ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЙ ТЕПЛОЗАЩИТНЫЙ ЭКРАН БОРТОВОЙ АНТЕННЫ В ГОЛОВНОМ АНТЕННОМ ОБТЕКАТЕЛЕ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Российский патент 2006 года по МПК H01Q1/42 

Изобретение относится к радиопрозрачным жаростойким обтекателям со вторым контуром тепловой защиты бортовой антенны и может быть использовано в ракетной технике при проектировании радиопрозрачных укрытий пеленгационных антенн современных гиперзвуковых летательных аппаратов (ЛА).

С ростом скоростей и времени полета современных ЛА головной радиопрозрачный обтекатель не обеспечивает нормального теплового режима для укрываемой антенны в полете. Так, при скоростях выше 4М и длительности полета более 1 минуты под полуволновым обтекателем из ситалла в месте расположения антенны температура достигает 400-700 град. С, возникает проблема усиления тепловой защиты антенны от интенсивного аэродинамического прогрева всего корпуса обтекателя. Эффективным методом решения задачи является создание второго контура тепловой защиты бортовой антенны. Известна конструкция антенного обтекателя (а.с. СССР №568101, кл. H 01 Q 1/42, 1977 г.), оболочка которого в носовой части заполнена твердым материалом с диэлектрической проницаемостью (ε)<1,3. Профиль и толщина внутреннего слоя подбирается исходя из требования обеспечения минимального искажения диаграммы направленности антенны. Недостатком конструкции является то, что теплозащитный элемент расположен далеко от антенны - в носовой части обтекателя и не защищает антенный блок от разогретой боковой поверхности обтекателя. В аналоге отсутствует технология изготовления таких обтекателей. Наиболее близким по технической сущности является вспомогательный теплозащитный экран (ВТЭ), описанный в патенте США №5.691.736, кл. H 01 Q 1/42, 1997 г.

Экран представляет собой радиопрозрачный колпак куполообразной формы, расположенный под обтекателем перед раскрывом антенны, изготовленный из легкого керамического материала и закрепленный в торцевой зоне к металлическому шпангоуту, а в зоне антенного блока - к внутренней поверхности обтекателя. Передняя часть вспомогательного теплозащитного экрана предпочтительно должна иметь такую конфигурацию, чтобы она исполняла роль линзы для радиоизлучения, исходящего или принимаемого антенной. Вспомогательный теплозащитный экран должен быть изготовлен из облегченного керамического материала с пористостью 40-50-75%, имеющего диэлектрическую проницаемость от 1 до 3,5 при 17 ГГц, теплопроводность менее 0,7 Вт/м·К, а также плотность менее 3,2 г/см³. Наиболее предпочтительным является керамический материал с диэлектрической проницаемостью от 1,01 до 2,00, а также плотностью менее 1,0 г/см³.

Недостатком предложенной конструкции является:

1. Куполообразная форма вспомогательного теплозащитного экрана, в частности такая, при которой она будет выполнять роль линзы, приведет к значительным изменениям в диаграмме направленности укрываемой антенны и ухудшает радиотехнические характеристики всей системы "антенна-вспомогательный теплозащитный экран-обтекатель". Кроме того, при сканировании антенны под куполообразным экраном изменяется их взаимное положение и за счет переотражений изменяется пространственно-поляризационная структура электромагнитного поля в ближней зоне антенны, что приводит к дополнительному ухудшению радиотехнических характеристик системы "антенна-вспомогательный теплозащитный экран-обтекатель".

2. Крепление вспомогательного теплозащитного экрана к нагретой поверхности обтекателя вызывает нежелательный прогрев оболочки экрана, ухудшает его теплозащитные функции. Кроме того, в условиях достижения температуры 400-700 град.С на внутренней поверхности обтекателя проблема сочленения экрана с корпусом обтекателя, изготовленных из неорганических материалов с различным коэффициентом термического расширения (ситалл, кварцевая керамика, высокоглиноземистая керамика и др.), практически не решаема.

Авторы считают, что получение сложнопрофильной тонкостенной оболочки из высокопористых материалов с плотностью менее 1,0 г/см³, крепление ее к металлическому шпангоуту и одновременно к корпусу обтекателя представляет собой значительную трудность, связанную с недостаточной конструкционной прочностью таких материалов.

Задачей изобретения является улучшение радиотехнических характеристик системы "антенна-вспомогательный теплозащитный экран-обтекатель", повышение эффективности теплозащиты антенного блока, упрощение технологии изготовления и крепления вспомогательного теплозащитного экрана в обтекателе.

Поставленная задача достигается тем, что вспомогательный теплозащитный экран бортовой антенны в головном антенном обтекателе летательного аппарата, содержащий радиопрозрачный колпак из легкого керамического теплозащитного материала, установленный под обтекателем перед излучающим раскрывом антенны, выполнен в виде усеченной полусферы, плоская стенка которой ориентирована параллельно излучающему раскрыву антенны и установлена на расстоянии, кратном половине длины волны радиоизлучения, экран закреплен к боковой поверхности антенны при помощи слоя герметика, например виксинта У-2-28, ТУ 38.303-04-04-90.

