火花防护帽、紧固系统、紧固方法和飞行器与流程

1.本发明涉及火花防护帽。本发明还涉及紧固系统、包括火花防护帽和紧固系统中的至少一者的飞行器、将紧固件和火花防护帽紧固至结构件的方法。


背景技术：

2.载客飞行器通常每年被雷电击中一次或两次，每次雷击都具有寻求最小的电阻路径的高达200,000安培的电流。许多现代载客飞行器具有由具有非常高的电阻的复合材料制成的外表面。因此，在外表面中的具有更低电阻的许多金属紧固件中的任何金属紧固件处存在雷电附着的高可能性。在机翼中，这些紧固件中的一些紧固件穿过外机翼蒙皮进入燃料箱。
3.图1是穿过面板1的紧固件组件的一部分的侧视图，面板1可以是复合面板或金属面板。该组件包括紧固件，该紧固件包括外螺纹螺栓2、内螺纹螺母3和垫圈4。在雷电击中面板1并附着至紧固件的情况下，则可能会在图1中由标记5指示的位置处产生火花、等离子体或排气。
4.图2是穿过面板1的另一类型的紧固件9的侧视图，面板1可以是复合面板或金属面板。图1中所示的紧固件类型通常被称为单面紧固件，因为该紧固件类型允许紧固件9仅从面板的一个侧部固定就位。单面紧固件9包括螺栓5，该螺栓5包括轴向延伸的轴6、轴7的头部以及绕轴6配装的管状套筒8。轴6在其外周上在与轴的头部7相反的一个端部处具有螺纹部分。管状套筒8在其内周上具有对应的螺纹，使得管状套筒8将在轴7旋转时沿着轴7行进。单面紧固件9还具有绕螺栓5的头部端部设置的轴环10。轴环10抵接头部7，并且在另一端部处具有凸缘10a。
5.在安装期间，紧固件9滑动穿过面板1中的孔，直到凸缘10a已经至少穿过面板1的另一侧部为止。然后轴6旋转以使管状套筒8被朝向轴环10拉动。当管状套筒8接触轴环10时，管状套筒8沿着凸缘10a变形并且向外张开，从而在面板1的与轴的头部7相反的侧部上形成扩张部分，因此用作紧固件，如图2中所示。
6.在雷电击中面板1并附着至紧固件的情况下，可能以与相对于图1的紧固件组件描述的相同方式产生火花或等离子体。
7.通过上述布置，面板1可以提供燃料箱边界并且紧固件因此可以浸入燃料或燃料蒸汽丰富的气体中。因此，在紧固件处的雷击可能会提供火花点然源和热气点然源，这会导致燃料点燃。
8.在ep-a-0334011中描述了已知的提供火花抑制的方法。一定体积的气体被绕紧固件的帽封围。气体在任何雷击期间提供对于可能在复合结构件与金属紧固件之间产生的电弧的火花抑制。


技术实现要素：

9.根据本发明的第一方面，提供了一种火花防护帽，该火花防护帽用于围绕从结构
件突出的紧固件的端部形成密封腔，该帽包括：帽本体，该帽本体限定空气腔，该帽本体布置成封围紧固件的端部，并且该帽包括环形基部，该环形基部终止于基部边缘，该基部边缘围绕通向空气腔的开口；以及环形裙状部，该环形裙状部用以提供围绕基部边缘延伸的环形密封容积部，该环形密封容积部布置成在通向腔的开口周围接纳可固化的密封材料的环形凸沿，以在帽本体与结构件之间提供密封，进而对腔内的一定体积的气体进行密封。帽还包括紧固件接合部分，该紧固件接合部分与紧固件的螺纹部分接合以便将帽紧固至紧固件。
10.通过这种布置，可以将火花防护帽放置在紧固件的端部的上，并且在密封材料被固化以在帽本体与结构件之间形成密封之前使用帽的紧固件接合部分与紧固件的螺纹部分之间的接合来暂时将火花防护帽保持就位。
11.该帽可以包括位于帽本体的与基部边缘相反的一个端部处的帽上部，并且紧固件接合部分设置在帽上部中。因此，帽在远离基部边缘的帽上部处保持就位，密封材料在基部边缘发生固化，这可以使固化过程简化。
12.紧固件接合部分可以包括绕帽的内部延伸的内螺纹部分，该内螺纹部分与紧固件上的螺纹部分对应。这允许内螺纹部分与紧固件上的螺纹部分两者之间的简单接合，其中，帽简单地旋拧到紧固件的端部上。
