Крепежные системы, обеспечивающие защиту от электромагнитных воздействий
Изобретение относится к крепежным элементам для защиты от электромагнитных воздействий. Во время вставки крепежных элементов в стопу элементов и заделывания, или законцовывания, крепежных элементов деталями, имеющими сухое диэлектрическое покрытие и/или внутреннее сухое диэлектрическое уплотнение в выбранных участках для защиты от электромагнитных воздействий, некоторые из деталей имеют расточенное отверстие. При этом высота расточенного отверстия составляет от 3,1% до 59,0% высоты детали, а диаметр расточенного отверстия составляет от 51,4% до 79,05% диаметра детали. Достигается эффективная защита от электромагнитных воздействий и увеличение рабочих характеристик в отношении больших токов. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 18 ил.
Настоящее является частичным продолжением заявки U.S. No. 13/434,835, поданной 29 марта 2012 года.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ, И УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Легкие композиционные материалы оказались перспективны для авиационной промышленности. Волокнистые композиционные материалы обеспечивают существенное улучшение удельной прочности и жесткости по сравнению с традиционными металлическими сплавами. Лучшие удельная прочность и жесткость выражаются в экономии веса, что приводит к экономии топлива и снижению эксплуатационных расходов. Кроме того, композиционные материалы не подвержены коррозии, как алюминий, и они более устойчивы к усталости.
Конструкции воздушного летательного аппарата, выполненные из композиционных материалов, не обеспечивают надежного отвода экстремальных электрических токов и электромагнитных сил, образуемых вследствие ударов молний.
Конструкции воздушного летательного аппарата, выполненные из композиционных материалов, могут быть выполнены с возможностью защиты от электромагнитных воздействий, возникающих в результате ударов молний. Например, на поверхности могут быть выполнены проводящие средства, чтобы осуществлять отвод молниевого тока от расположенных ниже металлических крепежных систем. Кроме того, промежутки между деталями крепежных элементов и промежутки между деталями крепежных элементов и конструкционными элементами могут быть заполнены диэлектрическим уплотняющим материалом. Даже если не происходит отвода части тока, уплотняющий материал предотвращает образование электрической дуги и искрение через указанные промежутки.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно одному представленному варианту реализации изобретения способ включает вставку крепежных элементов в стопу элементов и заделывание, или законцовывание, крепежных элементов деталями, имеющими сухое диэлектрическое покрытие и/или внутреннее сухое диэлектрическое уплотнение в выбранных участках для защиты от электромагнитных воздействий (ЕМЕ), причем по меньшей мере некоторые детали из деталей имеют расточенное отверстие, при этом высота расточенного отверстия составляет от 3,1% до 59,0% высоты указанной детали, а диаметр расточенного отверстия составляет от 51,4% до 79,05% диаметра указанной детали.
Согласно еще одному представленному варианту реализации изобретения способ включает вставку крепежных элементов в стопу элементов и заделывание, или законцовывание, крепежных элементов деталями, имеющими комбинацию из сухого диэлектрического покрытия и сухого диэлектрического уплотнения в выбранных участках для защиты от электромагнитных воздействий (ЕМЕ) без использования уплотняющего материала.
Согласно еще одному представленному варианту реализации изобретения деталь для заделывания, или законцовывания, крепежного элемента содержит основную часть для заделывания, или законцовывания, крепежного элемента, имеющую центральное отверстие и по меньшей мере один функциональный элемент для защиты от электромагнитных воздействий. Указанный по меньшей мере один функциональный элемент содержит диэлектрическое покрытие и/или диэлектрическое уплотнение, частично закрывающее центральное отверстие в выбранном участке. Уплотнение прикреплено к основной части. Покрытие и уплотнение имеют толщину и состав для подавления молниевого тока. Выбранный участок содержит дальний участок и/или ближний участок. Основная часть кроме того содержит расточенное отверстие, при этом высота расточенного отверстия составляет от 3,1% до 59,0% высоты указанной детали, а диаметр расточенного отверстия составляет от 51,4% до 79,05% диаметра указанной детали.
Согласно еще одному представленному варианту реализации изобретения крепежная система содержит крепежный элемент, по меньшей мере одну заделывающую, или законцовывающую, деталь крепежного элемента и функциональные защитные элементы для защиты от электромагнитных воздействий для крепежного элемента и каждой заделывающей, или законцовывающей, детали крепежного элемента. Функциональные защитные элементы для защиты от электромагнитных воздействий взяты из группы, содержащей: проводящее смоляное покрытие на стержне крепежного элемента, диэлектрическое покрытие с прочным соединением и взаимным закреплением на головной части крепежного элемента, внутреннее диэлектрическое уплотнение на ближнем участке головной части крепежного элемента, диэлектрическое уплотнение на дальнем участке заделывающей, или законцовывающей, детали, диэлектрическое уплотнение на ближнем участке заделывающей, или законцовывающей, детали, диэлектрическое покрытие на дальнем участке заделывающей, или законцовывающей, детали и диэлектрическое покрытие на ближнем участке заделывающей, или законцовывающей, детали.
Эти функциональные элементы и функции могут быть получены независимо в различных вариантах реализации настоящего изобретения или могут быть скомбинированы с получением других вариантов реализации. Дополнительные подробности вариантов реализации изобретения могут быть показаны со ссылкой на нижеследующее описание и чертежи.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
ФИГ. 1 является иллюстрацией способа крепления стопы элементов.
ФИГ. 2 является иллюстрацией коммерческого воздушного летательного аппарата.
ФИГ. 3А и 3В являются иллюстрациями первого варианта реализации защитного крепежного элемента для защиты от электромагнитных воздействий.
ФИГ. 4А и 4В являются иллюстрациями второго варианта реализации защитного крепежного элемента для защиты от электромагнитных воздействий.
ФИГ. 5 и 6 являются иллюстрациями еще одних вариантов реализации крепежных элементов для защиты от электромагнитных воздействий.
ФИГ. 7 является иллюстрацией стопы, содержащей элемент из композиционного материала и проводящий слой.
ФИГ. 8 является иллюстрацией выбранных участков защиты от электромагнитных воздействий на гайке.