Вспомогательный теплозащитный экран выполнен составным, боковая сложнопрофильная часть которого изготовлена из кварцевой керамики, а плоская радиопрозрачная часть - крышка из высокопористого волокнистого материала на основе кварцевого стекловолокна с диэлектрической проницаемостью 1.1-1.3 и закреплена к боковой сложнопрофильной части после радиодоводки всей системы "антенна-вспомогательный теплозащитный экран-обтекатель" при помощи клея.

Плоская крышка вспомогательного теплозащитного экрана со стороны антенны упрочнена и герметизирована путем поверхностной, на глубину 0,5-1,0 мм, пропитки пористого материала органополимером, например олигомером ТМФТ, ТУ 6-02-933-77.

Уменьшение влияния экрана на радиотехнические характеристики системы "антенна-вспомогательный теплозащитный экран-обтекатель" достигается за счет плоской стенки экрана в зоне раскрыва антенны и отстоящей от него на расстоянии кратном половине длины волны радиоизлучения Такое выполнение экрана обеспечивает совпадение векторов (фазовых составляющих) прямого и отраженного от стенки экрана радиосигналов при их интерференции на антенне и создает оптимальные условия прохождения радиосигналов через плоскую стенку экрана (плоский диэлектрический слой), а следовательно, искажения диаграммы направленности укрываемой антенны и РТХ за счет экрана будут минимальны.

Плоская форма радиопрозрачной части экрана в сочетании с оптимальным расположением ее перед раскрывом антенны и малая величина диэлектрической проницаемости материала позволяет увеличить толщину стенки без заметного ухудшения радиотехнических характеристик системы "антенна-вспомогательный теплозащитный экран-обтекатель" и тем самым повысить теплозащитные функции экрана. Для материалов типа ТЗМК на основе стекловолокна с диэлектрической проницаемостью 1,1-1,3 единиц толщина стенки в 15 мм вполне приемлема для обеспечения РТХ систем управления современных ракет.

Предложенная конструкция вспомогательного теплозащитного экрана позволяет с целью улучшения радиотехнических характеристик системы "антенна-вспомогательный теплозащитный экран-обтекатель" передвигать (от расчетного значения) плоскую крышку в процессе радиодоводки системы "антенна - вспомогательный теплозащитный экран-обтекатель" вдоль продольной оси в пределах половины заданного (рабочего) диапазона (2-15% от λ_ср) длин волн от nλmin/2 до nλmax/2.

Путем изменения толщины крышки и ее расположения по отношению к антенне проводится совместная радиодоводка всей системы во всем рабочем диапазоне длин волн.

Предложенная конструкция позволяет расположить (и закрепить) плоскую крышку вспомогательного теплозащитного экрана на нужном (требуемом) расстоянии от раскрыва антенны.

Для того чтобы снизить влияние перехода плоской части экрана в полусферу, диаметр усеченной части полусферы выбирается максимально допустимым, с тем чтобы он приходился на края раскрыва антенны, где уровень ее излучения уменьшается. Следовательно, уменьшится вклад отраженного от перехода сигнала в процесс искажения диаграммы направленности антенны.

Вспомогательный теплозащитный экран не крепится к разогретой до высокой температуры стенки обтекателя, а разделен с ней воздушным промежутком, что повышает теплозащитные функции экрана. Крепление вспомогательного теплозащитного экрана в отличие от прототипа осуществлено к "холодной" боковой поверхности антенного блока по внутренней поверхности экрана. Все это уменьшает прогрев антенны и позволяет эффективно использовать его для ЛА, работающих на больших скоростях и в более длительных режимах полета.

Упрощение технологии изготовления экрана связано с применением составной конструкции, что позволяет использовать известные с оптимальными свойствами материалы и технологии - более прочные керамические материалы на основе кварцевого стекла для сложнопрофильной части экрана и волокнистые теплозащитные материалы на основе кварцевого стекловолокна для радиопрозрачной крышки.

Последние разработаны только в виде пластин, блоков. Изготовление сложнопрофильных изделий из высокопористых волокнистых материалов вызывает необходимость увеличения плотности и приводит к увеличению неоднородности материала в оболочке и тем самым к потере теплозащитных функций и ухудшению диэлектрических характеристик.

Составная конструкция экрана упрощает процесс радиодоводки системы "антенна - вспомогательный теплозащитный экран-обтекатель", которая всегда необходима при отработке конструкции обтекателя, а в ряде случаев и при радиодоводке каждого обтекателя. В этой связи закрепленный на обтекателе экран не позволяет производить доработку, например дополнительную проточку как обтекателя, так и экрана.

Упрощается задача крепления теплозащитного экрана в корпусе обтекателя, так как экран крепится к "холодной" антенне. Приклейка производится по внутренней теплозащищенной поверхности экрана, а с целью исключения влияния на прочность склейки различий в коэффициентах термического расширения материалов антенны и экрана склейка производится эластичным герметиком, например виксинтом У-2-28 с толщиной слоя 0,2-0,6 мм.