13.紧固件接合部分可以包括一个或更多个肋部，所述一个或更多个肋部至少部分地绕帽的内周延伸。这可以为在帽中提供完整的内螺纹提供更便宜的解决方案。
14.帽还可以包括用于与紧固件的可变形部分接合的附接特征。因此，在密封材料被固化以在帽本体与结构件之间形成密封之前，附接特征可以在帽与紧固件之间提供更强的保持力。
15.紧固件的可变形部分可以是紧固件套筒。因此，附接特征能够与紧固件的现有部分接合，并且紧固件的部件数目和复杂性可以最小化。
16.在紧固件接合部分中可以限定有空气通道。通过这种布置，帽中的空气能够通过空气通道逸出以避免建立局部正空气压力，从而降低帽与紧固件之间的接合的效果。
17.帽可以包括从帽本体延伸的环形裙状部，以在裙状部与环形基部之间提供环形密封容积部，该环形密封容积部用于容纳密封材料的环形凸沿。
18.帽本体可以包括内部帽构件，并且环形裙状部可以包括配装在内部帽构件上的外部帽构件的基部，并且其中，内部帽构件包括接合特征。
19.紧固件可以是单面紧固件。
20.根据本发明的第二方面，提供了一种紧固系统，该紧固系统包括如任一前述陈述中所述的火花防护帽以及包括螺纹部分的紧固件，帽本体构造成接纳该紧固件的至少一部分，使得紧固件的螺纹部分与火花防护帽的紧固件接合部分接合。
21.紧固件可以包括可变形部分，该可变形部分也与紧固件的螺纹部分接合。
22.可变形部分可以是紧固件套筒，并且当紧固件的螺纹部分旋转时，紧固件套筒可以被沿着螺纹部分拉动并且能够抵靠结构件变形以将紧固件固定就位。
23.紧固系统可以包括未固化的密封材料的环形凸沿，密封材料的凸沿能够固化以在帽本体与结构件之间提供密封以对腔内的一定体积的气体进行密封。
24.根据本发明的第三方面，提供了一种将紧固件和火花防护帽紧固至结构件的方
法，该帽包括具有腔的帽本体，并且该方法包括：将紧固件插入穿过该结构件中的孔；将紧固件的紧固件套筒朝向结构件拉动，使得套筒的至少一部分抵靠结构件向外变形；将火花防护帽放置在紧固件上并且将帽的紧固件接合部分与紧固件的螺纹部分接合以将火花防护帽保持成抵靠结构件；在结构件与帽之间提供未固化的密封材料的环形凸沿；以及使密封材料的凸沿固化。
25.根据本发明的第四方面，提供了一种飞行器，该飞行器包括如以上陈述中所述的火花防护帽和紧固系统中的至少一者。
附图说明
26.现在将参照附图对本发明的实施方式进行描述，在附图中：
27.图1是现有技术紧固件接头的侧视图；
28.图2是示例性单面紧固件接头的横截面侧视图；
29.图3是飞行器的立体图；
30.图4a是安装前的包括单面紧固件接头和火花防护帽的紧固系统的横截面侧视图；
31.图4b是图4a的紧固系统在安装过程的中途的横截面侧视图；
32.图4c是图4a和图4b的紧固系统在安装过程的中途在密封剂施加期间的横截面侧视图；
33.图5是紧固系统的替代性实施方式在安装过程的中途的横截面侧视图；
34.图6是图5的替代性实施方式在安装过程的中途的在密封剂注射期间的横截面侧视图；
35.图7是紧固系统的替代性实施方式在安装过程的中途的横截面侧视图；以及
36.图8是紧固系统的替代性实施方式在安装过程的中途的横截面侧视图。
具体实施方式
37.图3中示出了飞行器11。飞行器11包括机身12。两个机翼13从机身12延伸。将理解的是，机身12和机翼13可以根据特定的应用而采用各种不同设计形成的形状和轮廓。燃料箱14形成在机身12和机翼13中。在图3中示意性地示出一个这种燃料箱14。燃料箱14由形成飞行器11的一部分的一个或更多个结构件而形成。