ФИГ. 9-12 являются иллюстрациями различных комбинаций шайб и гаек, имеющих функциональные защитные элементы для защиты от электромагнитных воздействий.
ФИГ. 13 является иллюстрацией гайки, имеющей расточенное отверстие и внешнее ближнее уплотнение.
ФИГ. 14 и 15 являются иллюстрациями внешних ближних уплотнений без металлических подложек и с металлическими подложками.
ФИГ. 16 является иллюстрацией конструкции воздушного летательного аппарата.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Обратимся к ФИГ. 1, на которой показан способ крепления стопы из двух или большего количества элементов. В некоторых вариантах реализации изобретения все элементы указанной стопы выполнены из металла (например, алюминия, титана). В других вариантах реализации изобретения по меньшей мере один из элементов указанной стопы выполнен из композиционного материала. Например, внешний элемент выполнен из композиционного материала, а внутренний элемент выполнен из металла. В других вариантах реализации изобретения все элементы указанной стопы могут быть выполнены из композиционного материала.
Способ включает вставку крепежных элементов в указанную стопу (блок 110). В некоторых вариантах реализации изобретения крепежные элементы вставляют в предварительно выполненные сквозные отверстия в указанной стопе. В других вариантах реализации изобретения крепежные элементы вставляют без сверления отверстий. Крепежные элементы могут быть выполнены утопленными с раззенковкой во внешних элементах, внешние поверхности которых требуют аэродинамической гладкости (например, обшивка воздушного летательного аппарата). Крепежные элементы могут иметь функциональные защитные элементы для защиты от электромагнитных воздействий, содержащие сухие диэлектрические слои, прочно соединенные с взаимным закреплением с верхними поверхностям головных частей крепежных элементов, и сухие диэлектрические уплотнения на нижних поверхностях головных частей крепежных элементов.
Способ кроме того включает заделывание, или законцовывание, крепежных элементов деталями, имеющими функциональные защитные элементы для защиты от электромагнитных воздействий. Функциональные защитные элементы, обеспечивающие защиту от электромагнитных воздействий, для заделывающих, или законцовывающих, деталей содержат сухие диэлектрические покрытия и сухие диэлектрические уплотнения (например, диэлектрические муфты) в выбранных участках (блок 120).
Без этих функциональных защитных элементов для защиты от электромагнитных воздействий могут возникать электрическая дуга и искрение. Образование электрической дуги происходит тогда, когда две детали находятся в близком контакте, и диэлектрические свойства среды между ними оказываются нарушенными вследствие больших токов, протекающих между этими деталями. Искрение возникает тогда, когда большой ток ионизирует воздух в промежутке между двумя деталями, при этом воздух распадается на составные части, и через указанный промежуток протекает ток. Выпуск горячих частиц имеет место тогда, когда большой ток в детали из композиционного материала заставляет композиционный материал химически разлагаться с выработкой горячего расширяющегося газа.
Как указанное диэлектрическое покрытие, так и указанное диэлектрическое уплотнение предотвращают образование электрической дуги и искрение посредством блокирования канала электрической связи между деталями. Указанное диэлектрическое покрытие и указанное диэлектрическое уплотнение, в отдельности и в комбинации, подавляет или подавляют образование электрической дуги и искрение через промежутки между деталями крепежных элементов (например, промежуток между крепежным элементом и гайкой и промежуток между шайбой и гайкой) и промежутки между деталями крепежных элементов и конструкцией (например, промежутки между крепежным элементом и конструкцией, гайкой и конструкцией и шайбой и конструкцией). Диэлектрическое уплотнение выполняет дополнительную функцию предотвращения выхода горячего газа через промежутки для удержания этого газа внутри крепежной системы.
Помимо этого или в качестве альтернативы некоторые варианты реализации крепежных элементов обеспечивают возможность уменьшения образования электрической дуги, искрения и выброса горячих частиц посредством улучшения канала электрической связи. В этих вариантах реализации стержни крепежных элементов могут быть покрыты проводящим покрытием (например, проводящей смолой) для улучшения электрической связи между крепежным элементом и стопой и уменьшения, таким образом, сопротивления контакта. В некоторых вариантах реализации изобретения крепежные элементы могут быть посажены в отверстия с зазором. В других вариантах реализации изобретения крепежные элементы могут быть посажены в отверстия с натягом. Посадка с натягом приводит к улучшению электрической связи между крепежным элементом и стопой (за счет увеличения поверхности соприкосновения), что уменьшает плотности токов и снижает общее сопротивление канала.
Использование сухого диэлектрического покрытия и уплотнений на деталях крепежной системы имеет ряд преимуществ по сравнению с использованием уплотняющего материала с заполнением указанных промежутков. Эти преимущества включают простоту и скорость установки. Могут быть добавлены сухие диэлектрические уплотнения, и покрытие может быть нанесено на детали крепежных элементов до установки таким образом, что во время крепления должны быть установлены только крепежные элементы. Исключаются дополнительные этапы, такие как маскирование детали указанной стопы, подача уплотняющего материала под давлением и отверждение уплотняющего материала.
Еще одним преимуществом является снижение веса. Сухие диэлектрические покрытия и уплотнения могут быть тоньше, чем слои уплотняющего материала. В некоторых вариантах реализации изобретения толщина диэлектрического покрытия или уплотнения может составлять 30 тысячных долей дюйма±10 тысячных долей дюйма (0,762 мм ± 0,254 мм). Кроме того, покрытой оказывается меньшая площадь поверхности, если вся поверхность детали крепежного элемента выполнена без покрытия сухим диэлектрическим покрытием или сухим диэлектрическим уплотнением.
Еще одним преимуществом является избыточная защита от электромагнитных воздействий. Различные варианты реализации крепежных элементов могут быть использованы в комбинации с различными вариантами реализации заделывающих, или законцовывающих, деталей (например, гайками и шайбами), чтобы обеспечить различные уровни защиты от электромагнитных воздействий.
