DE102005003297A1

DE102005003297A1 - Flugzeug mit einer Rumpfhecksektion zur Anbindung von Höhen- und Seitenleitwerken

Info

Publication number: DE102005003297A1
Application number: DE102005003297A
Authority: DE
Inventors: Reiner Dipl.-Ing. Curtius; Herbert Dipl.-Ing. Hörnlein (FH); Juan Dipl.-Ing. Perez-Sanchez; Gerd Dr.-Ing. Schuhmacher
Original assignee: EADS Deutschland GmbH
Current assignee: Premium Aerotec GmbH
Priority date: 2005-01-24
Filing date: 2005-01-24
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2025-01-25
Also published as: ES2277774B2; DE102005003297B4; ES2277774A1

Abstract

Zur Anbindung des Höhen- und Seitenleitwerkes angepasste Rumpfhecksektion eines Flugzeuges mit Seitenleitwerksabschnitt (SA) und Höhenleitwerksabschnitt (HA), die miteinander verbunden sind, wobei der Höhenleitwerksabschnitt (HA) einen vorderen Endspant (40) und einen hinteren Endspant (60) mit jeweils aussteifendem Tragwerk umfasst und Endspante (40, 60) durch Torsionskästen (50r, 50l) und Längsversteifungsstreben (80r, 80l) steif miteinander verbunden sind.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine zur Anbindung des Höhen- und Seitenleitwerkes angepasste, als lasttragende Struktur ausgebildete im wesentlichen, tonnenförmige Rumpfhecksektion eines Flugzeugs mit in Querebenen verlaufenden Spanten, in Längsrichtung verlaufenden Stringern und einer Außenbeplankung und mit einer im wesentlichen horizontal verlaufenden Queröffnung für die Hindurchführung des Höhenleitwerks.

Die Rumpfhecksektion eines Flugzeugs, insbesondere eines Transportflugzeugs, an welcher Höhen- und Seitenleitwerk angeschlossen sind, erfordert wegen der Einleitung großer Leitwerkskräfte hohe Tragfähigkeit. Konventionelle Gestaltungen der Struktur solcher Rumpfhecksektionen orientieren sich an der traditionellen Stringer-Spant-Außenhaut-Bauweise mit lokaler Lasteinleitung der Leitwerkskräfte. Diese lokalen Lasteintragungen führen zu erheblichen lokalen Spannungserhöhungen, insbesondere am Rumpfausschnitt des Höhenleitwerks und bedingen dadurch erhebliche Materialstärken und dadurch wiederum erhebliches Mehrgewicht. Ein zu schweres Rumpfheck hat darüber hinaus noch den Nachteil einer Verlagerung des Schwerpunktes des Flugzeugs nach hinten. Dadurch verschlechtert sich die statische Stabilität des Flugzeugs. Die erforderliche Kompensation wäre eine Verschiebung der Tragflächen oder des Auftriebspunktes nach hinten, was wiederum eine Verkleinerung des „aerodynamischen Hebels" zu den Leitwerken zur Folge hätte. Durch diese Verkleinerung des Hebels würden größere Leitwerksflächen gebraucht um die Manövrierbarkeit des Flugzeugs beizubehalten, womit sich als Konsequenz wieder eine Erhöhung der Leitwerkskräfte und damit eine Verstärkung und Erhöhung des Gewichts der Struktur der Rumpfsektion ergäbe.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Rumpfhecksektion eines Flugzeugs nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so auszubilden, dass durch eine räumliche Strukturgestaltung eine möglichst gewichtsoptimale Verteilung der von den Leitwerken eingeleiteten Kräfte über die gesamte Struktur erfolgt. Hierdurch werden die inneren Lasten minimiert, Spannungsspitzen vermieden und dementsprechend Baugewicht für die Strukturelemente und die Gesamtstruktur eingespart.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, dass die Rumpfhecksektion eines Flugzeugs nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 die folgenden Merkmale aufweist:

a) Die Rumpfhecksektion (2) besteht aus einem in Flugrichtung (F) vorderen Seitenleitwerksabschnitt (SA) und einem hinteren Höhenleitwerksabschnitt (HA), die miteinander verbunden sind;
b) Der Höhenleitwerksabschnitt (HA) umfasst einen vorderen Endspant (40) und einen hinteren Endspant (60) mit jeweils in der Spantebene aussteifendem Tragwerk aus Versteifungsstreben (Horizontalstreben HS, Diagonalstreben DS), die quasi orthogonal zueinander ausgerichtet sind und miteinander Lastknoten (KN) ausbilden.
c) Die Endspante (40, 60) sind unter Freihaltung der trapezförmigen Querschnitt aufweisenden Queröffnung für die Aufnahme des schwenkbar am hinteren Endspant (60) gelagerten Höhenleitwerkskastens (70) steif miteinander verbunden;
d) Die steife Verbindung der Endspante (40, 60) erfolgt über symmetrisch zur vertikalen Mittellängsebene der Rumpfhecksektion im oberen Bereich des Höhenleitwerksabschnitts (HA) gebildete Torsionskästen (50r, 50l) und im unteren Bereich des Höhenleitwerksabschnitts (HA) durch im wesentlichen in Flugrichtung (F) verlaufende Längsversteifungsstreben (80r, 80l), welche an Lastknoten (KN) der Endspante (40, 60) angeschlossen sind.

Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Ausbildung der lasttragenden Struktur besteht in der gewichtsoptimalen, gleichmäßigeren Verteilung der eingeleiteten Hauptlasten, die durch die entsprechende Gestaltung der inneren Struktur der Rumpfhecksektion erreicht werden kann. Die hier in den Vordergrund gestellte Gestaltung des Höhenleitwerksabschnittes HA mit aussteifenden Tragwerken der Endspante und die steife Verbindung der Endspante durch Torsionskästen und an Lastknoten angeschlossene Längsversteifungsstreben ergibt insgesamt ein Maximum an Steifigkeit bei minimalem Materialeinsatz. Dabei ist der näherungsweise orthogonal gestaltete Lastpfadverlauf zu den Lastknoten besonders wirkungsvoll.

Eine erste vorteilhafte Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Rumpfhecksektion besteht darin, dass die Torsionskästen (50r, 50l) jeweils gebildet sind aus:

a) einer horizontal liegenden, im wesentlichen Dreiecksform aufweisenden Schubwand (52),
b) einer entlang einer Längskante der horizontalen Schubwand (52) an diese angeschlossenen Vertikalschubwand (53),
c) einem im wesentlichen senkrecht zu den beiden Schubwänden (52, 53) sich erstreckenden Sektor (54) des vorderen Endspantes (40) und
d) der sich über den von den Schubwänden (52, 53) und dem Sektor (54) gebildeten Raumsektor erstreckenden Außenbeplankung (55).

Die erfindungsgemäße Gestaltung der Torsionskästen mit vertikalen Schubfeldern und horizontalen Schubfeldern ergibt hohe Torsionssteifigkeit des Höhenleitwerksabschnittes bei gleichzeitig effizienter Übertragung und Verteilung der Höhenleitwerkslasten, wodurch Lastspitzen und Strukturgewicht in der Außenbeplankung reduziert werden. Darüber hin aus wird durch die verbesserte Wölbbehinderung sichergestellt, dass unzulässige Verformungen und Auslenkungen der Leitwerke vermieden werden.

Zur Gewichtsoptimierung der Torsionskästen ist es vorteilhaft, wenn die Schubwände diagonale Versteifungsstreben einschließen oder aus diagonalen Fachwerksstreben gebildet sind.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung soll das den hinteren Endspant des Höhenleitwerksabschnitts HA aussteifende Tragwerk im wesentlichen aus zwei vertikal beabstandeten Horizontalstreben und aus Diagonalstreben aufgebaut sein, die mit den Horizontalstreben Lastknoten ausbilden.

Wenn, was in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen wird, die Diagonalstreben lösbare Abschnitte aufweisen, welche die kolinear im Endspant angeordneten Achsstummel für die Lagerung des Höhenleitwerkskasten abstützen, wird bei guter Montierbarkeit der Achsstummel für die Lagerung des Höhenleitwerkskastens gleichzeitig maximale Lagersteifigkeit für das Höhenleitwerks erzielt.

