DE102009013511B4

DE102009013511B4 - Fensterelement für ein doppelschaliges Hautfeld einer Flugzeugrumpfzelle

Info

Publication number: DE102009013511B4
Application number: DE102009013511.1A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Dolzinski Wolf-Dietrich; Dipl.-Ing. Heltsch Norbert; Dipl.-Ing. Hartwig Arne; Dr.-Ing. Müller Markus; Dipl.-Ing. Weber Markus Joerg; Dipl.-Ing. Prowe Jens-Ulrich; Dr.-Ing. Jörn Paul
Original assignee: EADS Deutschland GmbH; Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH; Airbus Operations GmbH
Priority date: 2009-03-17
Filing date: 2009-03-17
Publication date: 2015-05-21
Anticipated expiration: 2029-03-18
Also published as: US20110042516A1; DE102009013511A1; US8720826B2

Abstract

Fensterelement (1) für ein doppelschaliges Hautfeld (5) einer Flugzeugrumpfzelle, wobei das Hautfeld (5) eine Kernstruktur (6) mit einer inneren und einer äußeren Decklage (7, 8) aufweist und das Fensterelement (1) einen Fensterrahmen (2) mit einem darin aufgenommenen Fensterpaket (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in das doppelschalige Hautfeld (5) eine Ausnehmung (4) zur Aufnahme des Fensterrahmens (2) eingebracht ist, wobei der Fensterrahmen (2) mittels eines umlaufenden und an der Kernstruktur (6) zumindest bereichsweise anliegenden Leibungsprofils (12) mit dem doppelschaligen Hautfeld (5) verbunden ist, und wobei eine äußere Decklagenausnehmung (9) eine kleinere Erstreckung aufweist als eine innere Decklagenausnehmung (10), und eine Kernstrukturausnehmung (11) eine größere Erstreckung als die innere Decklagenausnehmung (10) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fensterelement für ein doppelschaliges Hautfeld einer Flugzeugrumpfzelle, wobei das Hautfeld eine Kernstruktur mit einer inneren und einer äußeren Decklage aufweist und das Fensterelement einen Fensterrahmen mit einem darin aufgenommenen Fensterpaket aufweist.
Flugzeugrumpfzellen für große Flugzeuge werden zurzeit überwiegend mit monolithischen Hautfeldern gebildet. Zur Aussteifung sind innenseitig eine Vielzahl von parallel zur Flugrichtung zueinander beabstandet verlaufende Längssteifen auf den monolithischen Hautfeldern vorgesehen. Darüber hinaus ist eine Vielzahl von Ringspanten innenseitig auf den Hautfeldern angeordnet, die jeweils quer zur Flugrichtung ausgerichtet sind. Die derart verstärkten monolithischen Hautfelder werden im Wege der Mehrschalenbauweise zu tonnenartigen Rumpfsektionen komplettiert und anschließend durch ein hintereinander Anreihen zu einer vollständigen Flugzeugrumpfzelle gefügt.
Ferner sind doppelschalige Hautfelder zur Herstellung von Rumpfzellenstrukturen bekannt, bei denen eine Kernstruktur beidseitig mit einer inneren und einer äußeren Decklage zur Schaffung eines zumindest eindimensional gekrümmten sandwichartigen Aufbaus versehen ist. Bei der verwendeten Kernstruktur handelt es sich um ein beliebiges räumliches Gebilde, zum Beispiel in der Form eines honigwabenförmigen Kerns, eines Schaumkerns oder eines Faltwabenkerns, zur bevorzugt gleichmäßigen Beabstandung der Decklagen.
Die doppelschaligen Hautfelder weisen unter anderem den Vorteil auf, dass nur noch eine erheblich reduzierte Anzahl von Längssteifen und Ringspanten zur Verstärkung erforderlich ist, wodurch sich der Herstellungsaufwand und das Gewicht reduzieren. Im Idealfall kann vollständig auf Spante und Längssteifen verzichtet werden. Darüber hinaus verfügt ein doppelschaliges Hautfeld über ausgezeichnete thermische Isoliereigenschaften, so dass die ansonsten bei monolithischen Hautfeldern erforderliche zusätzliche thermische Primärisolation mit Dämmstoffmaterial zumindest teilweise entfallen kann. Weiterhin ist es bekannt, Rumpfzellenstrukturen mit Rumpfsektionen zu bilden, die mit einer Kombination von monolithischen und doppelschaligen Hautfeldern hergestellt sind, um die spezifischen Vorteile der Bauweisen zu kombinieren.
