Estructura de unión de cajones de torsión en una aeronave mediante un herraje triforme de materiales compuestos no metálicos.

Comprende un herraje triforme (1), fabricado esencialmente con materiales compuestos no metálicos, incorporando el mismo unos nervios transversales (4) de refuerzo que solidarizan unas alas simétricas (3) y una faldilla longitudinal (2), contando las alas simétricas (3) con unos cortes transversales (8) donde se encajan unas porciones terminales de las almas (11) de unos larguerillos internos en forma de "T" (9) que forman parte de los cajones de torsión, larguerillos cuyos pies (10) están unidos por una de sus caras con los revestimientos (7) de los cajones de torsión (6), mientras que unas zonas extremas de las caras libres de dichos pies (10) de los larguerillos (9) asientan sobre la cara exterior de las alas simétricas (3) del herraje triforme (1).

De esta forma las alas simétricas del herraje triforme quedarán dispuestas por dentro de los cajones de torsión.

Otra alternativa es que el herraje no incluya los cortes transversales.

Estructura de unión de cajones de torsión en una aeronave mediante un herraje triforme de materiales compuestos no metálicos.

Objeto de la invención

La presente invención, según se expresa en el enunciado de esta memoria descriptiva, se refiere a una estructura de unión de cajones de torsión en una aeronave, mediante un herraje triforme de materiales compuestos no metálicos. Es aplicable a la unión de cajones de torsión laterales de un estabilizador horizontal que se unen entre sí en un plano de simetría de una aeronave, siendo también aplicable a la unión de cajones de torsión que se solidarizan en la interfase con el fuselaje de la aeronave correspondiente.

La estructura de unión de la invención incorpora un característico herraje triforme fabricado con materiales compuestos de matriz orgánica y fibras continuas, principalmente basadas en resinas epoxídicas y fibras de carbono en una gran diversidad de elementos estructurales.

Estos materiales compuestos son utilizados en algunos sectores, y más particularmente en la industria aeronáutica en la que está incluida la invención que nos ocupa.

Antecedentes de la invención

El estabilizador horizontal de una aeronave está constituido principalmente por dos cajones de torsión, unidos entre sí en el plano de simetría de un avión u otra aeronave (configuración con dos cajones de torsión laterales) o en la interfase con el fuselaje (configuración con cajón de torsión central, además de los cajones laterales). Dichos cajones de torsión están constituidos a su vez por diferentes elementos como revestimientos reforzados mediante larguerillos longitudinales, largueros y costillas.

En la actualidad y particularmente en la industria aeronáutica se utilizan de forma masiva materiales compuestos de matriz orgánica y fibras continuas principalmente basadas en resinas epoxídicas y fibras de carbono en una gran diversidad de elementos estructurales. Por ejemplo, todos los elementos constituyentes de los cajones de torsión anteriormente citados (costillas, largueros, revestimientos, etc.) son fabricados hoy en día utilizando dichos materiales compuestos, que podemos denominar a partir de ahora con sus siglas en inglés como "CFRP".

Los materiales compuestos se dividen en aquéllos que, como materia prima antes de ser procesados, llevan la resina preimpregnada entre las fibras de carbono; y aquéllos que la fibra de carbono no está impregnada con la resina (conocidos comúnmente como fibras secas) y esta última es inyectada en el mismo proceso de fabricación. Entre estos materiales compuestos de fibras secas se encuentra un tipo de tejido sin entramar (NCF) que, poseyendo buenas propiedades mecánicas, permite reproducir geometrías complejas.

En la unión entre los cajones de torsión es necesario asegurar la transmisión de carga entre los elementos involucrados, mediante una serie de elementos de refuerzo/unión que garanticen la integridad estructural de la zona, puesto que el estabilizador horizontal de cola debe comportarse como una gran unidad estructural. Se trata por otra parte de una unión sometida tanto a las cargas aerodinámicas como a las cargas derivadas del mecanismo utilizado para el movilizado o trimado del estabilizador horizontal.

En el caso concreto de los revestimientos, estos elementos involucrados son dos herrajes con sección triforme que no sólo unen los revestimientos superiores e inferiores entre sí, sino que también van unidos entre ellos gracias a una costilla plana central. Mediante estos herrajes, situados en el exterior de los cajones de torsión, se define una unión estructural a simple cortadura entre los revestimientos, equilibrando las fuerzas en sentido horizontal y reaccionando la resultante de fuerzas vertical mediante la costilla central citada.

