Крепежные системы, обеспечивающие защиту от электромагнитных воздействий
Изобретение относится к крепежной системе, обеспечивающей защиту от электромагнитных воздействий, и направлено на повышение эффективности работы системы. Способ включает вставку крепежных элементов в стопу компонентов и законцовывание крепежных элементов деталями, имеющими сухое диэлектрическое покрытие и/или сухое диэлектрическое уплотнение в выбранных участках для защиты от электромагнитных воздействий (ЕМЕ). Вставка по меньшей мере одного из крепежных элементов включает размещение стержня крепежного элемента в сквозном отверстии в указанной стопе, причем стержень покрыт сухой смолой, содержащей электропроводящие частицы. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 15 ил.
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 выражается 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 из композиционных материалов в этих воздушных летательных аппаратах не обеспечивают надежного отвода экстремальных электрических токов и электромагнитных сил, образуемых вследствие ударов молний.
Воздушный летательный аппарат с конструкциями из композиционных материалов может быть оснащен защитой 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.
Уплотнительный материал обеспечивает защиту от электромагнитных воздействий. Однако процесс подачи уплотнительного материала под давлением занимает много времени и содержит множество этапов, включающих в себя очистку поверхности, отверждение уплотнительного материала и удаление излишков. Кроме того, уплотнительный материал приводит к утяжелению воздушного летательного аппарата.
Вес, добавленный одной крепежной системой, может казаться незначительным. Однако нанесение уплотнительного материала на десятки тысяч крепежных элементов в одном воздушном летательном аппарате может привести к утяжелению на сотни фунтов.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно одному представленному варианту реализации изобретения способ включает вставку крепежных элементов в стопу компонентов и законцовывание крепежных элементов деталями, имеющими сухое диэлектрическое покрытие и/или сухое диэлектрическое уплотнение в выбранных участках для защиты от электромагнитных воздействий (ЕМЕ).
Согласно еще одному представленному варианту реализации изобретения крепежный элемент содержит головку крепежного элемента, имеющую верхнюю поверхность с множеством участков для механического зацепления, которые выполнены с возможностью удерживания диэлектрического слоя, и сухой диэлектрический слой, покрывающий верхнюю поверхность головки. Диэлектрический слой механически зацеплен с указанными участками.
Согласно еще одному представленному варианту реализации изобретения деталь для законцовывания крепежного элемента содержит деталь для законцовывания крепежного элемента, имеющую центральное отверстие и по меньшей мере один защитный элемент для защиты от электромагнитных воздействий. Указанный по меньшей мере один защитный элемент содержит диэлектрическое покрытие и/или диэлектрическое уплотнение, частично закрывающее центральное отверстие в выбранном участке. Уплотнение прикреплено к указанной детали. Покрытие и уплотнение имеют толщину и состав для подавления молниевого тока. Выбранный участок содержит дальний участок и/или ближний участок.
Согласно еще одному представленному варианту реализации изобретения крепежная система содержит крепежный элемент, по меньшей мере одну законцовывающую деталь крепежного элемента и защитные элементы для защиты от электромагнитных воздействий для крепежного элемента и каждой законцовывающей детали крепежного элемента. Защитные элементы для защиты от электромагнитных воздействий взяты из группы, включающей: покрытие из проводящей смолы на стержне крепежного элемента, диэлектрическое покрытие с зацеплением на головке крепежного элемента, диэлектрическое уплотнение на ближнем участке головки крепежного элемента, диэлектрическое уплотнение на дальнем участке законцовывающей детали, диэлектрическое уплотнение на ближнем участке законцовывающей детали, диэлектрическое покрытие на дальнем участке законцовывающей детали и диэлектрическое покрытие на ближнем участке законцовывающей детали.