Unbeschadet der Verwendung von monolithischen Hautfeldern und/oder doppelschaligen Hautfeldern zur Herstellung einer Rumpfsektion ist es in der Regel aus psychologischen Gründen, zumindest im Fall von Passagierflugzeugen, unabdingbar eine Vielzahl von Fenstern in die Rumpfzellenstruktur zu integrieren. Die Fenster stellen in statischer Hinsicht jedoch eine erhebliche Schwächung der Primärstruktur dar und bedingen im Allgemeinen eine Gewichtserhöhung. Aus dem Stand der Technik ist demzufolge eine Vielzahl von gewichtsoptimierten Einbaulösungen für Fenster in Flugzeugrumpfzellen bekannt.
Aus der DE 10 2005 058 749 A1 ist zum Beispiel eine gewichts- und festigkeitsoptimierte Lösung zur Integration eines Fensters in ein monolithisches Hautfeld unter Verwendung eines umlaufenden Andruckrahmens bekannt.
Die US 2008/0217479 A1 offenbart ein Fensterelement für ein doppelschaliges Hautfeld einer Flugzeugrumpfzelle, wobei das Hautfeld eine Kernstruktur mit einer inneren und einer äußeren Decklage aufweist. Das doppelschalige Hautfeld weist eine Ausnehmung zur Aufnahme des Fensterelementes auf. Das Fensterelement besteht aus einem Fensterrahmen und einem Fensterpaket, das in den Fensterrahmen eingesetzt und mittels Clips daran befestigt wird. Das Fensterpaket besteht aus zwei Scheiben, die über ein Profil zueinander beabstandet sind.
Weiterer Stand der Technik ist in der DE 197 39 291 C1 , US 3 429 530 A , US 6 736 352 B2 , US 2008/0169380 A1 und in der US 2004/021334 A1 gezeigt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fensterelement zu schaffen, das eine gewichtsoptimierte und hierbei zugleich in statischer Hinsicht vorteilhafte Integration eines Fensters in ein doppelschaliges Hautfeld erlaubt.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch ein Fensterelement nach Maßgabe des Patentanspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass in das doppelschalige Hautfeld eine Ausnehmung zur Aufnahme des Fensterrahmens eingebracht ist, wobei der Fensterrahmen mittels eines umlaufenden und an der Kernstruktur zumindest bereichsweise anliegenden Leibungsprofils mit dem doppelschaligen Hautfeld verbunden ist, ergibt sich zunächst ein Abschluss der ansonsten im Bereich des Fensterausschnittes offenliegenden Kernstruktur. Darüber hinaus wird durch das in die Kernstruktur integrierte Leibungsprofil die Verwindungssteifigkeit des doppelschaligen Hautfeldes im Bereich der Fensterausnehmung bei vertretbarem Mehrgewicht erhöht, so dass durch das erfindungsgemäße Fensterelement keine relevante statische Schwächung der Primärstruktur eintritt. Darüber hinaus ist vorgesehen, dass eine äußere Decklagenausnehmung eine kleinere Erstreckung aufweist als eine innere Decklagenausnehmung, und eine Kernstrukturausnehmung eine größere Erstreckung als die innere Decklagenausnehmung aufweist. Hierdurch ist sichergestellt, dass ein Herausdrücken des Fensterelementes aus der Rumpfzellenstruktur unter allen denkbaren Betriebszuständen des Flugzeugs verhindert wird.
Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Fensterelementes sieht vor, dass das Leibungsprofil eine C-förmige Querschnittsgeometrie mit einem inneren und einem äußeren parallel zueinander verlaufenden Schenkel aufweist, wobei die Schenkel durch einen Profilsteg verbunden sind.