Эти преимущества являются существенными в отношении коммерческого воздушного летательного аппарата, такого как коммерческий воздушный летательный аппарат 200, показанный на ФИГ. 2. Воздушный летательный аппарат 200 включает в себя фюзеляж 210, узлы 220 крыльев, оперение 230 и узлы 240 шасси. В этом коммерческом воздушном летательном аппарате 200 один миллион крепежных систем может быть использован для прикрепления друг к другу различных компонентов 210-240 и составляющих их компонентов.
В некоторых участках воздушного летательного аппарата 200 необходима защита от электромагнитных воздействий. Например, защита от электромагнитных воздействий необходима для узлов крыла и других конструкций. Для обеспечения защиты от электромагнитных воздействий узлы 220 крыла могут быть собраны из 20000 крепежных элементов согласно способу, раскрытому в данном документе. Преимущества, обеспечиваемые за счет уменьшения веса и времени и упрощения установки этих 20000 крепежных элементов, оказываются довольно существенными.
В следующих абзацах будут описаны различные типы деталей защитных крепежных элементов для защиты от электромагнитных воздействий. Эти детали крепежных элементов содержат крепежные элементы и детали, которыми заделывают, или законцовывают, крепежные элементы (например, гайки и шайбы). Эти детали крепежных элементов могут иметь сухие диэлектрические покрытия и/или сухие диэлектрические уплотнения в выбранных участках для защиты от электромагнитных воздействий.
Во-первых, будут описаны защитные крепежные элементы для защиты от электромагнитных воздействий. Примеры крепежных элементов содержат, помимо прочего, болты и заклепки.
Обратимся теперь к ФИГ. 3А и 3В, на которых показан первый вариант реализации защитного крепежного элемента 310 для защиты от электромагнитных воздействий. ФИГ. 3В представляет собой сечение, выполненное вдоль линии 3В-3В по ФИГ. 3А. Крепежный элемент 310 содержит головную часть 320, стержень 330 и сухой диэлектрический слой 340. Верхняя поверхность 322 головной части 320 крепежного элемента имеет множество участков для механического прочного соединения с взаимным закреплением, которые выполнены с возможностью удержания диэлектрического слоя 340. Каждый участок прочного соединения с взаимным закреплением содержит выступ 324, проходящий вверх от верхней поверхности 322. Выступ 324 имеет участок 326, выполненный в виде поднутрения, возле верхней поверхности 322. В варианте реализации по ФИГ. 3А и 3В выступы 324 могут быть выполнены в виде перекладин 324, проходящих в радиальном направлении наружу и имеющих сечение в виде перевернутого треугольника.
Диэлектрический слой 340 покрывает головную часть 320 крепежного элемента. Диэлектрический слой 340 не ограничен каким-либо конкретным диэлектрическим материалом. Примеры содержат, помимо прочего, термореактивные материалы, термопластики, резину, керамику и эластомеры.
Диэлектрический слой 340 заполняет участки, выполненные в виде поднутрений, и все остальное пространство между выступами 324. Диэлектрический слой 340 также находится в тесном контакте с верхней поверхностью 322 и выступами 324.
В некоторых вариантах реализации изобретения диэлектрический слой 340 может быть сформирован путем пропускания потока диэлектрического материала поверх головной части 320 крепежного элемента. Когда диэлектрический материал протекает поверх поверхности 322, он заполняет участки 326, выполненные в виде поднутрений, и все пространство между выступами 324. После затвердевания диэлектрического материала он имеет прочное соединение с взаимным закреплением с выступами 324 и, таким образом, оказывается прикреплен к головной части 320 крепежного элемента. В других вариантах реализации изобретения диэлектрический слой 340 может быть сформирован посредством порошкового покрытия, окраски, плакирования, распыления, напыления, осаждения или любого другого процесса, обеспечивающего возможность заполнения диэлектрическим материалом участков 326, выполненных в виде поднутрений.
Таким образом, диэлектрический слой 340 механически прочно соединяют с взаимным закреплением с указанными участками прочного соединения с взаимным закреплением перед установкой крепежного элемента. Крепежный элемент 310 с диэлектрическим слоем 340 выполнен предварительно установленным на головную часть 320.
Выполнение прочного соединения с взаимным закреплением диэлектрического слоя 340 с головной частью 320 крепежного элемента является особенно выгодным с точки зрения ударов молний. Указанное прочное соединение с взаимным закреплением гарантирует, что диэлектрический слой 340 поддерживает тесный контакт с головной частью 320 крепежного элемента во время ударов молний и после этого.
Удерживающая способность диэлектрического слоя 340 может быть усилена. В качестве первого примера, поверхность 322 может иметь шероховатость для усиления удерживающей способности относительно диэлектрического слоя 340. В качестве второго примера, диэлектрический слой 340 может быть выполнен из материала (например, адгезивного уплотняющего материала), который прилипает к поверхности 322.
В других вариантах реализации изобретения крепежные элементы для защиты от электромагнитных воздействий, указанные участки прочного соединения с взаимным закреплением могут иметь другие поперечные сечения и могут быть в других конфигурациях. Примеры других поперечных сечений содержат, помимо прочего, квадратное и круглое поперечные сечения. Поперечные сечения, имеющие области концентрации большого напряжения, (например, углы) не являются предпочтительными. Округлые поперечные сечения обеспечивают лучшие механические свойства.
Защитный крепежный элемент в данном варианте реализации изобретения не ограничен каким-либо конкретным количеством участков прочного соединения с взаимным закреплением. При этом было обнаружено, что диапазон от пяти до девяти участков прочного соединения с взаимным закреплением обеспечивает хороший баланс между силой прочного соединения с взаимным закреплением (с диэлектрическим слоем) и силой зажима крепежного элемента.
Обратимся теперь к ФИГ. 4А и 4В, на которых показан второй вариант реализации защитного крепежного элемента 410 для защиты от электромагнитных воздействий. Защитный крепежный элемент 410 для защиты от электромагнитных воздействий содержит участки 420 прочного соединения с взаимным закреплением, размещенных в виде решетки. Каждый участок 420 прочного соединения с взаимным закреплением содержит стерженек 422, проходящий вверх от верхней поверхности 414 головной части 412 крепежного элемента. Стерженек 422 заделан в головку 424. Стерженек 422 и поверхности между головкой 424 и головной частью 412 крепежного элемента определяют участок 426, выполненный в виде поднутрения.
