АНТЕННЫЙ ОБТЕКАТЕЛЬ Российский патент 2014 года по МПК H01Q1/42 

Изобретение относится к области авиационно-ракетной техники, преимущественно к конструкциям носовых радиопрозрачных обтекателей, являющихся укрытием от аэродинамического воздействия для антенных устройств головок самонаведения (АУ ГСН).

Основной проблемой создания работоспособной конструкции антенного обтекателя, помимо обеспечения заданных радиотехнических характеристик (РТХ), является создание надежного соединения обтекателя с соседним отсеком летательного аппарата (ЛА), в частности ракеты. Сложность конструктивного решения этой задачи часто обусловлена проблематичностью непосредственного соединения радиопрозрачной оболочки обтекателя, изготавливаемой из хрупкого керамического материала, с металлическим шпангоутом, осуществляющим стыковку носового отсека с соседним отсеком ракеты.

Керамические диэлектрические материалы, применяемые для изготовления радиопрозрачных оболочек обтекателей, имеют низкий температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) во всем диапазоне эксплуатационных температур, а металлические материалы, применяемые для изготовления шпангоутов - исходно высокий (кроме некоторых инварных сплавов в диапазоне -60 +300°C) и возрастающий с увеличением нагрева. В процессе аэродинамического нагрева обтекателя при непосредственном соединении оболочки и шпангоута в керамической оболочке возникают растягивающие напряжения, вызванные радиальным расширением шпангоута, превышающим радиальное расширение оболочки. Вследствие низкой прочности керамического материала при растяжении эти напряжения достигают предела прочности керамики и приводят к разрушению оболочки.

Вместе с тем, у современных ракет наружная поверхность керамической оболочки обтекателя в зоне соединения с соседним отсеком нагревается до 1000-1200°C при общей длительности режима до 10-15 минут, что приводит к нагреву шпангоута до температур более 300-350°C. Такой нагрев шпангоута приводит к разрушению хрупкой керамической оболочки, имеющей ограниченную толщину, определяемую электрическим расчетом толщины стенки, даже с некоторым утолщением (до 30% от номинальной толщины стенки) в нерадиопрозрачной зоне (зона узла соединения). Значительное увеличение толщины стенки оболочки в этой зоне с целью снижения распорных растягивающих напряжений чаще всего является нецелесообразным по технологическим соображениям.

Известна конструкция антенного обтекателя (патент РФ №2209494, МПК 7 H01Q 1/42, 2002), включающая керамическую оболочку и металлический шпангоут, соединенные термостойким адгезивом, в которой некоторое снижение нагрева шпангоута и упрочнение оболочки достигаются тем, что оболочка выполнена за одно целое из внутреннего силового элемента, изготовленного из пористой керамики и пропитанного полимером, и внешнего теплозащитного элемента. Основным недостатком такой конструкции является недостаточная прочность внутреннего силового элемента для восприятия длительного теплосилового воздействия на конструкцию, приводящего к нагреву шпангоута свыше предельной температурной совместимости по ТКЛР материалов оболочки и шпангоута.

Наиболее близким устройством по совокупности признаков, выбранным в качестве прототипа, является антенный обтекатель по патенту США №4520364, МПК 6 H01Q 1/28, 1/42, 1985, включающий радиопрозрачную оболочку, теплоизолирующую секцию в виде кольца, изготовленную из композиционного материала на полиимидном связующем, металлический стыковой шпангоут и элементы их соединения. Керамическая оболочка соединяется соосно с теплоизолирующей секцией и стыковым шпангоутом по коническим сопрягаемым поверхностям термостойким адгезивом и с помощью стандартных крепежных элементов. Введение в конструкцию обтекателя теплоизолирующей секции позволяет снизить температуру металлического шпангоута до приемлемых значений.

