DE69505620T2

DE69505620T2 - Funkensichere struktur, insbesondere für flugzeuge

Info

Publication number: DE69505620T2
Application number: DE69505620T
Authority: DE
Inventors: Jean-Pierre F-75020 Paris Avenet; Pascal F-94190 Villeneuve-Saint-Georges Gondot
Original assignee: Airbus Group SAS
Current assignee: Airbus Group SAS
Priority date: 1994-04-15
Filing date: 1995-04-13
Publication date: 1999-03-25
Anticipated expiration: 2015-04-14
Also published as: WO1995028319A1; DE69505620D1; FR2718706A1; CA2163624C; CA2163624A1; FR2718706B1; EP0702643A1; US5709356A; EP0702643B1

Description

Es sind bereits Strukturen bekannt, die umfassen:
- zwei Teile aus Verbundwerkstoff jeweils mit einer Außenfläche und einer Innenfläche, die so angeordnet sind, daß die Innenfläche des ersten Teils zumindest teilweise die Außenfläche des zweiten Teils überlagert, wobei die überlagerten Abschnitte der Teile Paare einander gegenüberliegender Bohrungen haben;
- Senkschrauben, die jeweils durch ein Paar der einander gegenüberliegenden Bohrungen verlaufen, so daß ihr Kopf in einer Ansenkung in der Außenfläche des ersten Teils gelagert ist;
- Muttern, die jeweils mit den Schrauben zusammenwirken können und an der Innenfläche des zweiten Teils anliegen können, um den Senkkopf der entsprechenden Schraube in die Ansenkung zu drücken.
Wird eine derartige Struktur der Einwirkung eines Blitzes ausgesetzt, breitet sich der Entladestrom über die Schrauben in das erste und zweite Teil und in die Muttern aus.
Durch die im allgemeinen hohe Dichte des Entladestroms und die hohe Stromfestigkeit an der Grenzfläche zwischen den Schrauben und dem ersten und zweiten Teil tritt durch Joule-Effekt an dieser Grenzfläche eine starke Erhitzung ein. Diese Erhitzung kann den Verbundwerkstoff des ersten und zweiten Teils zumindest örtlich zum Schmelzen bringen und so im Bereich der Grenzfläche zu Sublimationsgasen führen.
Derartige Gase können Überdrücke erzeugen, durch die die Struktur zerstört werden kann.
Außerdem können die dann erzeugte starke Erhitzung und Funkenbildung für die Struktur außerordentlich schädlich sein, vor allem wenn diese Bestandteil eines Treibstofftanks ist, da so die Gefahr einer Entzündung des Treibstoffs besteht.
Es ist zu bemerken, daß die oben beschriebenen physikalischen Phänomene zwischen der Mutter und dem zweiten Teil noch ausgeprägter sind.
So gelangt ein Teil des von der Schraube kommenden Entladestroms in die Mutter, ohne daß die Grenzfläche zwischen der Schraube und der Mutter merklich erhitzt wird, da die Festigkeit hier gering ist, und wird quer in das zweite Teil gerichtet. Dieser quer gerichtete Strom trifft auf eine hohe Festigkeit, vor allem wenn das zweite Teil aus einer Kohlenstoff-Kohlenstoff-Struktur besteht, bei der der Strom in Längsrichtung wesentlich leichter als in Querrichtung fließt.
Um die an der Grenzfläche zwischen der Schraube und dem ersten und zweiten Teil entstandenen Gase abzuleiten, schlägt das Dokument EP-A-0 425 292 vor, die Mutter in einer Halterung mit einer Längsnut zur Ableitung der Gase anzubringen. Für den gleichen Zweck schlägt das Dokument, GB-2 226 801 zwei unterschiedliche Lösungen vor.
Die erste Lösung sieht vor, die Mutter durch ein Aufnahmeteil von komplexer Form mit großer Abmessung zu ersetzen, das mindestens eine Speicherkammer hat, die zum zweiten Teil hin offen ist, wobei die Speicherkammer dazu bestimmt ist, die an der Grenzfläche gebildeten Gase zu sammeln und zu speichern. Durch eine solche Ausrichtung der Öffnung, die den Zugang zur Kammer ermöglicht, kann das Aufnahmeteil die entstandenen Gase zwar gut erfassen, doch ist diese Lösung industriell kaum interessant, da das Aufnahmeteil für die vorgesehene Anwendung unabhängig von der vorgeschlagenen Ausführungsart viel zu komplex ist.