Обратимся теперь к ФИГ. 5 и 6, на которых показаны варианты реализации крепежных элементов 510 и 610, содержащих головные части 512 и 612 и диэлектрические уплотнения 520 и 620. Уплотнения 520 и 620 могут быть механически прикреплены к головным частям 512 и 612 крепежных элементов. Уплотнения 520 и 620 могут быть изготовлены из полимерного материала, такого как политетрафторэтилен (PTFE), или термопластичных полимеров, таких как полиэфирэфиркетон (PEEK) и полиамидимиды. Когда крепежный элемент 510 или 610 вставлен в стопу и заделан, его уплотнение 520 или 620 контактирует с указанной стопой с поджатием.
В крепежном элементе 510 по ФИГ. 5 уплотнение 520 размещено вокруг периферии головной части 512 крепежного элемента. Уплотнение 520 может иметь выступ 522, который размещен в канавке в головной части 512 крепежного элемента. Уплотнение 520 подавляет образование электрической дуги и искрение по краю головной части 512 крепежного элемента и препятствует выходу горячего расширяющегося газа снизу головной части 512.
В крепежном элементе 610 по ФИГ. 6 уплотнение 620 имеет форму круглого кольца и размещено в канавке в нижней части головной части 612 крепежного элемента. Уплотнение 620 подавляет образование электрической дуги и искрение и препятствует выходу какого-либо горячего расширяющегося газа между указанной стопой и стержнем 614 крепежного элемента. Верхняя поверхность и боковая поверхность головной части 612 крепежного элемента могут быть покрыты диэлектрическим покрытием 630 для предотвращения образования электрической дуги и искрения по краю головной части 612 крепежного элемента.
Обратимся теперь к ФИГ. 7, на которой показана стопа 700, содержащая элемент 710 и проводящий слой 720 (например, металлические полосы, расширяющаяся пленка), который покрывает элемент 710 из композиционного материала. Защитный крепежный элемент 750 вставлен в сквозное отверстие 730 в элементе 710 из композиционного материала и утоплен с раззенковкой в проводящем слое 720. Диэлектрический слой 752 на головной части 754 крепежного элемента выполнен заподлицо с проводящим слоем 720.
В некоторых вариантах реализации изобретения весь нерезьбовой участок стержня 758 крепежного элемента может быть покрыт сухим проводящим смоляным покрытием 756 (показано серым цветом), имеющим электропроводящие частицы, диспергированные в полимерной матрице. Примеры проводящих частиц включают, помимо прочего, металлические частицы и нанотрубки. Было обнаружено, что смола, в комбинации с посадкой с натягом, улучшает канал электрической связи между крепежным элементом 750 и элементом 710 из композиционного материала. Смола заполняет свободное пространство между стержнем 758 крепежного элемента и элементом 710 из композиционного материала. Таким образом, смола увеличивает эффективную площадь контакта с волокнами элемента 710 из композиционного материала.
Крепежный элемент 750 может иметь противоповоротный функциональный элемент, не допускающий его поворота в сквозном отверстии 730 и повреждения диэлектрического слоя 752 при его заделывании, или законцовывании, (например, когда гайку накручивают на крепежный элемент 750). Примеры противоповоротных средств содержат, помимо прочего, создание посадки с натягом (или трением) между стержнем 758 крепежного элемента и элементом 710; выполнение стержня 758 имеющим форму поперечного сечения, не допускающую поворота (например, шестиугольную форму для стержня и сквозного отверстия), и шплинтового соединения стержня 758 с элементом 710.
Крепежные элементы в данном варианте реализации изобретения могут быть использованы в любом месте в воздушном летательном аппарате. В качестве примеров, крепежные элементы в данном варианте реализации изобретения могут быть использованы в участках, окружающих двери, основной части для электрического оборудования и деталях, подвергаемых воздействию отводимых по заземлению токов повреждения. Крепежные элементы в данном варианте реализации изобретения могут быть заделаны, или законцованы, стандартными деталями (например, стандартными гайками), или они могут быть заделаны раскрытыми в настоящем документе деталями, обеспечивающими защиту от электромагнитных воздействий.
В следующих абзацах будут описаны различные типы заделывающих, или законцовывающих, деталей крепежных элементов, обеспечивающих защиту от электромагнитных воздействий. Эти детали содержат кольцевые детали и шайбы. Типами кольцевых деталей, описанных в следующих абзацах, являются гайки, которые имеют функциональные элементы для отвертывания и/или завертывания, которые обеспечивают возможность установки и удаления. При этом кольцевые детали в данном варианте реализации изобретения могут иметь ломкие функциональные элементы обеспечения отвертывания и/или завертывания, или они могут быть надеты с обжиманием.
Обратимся теперь к ФИГ. 8, на которой показан крепежный элемент 830, проходящий через элемент стопы 800, а также шайба 810 и гайка 820, которыми заделывают, или законцовывают, крепежный элемент 830. ФИГ. 8 также иллюстрирует различные участки на шайбе 810 и гайке 820, которые могут быть покрыты сухим диэлектрическим покрытием или диэлектрическим уплотнением для защиты от электромагнитных воздействий. Указанные участки на гайке 820 содержат внутренний дальний участок 840, внешний ближний участок 850 и внутренний ближний участок 860. Указанные участки на шайбе 810 содержат внутренний ближний участок 870 и внутренний дальний участок 880. Термины "ближний" и "дальний" относятся к расстоянию от стопы 800. Например, ближний участок гайки 820 выполнен ближе к стопе 800, чем дальний участок. Термины "внутренний" и "внешний" относятся к расстоянию от стержня крепежного элемента.
Вместо покрытия всей шайбы 810 и гайки 820 уплотняющим материалом для защиты от электромагнитных воздействий только один или большее количество этих участков 840-880 могут быть покрыты или уплотнены сухим диэлектрическим материалом.