Estos herrajes son de una gran responsabilidad estructural, siendo tanto su peso como su coste muy elevados. Para reducir su peso lo máximo posible, al mismo tiempo que se mejora su comportamiento frente a la fatiga o la corrosión, estos herrajes son habitualmente de titanio. El proceso de fabricación de estos herrajes implica un forjado y a posteriori un mecanizado de control numérico para darle la mayor resistencia en dirección principal de carga y para asegurar las tolerancias finas requeridas para su montaje. Por todos estos factores el precio de estas piezas es muy alto.

Además cabe destacar que las operaciones de taladrado de los orificios de esta unión mecánica, donde posteriormente se instalarán los remaches que transmitan las cargas de unos elementos a otros, son muy complejas debido a que es una unión híbrida entre elementos metálicos (herraje) y elementos de materiales compuestos no metálicos (CFRP). Estos elementos no metálicos son los revestimientos que están formados por la piel (cubierta) y por los pies de los larguerillos (elementos rigidizadores longitudinales). Esta complejidad, debida en gran medida a la presencia de elementos metálicos, implica que dichas operaciones de taladrado sean extensas y costosas.

Descripción de la invención

La estructura de unión de cajones de torsión en una aeronave comprende en principio un característico herraje fabricado con materiales compuestos no metálicos como los descritos en el apartado de los antecedentes (matriz orgánica y fibras continuas, principalmente basadas en resinas epoxídicas y fibras de carbono en una gran diversidad de elementos estructurales).

Mediante el herraje triforme citado se solidarizan los cajones de torsión de la aeronave.

Así pues, el herraje triforme de unión comprende en principio una faldilla longitudinal unida a una costilla central de la aeronave y dos alas simétricas unidas a los revestimientos de los cajones de torsión.

Se caracteriza porque el herraje triforme de material compuesto incorpora unos nervios transversales que refuerzan sustancialmente la estructura del herraje, y más concretamente el nudo central del que parten las alas simétricas y faldilla longitudinal.

Otra característica de la invención es que la costilla central está afectada de unos cortes rectos donde se ubican los diversos nervios transversales del herraje triforme para poder situar dicha costilla central relativamente con respecto a la faldilla longitudinal del citado herraje triforme en la posición pertinente.

Otra característica de la invención es que con el fin de evitar tener que cortar los revestimientos de los cajones de torsión, el herraje triforme de unión se sitúa en el interior del respectivo cajón de torsión en vez de situarse exteriormente como ocurre convencionalmente. Esto es viable porque el herraje en cuestión está fabricado en materiales compuestos y no es necesario inspeccionarlo tan frecuentemente como en el caso de un herraje metálico convencional, teniendo en este caso que estar situado en el exterior del cajón de torsión correspondiente.

Los motivos de que no sea necesario inspeccionar el herraje de composite tan frecuentemente como el metálico (titanio) son principalmente dos: el excelente comportamiento a fatiga del composite y la ausencia de posibilidades de corrosión (no metal, homogeneidad de materiales de la zona, etc.).

Otra característica de la invención es que las alas simétricas del herraje triforme de unión incorporan unos cortes transversales donde se encajan porciones terminales de las almas de unos larguerillos interiores de los cajones de torsión, larguerillos que presentan una sección en forma de "T". A su vez, la unión de las alas simétricas del herraje triforme a los pies o travesaños de los larguerillos es sencilla, evitando escalones en la geometría de dichas alas simétricas, sobre cuyas caras exteriores asientan los pies de los larguerillos internos citados.

Otra opción que puede emplearse para evitar estos cortes en las alas simétricas del herraje es la de recortar el alma de los larguerillos antes de llegar a la zona de apoyo. Esta opción debilita a los revestimientos de los cajones de torsión obligando a reforzarlos, pero no debilita al herraje en si, haciendo que trabaje de una manera más eficiente y haciendo más sencillo su montaje ya que no es necesario encajar todas las almas de los larguerillos en los cortes transversales de las alas simétricas del herraje triforme.

La estructura de unión de la invención se asegura mediante remaches, a través de los cuales se solidariza la faldilla longitudinal del herraje triforme con la costilla central de la...