Die erfindungsgemäße Ausbildung einer Rumpfhecksektion mit weiteren vorteilhaften Ausgestaltungen wird anhand von Ausführungsbeispielen, die in den Zeichnungen dargestellt sind, beschrieben.
In den Zeichnungen zeigen
1 ein Transportflugzeug mit einer Rumpfhecksektion, an der Höhen- und Seitenleitwerk angeschlossen sind,
2 eine vergrößerte Darstellung der Rumpfhecksektion aus 1, wobei für die Leitwerke nur der tragende Seitenleitwerkskasten 90 und der tragende Höhenleitwerkskasten 70 gezeigt sind,
3 einen schematischen Mittellängsschnitt durch die Rumpfhecksektion nach 2 mit der Aufteilung in einen Seitenleitwerksabschnitt SA und einen Höhenleitwerksabschnitt HA,
4 eine schematische Draufsicht auf eine Rumpfhecksektion 2 mit Seitenleitwerksabschnitt SA und Höhenleitwerksabschnitt HA ohne Außenbeplankung,
5 ein Schrägbild der Struktur des Höhenleitwerksabschnittes HA entsprechend 4,
6 eine Ansicht in Flugrichtung F des hinteren Endspantes des Höhenleitwerksabschnittes HA,
7 ein Schrägbild der gesamten Rumpfsektion mit eingesetztem Höhenleitwerkskasten in einer Ansicht entsprechend der Ansicht von 5.
8 eine Ansicht entgegen der Flugrichtung F des vorderen Endspants des Höhenleitwerksabschnittes HA und
9 eine Ansicht der Rumpfhecksektion entsprechend 3 mit eingesetztem Höhenleitwerkskasten.
Das in 1 im Schrägbild dargestellte Transportflugzeug 1 weist zur Anbindung des Höhenleitwerks 7 und des Seitenleitwerks 9 eine dafür erfindungsgemäß gestaltete Rumpfhecksektion 2 auf.
In 2 ist die Rumpfhecksektion 2 im Schrägbild in Außenansicht dargestellt, wobei eine Außenbeplankung mit 8 bezeichnet ist, welche den Seitenleitwerksabschnitt SA und den Höhenleitwerksabschnitt HA umfasst. Vom Seitenleitwerk 9 ist nur der tragende Seitenleitwerkskasten 90 gezeigt, der an Anschlussbeschlägen 21, 41 befestigt ist. Auch vom Höhenleitwerk 7 ist nur der tragende Höhenleitwerkskasten 70 gezeigt, dessen Schwenkachse 76 strichpunktiert angedeutet ist. Die Blickrichtung in 2 in das innere der Rumpfhecksektion 2 entgegen der Flugrichtung F zeigt auch den vorderen Endspant 20 des Seitenleitwerksabschnittes SA und den vorderen Endspant 40 des Höhenleitwerksabschnittes HA sowie nicht näher bezeichnete, dazwischen angeordnete Spante.
Die in 3 dargestellte Mittellängsansicht der Rumpfhecksektion 2 zeigt deren Aufteilung in den vorderen Seitenleitwerksabschnitt SA und den hinteren Höhenleitwerksabschnitt HA, die beide miteinander steif verbunden sind.
Der Höhenleitwerksabschnitt HA umfasst einen vorderen Endspant 40 und einen hinteren Endspant 60. Die beiden Endspante sind unter Freihaltung einer trapezförmigen Querschnitt aufweisenden Queröffnung für die Aufnahme des schwenkbar am hinteren Endspant 60 an Achsstummeln 61 zu lagernden Höhenleitwerkskastens steif miteinander verbunden und zwar im oberen Bereich des Höhenleitwerksabschnitts HA durch symmetrisch zur vertikalen Mittellängsebene der Rumpfhecksektion angeordnete Torsionskästen 50 und im unteren Bereich durch ebenfalls symmetrisch zur vertikalen Mittellängsebene der Rumpfhecksektion verlaufende Längsversteifungsstreben 80.
