JP7210248B2 - パネル構造体及び航空機 - Google Patents

Description

本発明は、複合材からなる母構造体に形成された開口部を塞ぐパネル構造体及び航空機に関するものである。

従来、航空機の翼体に形成されたアクセスホールに対して取り外し可能なアクセスパネルを備える複合材構造体が知られている（例えば、特許文献１参照）。アクセスパネルは、複合材となるリブまたはストリンガーに対して、クランプアングルを用いて挟み込むことにより固定されたり、ファスナを用いて締結することにより固定されたりしている。

特開２０１２－１６２１４８号公報

ところで、アクセスホールに対してアクセスパネルを取り付ける場合、ナットプレート及びボルトを含むファスナを用いる場合がある。この場合、ナットプレートを複合材となる主翼等の翼体に取り付けることとなる。しかしながら、ナットプレートを取り付ける場合、ナットプレートを取り付けるための取付孔を、複合材である翼体に形成する必要がある。この取付孔は、細長い中空の円柱形状となっており、複合材に対しては加工が難しく加工コスト増の原因となる他、取付孔を翼体に多数形成すると、複合材の強度に影響を与えてしまう。また、アクセスホール周りの強度を高めるべく、アクセスホール周りの板厚を厚くすることも考えられるが、この場合、局所的に板厚が厚くなる他、複合材の層間剥離防止のために当該部から板厚をなだらかに変化させる必要があり、重量増加を招いてしまう。

そこで、本発明は、複合材からなる母構造体に形成される開口部周りを補強しつつ、軽量化を図ることができるパネル構造体及び航空機を提供することを課題とする。

本発明のパネル構造体は、開口部が形成された複合材からなる母構造体と、前記開口部の縁部に沿って環状に設けられ、前記母構造体に固定される第１の部位と、前記第１の部位から前記開口部の内側に突出する第２の部位と、を含むと共に、金属材料を用いて構成される継部材と、前記開口部を覆うと共に、前記継部材の前記第２の部位に着脱自在に固定されるパネル部材と、を備える。

この構成によれば、継部材を開口部の縁部に沿って設けることができるため、開口部周りを補強することができる。このため、開口部周りにおける母構造体の厚さを、補強のために厚くする必要がないことから、軽量化を図ることができる。また、パネル部材を、複合材となる母構造体ではなく、継部材に固定することができるため、継部材に対するパネル部材の取り付けを適切に行うことができる。

また、前記継部材及び前記パネル部材は、前記母構造体からの荷重を伝達可能な強度を有する強度部材であることが、好ましい。

この構成によれば、継部材及びパネル部材を強度部材とすることで、母構造体からの荷重を伝達する部材として機能させることができる。なお、継部材及びパネル部材は、母構造体以上の強度となっており、例えば、母構造体と同じ強度となっている。また、継部材及びパネル部材は、例えば、金属材料を含んで構成されている。

また、前記開口部は、前記開口部が形成された面内において、一方向に長く、前記一方向に直交する方向に短い開口形状となっていることが、好ましい。

この構成によれば、母構造体における荷重方向が、開口部の一方向となるように、開口部を形成することで、開口部周りにおける応力集中を緩和することができる。

また、前記母構造体の前記開口部における内側端部と前記パネル部材における外側端部とは、対向した状態で固定されており、前記継部材の厚みは、前記内側端部と前記外側端部とが対向する部位に向かって厚くなることが、好ましい。

この構成によれば、母構造体から伝達される荷重が大きくなる部位において、継部材の厚みを厚くすることができる。言い換えれば、母構造体から伝達される荷重が小さくなる部位において、継部材の厚みを薄くすることができる。このため、母構造体から継部材を介してパネル部材に荷重を適切に伝達することができ、また、一部の厚みを薄くすることができる分、軽量化を図ることができる。

本発明の航空機は、機体と、前記機体に設けられる上記のパネル構造体と、を備える。

この構成によれば、母構造体として、例えば、機体の主翼を適用した場合、継部材により開口部周りを補強でき、パネル構造体を設けることによる主翼の重量増加を抑制することができる。

図１は、実施形態１のパネル構造体を備えた航空機の模式図である。 図２は、実施形態１のパネル構造体を模式的に表した断面図である。 図３は、実施形態１のパネル構造体を模式的に表した平面図である。 図４は、実施形態２のパネル構造体を模式的に表した平面図である。 図５は、実施形態３のパネル構造体を模式的に表した断面図である。 図６は、実施形態３のパネル構造体を模式的に表した平面図である。