Infolge dieser Ausgestaltung kann das Leibungsprofil sowohl mit der inneren Decklage als auch mit der äußeren Decklage des doppelschaligen Hautfeldes und gleichzeitig mit beiden Flanschen eines Fensterrahmens zur Aufnahme eines Fensterpaketes verbunden werden. Gleichzeitig ermöglicht der senkrechte Steg den Abschluss der Kernstruktur zur Fensterausnehmung hin. Die mechanische Verbindung der genannten Komponenten kann durch Bolzen, Nieten und/oder zumindest bereichsweises Verkleben erfolgen. Durch das Aufliegen des Fensterelements auf der Innenhaut und der Außenhaut des doppelschaligen Hautfeldes werden Fensterlasten in beide Häute eingetragen.
Eine weitere Ausgestaltung des Fensterelementes sieht vor, dass der äußere Schenkel des Leibungsprofils länger ausgebildet ist als der innere Schenkel des Leibungsprofils.
Hierdurch wird dem Umstand Rechnung getragen, dass die äußere Decklagenausnehmung im Vergleich zur inneren Decklagenausnehmung eine kleinere Erstreckung aufweist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Fensterelementes sind in weiteren Patentansprüchen niedergelegt.
In der Zeichnung zeigt:
1 eine Draufsicht von der Außenseite der Flugzeugrumpfzelle aus auf ein Fensterelement, das in ein doppelschaliges Hautfeld integriert ist, und
2 eine Querschnittsdarstellung entlang der Schnittlinie II-II in der 1.
In der Zeichnung weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils die gleiche Bezugsziffer auf.
Die 1 zeigt eine Draufsicht auf ein erfindungsgemäßes Fensterelement.
Ein Fensterelement 1 umfasst unter anderem ein in einem Fensterrahmen 2 aufgenommenes Fensterpaket 3. Der Fensterrahmen 2 ist innerhalb einer Ausnehmung 4 innerhalb eines doppelschaligen Hautfeldes 5 einer nicht dargestellten Flugzeugrumpfzelle befestigt. Abweichend von der in 1 gezeigten, angenähert oval-elliptischen Kontur des Fensterelementes 1 kann dieses beispielsweise auch eine angenähert kreisförmige oder elliptische Kontur aufweisen.
Die 2 illustriert eine detaillierte Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie II-II in der 1.
Das als Doppelscheibe ausgebildete Fensterpaket 3 ist im Fensterrahmen 2 mittels nicht näher dargestellter Befestigungselemente in seiner Lage fixiert. Das doppelschalige Hautfeld 5 umfasst eine Kernstruktur 6, die mit einer äußeren und einer inneren, angenähert parallel zueinander verlaufenden Decklage 7,8 versehen ist. In die äußere Decklage 7 ist eine äußere Decklagenausnehmung 9, in die innere Decklage 8 ist eine innere Decklagenausnehmung 10 und in die Kernstruktur 6 ist eine Kernstrukturausnehmung 11 eingebracht, die zusammen die gestuft ausgestaltete Ausnehmung 4 zur Integration des Fensterelementes 1 in das doppelschalige Hautfeld 5 der Rumpfzellenstruktur verkörpern.
In die Ausnehmung 4 ist ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Leibungsprofil 12 integriert. Das Leibungsprofil 12 umläuft die angenähert oval-elliptisch konturierte Ausnehmung 4 des doppelschaligen Hautfeldes der Rumpfzellenstruktur innenseitig vollständig und ist bevorzugt einstückig, das heißt nahtlos ausgeführt. Optional kann das Leibungsprofil 12 mehrteilig ausgeführt sein, um unter anderem den Einbau zu erleichtern. Mindestens zwei Leibungsprofilabschnitte mit unter Umständen verschiedenen Längen können bei dieser Ausgestaltung zu einem Leibungsprofil 12 zusammen gefügt werden. Weiterhin ist es denkbar, das Leibungsprofil 12 zwar einstückig aber mit einer nach dem Einbau zusammenfügbaren Trennfuge bzw. einem schmalen Spalt auszubilden.
