JP2010538891A - 航空機の飛行機体の製造方法 - Google Patents

Abstract

航空機の機体フレームの製造方法が開示される。一列に配置された複数の機体部位が結合されてなるこの方法は、ａ）下側に連続した縦開口を備える外板部位(1,4,9,14,20)を作成する工程と、ｂ）追加構成部材を導入するために前記外板部位(1,4,9,14,20)を拡げる工程と、ｃ）部分的な横シーム(33)の形成を伴って、前記外板部位(1,4,9,14,20)を既存の剛性機体部位(23)に結合させる工程と、ｄ）前記外板部位(1,4,9,14,20)を閉塞するために、前記縦開口(3,11,22)の中に予め製造された下部シェル(5,17,21)を配置する工程と、ｅ）部分的な横シーム(33)を完成して横シームを形成し且つ前記下部シェル(5,17,21)を前記外板部位(1,4,9,14,20)に結合させ、少なくとも２つの縦シーム(46,47)を形成する工程と、前記フロアフレーム(34)と前記外板部位(1,4,9,14,20)とを連結する工程とを含む。
【選択図】図１

Description

本発明は航空機の飛行機体を製造する方法に関し、タンデムに配置された複数の機体部位が互いに連結される工程を含む。

現在のところ、航空機の機体部位は、未だに、繰り返し試験されたシェル工法であって、アルミニウム合金を用いたシェル工法によって製造されている。航空機のタイプ及び必要な機体の直径に応じて、機体部位は、一般的にはリベットによって互いに連結されて完成した機体部位を形成する４〜８個のシェルセグメントを用いて形成される。航空機の完成した飛行機体フレームを形成するために、このようにして予め形成された複数の機体部位が一列に配置され、最終的に互いに連結される。

前記機体部位を予め製造する際における個々のシェルセグメント間に必要な縦シーム接続を製造する時には、形成体の少なくとも一つの分割体に対応した長さを越えて延びる機体部位の一端部の横連結領域の所定位置においては前記縦シーム接続は完全にはリベット留めされない。

前記各縦シームの前記端部領域のうち完全にはリベット留めされないこの部分は、予め作成された機体部位が互いに連結される際に僅かに拡大することを可能とすることによって寸法許容差を補償するために利用される。初期領域ではまだ“融通が利く”航空機の機体部位は機体部位の剛性端部に連結され、前記融通は、前記機体部位の連結される側の前記端部において完全にはリベット留めされない前記縦シームによって得られる。

互いに連結された前記航空機の機体部位は大きな空間的な規模を有しているので、前記各機体部位が正確に同一径を有している場合は唯一例外として、そのような寸法許容差を補償でき得ることは不可避な製作誤差のために必要である。

機体部位は、アルミニウム合金材料を用いて形成されるシェルセグメントを縦方向に沿って溶接することによるシェル構造で一体的に製造されるべきものである。代わりに、公知のコンピュータ制御による巻き付け方法や堆積方法によって炭素繊維強化プラスチック材料（複合材料）を使用することによって継ぎ目無く航空機の機体部位を製造することが考えられる。しかしながら、これらの剛性機体部位の場合、寸法許容差を補償する機会が無い。このため、いずれの場合も、巻き付けられた機体部位又は硬く溶接された機体部位は、常に、シェルセグメントで構成された機体部位と交互に連結される。

本発明の目的は、従来のシェル構造の利点とアルミニウムシェルセグメントを縦シームで溶接すること若しくは複合材料を用いた巻き付け方法又は堆積方法によって形成される剛性機体部位の利点とを結び付けることである。

この目的は、請求項１の以下の工程を有する方法によって達成される。その工程は、
ａ）下側に連続した縦開口を備える外板部位を作成する工程と、
ｂ）追加される構成要素、特には少なくとも一つのフロアフレームを導入するために前記外板部位を拡げる工程と、
ｃ）既存の剛性機体部位に前記外板部位を連結して部分的な横シーム構造を形成する工程と、
ｄ）前記外板部位を外側で閉塞するために、前記縦開口の中に予め作成された下部シェルを配置する工程と、
ｅ）前記部分的な横シームから横シームの形成を完成させ、前記外板部位に前記下部シェルを連結して少なくとも２つの縦シームを形成する工程と、
ｆ）前記フロアフレームを前記外板部位に連結する工程
である。