Eine zweite Lösung dieses früheren Dokuments sieht vor, in der Schraube Kanäle zu bilden, durch die zwischen bestimmten Bereichen der Grenzfläche und der Außenumgebung der Struktur eine Verbindung hergestellt wird, so daß die an der Grenzfläche entstandenen Gase direkt nach außen abgeleitet werden. Da eine solche Lösung jedoch nur stellenweise vorgesehen werden kann, können nicht alle an der Grenzfläche gebildeten Gase erfaßt werden. Dies wird im obengenannten Dokument ausdrücklich bestätigt, da in einem solchen Fall in der Mutter für die Gase, die nicht durch den oder die Kanäle in der Schraube abgeleitet werden konnten, Speicherkammern vorgesehen sind. Diese zweite Lösung ist also ebenfalls nicht zufriedenstellend. Die Präambel von Anspruch 1 beruht auf der zweiten Lösung.
Gegenstand dieser Erfindung ist es, diese Nachteile zu beseitigen, die Struktur unter ausschließlicher Verwendung kaum veränderter Standardmuttern blitzschlagfest zu machen und insbesondere eine Lösung für das Problem der Gase zu finden, die sich bei einem Blitzeinschlag in die, Struktur unvermeidlich an der Grenzfläche zwischen der Schraube und dem ersten und zweiten Teil bilden.
Dazu ist die erfindungsgemäße funkensichere Struktur, insbesondere für Flugzeuge, mit.
- zwei Teilen aus Verbundwerkstoff, die jeweils eine Außenfläche Und eine Innenfläche haben und so angeordnet sind, daß die Innenfläche des ersten Teils mindestens teilweise die Außenfläche des zweiten Teils überlagert, wobei die Teile mit einander gegenüberliegenden Bohrungen versehen sind;
- einer Senkschraube, die durch die einander gegenüberliegenden Bohrungen verläuft, so daß ihr Kopf in einer Ansenkung in der Außenfläche des ersten Teils angeordnet ist, die einen Kanalabschnitt hat, der in diesem Senkkopf mündet, und
- einer Mutter, die mit der Schraube zusammenwirken kann und über eine Anlagefläche an der Innenfläche des zweiten Elements anliegt und den Senkkopf in die Ansenkung drückt, um die Teile in einer Befestigungsstellung zusammenzuhalten,
dadurch bemerkenswert, daß sie entsprechend dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 ein einziges Ableitungsmittel umfaßt.
Erfindungsgemäß wird die Erfassung und Ableitung der an der Grenzfläche gebildeten Gase damit durch die Verwendung einer Standardmutter, die lediglich mit der Aussparung versehen ist und nicht, wie bei der genannten bekannten Lösung, durch ein komplexes umfangreiches Aufnahmeteil, das industriell von geringem Interesse ist, erreicht.
Durch ihre Lage ermöglicht die Speicherkammer zudem die Erfassung des Hauptteils der an der Grenzfläche entstandenen Gase.
Außerdem ist zu bemerken, daß durch die Anordnung der Aussparung in der Anlagefläche der Mutter verhindert wird, daß der Entladestroms über die Mutter zwischen der Schraube und dem zweiten Teil fließen kann, so daß die im allgemeinen starken Erhitzungen an dieser Stelle, wie oben angegeben, die außerordentlich schädlich sein können, vermieden werden.
Vor allem kann die Aussparung zur Vereinfachung der Ausführung eine Ringform koaxial zur Mutter haben.
Vorteilhafterweise umfaßt der Ableitungskanal:
- einen ersten Kanalabschnitt längs zum Schraubenschaft zwischen dem Schraubenkopf und einer Stelle der Schraube, die in Befestigungsstellung mindestens im Bereich der Speicherkammer innerhalb der funkensicheren Struktur liegt; und
- mindestens einen zweiten Kanalabschnitt quer zum Schraubenschaft zwischen dem ersten Kanalabschnitt und einer Stelle der Außenfläche des Schafts, die in Befestigungsstellung in der Speicherkammer liegt.
Damit kann der Ableitungskanal leicht mit Hilfe von zwei in der Schraube angebrachten Bohrungen, einer Längsbohrung und einer Querbohrung, verwirklicht werden.