Таким образом, согласно одной особенности настоящего изобретения предложен способ, включающий вставку крепежных элементов в стопу компонентов и 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 способа уплотнение применено для защиты от электрической дуги, искрения и выброса горячих частиц, а покрытие применено для защиты от электрической дуги и искрения. В предпочтительном варианте реализации способ таков, что компоненты представляют собой компоненты воздушного летательного аппарата, из которых по меньшей мере один выполнен из композиционного материала. В предпочтительном варианте реализации способа указанные компоненты включают в себя обшивку воздушного летательного аппарата и металлический компонент. В предпочтительном варианте реализации способа вставка по меньшей мере одного из крепежных элементов включает размещение стержня крепежного элемента в сквозном отверстии в указанной стопе, причем стержень покрыт сухой смолой, содержащей электропроводящие частицы. В предпочтительном варианте реализации способа вставка по меньшей мере одного из крепежных элементов включает размещение стержня крепежного элемента в сквозном отверстии в указанной стопе, причем крепежный элемент имеет головку и диэлектрическое уплотнение в ближнем участке на головке. В предпочтительном варианте реализации способа вставка по меньшей мере одного из крепежных элементов включает вставку головки крепежного элемента, имеющей верхнюю поверхность с множеством участков для механического зацепления, которые выполнены с возможностью удерживания диэлектрического слоя, причем диэлектрический слой покрывает верхнюю поверхность головки, при этом диэлектрик механически зацеплен с указанными участками механического зацепления. В предпочтительном варианте реализации способа законцовывание крепежного элемента включает законцовывание крепежного элемента деталью, имеющей центральное отверстие и по меньшей мере один функциональный элемент для защиты от электромагнитных воздействий, причем указанный по меньшей мере один функциональный элемент представляет собой диэлектрическое покрытие и/или сухое диэлектрическое уплотнение только на выбранном участке центрального отверстия, при этом уплотнение прикреплено к детали и выступает от нее в осевом направлении. В предпочтительном варианте реализации изобретения способ может включать нанесение проводящего слоя на верхнюю поверхность стопы перед осуществлением крепежа.
Согласно еще одной особенности настоящего изобретения предложен крепежный элемент, включающий в себя головку крепежного элемента, имеющую верхнюю поверхность с множеством участков для механического зацепления, которые выполнены с возможностью удержания диэлектрического слоя, и сухой диэлектрический слой, покрывающий верхнюю поверхность головки, причем диэлектрический слой механически зацеплен с указанными участками. В предпочтительном варианте реализации изобретения указанный диэлектрический слой, указанная головка и стержень крепежного элемента выступают от головки. В предпочтительном варианте реализации изобретения каждый участок для зацепления содержит выступ, проходящий вверх от указанной верхней поверхности и имеющий участок, выполненный в виде поднутрения, вблизиверхней поверхности. В предпочтительном варианте реализации изобретения участки для зацепления выполнены в решетчатой конфигурации. В предпочтительном варианте реализации изобретения участки для зацепления выполнены в виде перекладин в радиальной конфигурации. В предпочтительном варианте реализации изобретения указанная поверхность имеет шероховатость для усиления удерживающей способности относительно диэлектрического слоя. В предпочтительном варианте реализации изобретения от пяти до девяти участков для зацепления отходят от верхней поверхности. В предпочтительном варианте реализации изобретения диэлектрический слой также находится в тесном контакте с указанной верхней поверхностью и участками для зацепления. В предпочтительном варианте реализации изобретения крепежный элемент может содержать стержень, покрытый сухой смолой, содержащей электропроводящие частицы. В предпочтительном варианте реализации изобретения крепежный элемент может, кроме того, содержать сухое диэлектрическое уплотнение в дальнем участке на головке крепежного элемента.