初期状態においては下向きに開放している外板部位、換言すると、連続した縦開口を有する外板部位を備えた機体部位を生産することにより、仮に前記機体部位が予め作成された剛性の機体部位に結合されて航空機の機体フレームを形成する場合であっても、寸法許容差の補償が可能となる。このために、連結領域における前記外板部位は、特に径方向に関し剛性を有する予め作成されている機体部位に対して継ぎ目無しで結合されるまで、必要に応じ、連続した縦開口を発端として拡張又は圧縮される。なお、前記機体部位は、横シーム連結ストラップによる公知の方法を用いて横シーム領域で互いに連結される。

前記予め製造された機体部位は、アルミニウム合金材料を含有する少なくとも二つのシェルセグメントが縦シームの形成を伴って溶接されてなる機体部位、又は、繊維強化プラスチック材料で一体的に巻き付けられるか堆積された機体部位とされ得る。公知の巻き付け方法及び／又は堆積方法によって製造される機体部位の場合には、炭素繊維強化エポキシ樹脂材料が好適に使用される。

前記アルミニウムシェルセグメントは、前記縦シームの高品質化、固形物に匹敵する機械的特性を達成するため、好ましくは摩擦撹拌溶接工程によって互いに溶接される。これに代えて、前記機体部位は、グレア（登録商標）板、すなわち、アルミニウム合金薄板及びガラス繊維強化プラスチック材料が交互に全面接着されてなる薄板積層体で形成されることもあり得る。この場合、前記縦シームは、前記グレア（登録商標）板の熱膨張を制限するために、リベット留め、ねじ留め又は接着によって形成される。例外的に、前記グレア（登録商標）板に特定の連結領域が設けられている場合には、熱結合処理、特に摩擦撹拌溶接によって直接的に連結することが可能となる。従来のアルミニウム合金板とグレア（登録商標）板との組み合わせも可能である。仮に金属工法をＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック材料）工法（ハイブリッド工法）と組み合わせる場合には、前記アルミニウム材料と前記複合材料との間の接触部位における腐食問題に特別の注意を向けるべきである。

更なる機体部位が、本発明の方法に係る複数の工程において、既存の機体部位に連結される。

まず、本発明に従って、外板部位が下側に連続した縦開口を有するように予め製造される。前記外板部位の断面は、ピッチ円又は約２８０度の円弧部を形成する。

フロアフレーム又は他の固定部材（支持ビーム、横支持部等）を導入するために、前記外板部位は、前記縦開口領域で、前記外板部位の内部に前記フロアフレームが導入され得るような程度まで拡げられる。前記外板部位に対して完全に連結されるまでの前記フロアフレームの暫定的な位置固定は、前記外板部位の天井部分に連結された多数の保持バーによってなされる。

そして、前記外板部位は予め製造されている機体部位に結合され、この結合は、通常、結合されるべき前記予め製造された機体部位を当該機体部位に設けられた所謂横当接ストラップに押圧することによって行われる。前記外板部位は、部分的な横シームを形成しつつ、通常、上側から両側を下方へ向かって結合され、これにより、この時点においては依然として可撓性を有している前記外板部位の許容差の変動の為に当該外板部位の両側に生じ得る「起伏」又は「折れ」を追い出す又は排出する。前記外板部位の所定領域に形成された縦方向に連続した前記開口は、この段階においては依然として可撓性を有している前記外板部位の両側の拡張又は圧縮によって許容差の補償を可能とする。その後、望ましくは完全に予め作成された下部シェルが前記外板部位における下側の縦開口に位置合わせされて配置され、これにより、前記外板部位は外周が閉塞された外壁を形成する。この際、前記下部シェルには予め梁形成体や環状形成体セグメントが設けられている。