Die Gestaltung der Torsionskästen 50 wird anhand der 4, 5 und 7 weiter erläutert. Jeder der Torsionskästen 50r und 50l wird gebildet aus einer horizontal liegenden, im wesentlichen Dreiecksform aufweisenden Schubwand 52 (siehe 5), sowie einer entlang der Längskante der horizontalen Schubwand 52 an diese angeschlossenen Vertikalschubwand 53 (4 und 5). Wie am besten aus der Draufsicht gemäß 4 zu ersehen, verlaufen die Vertikalschubwände 53r, 53l im wesentlichen in Flugrichtung mit geringer Neigung nach hinten außen. Weiterhin werden die Torsionskästen 50r, 50l durch jeweils im wesentlichen senkrecht zu den beiden Schubwänden 52, 53 sich erstreckende Sektoren 54r und 54l des vorderen Endspantes 40 gebildet und durch die jeweilige Außenbeplankung 55, die sich über den von den Schubwänden 52, 53 und dem Sektor 54 gebildeten Raumsektor erstreckt, ergänzt. In 5 ist die Beplankung 55l aufgebrochen dargestellt und der Torsionskasten 50r mit aufgebrachter Beplankung. Die Schubwände 52, 53 schließen jeweils Versteifungsstreben 57 ein oder werden aus Fachwerksstreben 56 gebildet (vergl. 5).
Die Gestaltung des den hinteren Endspant 60 aussteifenden Tragwerks mit zwei vertikal beabstandeten Horizontalstreben 64, 66 und den Diagonalstreben 63, 65, die mit den Horizontalstreben 64, 66 Lastknoten KN ausbilden, ist am deutlichsten den 5 und 6 zu entnehmen. Durch die Ausbildung der Diagonalstreben 63, 65 mit lösbaren Abschnitten 67 für die Abstützung der Achsstummel 61r, 61l für die Lagerung des Höhenleitwerkskastens 70 stellt sicher, dass sowohl eine optimale Lastverteilung im Tragwerk möglich ist als auch eine gute Montierbarkeit der Achsstummel.
Die Gestaltung des vorderen Endspants 40 des Höhenleitwerksabschnittes HA ergibt sich aus 8. Der obere Bereich des vorderen Endspants 40 weist durch obere Versteifungsstreben 43r, 43l, die im wesentlichen orthogonal zueinander gerichtet sind und sich in einem Lastknoten treffen, V-förmige Kontur auf, wobei die oberen Enden der V-Schenkel mit weiteren im wesentlichen vertikal ausgerichteten Versteifungsstreben 45 obere Lastknoten 44 ausbilden, in denen Seitenleitwerksbeschläge 41r, 41l befestigt sind. Die Seitenleitwerksbeschläge 41r, 41l sind nach oben mit An schlussaugen für die Befestigungsbolzen des Seitenleitwerkskastens 90 versehen und weisen nach unten offene V-förmige, zur Befestigung an den oberen Versteifungstreben 43 angepasste Winkelstummel 42 auf. Durch diese Ausgestaltung können die extrem hohen Kräfte aus den Seitenleitwerksanschlüssen besonders günstig in die Struktur des Höhenleitwerksabschnittes der Rumpfhecksektion eingeleitet werden. Eine weitere Funktion der Seitenleitwerksbeschläge 41 besteht darin, dass durch Queranschlussaugen 92 für die Befestigung von Querkraftlaschen 91 des Seitenleitwerkskastens 90 eine gute Querkrafteinleitung erreicht wird. Die Querkraftlaschen 91 sind mit ihren jeweils anderen Enden an einen Mittelsteg 95 des Seitenleitwerkskastens 90 befestigt.
Wie in 9 gezeigt, erfolgt eine steife Verbindung von Seitenleitwerksabschnitt SA und Höhenleitwerksabschnitt HA vorteilhaft dadurch, dass der vordere Endspant 40 des Höhenleitwerksabschnitts HA gleichzeitig hinterer Endspant des Seitenleitwerksabschnitts ist. Ein vorzugsweise in Flugrichtung F kräfteübertragendes Stützelement 30 ist zwischen den Endspanten 20 und 40 eingesetzt und zwar so, dass es sich an den oberen Lastknoten 44 des Spantes 40 und optional an weiteren Lastknoten KN der Endspante 20, 40 abstützt. Das Stützelement 30 ist mit räumlich geneigten Diagonalstreben 32 ausgebildet und weist eine im wesentlichen horizontal verlaufende Grundplatte 34 auf (vergl. 4). Die Grundplatte 34 des Stützelements 30 trägt ein Stützlager 35 für die Gelenkspindel 72 des Höhenleitwerks 78 (siehe 9). In 9 ist die eine Endposition des schwenkbaren Höhenleitwerkskastens 70 dargestellt.