38.图4a、图4b和图4c示出了处于安装阶段的紧固系统100。在图4a中，存在结构件110、比如飞行器蒙皮面板110a连结至另一部件、比如另一面板110b。紧固件120延伸穿过结构件110。结构件110在该实施方式中是复合飞行器结构部件，但可以是混合的复合-金属部件。紧固件120延伸穿过结构件110中的孔113。紧固系统100还包括火花防护帽130，该火花防护帽130被示出为放置在紧固件120的尾端上。
39.紧固件120与图2中所示的类型相同，并且包括螺栓121，该螺栓121包括轴向延伸的轴122、轴的头部123以及绕轴122配装的管状套筒124。轴122在其外周上在其尾端处具有螺纹部分，尾端为与轴123的头部所在的端部相反的端部。也可称为紧固件套筒的管状套筒124在其内周上具有相应的螺纹，使得轴122上与管状套筒124上的对应螺纹与彼此接合，并且管状套筒124将在轴122旋转时沿着轴122行进。单面紧固件120还具有绕螺栓121的头部端部设置的轴环125。轴环125允许螺栓121在结构件的孔113内更容易地旋转。轴环125抵接
头部123，并且在另一端部处具有凸缘125a。头部123和轴环125的对应部分具有用于被接纳在结构件110中形成的埋头孔中的埋头孔表面。
40.在将紧固件120安装到结构件110中期间，紧固件120滑动穿过面板110中的孔113，直到凸缘125a至少已经穿过面板110的另一侧部为止。然后轴121旋转，这导致管状套筒124由于轴121上和套筒124上的对应螺纹部分而被朝向头部端部拉动。随着管状套筒124被继续拉动，管状套筒124在凸缘125a处接触轴环125并且变形，从而向外张开以在面板110的与轴123的头部相反的侧部上形成扩展部分，如图4a、图4b和图4c中所示。设置垫圈126以保护面板110b的表面。
41.随着紧固件120在结构件110中固定就位，紧固件120的尾端从结构件110突出。由于紧固套筒124在上述安装期间的运动，存在轴122的尾端的具有螺纹外周的暴露部分122a。然后，火花防护帽130可以定位在紧固件的突出尾端上，如图4a中的箭头a所示。
42.在本文中可以简称为帽130的火花防护帽130具有帽本体132，该帽本体132限定了空气腔，其封围紧固件的端部，如图4b和图4c中所示的。帽130还具有环形基部134，该环形基部134终止于基部边缘134a。基部边缘134a围绕通向帽本体132中的空气腔的开口，并且布置成在帽130配装在紧固件120的端部上时绕结构件110的整个外周与结构件110的平坦表面接合并且抵接，如在图4b和图4c中所示。
43.帽130还包括帽上部136，该帽上部136形成帽本体132的一部分。帽上部的内周具有采用螺纹表面136a形式的紧固件接合部分。螺纹表面136a的螺纹与紧固件120的轴122上的螺纹对应，并且帽上部136定尺寸成设计成使其将与轴的暴露的尾端122a接合。图4b示出了帽130被旋转成将帽130紧固在紧固件120的尾端上，参见箭头b。在替代性实施方式中，帽上部136可以没有内螺纹，但可以设置有替代性紧固件接合部分、例如一个或更多个肋部或脊部，该肋部或脊部仍然能够与轴的暴露部分122a的外周上的螺纹成功地接合，以将帽130在紧固件120的尾端上保持就位。
44.一个或更多个空气通道(未示出)可以通过紧固件接合部分设置在帽上部136中以允许空气通过空气通道逸出，以避免在轴的端部122a进入帽上部136时在帽上部136中建立局部正空气压力，这会降低帽与紧固件之间的接合的效果。
45.螺纹部分的接合足够牢固以将帽130在紧固件120的尾端上保持就位并且抵靠结构件110，至少直到更牢固的粘合剂或密封剂可以被施加并且固化为止。
46.帽130还包括环形裙状部，该环形裙状部大约从环形基部134的上端部向外延伸至裙状部边缘138a，该裙状部边缘138a与环形基部134的边缘134a大致位于同一平面中。与基部边缘134a一样，裙状部边缘138a还大致绕裙状部边缘138a的整个外周而接触结构件110的平坦表面。