Уплотнение выступает в осевом направлении от основной части заделывающей, или законцовывающей, детали крепежного элемента. В некоторых вариантах реализации изобретения уплотнение выступает по меньшей мере на 7 тысячных долей дюйма (0,178 мм) от основной части. Уплотнение может быть выполнено из полимерного материала, такого как политетрафторэтилен (PTFE), или термопластичных полимеров, таких как полиэфирэфиркетон (PEEK) и полиамидимиды. Уплотнение может быть механически прикреплено посредством использования выступов и поднутрений, которые обеспечивают возможность затекания полимерного материала в поднутрения.
В некоторых вариантах реализации изобретения внешняя поверхность указанной основной части покрыта диэлектрическим покрытием. Примеры композиций для диэлектрического покрытия содержат, помимо прочего, термореактивные материалы, термопластики, керамику, стекло и эластомеры. Диэлектрическое покрытие может быть нанесено с помощью процесса, такого как анодное конверсионное покрытие (например, плазменно-электролитическое оксидирование), которое представляет собой электрохимическую обработку поверхности с ее преобразованием. Другие способы нанесения диэлектрика включают, помимо прочего, порошковое покрытие, распыление, плакирование, напыление и осаждение.
Обратимся к ФИГ. 9, на которой показана комбинация, содержащая шайбу 910, имеющую уплотнение 920 во внутреннем ближнем участке. Дальний участок выполнен без покрытия. Наружная поверхность шайбы 910 покрыта диэлектрическим материалом.
Указанная комбинация также содержит гайку 950, имеющую уплотнение 960 во внешнем ближнем участке, уплотнение 970 во внутреннем ближнем участке и диэлектрическое покрытие 980 в дальнем участке. На внешней поверхности гайки 950 нет диэлектрического покрытия.
Когда гайка 950 и шайба 910 оказываются сопряжены с указанной стопой, внутреннее ближнее уплотнение 920 шайбы 910 оказывается прижато к стопе, а внутреннее ближнее уплотнение 970 гайки 950 размещено в центральном отверстии шайбы 910. По мере затягивания гайки 950 уплотнение 920 шайбы отворачивается назад и оказывается смято с упором в стопу, благодаря чему происходит заполнение свободного пространства между шайбой 910 и указанной стопой.
Обратимся к ФИГ. 10, на которой показана комбинация, содержащая шайбу 1010, имеющую уплотнение 1020 во внутреннем ближнем участке, и гайку 1050, имеющую уплотнение 1060 во внутреннем ближнем участке, диэлектрическое покрытие 1070 в дальнем участке и диэлектрическое покрытие 1080 на внешней поверхности (вместо уплотнения в указанном внешнем ближнем участке).
Обратимся к ФИГ. 11, на которой показана комбинация, содержащая шайбу 1110, имеющую уплотнение 1120 во внутреннем ближнем участке и концентрический выступ 1130, сформированный на периферии шайбы 1110. Указанная комбинация также содержит гайку 1150, имеющую уплотнение 1160 во внутреннем ближнем участке, диэлектрическое покрытие 1170 на внешней поверхности (вместо уплотнения в указанном внешнем ближнем участке) и уплотнение 1180 во внутреннем дальнем участке.
Когда гайка 1150 и шайба 1110 оказываются сопряжены с указанной стопой, внутреннее ближнее уплотнение 1120 и выступ 1130 шайбы 1110 прижимаются к указанной стопе, а внутренняя ближняя муфта 1160 гайки 1150 размещается в центральном отверстии шайбы 1110. По мере затягивания гайки 1150 внутреннее ближнее уплотнение 1120 шайбы 1110 отворачивается назад и оказывается смято с упором в стопу. Концентрический выступ 1130 также поддерживает уплотнение между шайбой 1110 и указанной стопой, даже если ближняя поверхность шайбы 1110 не параллельна нижней поверхности указанной стопы.
Обратимся теперь к ФИГ. 12, на которой показана комбинация, содержащая шайбу 1210, имеющую уплотнения 1220 и 1230 во внутреннем ближнем и дальнем участках. Между уплотнениями 1220 и 1230 существует промежуток. Указанная комбинация, кроме того, содержит гайку 1250 с диэлектрическим покрытием 1270 поверх всей внешней поверхности и покрытие 1260 во внутреннем ближнем участке.
Когда гайка 1250 и шайба 1210 сопряжены с указанной стопой, ближнее уплотнение 1220 шайбы 1210 оказывается прижато к стопе, а дальнее уплотнение 1230 шайбы 1210 размещено во внутреннем ближнем участке гайки 1250. По мере затягивания гайки 1250 ближнее уплотнение 1220 шайбы 1210 отворачивается назад и оказывается смято с упором в стопу, а дальнее уплотнение 1230 шайбы 1210 отворачивается назад и оказывается смято с упором в гайку 1250.
Варианты выполнения концентрических выступов не ограничены периферией шайбы в данном варианте реализации изобретения. Иные варианты реализации шайб могут иметь концентрические выступы на промежуточном и внутреннем участках верхней поверхности шайбы. Некоторые варианты реализации могут иметь концентрические выступы на обеих поверхностях.
В некоторых вариантах реализации изобретения концентрический выступ может быть сформирован путем штамповки концентрической канавки в шайбе с заполнением канавки диэлектрическим кольцом. В других вариантах реализации изобретения металлический выступ может быть выполнен путем штамповки в шайбе.
Несмотря на то, что на ФИГ. 9-12 показаны гайки 950, 1050, 1150, 1250, которые открыты с обоих концов, выполнение гайки в данном варианте реализации изобретения этим не ограничено. Например, один конец гайки в данном варианте реализации изобретения может быть закрыт для формирования крышки. Крышка может быть выполнена из диэлектрического материала, или крышка может быть выполнена из металла и иметь внутреннюю поверхность, покрытую диэлектрическим материалом. Такая крышка может обеспечивать дополнительную защиту от образования электрической дуги и искрения.
Гайки 950, 1050, 1150, 1250 по ФИГ. 9-12 не имеют расточенных отверстий. Однако гайка в данном варианте реализации изобретения может быть выполнена имеющей расточенное отверстие.