以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。

［実施形態１］
実施形態１に係るパネル構造体１０は、航空機１に設けられるものである。図１は、実施形態１のパネル構造体を備えた航空機の模式図である。図１に示すように、実施形態１に係るパネル構造体１０は、航空機１の主翼１６に設けられる燃料タンクにアクセスするためのアクセスホールを閉塞する構造体となっている。先ず、パネル構造体１０の説明に先立ち、航空機１について説明する。

実施形態１の航空機１は、機体３と、この機体３に設けられるパネル構造体１０とを備えている。

機体３は、胴体１５、主翼１６を含んで構成されている。胴体１５は、航空機１の機首側と機尾側とを結ぶ方向であるロール軸方向に延在して設けられる筒状の部位である。主翼１６は、胴体１５の中央部近傍に設けられ、ロール軸方向に直交するピッチ軸方向において、胴体１５から外側に延在する翼体となっている。実施形態１において、主翼１６は、複合材を用いて構成され、パネル構造体１０が設けられる母構造体となっている。なお、実施形態１では、パネル構造体１０を航空機１の主翼１６に適用して説明するが、母構造体が複合材となるものであれば、いずれに適用してもよく、例えば、複合材を用いて構成された風車等に適用してもよい。

図２は、実施形態１のパネル構造体を模式的に表した断面図である。図３は、実施形態１のパネル構造体を模式的に表した平面図である。図２及び図３を参照して、パネル構造体１０について説明する。

パネル構造体１０は、母構造体となる主翼１６と、継部材２１と、アクセスパネル２２と、第１のファスナ２３と、第２のファスナ２４と、シール材２５と、を備えている。

主翼１６は、炭素繊維等の強化繊維に樹脂を含浸させて硬化させた複合材を用いて形成されている。主翼１６の表面は、空力表面となっている。主翼１６の表面には、主翼１６の内部に形成された燃料タンクに対して、作業者がアクセスするためのアクセスホール（開口部）３１が形成されている。アクセスホール３１は、例えば、円形状の開口となっており、作業者が主翼１６の内外を往来可能な大きさとなっている。ここで、主翼１６の内部の燃料タンクは、袋構造となっている。袋構造とは、内部空間が密閉空間となる密閉構造であり、アクセスホール３１を閉塞する場合において、主翼１６の外部からのみ、アクセスパネル２２を着脱可能な構造となっている。

継部材２１は、主翼１６の表面（外面）とは反対側の面となる内面に設けられている。継部材２１は、アクセスホール３１の縁部に沿う円環状に形成されている。つまり、継部材２１は、円板形状に形成されており、中心に円形の開口３５が形成された形状となっている。継部材２１は、外周側となる外周部位（第１の部位）２１ａと、外周部位２１ａの内周側に設けられる内周部位（第２の部位）２１ｂとを有する。

外周部位２１ａは、主翼１６と重なり合う部位であり、主翼１６に固定される部位となっている。内周部位２１ｂは、外周部位２１ａからアクセスホール３１の内側に突出する部位となっている。また、内周部位２１ｂは、アクセスパネル２２と重なり合う部位であり、アクセスパネル２２が固定される部位となっている。

アクセスパネル２２は、主翼１６の表面側に設けられている。アクセスパネル２２は、主翼１６の表面が空力表面となっていることから、外側となる面が、主翼１６の表面と面一となるように形成されている。アクセスパネル２２は、円板形状に形成されており、アクセスホール３１に収まる大きさとなる一方で、継部材２１の開口３５よりも大きな形状となっている。このため、アクセスホール３１の内側端部と、アクセスパネル２２の外側端部とは、対向した状態で配置され、固定される。

ここで、継部材２１及びアクセスパネル２２は、金属材料を含んで構成されており、主翼１６からの荷重を伝達可能な強度部材として構成されている。例えば、継部材２１及びアクセスパネル２２は、主翼１６からの荷重を伝達可能な板厚となっている。また、継部材２１及びアクセスパネル２２の強度は、主翼１６の強度以上となっており、例えば、主翼１６とほぼ同じ強度となっている。

第１のファスナ２３は、主翼１６と継部材２１の外周部位２１ａとを締結固定するものである。このため、第１のファスナ２３は、主翼１６と継部材２１の外周部位２１ａとが重なり合う部位に設けられる。第１のファスナ２３は、永久結合ファスナであり、締結固定後において、非破壊による取り外しが困難な構成となっている。また、第１のファスナ２３は、アクセスホール３１の縁部に沿う円周方向に亘って複数並べて設けられている。第１のファスナ２３は、円周方向において隣接する第１のファスナ２３同士の間隔が、予め規定された所定の間隔となるように配置される。実施形態１において、複数の第１のファスナ２３は、円周方向に沿って１列に配置されている。