47.环形凹部140设置在裙状部138与基部134之间。环形凹部用作环形密封容积部。由于裙状部138的扩开形状，凹部140的径向宽度随着凹部140从下述位置延伸时增加：在该位置处裙状部138从环形基部134延伸至裙状部边缘134a。
48.裙状部138具有注射通道142。注射通道142布置成与密封材料注射装置相互连接以提供密封材料经由注射通道142流动通过裙状部进入凹部140。图4c示出了密封材料150注射到环形凹部140中。合适的密封材料是多硫化物密封剂、比如能够从凯密特尔集团(chemetall group)获得的naftoseal(r)mc238b、mc238a或mc780。
49.裙状部还具有呈间隙144形式的出口。间隙144与凹部140流体连通并且布置成在密封材料从注射通道142流动进入凹部140时使空气能够经由间隙144通过裙状部逸出凹部140。当凹部140充满时，然后凹部中的压力增加，直到该其迫使密封材料150经由间隙144通过裙状部逸出凹部。当在视觉上观察到密封材料150流动离开间隙144时，比如图4c中所示的，来自密封材料注射装置的密封材料150的流动停止。在其他实施方式中，可以在裙状部138中形成更正式的出口以代替间隙144。
50.可以为所示的那些凹部提供替代的密封剂布置。例如，凹部可以预先填充有密封材料，或者一个部分、比如环形裙状部可以相对于另一部分、比如帽本体移动。
51.一旦在凹部140中提供密封材料150，然后允许密封材料150固化，从而使固化的密封材料留在凹部140中，固化的密封材料将帽130紧固至结构件110并围绕由帽本体132形成的腔而形成密封。密封材料150绕帽130的周缘形成环形凸沿，密封材料的凸沿用于对帽本体132内部的空气腔进行密封以便防止排气产物逸出，并且将帽130粘附至结构件110。这种密封防止水或其他污染物进入腔，并且还防止在雷击的情况下等离子体或其他排气产物离开腔。
52.帽130的所有部分通过注射模制或类似方式一体地形成。合适的材料是玻璃填充的聚醚酰亚胺(pei)树脂，比如能够从沙基工业股份创新塑料控股有限公司(sabic innovative plastics holding bv)获得的ultem2400或ultem 2310，或者尼龙pa6、尼龙pa66或尼龙pa12。
53.在图5中示出了紧固系统的替代性实施方式。结构件110和紧固件类似于上面已经描述的实施方式。存在结构件110、比如飞行器蒙皮面板110a连结至另一部件、比如另一面板110b。紧固件120延伸穿过结构件110。结构件110在该实施方式中是复合飞行器结构部件，但可以是混合的复合-金属部件。紧固件120延伸穿过结构件110中的孔113。替代性紧固系统还包括火花防护帽200，该火花防护帽200被示出处于紧固件120的尾端上的位置。
54.紧固件120包括螺栓121，该螺栓121包括轴向延伸的轴122、轴的头部123以及绕轴122配装的紧固件套筒124。轴122在其外周上在其尾端处具有螺纹部分，尾端是与轴123的头部所在的端部相反的端部。也可称为管状套筒的紧固件套筒124在其内周上具有对应的螺纹，使得轴122上和紧固件套筒124上的对应螺纹与彼此接合，并且紧固件套筒124将在轴122旋转时沿着轴122行进。单面紧固件120还具有绕螺栓121的头部端部设置的轴环125。轴环125允许螺栓121更容易地在结构件110的孔113内旋转。轴环125抵接头部123，并且在另一端部处具有凸缘125a。头部123和轴环125的对应部分具有用于被接纳在结构件110中形成的埋头孔中的埋头孔表面。