Обратимся теперь к ФИГ. 13, на которой показана гайка 1310, имеющая расточенное отверстие 1320 и внутреннее ближнее уплотнение 1330 внутри расточенного отверстия 1320. Гайка 1310 также имеет резьбовой участок 1340 для взаимодействия с резьбой крепежного элемента и резьбовой фиксирующий функциональный элемент 1350 на дальнем конце резьбового участка 1340. Гайка 1310 также имеет внешнее ближнее уплотнение 1360. Гайка 1310 может быть полностью покрыта диэлектрическим покрытием.
Заявители провели испытания в виде ударов молний на гайках 1310, имеющих расточенные отверстия 1320 различных размеров, и выяснили диапазоны высот (hcb) и диаметров (dcb) расточенных отверстий, которые обеспечивают особенно эффективную защиту от электромагнитных воздействий. Испытания в виде ударов молний были проведены на гайках 1310, имеющих высоту приблизительно 0,45 дюймов (11,4 мм) и внешний диаметр приблизительно 0,51 дюймов (13,0 мм). Во время испытаний осуществляли подачу больших токов через пробные образцы, скрепленные друг с другом крепежным элементом и гайкой 1310, при этом наблюдались образование электрической дуги и искрение. По результатам испытаний было установлено, что высота (hcb) расточенного отверстия в диапазоне между 0,014 дюймов и 0,264 дюймов (0,36 мм и 6,7 мм) и диаметр (dcb) расточенного отверстия в диапазон между 0,260 дюймов и 0,400 дюймов (6,6 мм и 10,2 мм) обеспечили увеличение рабочих характеристик в отношении больших токов на 293% по сравнению с расточенным отверстием 0,300 дюймов (7,62 мм) или увеличение на 18 кА до того, как наблюдались повреждения в виде дуговых разрядов и искр.
Можно полагать, что этот диапазон диаметров (dcb) обеспечивает зазор между гайкой 1310 и крепежным элементом для предотвращения случайного контакта, который обусловливает возможность подачи молниевых токов в гайку 1310 за счет электрической непрерывности. Вследствие этого обеспечивается предотвращение образования электрической дуги по краю и/или концу. Можно полагать, что этот диапазон высот (hcb) приводит к созданию зазора между стержнем крепежного элемента и/или муфтой крепежного элемента для предотвращения случайного контакта, который обусловливает возможность подачи молниевых токов в гайку за счет электрической непрерывности. Вследствие этого обеспечивается предотвращение образования электрической дуги по краю и/или концу.
Результаты этих испытаний применимы к гайкам 1310 различных размеров. Заявители обнаружили, что высота (hcb) расточенного отверстия между приблизительно от 3,1% до 59,0% высоты гайки (hn) и диаметр (dcb) расточенного отверстия между 51,4% и 79,05% диаметра (dn) гайки обеспечивают схожее усиление защиты от электромагнитных воздействий.
Обратимся также к ФИГ. 14. Внешнее ближнее уплотнение 1360 имеет высоту, обозначенную hs, и толщину, обозначенную ts.
Заявители провели испытания в виде ударов молний на гайках 1310, имеющих внешние ближние уплотнения 1360 различных размеров, и выяснили диапазоны высот (hs) и толщин (ts), которые обеспечивают особенно эффективную защиту от электромагнитных воздействий. Испытания в виде ударов молний были проведены на гайках 1310, имеющих высоту приблизительно 0,45 дюймов (11,4 мм) и внешний диаметр приблизительно 0,51 дюймов (13,0 мм). Гайки 1310, подвергаемые испытанию, были полностью покрыты диэлектрическим покрытием, и имели расточенные отверстия, внутренние ближние уплотнения и внутренние дальние уплотнения. Внешние ближние уплотнения 1360, подвергаемые испытанию, были выполнены из полиамид-имида Torlon®. Во время испытаний осуществляли подачу больших токов через пробные образцы, скрепленные друг с другом крепежным элементом и гайкой 1310, при этом наблюдались образование электрической дуги и искрение. По результатам испытаний было установлено, что внешние ближние уплотнения 1360, имеющие толщину (ts) в диапазоне между 0,010 дюймов и 0,075 дюймов (0,25 мм и 1,9 мм) и высоту (hs) в диапазоне между 0,010 и 0,100 дюймов (0,25 мм и 2,5 мм) обеспечили увеличение рабочих характеристик в отношении больших токов на 3500% по сравнению с базовой конфигурацией, не имеющей уплотнений, или увеличение на 44 кА до того, как наблюдались повреждения в виде дуговых разрядов и искр.
Результаты этих испытаний применимы к гайкам различных размеров. Заявители обнаружили, что толщина (ts) внешнего уплотнения между приблизительно от 2,0% до 15,0% диаметра (dn) гайки и высота (hs) внешнего уплотнения между 2,2% и 22,3% гайки (hn) высоты обеспечивают схожее увеличение защиты от электромагнитных воздействий.
На ФИГ. 13-15 также показан удерживающий канал 1420 для удержания внешнего ближнего уплотнения 1360. Внешнее ближнее уплотнение 1360 имеет по существу прямоугольную форму, за исключением участка 1412, заполняющего удерживающий канал 1420.
Обратимся теперь к ФИГ. 15. В некоторых вариантах реализации изобретения внешнее ближнее уплотнение 1360 может также иметь металлическую подложку 1510 на уплотнении 1360. Металлическая подложка 1510 может удерживать внешнее ближнее уплотнение 1360 неповрежденным во время удара молнии, при этом было обнаружено, что оно уменьшает вероятность повреждения уплотнения 1360.
Выполнение крепежной системы в данном варианте реализации изобретения не ограничено указанными комбинациями крепежных элементов, гаек и шайб, описанных выше. Разные функциональные защитные элементы, используемые для защиты от электромагнитных воздействий, могут быть смешаны и сопряжены. Может быть использовано множество деталей, имеющих различные функциональные элементы. Например, функциональные защитные элементы для защиты от электромагнитных воздействий могут быть взяты из группы, содержащей: проводящее смоляное покрытие на стержне крепежного элемента, диэлектрическое покрытие с прочным соединением и взаимным закреплением на головной части крепежного элемента, диэлектрическое уплотнение на ближнем участке головной части крепежного элемента, диэлектрическое уплотнение на дальнем участке заделывающей, или законцовывающей, детали, диэлектрическое уплотнение на ближнем участке заделывающей, или законцовывающей, детали, диэлектрическое покрытие на дальнем участке заделывающей, или законцовывающей, детали и диэлектрическое покрытие на ближнем участке заделывающей, или законцовывающей, детали.