Auf beiden Seiten der Kernstrukturausnehmung 11 sind jeweils weitere, identisch zum Leibungsprofil 12 ausgestaltete Leibungsprofile 12' und 12' vorgesehen, die gleichfalls einen umlaufenden Abschluss der Kernstruktur 6 zur Integration weiterer, nicht dargestellter Fensterelemente als Teil eines Fensterbandes im doppelschaligen Hautfeld 5 der Flugzeugrumpfzelle bilden. Die weitere Beschreibung kann demzufolge auf die nähere Erläuterung der geometrischen Gestalt des Leibungsprofils 12 beschränkt werden.
Das Leibungsprofil 12 verfügt über einen äußeren Schenkel 13 und einen hierzu parallel verlaufenden inneren Schenkel 14, wobei im gezeigten Ausführungsbeispiel der 2 der äußere und der innere Schenkel 13, 14 durch einen senkrecht verlaufenden Profilsteg 15 verbunden sind. Der Profilsteg 15 liegt an der Kernstruktur 6 an und bewirkt deren Abschluss, insbesondere gegenüber schädlichen atmosphärischen Einflüssen. Der Fensterrahmen 2 verfügt über einen Außenflansch 16 sowie einen hierzu parallel verlaufenden Innenflansch 17, die durch einen im gezeigten Ausführungsbeispiel senkrecht stehenden Flanschsteg 18 miteinander verbunden sind. Im Gegensatz zum Leibungsprofil 12 sind der Außenflansch 16 und der Innenflansch 17 des Fensterrahmens 2 in etwa gleich lang ausgebildet. Alternativ können der Außenflansch 16 und der Innenflansch 17 verschieden lang ausgeführt sein.
Der Außenflansch 16 des Fensterrahmens 2 verfügt über einen umlaufenden Rezess 19. Der äußere Schenkel 13 des Leibungsprofils 12 liegt zusammen mit der äußeren Decklage 7 im Rezess 19 an und ist mit diesem durch mindestens ein geeignetes Verbindungsmittel 20 verbunden. Als Verbindungsmittel 20 können – gegebenenfalls in Abhängigkeit vom Befestigungsort und/oder den dort angreifenden Lasten – wahlweise zum Beispiel Nieten, Bolzen und/oder zumindest bereichsweise ausgeführte Klebeverbindungen eingesetzt werden.
Mindestens ein weiteres Verbindungsmittel 20 verbindet den äußeren Schenkel 13 des Leibungsprofils 12 zusätzlich mit der äußeren Decklage 7 des doppelschaligen Hautfeldes 5. Um die Befestigung des Fensterrahmens 2 zu komplettieren, ist der Innenflansch 17 des Fensterrahmens 2 zusätzlich mit der inneren Decklage 8 und dem inneren Schenkel 14 des Leibungsprofils 12 durch mindestens ein weiteres Verbindungsmittel 20 verbunden.
Zwischen dem Flanschsteg 18 und dem Profilsteg 15 besteht ein Zwischenraum 21, der fakultativ mit einem geeigneten Füllstoff, zum Beispiel einem geschlossenzelligen Hartschaum zur thermischen Isolierung befüllt sein kann. Der Profilsteg 15 des Leibungsprofils 12 kann mit der Kernstruktur 6 mechanisch verbunden sein. Dies kann beispielsweise durch eine zumindest bereichsweise ausgeführte Verklebung erfolgen. Der Fensterrahmen 2 ist wie die Leibungsprofile 12, 12', 12' bevorzugt einstückig ausgebildet.
Der Fensterrahmen 2 und das Leibungsprofil 12 können mit einem metallischen Material, beispielsweise mit einer Aluminiumlegierung, mit einer Edelstahllegierung oder einer Titanlegierung gebildet sein und/oder mit einem faserverstärkten Verbundwerkstoff, wie zum Beispiel einem kohlefaserverstärkten Epoxidharz, hergestellt sein. Das doppelschalige Hautfeld 5 weist im Allgemeinen Decklagen 7, 8 auf, die mit einem faserverstärkten Verbundmaterial gebildet sind, während die Kernstruktur 6 mit einem metallischen Material und/oder mit einem gegebenenfalls faserarmierten Kunststoffmaterial, wie beispielsweise mit Nomex^®-Papier, gebildet ist. Alternativ kann die Kernstruktur 6 mit einem Hartschaummaterial aufgebaut sein.