その後、前記部分的な横シームは下側において完成されて完全に囲繞する横シームが形成され、前記下部シェルは少なくとも２つの縦シームを形成しつつ前記外板部位に連結され、その結果、前記外板部位は完全な機体部位を形成する。この工程と並行して又はこの工程の終わりに、内側に設けられる補強体、特には梁形成体や環状形成体セグメントの形態をなす補強体が、梁形成体用ストラップ又は形成体カップリングによって互いに連結される。代わりに、それ自体で既に閉塞されている完成された環状形成体を前記縦開口から導入して前記外板部位の内側に連結させることも可能である。

最後に、前記フロアフレーム及び前記フロアフレームを支持するオプションの支持ビームが前記外板部位に連結され、そして、最終のフロア横支持連結構造が形成される。全ての連結処理は、個々のケースにおいて連結されるべき材料の特性に応じて、リベット留め、ネジ留め、接着、若しくは溶接、特に摩擦撹拌溶接によって実施される。

前記縦開口が形成された外板部位は、好ましくは、繊維強化プラスチック材料、特に炭素繊維エポキシ樹脂材料を用いた公知の巻き付け工法によって作成される。この点において、前記繊維強化プラスチック材料は巻き付けコアに堆積され、縦方向に延び且つ内側に配設された前記梁形成体は、好ましくは巻き付け工程の際に前記外板部位の一体的な構成要素として形成される。全体構造は、好ましくはオートクレーブを通過する単一の経路において硬化される。その後、補強の為に必要とされる前記環状形成体又は前記環状形成体セグメントは別々の生産工程で前記外板部位の中に導入され、前記外板部位の内側に強固に連結される。仮に前記環状形成体が一体的に形成されていない場合は、前記環状形成セグメントは形成体用カップリングによって連結される。

ここで述べられた連続する縦開口を用いた開口工法においては、前記巻き付け工程において完全に閉塞された部材を製造する場合に比して、巻き付けられた外板部位の製造過程において前記巻き付けコアを極めて容易に除去することができ、その結果、前記巻き付け工程において比較的長尺の円筒部材を作成することが可能である。

繊維強化プラスチック材料が使用されるとき、前記下部シェルは、一般的には、巻き付け工程又は堆積工程によってではなく、対応する形状をもち且つ実質的に水平に配置された鋳型上で繊維強化プラスチック材料を前記のように層状に堆積させることによって予め作成され、好ましくは梁形成体も同時に作成される。更なる作業工程において、前記環状形成セグメントは、内側で連結され、要求され得る横支持部は、前記下部シェルにおける前記外板部位の内側に一体化される。これらの異なる部材同士は、リベット留め、ネジ留め、接着、若しくはそれら種々の組み合わせの中から選択された方法で連結され得る。

代わりに、前記外板部位を構成する部分的なセグメント及び／又は前記外板部位を構成する部分的なセグメントに挿入される前記下部シェルは、例えばアルミニウム合金板を用いた従来のアルミニウム工法で形成され得る。この場合、前記外板部位を形成するための前記シェルセグメント間の前記縦シームは、好ましくは摩擦撹拌溶接によって作成される。代わりに、前記連結処理は、リベット留め、ネジ留め、接着、若しくはそれら種々の組み合わせによっても実施され得る。前記梁形成体及び前記環状形成セグメントは、リベット留め、溶接又は接着により公知の方法で前記シェルセグメント又は前記下部シェルの外板部位に一体化される。したがって、追加的に要求され得る横支持部は、前記下部シェルの中に挿入される。

仮に前記外板部位及び／又は前記下部シェルの少なくとも一部の領域がグレア板（登録商標）で形成されている場合において、前記グレア板（登録商標）が熱の影響による該グレア板（登録商標）の層状構造に対する損傷を防止し且つそれによって引き起こされる強度低下を回避するために熱溶接可能な領域を有しているときには、前記連結処理は公知の溶接工程によって実施され得る。

前記方法に係る更に有利な実施形態は、次の各請求項において述べられる。

繊維強化プラスチック材料で形成され下部が開放している外板部位の巻き付けコアの概略断面図である。 特に繊維強化プラスチック材料で形成された外板部位であって、堆積方法のための型を持つ下部シェルのために形成された外板部位の断面図である。 処理のためにハンドル装置が内挿された外板部位の側面図である。 下部シェル及び処理のためのハンドル装置の側面図である。 吊り下げられたフロアフレーム、支持ビーム及び改良された下部シェルを有する外板部位の側面図である。 下部シェルが挿入された図５の前記外板部位の側面図である。