Vorzugsweise sind der erste und zweite Kanalabschnitt von zylindrischer Form und ist der erste Kanalabschnitt koaxial zum Schraubenschaft ausgebildet.
Ganz besonders vorteilhaft ist es erfindungsgemäß, wenn die Mutter eine Hutmutter ist.
In diesem Fall hat die Hutmutter nach einer bevorzugten Ausführungsart der Erfindung vorteilhafterweise eine zusätzliche Aussparung, die in der Befestigungsstellung zusammen mit der Außenfläche des dem Schraubenkopf entgegengesetzten Schraubenendes eine zusätzliche Speicherkammer bildet.
Dadurch ergibt sich eine zweite Speicherkammer für die Gase, die möglicherweise von der ersten Speicherkammer nicht erfaßt werden konnten, und/oder die Gase, die aus der ersten Speicherkammer über die Gewindeverbindung zwischen der Mutter und der Schraube entwichen sind, so daß verhindert wird, daß diese Gase in die funkensichere Struktur gelangen.
Um die Ausführung der zusätzlichen Speicherkammer zu vereinfachen, entspricht die zusätzliche Aussparung vorteilhafterweise der verlängerten Gewindebohrung der Hutmutter für die Aufnähme der Schraube.
Damit die in der zusätzlichen Speicherkammer gespeicherten Gase nach außerhalb der Struktur abgeleitet werden können, hat die Schraube vorteilhafterweise einen dritten Kanalabschnitt, der einen Verbindungsweg zwischen dem Ableitungskanal und der Außenfläche des dem Schraubenkopf entgegengesetzten Schraubenendes darstellt.
Vorzugsweise entspricht der dritte Kanalabschnitt der Verlängerung des ersten Kanalabschnitts, so daß die Herstellung des Kanals erleichtert wird, da eine durchgehende Längsbohrung in der Schraube angebracht werden kann.
Die Figuren der beigefügten Zeichnung erleichtern das Verständnis dafür, wie die Erfindung ausgeführt werden kann. In diesen Figuren werden ähnliche Teile mit gleichen Bezugsnummern bezeichnet.
Fig. 1 ist ein schematischer teilweiser Querschnitt durch eine erste Ausführungsart einer erfindungsgemäßen funkensicheren Struktur.
Fig. 2 ist ein schematischer teilweiser Querschnitt durch eine zweite Ausführungsart einer erfindungsgemäßen funkensicheren Struktur.
Fig. 3 ist ein schematischer teilweiser Querschnitt durch eine dritte Ausführungsart einer erfindungsgemäßen funkensicheren Struktur.
Die nach einer ersten Ausführungsart verwirklichte erfindungsgemäße funkensichere Struktur von Fig. 1 hat zwei Teile 1 und 2 aus Verbundwerkstoff zum Beispiel auf der Grundlage von Kohlenstoffasern. Die funkensichere Struktur kann zum Beispiel einen Teil eines Treibstofftanks insbesondere eines Flugzeugs darstellen.
Das Teil 1 hat, eine Außenfläche 3 und eine Innenfläche 4, während das Teil 2 eine Außenfläche 5 und eine Innenfläche 6 hat. Die Teile 1 und 2 überlagern einander, so daß die Innenfläche 4 von Element 1 zumindest teilweise die Außenfläche 5 von Element 2 überlappt. Im Überlappungsbereich sind die Teile 1 und 2 mit Bohrungen 7 und 8 versehen, die in der Überlappungsstellung von Fig. 1 einander gegenüberliegen.
Außerdem hat die Bohrung 7 an der Außenfläche 3 von Element 1 eine Ansenkung 9.
In die einander gegenüberliegenden Bohrungen 7 und 8 ist eine Metallschraube 10 mit einem Senkkopf 10a und einem Schaft 10b eingeführt, der über einen großen Abschnitt und an dem dem Senkkopf 10a entgegengesetzten Ende mit einem Gewinde 10c versehen ist. Die Schraube 10 ist so beschaffen, daß ihr Senkkopf 10a genau in die Ansenkung 9 paßt und der Schaft 10b an den Wänden der Bohrungen 7 und 8 anliegt.
Mit dem Gewinde 10c der Schraube 10 wirkt eine Mutter 11 zusammen, die praktisch dem Standardtyp entspricht und an einer Anlagefläche 12 an der Innenfläche 6 von Teil 2 anliegen kann, um den Senkkopf 10a von Schraube 10 in die Ansenkung 9 zu drücken und die Teile 1 und 2, wie in Fig. 1 dargestellt, in einer Befestigungsstellung zusammenzuhalten.