Claims

Zur Anbindung des Höhen- und Seitenleitwerkes angepasste als lasttragende Struktur ausgebildete, im wesentlichen tonnenförmige Rumpfhecksektion eines Flugzeugs mit in Querebenen verlaufenden Spanten, in Längsrichtung verlaufenden Stringern und einer Außenbeplankung und mit einer mit einer im wesentlichen horizontal verlaufenden Queröffnung für die Hindurchführung des Höhenleitwerks, gekennzeichnet durch folgende Merkmale, a) Die Rumpfhecksektion (2) besteht aus einem in Flugrichtung (F) vorderen Seitenleitwerksabschnitt (SA) und einem hinteren Höhenleitwerksabschnitt (HA), die miteinander verbunden sind; b) Der Höhenleitwerksabschnitt (HA) umfasst einen vorderen Endspant (40) und einen hinteren Endspant (60) mit jeweils in der Spantebene aussteifendem Tragwerk aus Versteifungsstreben (Horizontalstreben NS, Diagonalstreben DS), die quasi orthogonal zueinander ausgerichtet sind und miteinander Lastknoten (KN) ausbilden. c) Die Endspante (40, 60) sind unter Freihaltung der trapezförmigen Querschnitt aufweisenden Queröffnung für die Aufnahme des schwenkbar am hinteren Endspant (60) gelagerten Höhenleitwerkskastens (70) steif miteinander verbunden; d) Die steife Verbindung der Endspante (40, 60) erfolgt über symmetrisch zur vertikalen Mittellängsebene der Rumpfhecksektion im oberen Bereich des Höhenleitwerksabschnitts (HA) gebildete Torsionskästen (50r, 50l) und im unteren Bereich des Höhenleitwerksabschnitts (HA) durch im wesentlichen in Flugrichtung (F) verlaufende Längsversteifungsstreben (80r, 80l), welche an Lastknoten (KN) der Endspante (40, 60) angeschlossen sind.
Rumpfhecksektion eines Flugzeugs nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Torsionskästen (50r, 50l) jeweils gebildet sind aus: a) einer horizontal liegenden, im wesentlichen Dreiecksform aufweisenden Schubwand (52), b) einer entlang einer Längskante der horizontalen Schubwand (52) an diese angeschlossenen Vertikalschubwand (53), c) einem im wesentlichen senkrecht zu den beiden Schubwänden (52, 53) sich erstreckenden Sektors (54) des vorderen Endspantes (40) und d) der sich über den von den Schubwänden (52, 53) und dem Sektor (54) gebildeten Raumsektor erstreckenden Außenbeplankung (55).
Rumpfhecksektion eines Flugzeugs nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schubwände (52, 53) diagonale Versteifungsstreben (57) einschließen oder aus diagonalen Fachwerksstreben (56) gebildet sind.
Rumpfhecksektion eines Flugzeugs nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das den hinteren Endspant (60) aussteifende Tragwerk im wesentlichen aus zwei vertikal beabstandeten Horizontalstreben (64, 66) und aus Diagonalstreben (63, 65), die mit den Horizontalstreben (64, 66) Lastknoten KN ausbilden, aufgebaut ist.
Rumpfhecksektion eines Flugzeugs nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagonalstreben (63, 65) lösbare Abschnitte aufweisen, welche die kolinear im Endspant (60) angeordneten Achsstummel (61R, 61L) für die Lagerung des Höhenleitwerkskasten (70) abstützen.
Rumpfhecksektion eines Flugzeugs nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der vordere Endspant (40) des Höhenleitwerksabschnittes (HA) gleichzeitig hinterer Endspant des Seitenleitwerksabschnittes (SA) ist und im oberen Be reich durch obere Versteifungsstreben (43R, 43L) V-förmige Kontur aufweist, wobei die Enden der V-Schenkel mit weiteren Versteifungsstreben (45) ein Paar von oberen Lastknoten (44R, 44L) ausbilden, in denen Seitenleitwerksbeschläge (41R, 41L) befestigt sind.
Rumpfhecksektion eines Flugzeugs nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenleitwerksbeschläge 41), wie an sich bekannt, nach oben Anschlussaugen für Befestigungsbolzen des Seitenleitwerks (9) aufweisen und nach unten als offene V-förmige, zur Befestigung an den oberen Versteifungsstreben (43) angepasste Winkelstummel (42) ausgebildet sind.
Rumpfhecksektion eines Flugzeugs nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenleitwerksbeschläge (41) Queranschlussaugen (92) für die Befestigung von Querkraftlaschen (91R, 91L) des Seitenleitwerkskastens (90) aufweisen.
Rumpfhecksektion eines Flugzeugs nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Endspanten (20, 40) des Seitenleitwerkabschnittes (SA) ein vorzugsweise in Flugrichtung (F) kräfteübertragendes Stützelement (30) eingesetzt ist, welches sich an den oberen Lastknoten (44) und optional an weiteren Lastknoten (KN) der Endspante (20, 40) abstützt.
Rumpfhecksektion eines Flugzeugs nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützelement (30) mit räumlich geneigten Diagonalstreben (32) ausgebildet ist.
Rumpfhecksektion eines Flugzeugs nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Stützelement (30) eine im wesentlichen horizontal verlaufende Grundplatte (34) aufweist.
Rumpfhecksektion eines Flugzeugs nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass an der Grundplatte (34) das Stützlager (35) für die Schwenkspindel (72) des Höhenleitwerkskastens (70) angeschlossen ist.
Rumpfhecksektion eines Flugzeugs nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass Teilbereiche der Endspante (20, 40, 60) durch Schubwände ausgesteift sind.
Rumpfhecksektion eines Flugzeugs nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass einzelne Strukturelemente und/oder die Gesamtstruktur aus Leichtmetall oder auch aus faserverstärktem Werkstoff aufgebaut werden können.