Учитывая высокую пористость и малую прочность материала крышки, ее упрочняют и герметизируют путем поверхностной, на глубину 0,5-1,0 мм, пропитки со стороны антенны высокотермоустойчевым органополимером, например олигомером ТМФТ. Глубина 0,5-1,0 мм достаточна для решения этой задачи и практически не влияет на радиотехнические свойства крышки.

На чертеже представлен общий вид головной части ракеты, где: 1 - вспомогательный теплозащитный экран, 2 - плоская крышка экрана, 3 - обтекатель, 4 - антенна, 5 - облучатель антенны, 6 - раскрыв антенны, 7 - блок обработки антенны, 8 - защитный чехол, 9 - шпангоут обтекателя.

Вспомогательный теплозащитный экран 1 установлен под обтекателем 3 и жестко крепится к антенне 4. Расстояние между раскрывом антенны 6 и плоской крышкой 2 (воздушный промежуток) кратно половине длины рабочей волны радиоизлучения (nλ/2).

По заявленному техническому решению в "ОНПП" Технология" изготовлены макеты тепловых экранов, радиопрозрачная часть которых - крышка выполнена из волокнистого теплозащитного материала с диэлектрической проницаемостью 1.2 и толщиной стенки 15 мм, которые в условиях, адекватных аэродинамическому нагреву, обеспечивают снижение температуры в месте расположения антенны с 600 до 130 град.С.

Результаты радиотехнических измерений в 3-х сантиметровом диапазоне длин волн показали, что дополнительная ошибка пеленгации системы "антенна-вспомогательный теплозащитный экран-обтекатель" за счет экрана предлагаемой конструкции составила 9 угловых минут, в то время как экран по прототипу увеличивает пеленгационную ошибку этого же обтекателя на 20 угловых минут. Таким образом, применение вспомогательного теплозащитного экрана предлагаемой конструкции позволит более чем в 2 раза уменьшить изменение пеленгационной ошибки обтекателя по сравнению с прототипом и достаточно эффективно обеспечит теплозащиту антенны.

Источники информации.

1. А.с. СССР №568101, H 01 Q 1742,1977 г.

2. Патент США №5.691.736, H 01 Q 1/42, 1997 г. (прототип).

Изобретение относится к радиопрозрачным укрытиям пеленгационных антенн летательных аппаратов (ЛА) и может быть использовано, в частности, при разработке системы управления современных сверхзвуковых ракет. Технический результат заключается в улучшении радиотехнической характеристики системы "антенна-вспомогательный теплозащитный экран-обтекатель", повышении эффективности теплозащиты антенного блока, упрощении технологии изготовления и крепления вспомогательного теплозащитного экрана в обтекателе. Сущность изобретения состоит в том, что экран в виде радиопрозрачного колпака из легкого керамического теплозащитного материала, установленного под обтекателем перед излучающим раскрывом антенны, выполнен в форме полой усеченной полусферы, плоская стенка которой ориентирована параллельно излучающему раскрыву антенны и установлена от него на расстоянии, кратном половине длины волны радиоизлучения, экран закреплен к боковой поверхности антенны при помощи слоя герметика, например виксинта У-2-28. Экран может быть выполнен составным, боковая полусферическая часть которого изготовлена из кварцевой керамики, а плоская радиопрозрачная стенка из высокопористого волокнистого материала на основе кварцевого стекловолокна с диэлектрической проницаемостью 1,1-1,3 и закреплена к боковой части после радиодоводки всей системы "антенна-вспомогательный теплозащитный экран-обтекатель" при помощи клея. Плоская стенка экрана со стороны антенны может быть пропитана на глубину 0,5-1,0 мм органополимером, например олигомером ТМФТ. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Вспомогательный теплозащитный экран бортовой антенны в головном антенном обтекателе летательного аппарата, содержащий радиопрозрачный колпак из легкого керамического теплозащитного материала, установленный под обтекателем перед излучающим раскрывом антенны, отличающийся тем, что он выполнен в виде полой усеченной полусферы, плоская стенка которой ориентирована параллельно излучающему раскрыву антенны и установлена от него на расстоянии, кратном половине длины волны радиоизлучения, экран закреплен к боковой поверхности антенны при помощи слоя герметика.2. Вспомогательный теплозащитный экран бортовой антенны по п.1, отличающийся тем, что он выполнен составным, боковая полусферическая часть его изготовлена из кварцевой керамики, а плоская радиопрозрачная стенка из высокопористого волокнистого материала на основе кварцевого стекловолокна с диэлектрической проницаемостью 1,1-1,3 и закреплена к боковой полусферической части после радиодоводки всей системы "антенна - вспомогательный теплозащитный экран - обтекатель" при помощи клея.3. Вспомогательный теплозащитный экран бортовой антенны по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что плоская радиопрозрачная стенка со стороны антенны пропитана на глубину 0,5-1,0 мм органополимером, например олигомером ТМФТ.