权利要求22所述的飞机，其中上部面板总成包括接近支承结 构第一端部的上部軒梁弦杆，第一腹板部分是一部分上部绗梁弦杆，其中 下部面板总成包括下部軒梁弦杆，第二腹板部分是一部分下部街梁弦杆。
24. 按照权利要求22所述的飞机，其中交接件是由玻璃纤维绝缘网层 材料制成的。
25. 按照权利要求20所述的飞机，其中支承结构是由金属材料制成的。
全文摘要
公开一种具有复合面板和金属面板二者的飞机机翼组件。在一项实施例中，机翼组件包括支承结构、由金属材料制成并联接于支承结构的上部面板总成，以及由复合材料制成并联接于支承结构的下部面板总成。金属材料可以是铝、钛或任何其他适当的金属，而复合材料可以是碳纤维增强塑料(CFRP)或其他适当的复合材料。在另一实施例中，上部面板总成包括下悬的第一腹板部分，而下部面板总成包括上伸的第二腹板部分，第二腹板部分接近第一腹板部分，以及绝缘材料的交接件设置在第一与第二腹板部分之间。
文档编号B64C3/00GK101160235SQ200680001703
公开日2008年4月9日 申请日期2006年1月11日 优先权日2006年1月11日
发明者丹尼尔·E·麦金蒂, 伊恩·C·伯福德, 布鲁斯·R·福克斯, 斯科特·N·兰普顿, 理查德·B·坦纳, 简·A·科德尔, 维克托·A·芒森, 詹姆斯·M·凯利, 迈尔斯·O·约翰逊 申请人:波音公司