Entsprechend der Erfindung:

- hat die Mutter 11 eine Aussparung 13, die zum Beispiel in die Anlagefläche 12 koaxial zur Mutter 11 eingearbeitet ist und mit der Innenfläche 6 von Teil 2 und der Außenfläche 10d des Schafts 10b der Schraube 10 in der Befestigungsstellung eine ringförmige Speicherkammer 15 bildet; und
- ist die Schraube 10 mit einem Kanal 14 versehen, der in der dar gestellten Befestigungsstellung einen Verbindungsweg zwischen der Speicherkammer 15 und der Außenumgebung der funkensicheren Struktur herstellt.
Dieser Kanal 14 umfaßt:
- einen ersten Kanalabschnitt 14a von zylindrischer Form, der in Längsrichtung im Schaft 10b in dessen Mittelpunkt zwischen der Außenfläche 16 von Kopf 10a der Schraube 10 und einer Stelle 17 ausgebildet ist, die in Befestigungsstellung mindestens im Bereich der Speicherkammer 15 innerhalb der funkensicheren Struktur gelegen ist; und
- einen zweiten Kanalabschnitt 14b ebenfalls von zylindrischer Form, mit dem gleichen Durchmesser wie der erste Kanalabschnitt 14a, der so ausgebildet ist, daß er quer durch den Schaft 10b verläuft, so daß die so in der Außenfläche 10d des Schafts 10b geschaffenen einander entgegengesetzten Öffnungen 18 und 19 in Befestigungsstellung in der Speicherkammer 15 münden.
Wenn der symbolisch durch einen Pfeil 20 dargestellte Blitz dann den Kopf 10a der Schraube 10 erreicht, gelangt der Entladestrom einerseits in das Teil 1, wie durch die Pfeile 21 und 22 dargestellt, und andererseits in das Element 2, wie durch die Pfeile 23 dargestellt. Durch die hohe Festigkeit an der Grenzfläche zwischen der Schraube 10 einerseits und den Teilen 1 und 2 andererseits können, wenn der Entladestrom eine hohe Dichte hat, im Bereich der Grenzfläche starke Erhitzungen entstehen.
Diese Erhitzungen können dazu führen, daß der Verbundwerkstoff, aus dem die Teile 1 und 2 bestehen, zumindest örtlich schmilzt und dabei Gase unter hohen Drücken entstehen. Diese entlang der Grenzfläche strömenden Gase werden durch die Speicherkammer 15 erfaßt, die direkten Zugang zur Grenzfläche im Bereich der unteren Fläche 6 von Teil 2 hat. Die erfindungsgemäße Speicherkammer 15 kann so alle entlang der Grenzfläche strömenden Gase erfassen.
Die so in der Speicherkammer 15 gespeicherten Gase werden über den Kanal 14 nach außerhalb der funkensicheren Struktur abgeleitet, so daß einerseits, im Gegensatz zu der im vorgenannten Dokument GB-2 226 801 empfohlenen Lösung, bei der die Mutter durch ein hochkom plexes und industriell uninteressantes Aufnahmeteil ersetzt wurde, eine kleinvolumige Speicherkammer eingesetzt werden kann, die sich in einer Standardmutter ausbilden läßt, und andererseits in der Speicherkammer 15 zu starke Erhitzungen und vor allem Überdrücke vermieden werden, durch die die Mutter 11 von der Schraube 10 abgerissen werden könnte.