Согласно еще одной особенности настоящего изобретения предложена деталь для законцовывания крепежного элемента, содержащая: деталь для 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 детали, 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 уплотнение выступает по меньшей мере на 7 тысячных долей дюйма (0,178 мм) от основной части. В предпочтительном варианте реализации изобретения указанная деталь может, кроме того, содержать диэлектрическое покрытие, полностью закрывающее внешнюю поверхность указанной детали. В предпочтительном варианте реализации изобретения указанная деталь содержит гайку. В предпочтительном варианте реализации изобретения диэлектрическое уплотнение выполнено в дальнем участке на гайке. В предпочтительном варианте реализации изобретения указанная деталь может содержать сухое диэлектрическое уплотнение в наружном ближнем участке на гайке. В предпочтительном варианте реализации изобретения по меньшей мере один функциональный элемент содержит как диэлектрическое покрытие, так и диэлектрическое уплотнение. В предпочтительном варианте реализации изобретения указанная деталь содержит шайбу. В предпочтительном варианте реализации изобретения указанный функциональный элемент содержит уплотнение во внутреннем ближнем участке шайбы. В предпочтительном варианте реализации изобретения указанный функциональный элемент, кроме того, содержит второе уплотнение в дальнем участке, причем уплотнения отделены промежутком. В предпочтительном варианте реализации изобретения указанная деталь может, кроме того, содержать диэлектрическое покрытие на внутренней поверхности шайбы. В предпочтительном варианте реализации изобретения указанная деталь может, кроме того, содержать концентрический выступ, выступающий по меньшей мере от одной поверхности шайбы.
Согласно еще одной особенности настоящего изобретения предложена крепежная система, содержащая крепежный элемент, по меньшей мере одну законцовывающую деталь крепежного элемента и защитные элементы для защиты от электромагнитных воздействий для крепежного элемента и каждой законцовывающей детали крепежного элемента, причем защитные элементы для защиты от электромагнитных воздействий взяты из группы, включающей: покрытие из проводящей смолы на стержне крепежного элемента, диэлектрическое покрытие с зацеплением на головке крепежного элемента, диэлектрическое уплотнение на ближнем участке головки крепежного элемента, диэлектрическое уплотнение на дальнем участке законцовывающей детали, диэлектрическое уплотнение на ближнем участке законцовывающей детали, диэлектрическое покрытие на дальнем участке законцовывающей детали и диэлектрическое покрытие на ближнем участке законцовывающей детали. В предпочтительном варианте реализации изобретения диэлектрическое уплотнение применено для защиты от электрической дуги, искрения и выброса горячих частиц, а покрытие применено для защиты от электрической дуги и искрения.
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 компонентов.
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 компонент из композиционного материала и проводящий слой.
ФИГ. 8 является иллюстрацией выбранных участков защиты от электромагнитных воздействий на гайке.
ФИГ. 9-12 являются иллюстрациями различных вариантов реализации шайб и гаек, имеющих защитные элементы для защиты от электромагнитных воздействий, различные комбинации из шайб и гаек.
ФИГ. 13 является иллюстрацией конструкции воздушного летательного аппарата.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Обратимся к ФИГ. 1, на которой показан способ крепления стопы компонентов. Стопа имеет два или большее количество компонентов. В некоторых вариантах реализации изобретения все компоненты в стопе выполнены из металла (например, алюминия, титана). В других вариантах реализации изобретения по меньшей мере один из компонентов в стопе выполнен из композиционного материала. Например, внешний компонент выполнен из композиционного материала, а внутренний компонент выполнен из металла. В других вариантах реализации изобретения все компоненты в стопе 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 защитные элементы для защиты от электромагнитных воздействий, содержащие сухие диэлектрические слои, зацепленные с верхними поверхностями головок крепежных элементов, и сухие диэлектрические уплотнения на нижних поверхностях головных частей крепежных элементов.
Способ, кроме того, включает законцовывание крепежных элементов деталями, имеющими функциональные защитные элементы для защиты от электромагнитных воздействий. Функциональные защитные элементы, обеспечивающие защиту от электромагнитных воздействий, для законцовывающих деталей содержат сухие диэлектрические покрытия и сухие диэлектрические уплотнения (например, диэлектрические муфты) в выбранных участках (блок 120).