Обратимся теперь к ФИГ. 16, на которой показан участок крыла 1610 воздушного летательного аппарата. Крыло 1610 содержит обшивку 1620, выполненную из композиционного материала, такого как углепластик (CFRP). Обшивка 1620 может быть прикреплена к элементу конструкции (показан держателем) 1630 посредством деталей 1640, 1680 и 1690 крепежных элементов. Обшивка 1620 определяет область 1650, легко подверженную воздействию молний.
Каждый крепежный элемент 1640 имеет диэлектрический слой 1642, который имеет прочное соединение с взаимным закреплением с головной частью 1644 крепежного элемента. Каждый крепежный элемент 1640 может иметь проводящее смоляное покрытие на своем стержне 1646.
Каждый крепежный элемент 1640 выполнен утопленным с раззенковкой в обшивке 1620. Диэлектрический слой 1642 выполнен заподлицо с верхней поверхностью обшивки 1620. Используется металлическая фольга 1660, покрывающая обшивку 1620 для рассеяния тока, возникающего вследствие электромагнитных воздействий. Поверх обшивки 1620 нанесена поверхностная пленка (например, стеклоэпоксидный слой) 1665, которая покрыта краской 1670.
Каждый крепежный элемент 1640 заделан, или законцовыван, шайбой 1680 и гайкой 1690. Шайба 1680 и гайка 1690 имеют различные функциональные защитные элементы для защиты от электромагнитных воздействий.
В крыле 1610 могут использоваться десятки тысяч крепежных элементов 1640, шайб 1680 и гаек 1690. Посредством использования функциональных защитных элементов для защиты от электромагнитных воздействий вместо подачи уплотняющего материала под давлением в данном варианте обеспечивается существенное уменьшение времени на монтаж. Уменьшение веса также оказывается существенным.
ФИГ. 16 иллюстрирует выполнение поверхности шайбы 1680 и держателя 1630 с небольшим скосом. Если шайба 1680 оснащена верхней муфтой или концентрическим выступом на верхней поверхности, любой промежуток между шайбой 1680 и держателем 1630 окажется заполнен диэлектрическим материалом и уплотнен.
Аналогичным образом, если гайка 1690 выполнена с небольшим скосом по отношению к шайбе 1680, или если шайба 1680 не используется, а гайка 1690 выполнена с небольшим скосом по отношению к верхней поверхности, то любой промежуток между гайкой 1690 и шайбой 1680 или гайкой 1690 и стопой окажется заполнен диэлектрическим материалом и уплотнен.
Согласно одной особенности настоящего изобретения предложен способ, включающий вставку крепежных элементов в стопу элементов и заделывание, или законцовывание, крепежных элементов деталями, имеющими сухое диэлектрическое покрытие и/или внутреннее сухое диэлектрическое уплотнение в выбранных участках для защиты от электромагнитных воздействий (ЕМЕ). В предпочтительном варианте реализации изобретения по меньшей мере некоторые элементы из крепежных элементов заделывают, или законцовывают, с использованием комбинации из шайбы и гайки, причем шайба имеет внешнее и внутреннее ближнее уплотнения, а гайка имеет внешнее диэлектрическое покрытие и внутреннее ближнее покрытие. В предпочтительном варианте реализации изобретения указанное уплотнение используется для защиты от электрической дуги, искрения и выброса горячих частиц; и при этом указанное покрытие используется для защиты от электрической дуги и искрения. В предпочтительном варианте реализации изобретения указанные элементы являются элементами воздушного летательного аппарата, по меньшей мере один из которых выполнен из композиционного материала. В предпочтительном варианте реализации изобретения указанные элементы содержат обшивку воздушного летательного аппарата и металлический элемент. В предпочтительном варианте реализации изобретения по меньшей мере некоторые элементы из крепежных элементов заделывают, или законцовывают, с использованием комбинации из шайбы и гайки, причем шайба имеет внутреннее ближнее уплотнение и наружную поверхность, покрытую диэлектрическим покрытием, а гайка имеет внешнее ближнее уплотнение, внутреннее ближнее уплотнение и внутреннее дальнее диэлектрическое покрытие.
Согласно одной особенности настоящего изобретения предложена деталь для заделывания, или законцовывания, крепежного элемента, содержащая: основную часть для заделывания, или законцовывания, крепежного элемента, имеющую центральное отверстие; и по меньшей мере один функциональный элемент для защиты от электромагнитных воздействий, содержащий сухое диэлектрическое покрытие и/или диэлектрическое уплотнение, частично закрывающее центральное отверстие в выбранном участке, причем уплотнение прикреплено к основной части, указанные покрытие и уплотнение имеют толщину и состав для подавления молниевого тока, выбранный участок содержит дальний участок и/или ближний участок. В предпочтительном варианте реализации изобретения указанная деталь представляет собой кольцевую деталь. В предпочтительном варианте реализации изобретения указанная деталь представляет собой шайбу. В предпочтительном варианте реализации изобретения диэлектрическое уплотнение выполнено в дальнем участке на кольцевой детали. В предпочтительном варианте реализации изобретения кольцевая деталь имеет удерживающий канал для удержания внешнего ближнего уплотнения, и металлическую подложку снаружи этого уплотнения.