1. Estructura de unión de cajones de torsión en una aeronave mediante un herraje triforme de materiales compuestos no metálicos, estando destinada para unir cajones de torsión mediante un herraje triforme que incluye dos alas simétricas y una faldilla longitudinal, confluyendo estos tres elementos en un nudo central (5) , uniéndose la faldilla longitudinal a una costilla central de la aeronave mediante remaches, mientras que los cajones de torsión se unen con ayuda de otros remaches a las alas del herraje en correspondencia con los revestimientos de tales cajones de torsión, caracterizada porque el herraje triforme (1) incorpora unos nervios transversales (4) que refuerzan la unión entre las alas simétricas (3) y la faldilla longitudinal (2) del herraje triforme (1), contando los cajones de torsión (6) con unos larguerillos internos (9) en forma de "T" cuyos pies (10) están unidos solidariamente por una de sus caras con los revestimientos (7) de los cajones de torsión (6), mientras que unas zonas extremas de las caras libres de dichos pies (10) de los larguerillos internos (9) asientan sobre la cara exterior de las alas simétricas (3) del herraje triforme (1), quedando así dispuestas las alas simétricas (3) del herraje triforme (1) por dentro de los cajones de torsión (6), incluyendo la costilla central (17) de la aeronave unos cortes rectos (18) donde se encajan los nervios transversales (4) dispuestos a lo largo del herraje triforme (1).

2. Estructura de unión de cajones de torsión en una aeronave mediante un herraje triforme de materiales compuestos no metálicos, según la reivindicación 1, caracterizada porque las alas simétricas (3) del herraje triforme (1) incorpora unos cortes transversales (8) donde se encajan unas porciones terminales de las almas (11) de al menos algunos de los larguerillos internos (9) de los cajones de torsión (6).

3. Estructura de unión de cajones de torsión en una aeronave mediante un herraje triforme de materiales compuestos no metálicos, según la reivindicación 1, caracterizada porque el alma (11) de al menos algunos de los larguerillos internos (9) no alcanza uno de los extremos del mismo, definiéndose así una parte terminal (23) en los pies (10) de tales larguerillos internos (9) sin la interrupción del alma (11), asentando dicha parte terminal (23) sobre las alas simétricas 3 del herraje triforme 1 para unirse al mismo.

4. Estructura de unión de cajones de torsión en una aeronave mediante un herraje triforme de materiales compuestos no metálicos, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los pies (10) de los larguerillos internos (9) adyacentes de los cajones de torsión (6) incorporan unos bordes longitudinales (14) próximos entre sí.

5. Estructura de unión de cajones de torsión en una aeronave mediante un herraje triforme de materiales compuestos no metálicos, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los pies (10) de larguerillos internos (9) adyacentes de los cajones de torsión (6) incorporan unos bordes longitudinales (14) alejados entre sí, de manera que entre bordes longitudinales adyacentes de dos larguerillos consecutivos se genera un espacio que se ocupa con un elemento suplementario (15).

6. Estructura de unión de cajones de torsión en una aeronave mediante un herraje triforme de materiales compuestos no metálicos, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque los nervios transversales (4) se distribuyen a todo lo largo del herraje triforme (1) ubicándose dichos nervios transversales (4) de ambos lados del plano de simetría del herraje triforme (1) en correspondencia con la mitad de la distancia existente entre cada pareja de larguerillos internos (9) adyacentes.

7. Estructura de unión de cajones de torsión en una aeronave mediante un herraje triforme de materiales compuestos no metálicos, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque la fijación de los cajones de torsión (6) sobre el herraje triforme (1) se refuerza con una placa exterior (19) que asienta sobre una zona exterior de los revestimientos (7) de los cajones de torsión (6), a la vez que se inmoviliza dicha placa exterior (19) mediante los mismos remaches (12) que fijan los cajones de torsión (6) al herraje triforme (1).

8. Estructura de unión de cajones de torsión en una aeronave mediante un herraje triforme de materiales compuestos no metálicos, según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizada porque el herraje triforme comprende varios patrones definidos por pares de laminados laterales preformados: extremos (20-20') y centrales (21-21'), y un laminado superior preformado (22-22') que forma parte de las alas simétricas (3), uniéndose dichos laminados por sus superficies de contacto mediante resina.

9. Estructura de unión de cajones de torsión en una aeronave mediante un herraje triforme de materiales compuestos no metálicos, según la reivindicación 8, caracterizada porque los pares de laminados laterales preformados (20-20', 21-21'), comprenden una parte del espesor de las alas simétricas (3), una mitad del espesor de la faldilla longitudinal (2) y una mitad del espesor de los nervios transversales (4) en los laminados laterales preformados extremos (20-20'), mientras que los laminados laterales preformados centrales (21-21') incorporan las mitades del espesor de dos nervios transversales (4) contiguos, constituyendo el laminado superior preformado (22-22') una parte del espesor de las alas simétricas (3), laminado superior que se une a todas las partes de alas simétricas (3) de los distintos laminados laterales preformados (20-20', 21-21').