[发明专利]具有近似椭圆横截面的重量优化可加压飞行器机身结构

说明书

技术领域

本发明总体涉及飞行器设计，尤其涉及具有椭圆形或者近似椭圆形横截 面的可加压飞行器机身的轻量结构的设计。

背景技术

特定类型的内部可加压飞行器机身，诸如客机，可有益地采用近似椭圆 的横截面。例如，授予M.K.V.Sankrithi的美国专利No.6,834,833公开使用 一种具有机身10的飞行器，该机身具有准椭圆形或者近似椭圆形的横截面， 且其宽度大于其高度。图1A和1B分别示出这种类型机身形状的代表性前 端和俯视平面图，其中，该机身包括刚性、轻量的壳体12，具有相应的方向 相反、封闭的机头端14和机尾端16。该横截面高效地封装主客舱18，一般 设置成宽敞的、舒适的双过道、七条并排的座位，还在下部货舱20中设置 有货物容器14(一般采用LD-3-46W或类似的标准类型的容器)。这种双过 道机身横截面的形状也示出可相比于具有圆形或混合圆弧形横截面的对应 单过道、六条并排座位的传统飞行器机身的周长/座位比(perimeter-per-seat ratio)，因此，也可提供横截面寄生阻力/座位比 (cross-section-parasite-drag-per-seat ratio)和零重量/座位比 (empty-weight-per-seat ratio)，这些比值在零阶分析中可相比于对应的单过 道机身横截面的比值，同时提供更好的乘客舒适度以及机主收益选择方案。

但是，实现用于这种近似椭圆形横截面机身的优化、轻量结构会带来工 程设计方面的实质性挑战，因为从具有传统圆形横截面的机身设计改变至具 有非圆形横截面的机身设计所需的结构和重量的不利影响会内在地作用于 高空喷气式客机的设计。

因此，航空工业需要实现用于具有椭圆形或近似椭圆形横截面的可加压 飞行器机身的轻量结构的设计方法和技术。

发明内容

根据这里所述的各种示例性实施例，本发明提供一种用于具有近似椭圆 形状和重量的飞行器的内部可加压机身结构，其可通过“修整”而最小化， 即，优化，该机身的基本上没有元件的结构性属性，表述为机身的柱状坐标 系的角向坐标的函数，从而反作用于，即，在无故障的情况下保持其上的 所有设计载荷。

在本发明的优选示例性实施例中，该机身结构，包括：具有中心轴线x、 相对方向的封闭机头和机尾端部以及非圆形横截面的细长管状壳体，该非圆 形横截面在沿着所述两端之间的x轴线的基本上每个点处具有半径其中，是柱状角向坐标，即，围绕x轴线从0°变化为+360°的壳体滚动 仰角。所述壳体的每个横截面的半径从一椭圆横截面的半径径向地变化不超过±7％，该椭圆横截面具有尺寸为2·r_max的长轴和尺寸为 2·r_min的短轴，其中由下述关系给出：

在优选实施例中，所述壳体的最大宽度大于其最大高度；以及，所述壳 体的最大宽度和高度分别基本上对齐于所述真正椭圆横截面的长轴和短轴。 限定为所述壳体表面的局部曲率半径的反比的曲率与关 联，与关联的对应曲率由下式给出：

所述示例性壳体具有至少一个结构属性，所述结构住行已经作为所述仰 角的函数进行修整，使得对其上的设计载荷进行反作用所需的壳体重量小 于对具有相同设计载荷但是其中至少一个结构属性还没有如此进行修整的 进行反作用所需的量。在优选实施例中，的函数包括或因此，用于重量优化的方法的示例性实施例，即最小化机身重量的方法，包 括将该壳体的每个横截面的每个周向元件的至少一个结构属性限定为或者的函数，即，作为函数性的，然后修整该元件的至少一个结构 属性，使得对每个元件上的所有设计载荷进行反作用所需的壳体的重量小于 对其上具有相同设计载荷但是其中至少一个结构属性还没有被如此修整的 进行反作用所需的量。

有利地，该机身的壳体可作为其中的主要设计载荷包括内部加压载荷的 压力容器。所述壳体可包括周向外蒙皮和邻近该蒙皮内表面设置的周向间隔 的纵向桁架；以及，所述至少一个经修整的结构属性可包括桁架的横截面形 状和尺寸、数量和材料的至少一个。周向蒙皮和桁架的至少一个的每个可包 括多个板层的“复合物”，每个具有相对于其他板层的选定角向定向；以及， 至少一个经修整的结构属性包括板层的数量、相对角向取向和材料的至少一 个。