第１のファスナ２３は、頭部２３ａと、軸部２３ｂと、カラー２３ｃとを含んで構成されている。第１のファスナ２３は、主翼１６に形成される主翼側貫通孔３７と、継部材２１の外周部位２１ａに形成される外周側貫通孔３８とに挿通される。主翼側貫通孔３７と外周側貫通孔３８とは、同径の貫通孔となっている。頭部２３ａは、皿頭となっており、主翼１６に係合している。軸部２３ｂは、主翼側貫通孔３７及び外周側貫通孔３８に挿通される。カラー２３ｃは、軸部２３ｂに締結されている。主翼１６と継部材２１とは、第１のファスナ２３を締結することにより、第１のファスナ２３の頭部２３ａ及びカラー２３ｃに挟み込まれることで固定される。

第２のファスナ２４は、継部材２１の内周部位２１ｂとアクセスパネル２２とを締結固定するものである。このため、第２のファスナ２４は、継部材２１の内周部位２１ｂとアクセスパネル２２とが重なり合う部位に設けられる。第２のファスナ２４は、取り外しが可能なファスナとなっており、アクセスパネル２２の継部材２１への固定と固定解除とを行うことが可能となっている。また、第２のファスナ２４は、アクセスパネル２２の縁部に沿う円周方向に亘って複数並べて設けられている。第２のファスナ２４は、円周方向において隣接する第２のファスナ２４同士の間隔が、予め規定された所定の間隔となるように配置される。実施形態１において、複数の第２のファスナ２４は、円周方向に沿って１列に配置されている。

第２のファスナ２４は、ナットプレート４１と、ボルト４２とを含んで構成されている。ナットプレート４１は、ボルト４２が締結される締結孔が形成されており、継部材２１の内面側に取り付けられている。ナットプレート４１は、継部材２１の内周部位２１ｂに締結ピン４５を用いて取り付けられている。ボルト４２は、頭部４２ａと、軸部４２ｂと、を含んで構成されている。ボルト４２は、継部材２１の内周部位２１ｂに形成される内周側貫通孔４７と、アクセスパネル２２に形成されるパネル側貫通孔４８とに挿通される。内周側貫通孔４７とパネル側貫通孔４８とは、同径の貫通孔となっている。頭部４２ａは、皿頭となっており、アクセスパネル２２に係合している。軸部２３ｂは、内周側貫通孔４７及びパネル側貫通孔４８に挿通されると共に、ナットプレート４１の締結孔に締結される。継部材２１とアクセスパネル２２とは、第２のファスナ２４を締結することにより、ナットプレート４１及びボルト４２の頭部４２ａに挟み込まれることで固定される。

ここで、継部材２１の外周側貫通孔３８（主翼側貫通孔３７）と、内周側貫通孔４７（パネル側貫通孔４８）とについて、外周側貫通孔３８は、内周側貫通孔４７に比して外周側に位置していることから、内周側貫通孔４７よりも数が多く設けられている。

また、ナットプレート４１を取り付けるための締結ピン４５が締結される取付穴４６は、直径に比して深さ方向における長さが長いものとなっており、細長く形成されている。一方で、第１のファスナ２３を取り付ける主翼側貫通孔３７は、直径に比して深さ方向における長さが短いものとなっており、太短く形成されている。

シール材２５は、主翼１６と継部材２１との隙間を埋めて、主翼１６の内部を密閉空間としている。シール材２５は、主翼１６の内面側に設けられ、継部材２１の径方向外側の端部を覆うように設けられている。

上記のパネル構造体１０において、アクセスパネル２２を取り外す場合、第２のファスナ２４のボルト４２によるナットプレート４１への締結を解除することで、継部材２１に対するアクセスパネル２２の固定を解除する。一方で、アクセスパネル２２を取り付ける場合、第２のファスナ２４のボルト４２をナットプレート４１へ締結することで、継部材２１に対してアクセスパネル２２を固定する。

以上のように、実施形態１によれば、継部材２１をアクセスホール３１の縁部に沿って設けることができるため、アクセスホール３１周りを補強することができる。このため、アクセスホール３１周りにおける主翼１６の厚さを、補強のために厚くする必要がないことから、軽量化を図ることができる。また、アクセスパネル２２を、複合材となる主翼１６ではなく、継部材２１に固定することができるため、継部材２１に対するアクセスパネル２２の取り付けを適切に行うことができる。

また、実施形態１によれば、継部材２１及びアクセスパネル２２を強度部材とすることで、主翼１６からの荷重を伝達する部材として機能させることができる。

また、実施形態１によれば、パネル構造体１０を航空機１の主翼１６に適用することで、継部材２１によりアクセスホール３１周りを補強でき、パネル構造体１０を設けることによる主翼１６の重量増加を抑制することができる。