Без этих защитных элементов для защиты от электромагнитных воздействий могут возникать электрическая дуга и искрение. Образование электрической дуги происходит тогда, когда две металлические 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 на деталях системы крепежных элементов имеет ряд преимуществ по сравнению с использованием уплотняющего материала с заполнением указанных промежутков. Эти преимущества включают простоту и скорость установки. Указанный сухой диэлектрик может быть нанесен 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, поскольку 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 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 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 головку 320 и стержень 330. Верхняя поверхность 322 головки 320 крепежного элемента имеет множество участков для механического зацепления, которые выполнены с возможностью удерживания диэлектрического слоя 340. Каждый участок зацепления 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.
Крепежный элемент 310, кроме того, содержит диэлектрический слой 340, покрывающий головку 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. Указанный диэлектрик 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 головки 320 крепежного элемента. Когда диэлектрический материал протекает поверх поверхности 322, он заполняет поднутрения 326 и все пространство между выступами 324. После затвердевания диэлектрического материала он имеет зацепление с выступами 324 и, таким образом, оказывается прикреплен к головке 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 зацепляют с указанными участками зацепления перед установкой крепежного элемента. Крепежный элемент 310 с диэлектрическим слоем 340 выполнен предварительно установленным на головку 320.
Выполнение зацепления диэлектрического слоя 340 с головкой 320 крепежного элемента является особенно выгодным с точки зрения ударов молний. Указанное зацепление гарантирует, что диэлектрический слой 340 поддерживает тесный контакт с головкой 320 крепежного элемента во время таких событий и после них.
Диэлектрический слой 340 может удерживаться дополнительными средствами. 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 зацепления 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 зацепления. При этом было обнаружено, что диапазон от пяти до девяти участков зацепления обеспечивает хороший баланс между силой зацепления (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 зацепления, размещенные в виде решетки. Каждый участок 420 зацепления содержит стерженек 422, проходящий вверх от верхней поверхности 414 головки 412 крепежного элемента. Стерженек 422 заделан в головку 424. Стерженек 422 и поверхности между головкой 424 и головкой 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 головки 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 законцован, его уплотнение 520 или 620 контактирует с указанной стопой с поджатием.
В крепежном элементе 510 по ФИГ. 5 уплотнение 520 размещено вокруг периферии головки 512 крепежного элемента. Уплотнение 520 может иметь выступ 522, который размещен в канавке в головки 512 крепежного элемента. Уплотнение 520 подавляет образование электрической дуги и искрение по краю головки 520 крепежного элемента и препятствует выходу горячего расширяющегося газа снизу головки 512.
В крепежном элементе 610 по ФИГ. 6 уплотнение 620 имеет форму круглого кольца и размещено в канавке в нижней части головки 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 головки 612 крепежного элемента могут быть покрыты диэлектрическим покрытием 630 для предотвращения образования электрической дуги и искрения по краю головки 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 головке 754 крепежного элемента выполнен заподлицо с проводящим слоем 720.
В некоторых вариантах реализации изобретения весь стержень 230 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.
При заделывании, или законцовывании, крепежного элемента 750 (например, когда гайку накручивают на крепежный элемент 750) он не должен проворачиваться в сквозном отверстии 730. Для предотвращения проворачивания без повреждения диэлектрического слоя 752 могут быть использованы противоповоротные средства. 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 заземления токов повреждения. Крепежные элементы в данном варианте реализации изобретения могут быть законцованы стандартными деталями (например, стандартными гайками) или они могут быть законцованы раскрытыми в настоящем документе деталями, обеспечивающими защиту от электромагнитных воздействий.
В следующих абзацах будут описаны различные типы законцовывающих деталей крепежных элементов, обеспечивающих защиту от электромагнитных воздействий. Эти детали содержат гайки и шайбы.
Обратимся теперь к ФИГ. 8, на которой показан крепежный элемент 830 проходящий через элемент стопы 800, а также шайба 810 и гайка 820, которыми законцовывают крепежный элемент 830. ФИГ. 8 также иллюстрирует различные участки на шайбе 810 и гайке 820, которые могут быть покрыты сухим диэлектрическим покрытием 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.