55.在紧固件120安装到结构件110中期间，紧固件120滑动通过面板110中的孔113，直到凸缘125a已经至少穿过面板110的另一侧部。然后轴121旋转，这导致紧固件套筒124由于轴121上和套筒124上的对应螺纹部分而被朝向头部端部拉动。随着紧固件套筒124被拉动，管状套筒124在凸缘125a处接触轴环125并变形，从而向外张开以在面板110的与轴的头部123相反的侧部上形成扩展部分124a，如图5中所示。
56.在本文中可简称为帽200的火花防护帽200具有帽本体202，该帽本体202限定了空气腔，其封围紧固件的端部，如图5中所示。帽200还具有环形基部204，该环形基部204终止于基部边缘204a。基部边缘204a围绕通向帽本体132中的空气腔的开口，并且布置成在帽
200配装在紧固件120的端部的上时绕结构件110的整个外周与结构件110的平坦表面接合并且抵接，如在图5中所示。
57.呈钩状部205形式的附接特征在基部边缘204a处形成在帽本体204的下部内侧端部处。在本实施方式中，帽200形成有六个钩状部250，然而钩状部的数目可以不同。钩状部250作为卡扣配合被接纳在紧固套筒124的扩展部分124a与结构件110的平坦表面之间，并且提供保持力以将帽200在紧固件120的尾端的上保持就位并且抵靠结构件110至少直到更牢固的粘合剂或密封剂可以被施加并且固化为止。
58.帽200还包括部分地围绕帽本体204的第二壁220。在与帽本体204的基部边缘204a接近的端部处，第二壁220包括向外扩开的环形裙状部222。环形裙状部222包括裙状部边缘(未示出)，该裙状部边缘大致绕裙状部边缘的整个外周而接触结构件110的平坦表面。
59.环形凹部224设置在第二壁220与帽本体204之间。环形凹部用作环形密封容积部。由于环形裙状部222的扩开形状，凹部224的径向宽度随着其朝向帽200的开口端部延伸而增加。
60.第二壁220具有注射通道226以为帽200提供侧部注射端口。注射通道226布置成与密封材料注射装置相互连接，以提供密封材料经由注射通道226通过裙状部流动进入凹部224。图6示出了密封材料230被注射到环形凹部224中。合适的密封材料是多硫化物密封剂、比如能够从凯密特尔集团获得的naftoseal(r)mc238b、mc238a或mc780。
61.裙状部222具有呈多个间隙228形式的出口。间隙228与凹部224流体连通并且布置成在密封材料从注射通道226流动进入凹部224时使空气能够经由间隙228通过裙状部逸出凹部224。当凹部224被充满时，凹部中的压力增加，直到其迫使密封材料230经由间隙228通过裙状部逸出凹部。当在视觉上观察到密封材料230流动离开间隙228时，比如在图6中所示的，来自密封材料注射装置的密封材料230的流动停止。在其他实施方式中，可以在裙状部222中形成更正式的出口以代替间隙228。
62.间隙228的替代方案可以是裙状部222围绕裙状部边缘的整个外周与结构件的平坦表面等距。在这种情况下，当凹部224被充满时，密封材料会均匀地溢出。
63.一旦在凹部224中提供密封材料230，然后允许密封材料230固化，从而将固化的密封材料留在凹部224中，该固化的密封材料将帽200紧固至结构件110并且绕由帽本体202形成的腔形成密封。密封材料230形成绕帽200的周缘的环形凸沿，密封材料的凸沿用于对帽本体202内部的空气腔进行密封以便防止排气产物逸出，并且将帽200粘附至结构件110。这种密封防止水或其他污染物进入腔，并且还防止在雷击的情况下等离子体或其他排气产物离开腔。