図１は、繊維強化プラスチック材料で形成された外板部位１の概略断面図である。

第１の工程において、前記外板部位１が、公知の堆積方法又は巻き付け方法によって繊維強化プラスチック材料、好ましくは、炭素繊維強化エポキシ樹脂を例えば巻き付けコア２回りに堆積又は巻き付けることによって予め製造される。この巻き付け工程の間、図１においては図示されていないが前記外板部位１の長手方向、即ち、図面の平面に対して直交する方向に延びる梁形成体が前記外板部位１と共に一体形成される。許容差を補償する為に、前記外板部位１は、その下側に、図面の平面に対して直交する方向に延びる連続した縦開口３（縦スロット）を有する。前記外板部位１の（図１においては図示していない）断面は、好ましくは約２８０度のピッチ円を形成するか、又は、８０度の開口角を有する。なお、前記外板部位１内に導入されるべきフロアフレーム及び他の構成部材が前記外板部位１を広げることによって導入され得る限り、他の開口角とすることも可能である。

これに代えて、アルミニウム合金板又はグレア（登録商標）板又はそれらの組み合わせによって形成される例えば３つのシェルセグメント１ａ，１ｂ，１ｃを用いた従来のアルミニウム工法によって前記外板部位１を作成することも可能である。このタイプの組み合わせにおいては、前記シェルセグメント１ａ，１ｂ，１ｃは、好ましくは、２本の径方向に延びる破線で示されるような２つの縦シームに沿った摩擦撹拌溶接によって互いに連結され、その結果、機体部位は直径に関し「融通が利かない」状態で製造される。３つの部材の代わりに、前記外板部位１は、２つ、４つ若しくはそれ以外の個数のシェルセグメントによっても形成され得る。

図２は、成型工具６から取り外された状態で予め製造される下部シェル５の外板部位４の概略断面図である。前記外板部位４は、例えば成型工具６上への繊維強化プラスチック材料、特には炭素繊維強化エポキシ樹脂材料の層状堆積によって形成される。なお、（図略の）梁形成体が前記外板部位４と共に一体形成される。その後、例えばオートクレーブで全体構造が硬化される。更なる工程においては、前記下部シェル５は、他の部材を示す参照符号が与えられた環状形成セグメント７及び横支持体８を組み付けることによって完成される。前記環状形成セグメント７及び横支持体８は、好ましくは前記外板部位にも用いられる繊維強化プラスチック材料と同一のものを使用して形成される。

基本的に、前記外板部位１，４、前記梁形成体、前記環状形成セグメント及び前記横支持体は、アルミニウム合金、グレア（登録商標）、繊維強化プラスチック材料、又は、これらの材料の種々の組み合わせを用いて製造され得る。そして、前記個々の構成部材は、特定の材料連結構造に応じて、例えばリベット留め、ねじ留め、接着、溶接、若しくはそれらの方法の組み合わせにより互いに連結される。

図３は、更なる処理のためにツールが内挿された外板部位９の側面図である。

（図示されていない）保持装置に位置固定された外板部位９は、内側に、環状形成体１０及び（図示されていない）梁形成体を有する。ツール１３を有するハンドル装置１２、特に少なくとも６段階の自由度を有する標準的な関節ロボットアームは、縦開口１１を通って前記外板部位９の中に導入され得る。使用される材料に応じて、前記ツール１３は、例えばドリルやリベット留め工具、溶接工具、グルーガン、又はそれらの種々の組み合わせとされ得る。前記縦開口１１は、更なる処理工程のために、前記外板部位９を通って内部にアクセスする際の優れたアクセス容易性を提供する。前記外板部位９は、従来のアルミニウム工法及び繊維強化プラスチック材料を用いた公知の巻き付け工法又は堆積工法によって形成され得る。