Infolge der Befestigung des Fensterrahmens 2 mittels des umlaufenden Leibungsprofils 12 innerhalb der Ausnehmung 4 des doppelschaligen Hautfeldes 5 ist eine statisch- und gewichtsoptimale Integration eines Fensters in das doppelschalige Hautfeld 5 gewährleistet.
Das in 2 gezeigte Fensterelement 1 kann aber muss nicht, wie durch die beiden Fortsetzungszeichen ”...” angedeutet, Teil eines sich beidseitig erstreckenden, zumindest einreihigen Fensterbandes mit einer Vielzahl von bevorzugt jeweils gleichmäßig zueinander in die Rumpfzellenstruktur eines Passagierflugzeugs angeordneten Fenstern sein.
Bezugszeichenliste

1: Fensterelement
2: Fensterrahmen
3: Fensterpaket
4: Ausnehmung (doppelschaliges Hautfeld)
5: doppelschaliges Hautfeld
6: Kernstruktur
7: äußere Decklage
8: innere Decklage
9: äußere Decklagenausnehmung
10: innere Decklagenausnehmung
11: Kernstrukturausnehmung
12: Leibungsprofil
12': Leibungsprofil
12': Leibungsprofil
13: äußerer Schenkel – Leibungsprofil
14: innerer Schenkel – Leibungsprofil
15: Profilsteg – Leibungsprofil
16: Außenflansch – Fensterrahmen
17: Innenflansch – Fensterrahmen
18: Flanschsteg – Fensterrahmen
19: Rezess – Fensterrahmen
20: Verbindungsmittel
21: Zwischenraum

Claims

Fensterelement (1) für ein doppelschaliges Hautfeld (5) einer Flugzeugrumpfzelle, wobei das Hautfeld (5) eine Kernstruktur (6) mit einer inneren und einer äußeren Decklage (7, 8) aufweist und das Fensterelement (1) einen Fensterrahmen (2) mit einem darin aufgenommenen Fensterpaket (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass in das doppelschalige Hautfeld (5) eine Ausnehmung (4) zur Aufnahme des Fensterrahmens (2) eingebracht ist, wobei der Fensterrahmen (2) mittels eines umlaufenden und an der Kernstruktur (6) zumindest bereichsweise anliegenden Leibungsprofils (12) mit dem doppelschaligen Hautfeld (5) verbunden ist, und wobei eine äußere Decklagenausnehmung (9) eine kleinere Erstreckung aufweist als eine innere Decklagenausnehmung (10), und eine Kernstrukturausnehmung (11) eine größere Erstreckung als die innere Decklagenausnehmung (10) aufweist.
Fensterelement (1) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Leibungsprofil (12) eine C-förmige Querschnittsgeometrie mit einem inneren und einem äußeren parallel zueinander verlaufenden Schenkel (13, 14) aufweist, wobei die Schenkel (13, 14) durch einen Profilsteg (15) verbunden sind.
Fensterelement (1) nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Schenkel (13) des Leibungsprofils (12) länger ist als der innere Schenkel (14).
Fensterelement (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Fensterrahmen (2) einen Innenflansch (17) und einen Außenflansch (16) aufweist, die durch einen Flanschsteg (18) miteinander verbunden sind.
Fensterelement (1) nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenflansch (16) einen Rezess (19) aufweist, in dem die äußere Decklage (7) zumindest bereichsweise anliegt.
Fensterelement (1) nach einem der Patentansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenflansch (17) auf der inneren Decklage (8) aufliegt.
Fensterelement (1) nach einem der Patentansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Decklage (7) mit dem äußeren Schenkel (13) und mit dem Außenflansch (16) verbunden, insbesondere vernietet, verbolzt und/oder verklebt, ist.
Fensterelement (1) nach einem der Patentansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Schenkel (14) mit der inneren Decklage (8) und dem Innenflansch (17) verbunden, insbesondere vernietet, verbolzt und/oder verklebt ist.
Fensterelement (1) nach einem der Patentansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Profilsteg (15) an die Kernstruktur (6) angebunden, insbesondere mit dieser zumindest bereichsweise verklebt ist.
Fensterelement (1) nach einem der Patentansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Flanschsteg (18) und dem Profilsteg (15) ein Zwischenraum (21) besteht.