Согласно одной особенности настоящего изобретения предложена крепежная система, содержащая крепежный элемент, по меньшей мере одну заделывающую, или законцовывающую, деталь крепежного элемента и функциональные защитные элементы, обеспечивающие защиту от электромагнитных воздействий, для крепежного элемента и каждой заделывающей, или законцовывающей, детали крепежного элемента, причем функциональные защитные элементы для защиты от электромагнитных воздействий, взятые из группы, содержащей: проводящее смоляное покрытие на стержне крепежного элемента; диэлектрическое покрытие с прочным соединением и взаимным закреплением на головной части крепежного элемента; внутреннее диэлектрическое уплотнение на ближнем участке головной части крепежного элемента; диэлектрическое уплотнение на дальнем участке заделывающей, или законцовывающей, детали; диэлектрическое уплотнение на ближнем участке заделывающей, или законцовывающей, детали; диэлектрическое покрытие на дальнем участке заделывающей, или законцовывающей, детали и диэлектрическое покрытие на ближнем участке заделывающей, или законцовывающей, детали. В предпочтительном варианте реализации изобретения диэлектрическое уплотнение используется для защиты от электрической дуги, искрения и выброса горячих частиц; и при этом указанное диэлектрическое покрытие используется для защиты от электрической дуги и искрения.
Таким образом, функциональные защитные элементы для защиты от электромагнитных воздействий обеспечивают дополнительное преимущество в виде выполнения конструкции менее зависимой от геометрии. Даже если сопрягающиеся поверхности заделывающей, или законцовывающей, детали неидеально выполнены заподлицо, все равно обеспечивается защита от электромагнитных воздействий.
1. Способ крепления, включающий вставку крепежных элементов (310) в стопу (700) элементов и
заделывание или законцовывание крепежных элементов (310) деталями, имеющими сухое диэлектрическое покрытие и/или внутреннее сухое диэлектрическое уплотнение в выбранных участках для защиты от электромагнитных воздействий (ЕМЕ),
причем по меньшей мере некоторые из указанных деталей имеют расточенное отверстие, при этом высота расточенного отверстия составляет от 3,1% до 59,0% высоты указанной детали, а диаметр расточенного отверстия составляет от 51,4% до 79,05% диаметра указанной детали.
2. Способ по п.1, в котором по меньшей мере один элемент из крепежных элементов (310) посажен с натягом в сквозное отверстие в стопе (700).
3. Способ по п.1, в котором заделывание или законцовывание крепежных элементов (310) включает использование по меньшей мере одной детали, имеющей центральное отверстие и по меньшей мере один функциональный защитный элемент для защиты от электромагнитных воздействий, содержащий сухое диэлектрическое покрытие и сухое внутреннее диэлектрическое уплотнение, причем уплотнение прикреплено к центральному отверстию и выступает в осевом направлении от него.
4. Способ по п.1, в котором по меньшей мере некоторые элементы из крепежных элементов (310) заделывают или законцовывают с использованием комбинации из шайбы (1010) и гайки (1050), причем
шайба (1010) имеет внутреннее ближнее уплотнение (1020),
гайка (1050) имеет внутреннее ближнее уплотнение (1060), внутреннее дальнее диэлектрическое покрытие (1070) и внешнее диэлектрическое покрытие (1080).
5. Способ по п.1, в котором по меньшей мере некоторые элементы из крепежных элементов (310) заделывают или законцовывают с использованием комбинации из шайбы (1110) и гайки (1120), причем
шайба (1110) имеет внутреннее ближнее уплотнение (1120) и концентрический выступ (1130) на периферии шайбы (1110),
гайка (1120) имеет внутреннее ближнее уплотнение (1120), внутреннее дальнее уплотнение (1180) и внешнее диэлектрическое покрытие (1170).
6. Способ по п.1, в котором по меньшей мере некоторые из указанных деталей представляют собой гайки, имеющие расточенное отверстие.
7. Способ по п.1, в котором по меньшей мере некоторые элементы из крепежных элементов (310) заделывают или законцовывают гайкой (820), имеющей внешнее диэлектрическое уплотнение в ближнем участке, причем
указанное уплотнение имеет толщину между приблизительно от 2,0% до 15,0% диаметра гайки (820) и высоту между приблизительно 2,2% и 22,3% высоты гайки (820).
8. Деталь для заделывания или законцовывания крепежного элемента, содержащая:
основную часть для заделывания или законцовывания крепежного элемента, имеющую центральное отверстие, и
по меньшей мере один функциональный элемент для защиты от электромагнитных воздействий, содержащий сухое диэлектрическое покрытие и/или диэлектрическое уплотнение, частично закрывающее центральное отверстие в выбранном участке, причем
уплотнение прикреплено к основной части,
указанные покрытие и уплотнение имеют толщину и состав для подавления молниевого тока,
выбранный участок содержит дальний участок и/или ближний участок, и
основная часть, кроме того, содержит расточенное отверстие, при этом высота расточенного отверстия составляет от 3,1% до 59,0% высоты указанной детали, а диаметр расточенного отверстия составляет от 51,4% до 79,05% диаметра указанной детали.
9. Деталь по п.8, в которой уплотнение выступает в осевом направлении по меньшей мере на 7 тысячных долей дюйма (0,1778 мм) от указанной основной части.
10. Деталь по п.8, кроме того, содержащая диэлектрическое покрытие, полностью закрывающее внешнюю поверхность указанной основной части.
11. Деталь по п.8, в которой деталь представляет собой кольцевую деталь.
12. Деталь по п.11, кроме того, содержащая внешнее диэлектрическое уплотнение на основной части в ближнем участке,
уплотнение, имеющее толщину между приблизительно от 2,0% до 15,0% диаметра кольцевой детали и высоту между приблизительно 2,2% и 22,3% высоты кольцевой детали.
13. Деталь по п.11, в которой указанный по меньшей мере один функциональный элемент содержит как указанное диэлектрическое покрытие, так и указанное диэлектрическое уплотнение.
14. Деталь по п.11, в которой деталь представляет собой шайбу (1210).
15. Деталь по п.14, в которой указанный по меньшей мере один функциональный элемент содержит диэлектрическое уплотнение (1220), частично закрывающее центральное отверстие в ближнем участке шайбы.
16. Деталь по п.14, в которой указанный по меньшей мере один функциональный элемент, кроме того, содержит второе уплотнение (1230), закрывающее центральное отверстие в дальнем участке шайбы (1210), причем указанные уплотнения разделены промежутком.
17. Деталь по п.16, кроме того, содержащая диэлектрическое покрытие на внешней поверхности шайбы (1210).