図４は、更なる処理のために（図示されていない）保持装置によって空間的に位置固定された外板部位１４の側面図である。

前記外板部位１４は、下部シェル１７を形成するために環状形成セグメント１５及び横支持体１６を有する。さらに、図面の平面に対して直交する方向に延びる（図示されていない）多数の梁形成体が前記外板部位１４における内表面の領域に配置されている。前記下部シェル１７は、ツール１９を有するハンドル装置１８によって処理される。前記ツール１９は、例えばドリル、リベット留め工具、溶接工具又はグルーガンとされ得る。前記ツール１９は、複数の異なるツールを持つことができる。前記下部シェル１７を垂直方向に関し位置固定することは、その後の自動又は手動の処理工程において前記下部シェル１７の内部にアクセスする際の優れたアクセス容易性を提供する。

図５及び図６の両方を同時に参照して前記方法を更に説明する。

図５において、本発明に係る縦開口が形成された外板部位２０は、予め作成された下部シェル２１を当該外側部位２０の下側における縦開口２２内に固定することによって完成され、機体部位２３を形成する。前記下部シェル２１は、とりわけ、約８０度の円周角で、環状形成セグメント２５及び横支持体２６を有する外板部位２４を備える。

しかしながら、この完成ステップは、２つの側部２７，２８を矢印２９〜３２の方向に拡げるか若しくは狭めることによる径方向の許容差の補償を可能とする為に、前記外板部位２０が、部分的な横シーム構造を形成しつつ（図５には図示されていない）予め製造された他の機体部位に既に連結されている場合にのみ、実行される。この点に関し、部分的な横シーム３３は、前記外板部位２０の円周角に実質的に対応する円周角、すなわち、具体的な実施形態としては約２８０度の円弧角を越えて延びている。

前記機体部位２３及び（図示されていない）他の機体部位の間に前記部分的な横シームが形成される前に、フロアフレーム３４及び２つの支持ビーム３５，３６が、前記外板部位２０の内側に予め固定される。さらに、前記外板部位２０のさらなる構成部材、例えば環状形成体の完成品、環状形成セグメント、縦補強体（梁形成体）及びあらゆるタイプの線（例えば給廃線、電線、光線等）が、組み付け容易化の為に、前記外板部位２０の前記縦開口２２を介して導入され得る。前記フロアフレーム３４又は前記支持ビーム３５，３６の位置は、前記外板部位２０における天井部分に連結された保持バー３７，３８によって臨時的に固定される。

図６は、前記下部シェル２１を垂直矢印３９で示す方向に前記外板部位２０における前記縦開口２２内へ挿入した結果の前記機体部位２３の完成品を示す。前記機体部位２３を完成させる為の最終的な連結処理は、６つの破線で描く円によって示された領域４０〜４５で実施される。特に、２つの縦シーム４６，４７が領域４１，４５で作成され、背面における取り囲む横シーム４８又は完成された部分横シーム３３まで延びる。

使用される材料に応じて、前記連結シームは、例えばリベット留め、ねじ留め、溶接、接着若しくはそれらの方法の組み合わせで形成され得る。

１ 外板部位（２８０°上部シェル）
１ａ，１ｂ，１ｃ シェルセグメント
２ 巻き付けコア
３ 縦開口
４ 外板部位（下部シェル）
５ 下部シェル
６ 成型工具
７ 環状形成セグメント
８ 横支持体
９ 外板部位
１０ 環状形成体
１１ 縦開口
１２ ハンドル装置
１３ ツール
１４ 外板部位
１５ 環状形成セグメント
１６ 横支持体
１７ 下部シェル
１８ ハンドル装置
１９ ツール
２０ 外板部位（２８０°上部シェル）
２１ 下部シェル
２２ 縦開口
２３ 機体部位
２４ 外板部位（下部シェル）
２５ 環状形成セグメント
２６ 横支持体
２７，２８ 側部
２９〜３２ 矢印
３３ 部分的な横シーム
３４ フロアフレーム
３５，３６ 支持ビーム
３７，３８ 保持バー
３９ 矢印
４０〜４５ 領域
４６，４７ 縦シーム
４８ 横シーム（完全囲繞体）