64.帽200的所有部分通过注射成型或类似方式一体地形成。合适的材料是玻璃填充的聚醚酰亚胺(pei)树脂，比如能够从沙基工业股份创新塑料控股有限公司获得的ultem 2400或ultem 2310，或者尼龙pa6、尼龙pa66或尼龙pa12。
65.在图7中示出了结合前述实施方式两者的特征的紧固系统300的另一替代性实施方式。结构件110和紧固件120类似于以上已经描述的实施方式。紧固件120及其安装到结构件中的方式前面已经进行了描述，并且因此将不进行重复。
66.在本文中可以简称为帽320的火花防护帽320具有帽本体322，该帽本体322限定了空气腔，其封围紧固件的端部。帽322还具有环形基部324，该环形基部324终止于基部边缘
324a。基部边缘324a围绕通向帽本体322中的空气腔的开口，并且布置成在帽320配装在紧固件120的端部的上时绕结构件110的整个外周与结构件110的平坦表面接合并且抵接，如在图7中所示。
67.帽320还包括形成帽本体322的一部分的帽上部326。帽上部的内周具有采用螺纹表面326a的形式的紧固件接合部分。螺纹表面326a的螺纹与紧固件120的轴122上的螺纹对应，并且帽上部326定尺寸成使得其将与轴的暴露的尾端122a接合。在替代性实施方式中，帽上部326可以不具有内螺纹，而是可以设置有替代性紧固件接合部分、例如一个或更多个肋部或脊部，该肋部或脊部仍然能够与轴的暴露部分122a的外周上的螺纹成功地接合，以将帽320在紧固件120的尾端的上保持就位。
68.一个或更多个空气通道(未示出)可以通过紧固件接合部分设置在帽上部326中以允许空气通过空气通道逸出，以避免在轴的端部122a进入帽上部136时在帽上部136中建立局部正空气压力，这会降低帽与紧固件之间的接合的效果。
69.除了由帽上部326中的紧固件接合部分提供的保持力之外，帽320还包括在基部边缘324a处形成在帽本体322的下部内侧端部处的呈钩状部330的形式的附接特征。在本实施方式中，帽320形成有六个钩状部330，然而钩状部的数目可以不同。钩状部330作为卡扣配合被接纳在紧固套筒124的扩展部分124a与结构件110的平坦表面之间，并且提供附加的保持力以将帽320在紧固件120的尾端的上保持就位并且抵靠结构件110。
70.在帽上部326中的紧固件接合部分的接合以及钩状部330的接合一起提供足够强的保持力，以将帽320在紧固件120的尾端的上保持就位并且抵靠结构件110，至少直到更强的粘合剂或密封剂可以被施加并且固化为止。
71.帽320还包括与上面关于图4a、图4b和图4c描述的类型相同的环形裙状部328。因此，对环形裙状部328以及密封材料可以被注射到由环形裙状部328形成的环形凹部329内的方式的描述与上述相同，并且将不进行重复。
72.图8示出了紧固系统400的另一替代性实施方式。紧固系统400大致上与图7的紧固系统300类似，并且因此将不进行详细描述。替代地，将仅描述两者之间的差异。
73.在紧固系统400中，紧固件120还包括在结构件110与紧固套筒124的扩展部分124a之间的呈垫圈410的形式的间隔件。
74.垫圈410在结构件110与扩展部分124a之间提供更大的距离，使得可以在基部边缘处在帽本体的下部内侧端部处形成有更大的钩状部430。垫圈410设置有成角度的面，该成角度的面与钩状部430上对应的成角度的面抵接。因此，钩状部能够更好地接合在紧固套筒124的扩展部分124a的后面，并且可以实现由钩状部提供更大的保持力。
75.在出现词语“或”的情况下，该词语“或”应当被解释为指“和/或”，使得所涉及的物体不一定是相互排斥的并且可以以任何适当的组合使用。
76.尽管以上已经参考一个或更多个优选实施方式对本发明进行了描述，但是将理解的是，可以在不背离如所附权利要求书中限定的本发明的范围的情况下做出各种改变和改型。