なお、実施形態１では、主翼１６の表面が空力表面となっていたため、継部材２１は、主翼１６の内面側に設けたが、空力表面ではない部位にパネル構造体１０を適用する場合、継部材２１は、内面または外面のいずれの面に設けてもよい。

また、実施形態１では、主翼１６と継部材２１との固定を、永久結合ファスナである第１のファスナ２３を用いて行ったが、主翼１６と継部材２１との固定を、接着剤を用いて行ってもよい。

また、実施形態１では、アクセスホール３１が円形状となるため、継部材２１を円環形状とし、アクセスパネル２２を円形状としたが、この構成に限定されない。アクセスホール３１は、四角形状であってもよく、この場合、継部材２１を四角枠形状とし、アクセスパネル２２を四角形状としてもよい。

［実施形態２］
次に、図４を参照して、実施形態２に係るパネル構造体５０について説明する。なお、実施形態２では、重複した記載を避けるべく、実施形態１と異なる部分について説明し、実施形態１と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。図４は、実施形態２のパネル構造体を模式的に表した平面図である。

実施形態２のパネル構造体５０において、アクセスホール５１は、アクセスホール５１が形成された面内において、一方向に長く、一方向に直交する方向に短い開口形状となっている。具体的に、アクセスホール５１は、アクセスホール５１が形成された面内において、主翼１６から伝達される荷重方向が長軸方向となり、荷重方向に直交する方向が短軸方向となる楕円形状に形成されている。この場合、継部材５３は、アクセスホール５１の縁部に沿う楕円の円環形状に形成されている。また、アクセスパネル５５も、アクセスホール５１と相補的な形状となる楕円形状となっている。

以上のように、実施形態２によれば、主翼１６から伝達される荷重方向が、アクセスホール５１の長軸方向となるように、アクセスホール５１を形成することで、アクセスホール５１周りにおける応力集中を緩和することができる。

［実施形態３］
次に、図５及び図６を参照して、実施形態３に係るパネル構造体６０について説明する。なお、実施形態３では、重複した記載を避けるべく、実施形態１及び２と異なる部分について説明し、実施形態１及び２と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。図５は、実施形態３のパネル構造体を模式的に表した断面図である。図６は、実施形態３のパネル構造体を模式的に表した平面図である。

実施形態１のパネル構造体１０では、円周方向に沿って一列となる第１のファスナ２３及び第２のファスナ２４を用いたが、実施形態３のパネル構造体６０は、継部材６３の径方向に並んだ複数列（実施形態３では、例えば、二列）となる第１のファスナ２３及び第２のファスナ２４を用いている。実施形態３のパネル構造体６０は、実施形態１のパネル構造体１０において一列の第１のファスナ２３及び第２のファスナ２４で、主翼１６からの荷重を伝達しきれない場合に用いられる構成となっている。つまり、実施形態３のパネル構造体６０は、主翼１６からの荷重が大きい場合であっても、荷重を伝達可能な構成となっている。

実施形態３のパネル構造体６０は、実施形態１と同様に、母構造体となる主翼１６と、継部材６３と、アクセスパネル２２と、第１のファスナ２３と、第２のファスナ２４と、シール材２５と、を備えている。ここで、主翼１６、アクセスパネル２２、及びシール材２５は、実施形態１とほぼ同様の構成であるため、説明を省略する。

継部材６３は、アクセスホール３１の縁部に沿う円環状に形成されている。また、継部材６３の厚みは、アクセスホール３１の内側端部と、アクセスパネル２２の外側端部とが対向する部位に向かって厚くなっている。具体的に、継部材６３は、径方向における中央の部位が、アクセスホール３１の内側端部とアクセスパネル２２の外側端部とが対向する部位となっている。そして、継部材６３は、径方向における中央の部位の厚みが厚い厚肉部６３ａと、径方向における内側端部の厚みが薄い内側薄肉部６３ｂと、径方向における外側端部の厚みが薄い外側薄肉部６３ｃと、を含んで構成されている。継部材６３は、厚肉部６３ａと内側薄肉部６３ｂとの間に段差が形成され、また、厚肉部６３ａと外側薄肉部６３ｃとの間に段差が形成されている。つまり、継部材６３は、厚肉部６３ａと内側薄肉部６３ｂと外側薄肉部６３ｃとにより、階段状に形成されている。