Außerdem ist festzustellen, daß die Aussparung 13 in der Mutter 11 verhindert, daß zwischen der Schraube 10 und dem Teil 2 über die Mutter 11 in der Richtung der gestrichelt gezeichneten Pfeile 25 elektrischer Entladestrom fließt.
Derartige elektrische Ströme würden, bestünden sie und flössen sie quer zu Teil 2, aufgrund der aus Verbundwerkstoff mit Kohlenstofffasern realisierten Struktur von Teil 2 starke Erhitzungen in Teil 2 bewirken, da eine derartige Struktur in Querrichtung eine hohe Stromfestigkeit aufweist.
Durch die Erfindung werden derartige elektrische Ströme unmöglich. Dies ist sehr vorteilhaft und trägt also ebenfalls dazu bei, die Erhitzung bei einem Blitzeinschlag in die funkensichere Struktur zu begrenzen.
Nach einer zweiten Ausführungsart der Erfindung, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, hat die funkensichere Struktur eine Hutmutter 26, die in der gleichen Weise wie die Mutter 11 von Fig. 1 eingesetzt wird.
Die Mutter 26 ist an einer Anlagefläche 27, die mit der Innenfläche 6 von Teil 2 in Berührung gelangt, mit einer Aussparung 28 versehen, die ebenso wie die Aussparung 13 von Mutter 11 ausgeführt ist, und in der Befestigungsstellung eine Speicherkammer 29 genau wie die Speicherkammer 15 von Fig. 1 bildet.
Das Innengewinde 30 der Mutter 26, das mit der Schraube 10 zusammenwirkt, ist so ausgeführt, daß in der in Fig. 2 dargestellten Befestigungsstellung durch den Boden der Gewindebohrung 30 und das dem Kopf 10a entgegengesetzte Ende 10e der Schraube 10 eine zusätzliche Speicherkammer 31 gebildet wird.
Durch die Speicherkammer 31 können insbesondere die Gase erfaßt werden, die möglicherweise aus der Speicherkammer 29 längs der Grenzfläche zwischen dem Gewinde 10c von Schraube 10 und der mitwirkenden Gewindebohrung 30 entweichen können.
Um die Gase aus der Speicherkammer 31 nach außerhalb der funkensicheren Struktur abzuleiten, ist in der Schraube 10 ein dritter Kanalabschnitt 14c vorgesehen, der die Verbindung der Kammer 31 mit dem Kanal 14 ermöglicht.
Der dritte Kanalabschnitt 14c entspricht einer Verlängerung des ersten Kanalabschnitts 14a, so daß die Schraube 10 mit einer in Längsrichtung verlaufenden Durchgangsbohrung versehen ist und die Herstellung von Kanal 14 erleichtert wird.