При использовании уплотнения его прикрепляют к центральному отверстию в детали, и оно отходит в осевом направлении от детали. В некоторых вариантах реализации изобретения уплотнение выступает по меньшей мере на 7 тысячных долей дюйма (0,178 мм) от детали. 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 детали полностью 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 уплотнительном 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 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.
В данном варианте реализации изобретения варианты выполнения шайбы не ограничены концентрическими выступами по периферии. 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.
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, защитные элементы для защиты от электромагнитных воздействий могут быть взяты из группы, включающей: покрытие из проводящей смолы на стержне крепежного элемента, диэлектрическое покрытие с зацеплением на головке крепежного элемента, диэлектрическое уплотнение на ближнем участке головки крепежного элемента, диэлектрическое уплотнение на дальнем участке законцовывающей детали, диэлектрическое уплотнение на ближнем участке законцовывающей детали, диэлектрическое покрытие на дальнем участке законцовывающей детали и диэлектрическое покрытие на ближнем участке законцовывающей детали.
Обратимся теперь к ФИГ. 13, на которой показан участок крыла 1310 воздушного летательного аппарата. Крыло 1310 содержит обшивку 1320, выполненную из композиционного материала, такого как углепластик (CFRP). Обшивка 1320 может быть прикреплена к элементу конструкции (показан держателем) 1330 посредством деталей 1340, 1380 и 1390 металлических крепежных элементов. Обшивка 1320 определяет область 1350, легко подверженную воздействию молний.
Каждый крепежный элемент 1340 имеет диэлектрический слой 1342, который имеет прочное соединение с взаимным закреплением с головкой 1344 крепежного элемента. Каждый крепежный элемент 1340 может иметь проводящее смоляное покрытие на своем стержне 1346.
Каждый крепежный элемент 1340 выполнен утопленным с раззенковкой в обшивке 1320. Диэлектрический слой 1342 выполнен заподлицо с верхней поверхностью обшивки 1320. Используется металлическая фольга 1360, покрывающая обшивку 1320 для рассеяния тока, возникающего вследствие электромагнитных воздействий. Поверх обшивки 1320 нанесена поверхностная пленка (например, стеклоэпоксидный слой) 1365, которая покрыта краской 1370.
Каждый крепежный элемент 1340 законцован шайбой 1380 и гайкой 1390. Шайба 1380 и гайка 1390 имеют различные защитные элементы для защиты от электромагнитных воздействий.
В крыле 1310 могут использоваться десятки тысяч крепежных элементов 1340, шайб 1380 и гаек 1390. Посредством использования 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. 13 иллюстрирует выполнение поверхности шайбы 1380 и держателя 1330 с небольшим скосом. Если шайба 1380 оснащена верхней муфтой или концентрическим выступом на верхней поверхности, любой промежуток между шайбой 1380 и держателем 1370 окажется заполнен диэлектрическим материалом и уплотнен.
Аналогичным образом, если гайка 1390 выполнена с небольшим скосом по отношению к шайбе 1380, или если шайба не используется, а гайка выполнена с небольшим скосом по отношению к стопе, то любой промежуток между гайкой и шайбой или гайкой и стопой окажется заполнен диэлектрическим материалом и уплотнен.
Таким образом, защитные элементы для защиты от электромагнитных воздействий обеспечивают дополнительное преимущество в виде выполнения конструкции менее зависимой от геометрии. Даже если сопрягающиеся поверхности законцовывающей детали не идеально выполнены заподлицо, все равно обеспечивается защита от электромагнитных воздействий.
Пункт 1. Способ, включающий вставку крепежных элементов в стопу компонентов и законцовывание крепежных элементов деталями, имеющими сухое диэлектрическое покрытие и/или сухое диэлектрическое уплотнение в выбранных участках для защиты от электромагнитных воздействий (ЕМЕ).
Пункт 2. Способ по пункту 1, в котором уплотнение применено для защиты от электрической дуги, искрения и выброса горячих частиц, а покрытие применено для защиты от электрической дуги и искрения.