第１のファスナ２３は、実施形態１と同様に、永久結合ファスナであり、主翼１６と継部材２１の外周部位２１ａとが重なり合う部位に設けられる。実施形態３において、複数の第１のファスナ２３は、円周方向に沿って一列に配置されたものが、径方向において二列に並べて配置されている。具体的に、第１のファスナ２３において、外周側の一列の第１のファスナ２３は、主翼１６と継部材２１の外側薄肉部６３ｃとが重なり合う部位に設けられる。また、第１のファスナ２３において、内周側の一列の第１のファスナ２３は、主翼１６と継部材２１の外周部位２１ａにおける厚肉部６３ａとが重なり合う部位に設けられる。主翼側貫通孔３７及び外周側貫通孔３８は、第１のファスナ２３が設けられる位置に応じて形成されている。

第２のファスナ２４は、実施形態１と同様に、ナットプレート４１及びボルト４２を含むファスナであり、継部材２１の内周部位２１ｂとアクセスパネル２２とが重なり合う部位に設けられる。実施形態３において、複数の第２のファスナ２４は、円周方向に沿って一列に配置されたものが、径方向において二列に並べて配置されている。具体的に、第２のファスナ２４において、内周側の一列の第２のファスナ２４は、継部材２１の内側薄肉部６３ｂとアクセスパネル２２とが重なり合う部位に設けられる。また、第２のファスナ２４において、外周側の一列の第２のファスナ２４は、継部材２１の内周部位２１ｂにおける厚肉部６３ａとアクセスパネル２２とが重なり合う部位に設けられる。内周側貫通孔４７及びパネル側貫通孔４８は、第２のファスナ２４が設けられる位置に応じて形成されている。

以上のように、実施形態３によれば、主翼１６から伝達される荷重が大きくなる部位において、継部材６３の厚みを厚くすることができる。言い換えれば、主翼１６から伝達される荷重が小さくなる部位において、継部材６３の厚みを薄くすることができる。このため、主翼１６から継部材６３を介してアクセスパネル２２に荷重を適切に伝達することができ、また、一部の厚みを薄くすることができる分、パネル構造体６０の軽量化を図ることができる。

なお、実施形態３において、継部材６３は、階段形状としたが、この構成に限定されない。継部材６３は、径方向における中央の部位の厚みが厚く、径方向の中央から内側端部に向かうにつれて厚みが連続的に薄くなり、また、径方向の中央から外側端部に向かうにつれて厚みが連続的に薄くなるように形成してもよい。

１ 航空機
３ 機体
１０ パネル構造体
１５ 胴体
１６ 主翼
２１ 継部材
２１ａ 外周部位
２１ｂ 内周部位
２２ アクセスパネル
２３ 第１のファスナ
２４ 第２のファスナ
２５ シール材
３１ アクセスホール
３５ 開口
３７ 主翼側貫通孔
３８ 外周側貫通孔
４１ ナットプレート
４２ ボルト
４５ 締結ピン
４７ 内周側貫通孔
４８ パネル側貫通孔
５０ パネル構造体
５１ アクセスホール
５３ 継部材
５５ アクセスパネル
６０ パネル構造体
６３ 継部材

Claims (5)

1. 開口部が形成された複合材からなる母構造体と、
   前記開口部の縁部に沿って環状に設けられ、前記母構造体に固定される第１の部位と、前記第１の部位から前記開口部の内側に突出する第２の部位と、を含むと共に、金属材料を用いて構成される継部材と、
   前記開口部を覆うと共に、前記継部材の前記第２の部位に着脱自在に固定されるパネル部材と、
   前記母構造体と前記継部材の前記第１の部位とを締結固定する第１のファスナと、
   前記継部材の前記第２の部位と前記パネル部材とを締結固定する第２のファスナと、を備え、
   前記第２のファスナは、
   前記継部材の前記第２の部位の内面側に取り付けられるナットプレートと、
   前記継部材の前記第２の部位及び前記パネル部材に挿通され、前記ナットプレートに締結されるボルトと、を含むパネル構造体。
2. 前記継部材及び前記パネル部材は、前記母構造体からの荷重を伝達可能な強度を有する強度部材である請求項１に記載のパネル構造体。
3. 前記開口部は、前記開口部が形成された面内において、一方向に長く、前記一方向に直交する方向に短い開口形状となっている請求項１または２に記載のパネル構造体。
4. 前記母構造体の前記開口部における内側端部と前記パネル部材における外側端部とは、対向した状態で固定されており、
   前記継部材の厚みは、前記内側端部と前記外側端部とが対向する部位に向かって厚くなる請求項１から３のいずれか１項に記載のパネル構造体。
5. 機体と、
   前記機体に設けられる請求項１から４のいずれか１項に記載のパネル構造体と、を備える航空機。

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