Claims

1. Funkensichere Struktur, insbesondere für Flugzeuge, mit:

- zwei Teilen (1, 2) aus Verbundwerkstoff, die jeweils eine Außenfläche (3, 5) und eine Innenfläche (4, 6) haben und so angeordnet sind, daß die Innenfläche (4) des ersten Teils (1) mindestens teilweise die Außenfläche (5) des zweiten Teils (2) überlagert, wobei die Teile (1, 2) mit einander gegenüberliegenden Bohrungen (7, 8) versehen sind;

- einer Schraube (10) mit Senkkopf (10a), die durch die einander gegenüberliegenden Bohrungen (7, 8) verläuft, so daß ihr Kopf (10a) in einer Ansenkung (9) in der Außenfläche (3) des ersten Teils (1) lagert, und die einen in den Senkkopf (10a) mündenden Kanalabschnitt hat; und

- einer Mutter (11, 26), die mit der Schraube (10) zusammenwirken und sich mit einer Anlagefläche (12, 27) an die Innenfläche (6) des zweiten Elements (2) anlegen kann, um den Senkkopf (10a) in die Ansenkung (9) zu drücken und die Teile (1, 2) in einer Befestigungsstellung zusammenzuhalten,

dadurch gekennzeichnet, daß sie ein einziges Ableitungsmittel (14, 15, 29) hat, um alle an der Grenzfläche zwischen der Schraube (10) und dem ersten und zweiten Teil (1, 2) bei einem Blitzeinschlag in die funkensichere Struktur gebildeten Gase abzuleiten, wobei das Ableitungsmittel (14, 15, 29) umfaßt:

- einerseits im Grenzflächenbereich eine einzige Kammer (15, 29), die in der Befestigungsstellung im Ansammlungsbereich der Gase am Ende der Grenzfläche im Bereich der Innenfläche (6) des zweiten Teils (2) gelegen ist und aus einer Aussparung (13, 28) in der Anlagefläche (12, 27) der Mutter (11, 26) besteht; und

- andererseits einen Ableitungskanal (14) mit dem Kanalabschnitt, der in der Befestigungsstellung einen Verbindungsweg zwischen der Kammer (15, 29) und der Außenumgebung der funkensicheren Struktur herstellt.

2. Funkensichere Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung (13, 28) eine Ringform koaxial zur Mutter (11, 26) hat.

3. Funkensichere Struktur nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Ableitungskanal (14) umfaßt:

- einen ersten Kanalabschnitt (14a), der längs zum Schaft (10b) der Schraube (10) zwischen dem Kopf (10a) der Schraube (10) und einer Stelle (17) der Schraube (10) ausgebildet ist, die in Befestigungsstellung zumindest im Bereich der Kammer (15, 29) innerhalb der funkensicheren Struktur liegt; und

- mindestens einen zweiten Kanalabschnitt (14b), der quer zum Schaft (10b) der Schraube (10) zwischen dem ersten Kanalabschnitt (14a) und einer Stelle (18, 19) der Außenfläche (10d) des Schafts (10b) ausgebildet ist, die in der Befestigungsstellung in der Kammer (15, 29) gelegen ist.

4. Funkensichere Struktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und zweite Kanalabschnitt (14a, 14b) von zylindrischer Form sind.

5. Funkensichere Struktur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kanalabschnitt (14a) koaxial zum Schaft (10b) der Schraube (10) ausgebildet ist.

6. Funkensichere Struktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Mutter aus einer Hutmutter (26) besteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Hutmutter (26) eine zusätzliche Aussparung (30) hat, die in der Befestigungsstellung zusammen mit der Außenfläche (10e) des dem Kopf (10a) der Schraube (10) entgegengesetzten Schraubenendes eine zusätzliche Speicherkammer (31) bildet.

7. Funkensichere Struktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zusätzliche Aussparung der Verlängerung der Gewindebohrung (30) der Mutter (26) zur Aufnahme der Schraube (10) entspricht.

8. Funkensichere Struktur nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraube (10) einen dritten Kanalabschnitt (14c) hat, der einen Verbindungsweg zwischen dem Ableitungskanal (14) und der Außenfläche (10e) des dem Kopf (10a) der Schraube (10) entgegengesetzten Schraubenendes herstellt.

9. Funkensichere Struktur nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Kanalabschnitt (14c) der Verlängerung des ersten Kanalabschnitts (14a) entspricht.