Пункт 3. Способ по пункту 1 или 2, в котором компоненты представляют собой компоненты воздушного летательного аппарата, из которых по меньшей мере один выполнен из композиционного материала.
Пункт 4. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором указанные компоненты включают в себя обшивку воздушного летательного аппарата и металлический компонент.
Пункт 5. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором вставка по меньшей мере одного из крепежных элементов включает размещение стержня крепежного элемента в сквозном отверстии в указанной стопе, причем стержень покрыт сухой смолой, содержащей электропроводящие частицы.
Пункт 6. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором вставка по меньшей мере одного из крепежных элементов включает размещение стержня крепежного элемента в сквозном отверстии в указанной стопе, причем крепежный элемент имеет головку и диэлектрическое уплотнение в ближнем участке на головки.
Пункт 7. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором вставка по меньшей мере одного из крепежных элементов включает вставку головки крепежного элемента, имеющей верхнюю поверхность с множеством участков для механического зацепления, которые выполнены с возможностью удерживания диэлектрического слоя, причем диэлектрический слой покрывает верхнюю поверхность головки, при этом диэлектрик механически зацеплен с указанными участками механического зацепления.
Пункт 8. Способ по любому из предшествующих пунктов, в котором законцовывание крепежного элемента включает законцовывание крепежного элемента деталью, имеющей центральное отверстие и по меньшей мере один защитный элемент для защиты от электромагнитных воздействий, причем указанная по меньшей мере один защитный элемент представляет собой диэлектрическое покрытие и/или сухое диэлектрическое уплотнение только на выбранном участке центрального отверстия, при этом уплотнение прикреплено к детали и выступает от нее в осевом направлении.
Пункт 9. Способ по любому из предшествующих пунктов, кроме того, включающий нанесение проводящего слоя на верхнюю поверхность стопы перед осуществлением крепежа.
Пункт 10. Крепежный элемент, содержащий
головку крепежного элемента, имеющую верхнюю поверхность с множеством участков для механического зацепления, которые выполнены с возможностью удерживания диэлектрического слоя, и
сухой диэлектрический слой, покрывающий верхнюю поверхность головки, причем диэлектрический слой механически зацеплен с указанными участками.
Пункт 11. Крепежный элемент по пункту 10, образованный из указанного диэлектрического слоя, указанной головки и стержня крепежного элемента, отходящего от головки.
Пункт 12. Крепежный элемент по пункту 10 или 11, в котором каждый участок зацепления содержит выступ, отходящий вверх от указанной верхней поверхности и имеющий участок, выполненный в виде поднутрения, вблизи верхней поверхности.
Пункт 13. Крепежный элемент по пункту 10, 11 или 12, кроме того, содержащий стержень, покрытый сухой смолой, содержащей электропроводящие частицы.
Пункт 14. Крепежная система, содержащая крепежный элемент, по меньшей мере одну законцовывающую деталь крепежного элемента и защитные элементы для защиты от электромагнитных воздействий для крепежного элемента и каждой законцовывающей детали крепежного элемента, причем защитные элементы для защиты от электромагнитных воздействий взяты из группы, включающей:
покрытие из проводящей смолы на стержне крепежного элемента,
диэлектрическое покрытие которое зацепляется с головкой крепежного элемента,
диэлектрическое уплотнение на ближнем участке головки крепежного элемента,
диэлектрическое уплотнение на дальнем участке законцовывающей детали,
диэлектрическое уплотнение на ближнем участке законцовывающей детали,
диэлектрическое покрытие на дальнем участке законцовывающей детали и
диэлектрическое покрытие на ближнем участке законцовывающей детали
Пункт 15. Крепежная система по пункту 14, в которой диэлектрическое уплотнение применено для защиты от электрической дуги, искрения и выброса горячих частиц, а покрытие применено для защиты от электрической дуги и искрения.