Claims (11)

1. タンデムに配置された複数の機体部位を互いに連結することで航空機の飛行機体を製造する方法であって、
   ａ） 下側に連続した縦開口（３，１１，２２）を備える外板部位（１，４，９，１４，２０）を作成する工程と、
   ｂ） 少なくとも１つのフロアフレーム（３４）を導入するために前記外板部位（１，４，９，１４，２０）を拡げる工程と、
   ｃ） 部分的な横シーム（３３）の形成を伴って、前記外板部位（１，４，９，１４，２０）を既存の剛性機体部位（２３）に結合させる工程と、
   ｄ） 外側で前記外板部位（１，４，９，１４，２０）を閉塞するために、前記縦開口（３，１１，２２）の中に予め製造された下部シェル（５，７，２１）を配置する工程と、
   ｅ） 部分的な横シーム（３３）を完成して横シーム（４８）を形成し且つ前記下部シェル（５，１７，２１）を前記外板部位（１，４，９，１４，２０）に結合させ、少なくとも２つの縦シーム（４６，４７）を形成する工程と、
   ｆ） 前記フロアフレーム（３４）を前記外板部位（１，４，９，１４，２０）に連結する工程と
   を含む航空機の飛行機体の製造方法。
2. 更なる機体部位が結合されて飛行機体が完成される請求項１に記載の航空機の飛行機体の製造方法。
3. 前記少なくとも１つのフロアフレーム（３４）は、連結される前に、少なくとも２つの保持バー（３７，３８）によって位置固定のために吊り下げられる請求項１又は２に記載の航空機の飛行機体の製造方法。
4. 前記外板部位（１，４，９，１４，２０）は、約２８０°のピッチ円を形成する請求項１乃至３の何れか一項に記載の航空機の飛行機体の製造方法。
5. 前記下部シェル（５，１７，２１）には、多数の縦補強体、特に多数の梁形成体が内部に設けられているとともに、多数の環状形成体セグメント（７，１５，２５）が設けられている請求項１乃至４の何れか一項に記載の航空機の飛行機体の製造方法。
6. 前記下部シェル（５，１７，２１）は、繊維強化プラスチック材料、アルミニウム合金材料、ガラス繊維強化プラスチック（グレア（登録商標））又はそれらの組み合わせを用いて形成されている請求項１乃至５の何れか一項に記載の航空機の飛行機体の製造方法。
7. 前記横及び縦シーム（３３，４６，４７，４８）並びに、前記少なくとも１つのフロアフレーム（３４）の前記外板部位（１，４，９，１４，２０）との連結は、リベット留め、ネジ留め、接着、若しくはそれら種々の組み合わせによって行われる請求項１乃至６の何れか一項に記載の航空機の飛行機体の製造方法。
8. 前記外板部位（１，４，９，１４，２０）は、繊維強化プラスチック材料を用いて形成され、内側には多数の縦補強体、特に梁形成体が形成されている請求項１乃至７の何れか一項に記載の航空機の飛行機体の製造方法。
9. 多数の環状形成体セグメント（７，１５，２５）が、前記外板部位（１，４，９，１４，２０）の内側に挿入されている請求項８に記載の航空機の飛行機体の製造方法。
10. 前記外板部位（１，４，９，１４，２０）は、少なくとも２つのシェルセグメント（１ａ，１ｂ，１ｃ）を用いて形成されており、前記シェルセグメント（１ａ，１ｂ，１ｃ）は、アルミニウム合金材料及び／又はガラス繊維強化アルミニウム（グレア（登録商標））を用いて形成されており、前記シェルセグメント（１ａ，１ｂ，１ｃ）は、少なくとも１つの縦シームに沿って溶接、特に摩擦撹拌溶接されている請求項１乃至７の何れか一項に記載の航空機の飛行機体の製造方法。
11. 前記少なくとも２つのシェルセグメントは、その内側において多数の縦補強体、特に多数の梁形成体が設けられており、また多数の環状形成体セグメント（７，１５，２５）が設けられている請求項１０に記載の航空機の飛行機体の製造方法。

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