1. Способ, включающий вставку крепежных элементов в стопу компонентов и законцовывание крепежных элементов деталями, имеющими сухое диэлектрическое покрытие и/или сухое диэлектрическое уплотнение в выбранных участках для защиты от электромагнитных воздействий (ЕМЕ),
при этом вставка по меньшей мере одного из крепежных элементов включает размещение стержня крепежного элемента в сквозном отверстии в указанной стопе, причем стержень покрыт сухой смолой, содержащей электропроводящие частицы.
2. Способ по п. 1, в котором уплотнение применено для защиты от электрической дуги, искрения и выброса горячих частиц, а покрытие применено для защиты от электрической дуги и искрения.
3. Способ по п. 1 или 2, в котором компоненты представляют собой компоненты воздушного летательного аппарата, из которых по меньшей мере один выполнен из композиционного материала.
4. Способ по п. 1 или 2, в котором указанные компоненты включают в себя обшивку воздушного летательного аппарата и металлический компонент.
5. Способ по п. 1 или 2, в котором вставка по меньшей мере одного из крепежных элементов включает размещение стержня крепежного элемента в сквозном отверстии в указанной стопе, причем крепежный элемент имеет головку и диэлектрическое уплотнение в ближнем участке на головке.
6. Способ по п. 1 или 2, в котором вставка по меньшей мере одного из крепежных элементов включает вставку головки крепежного элемента, имеющей верхнюю поверхность с множеством участков для механического зацепления, которые выполнены с возможностью удерживания диэлектрического слоя, причем диэлектрический слой покрывает верхнюю поверхность головки, при этом диэлектрик механически зацеплен с указанными участками механического зацепления.
7. Способ по п. 1 или 2, в котором законцовывание крепежного элемента включает законцовывание крепежного элемента деталью, имеющей центральное отверстие и по меньшей мере один защитный элемент для защиты от электромагнитных воздействий, причем указанный по меньшей мере один защитный элемент представляет собой сухое диэлектрическое покрытие и/или сухое диэлектрическое уплотнение только на выбранном участке центрального отверстия, при этом уплотнение прикреплено к детали и выступает от нее в осевом направлении.
8. Способ по п. 1 или 2, кроме того, включающий нанесение проводящего слоя на верхнюю поверхность стопы перед осуществлением крепежа.
9. Крепежный элемент, содержащий
головку крепежного элемента, имеющую верхнюю поверхность с множеством участков для механического зацепления, которые выполнены с возможностью удерживания диэлектрического слоя, и
сухой диэлектрический слой, покрывающий верхнюю поверхность головки, причем диэлектрический слой механически зацеплен с указанными участками, при этом
крепежный элемент также содержит стержень, который покрыт сухой смолой, содержащей электропроводящие частицы.
10. Крепежный элемент по п. 9, образованный из указанного диэлектрического слоя, указанной головки и стержня крепежного элемента, отходящего от головки.
11. Крепежный элемент по п. 9 или 10, в котором каждый участок зацепления содержит выступ, отходящий вверх от указанной верхней поверхности и имеющий участок, выполненный в виде поднутрения, вблизи верхней поверхности.
12. Крепежная система, содержащая крепежный элемент, по меньшей мере одну законцовывающую деталь крепежного элемента и защитные элементы для защиты от электромагнитных воздействий для крепежного элемента и каждой законцовывающей детали крепежного элемента, причем защитные элементы для защиты от электромагнитных воздействий взяты из группы, включающей:
покрытие из проводящей смолы на стержне крепежного элемента,
диэлектрическое уплотнение на ближнем участке головки крепежного элемента,
диэлектрическое уплотнение на дальнем участке законцовывающей детали,
диэлектрическое уплотнение на ближнем участке законцовывающей детали,
диэлектрическое покрытие на дальнем участке законцовывающей детали и
диэлектрическое покрытие на ближнем участке законцовывающей детали.
13. Крепежная система по п. 12, в которой диэлектрическое уплотнение применено для защиты от электрической дуги, искрения и выброса горячих частиц, а покрытие применено для защиты от электрической дуги и искрения.