Причинами, ограничивающими применение данного изобретения, являются:

- применение теплоизолирующей секции в данной конструкции позволяет обеспечить снижение температуры на шпангоуте в течение короткого времени и не может обеспечить работоспособность конструкции в условиях повышенного теплосилового воздействия, т.к. все элементы конструкции разнесены вдоль продольной оси и связаны между собой только адгезивом, и вся внешняя нагрузка адгезивом и воспринимается, исключая из "работы" сами элементы конструкции; при ослаблении адгезионной связи между элементами конструкция катастрофически разрушается;

- длительный нагрев конструкции, даже при незначительном внешнем силовом воздействии, ослабляя адгезионную связь между ее элементами, способствует снижению герметичности внутреннего объема обтекателя и снижает устойчивость к воздействию динамических нагрузок (вибрации, виброудары, линейные ускорения и т.д.), что также приводит к разрушению конструкции;

- для усиления адгезионной связи между элементами не используется радиальное перемещение шпангоута при нагреве.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение работоспособности антенного обтекателя в условиях повышенного теплосилового нагружения элементов конструкции, вызванного большой длительностью аэродинамического воздействия на обтекатель.

Поставленная задача решается тем, что предложен:

1. Антенный обтекатель, содержащий керамическую оболочку, металлический стыковой шпангоут и расположенное между ними теплоизоляционное кольцо, отличающийся тем, что кольцо выполнено из термостойкого стеклопластика с модулем нормальной упругости при растяжении в 2-2,5 раза меньшим модуля нормальной упругости керамической оболочки, а толщина кольца выбрана из соотношения:

$${\alpha }_{об}\cdot E_{об}\cdot {\delta }_{ск}={\alpha }_{ск}\cdot E_{ск}\cdot {\delta }_{об}\left(\text{1}\right)$$

где α_об - ТКЛР оболочки;

α_ск - ТКЛР стеклопластикового кольца;

E_об - модуль нормальной упругости оболочки;

E_ск - модуль нормальной упругости стеклопластикового кольца;

δ_об - толщина стенки оболочки;

δ_ск - толщина стеклопластикового кольца.

2. Антенный обтекатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве термостойкого стеклопластика выбран стеклопластик на основе хромалюмо-фосфатного, полиимидного, кремнийорганического или фенолформальдегидного связующих.

На чертеже представлено продольное сечение антенного обтекателя в зоне узла соединения с соседним отсеком.

Антенный обтекатель включает керамическую оболочку 1, металлический стыковой шпангоут 2 и теплоизоляционный слой 3, изготовленный в виде кольца, соосно соединенного термостойкими адгезивами 4 и 5 с оболочкой и шпангоутом. Кольцо изготовлено из термостойкого стеклопластика, модуль нормальной упругости при растяжении которого значительно ниже модуля материала оболочки в диапазоне эксплуатационных температур. Необходимый модуль нормальной упругости стеклопластика обеспечивается регулированием пористости материала кольца.

Пока нагрев шпангоута происходит в интервале относительной совместимости теплофизических характеристик материалов оболочки, теплоизоляционного слоя и шпангоута, узел соединения не находится в состоянии взаимного стеснения деформаций, вызываемого разницей тепловых расширений этих элементов конструкции.

По мере прогрева шпангоута система выходит из относительно равновесного состояния, появляется постепенно возрастающий распор керамической оболочки теплоизоляционным стеклопластиковым кольцом, поскольку ТКЛР его материала выше ТКЛР керамики, и самого стеклопластикового кольца металлическим шпангоутом. Одновременно начинается размягчение связующего в стеклопластиковом кольце, что способствует деформированию кольца под воздействием распорных усилий шпангоута.

Поскольку практически все термостойкие стеклопластики имеют предел прочности при сжатии значительно меньший предела прочности при растяжении, возникающие в кольце растягивающие напряжения не приводят к разрушению кольца от теплового распора шпангоутом, т.к. расширение шпангоута нейтрализуется деформацией смятия кольца и уплотнением его стенки. Керамическая оболочка и стеклопластиковое кольцо изготавливаются из материалов, относительно совместимых по ТКЛР, но оболочка имеет более высокий модуль нормальной упругости материала и большую толщину стенки, поэтому деформирование кольца под воздействием расширения шпангоута не вызывает в оболочке значительных растягивающих напряжений, приводящих к ее разрушению. Тем самым кольцо между оболочкой и шпангоутом оказывается в сложном напряженно-деформируемом состоянии, и есть основания считать, что тепловое расширение шпангоута гасится деформированием стеклопластикового кольца и адгезива и способствует усилению непосредственной связи между элементами конструкции; при этом возможность передачи внешней силовой нагрузки, воспринимаемой оболочкой, на шпангоут через стеклопластик зависит от термопрочности стеклопластика, его геометрических параметров и величины внешней нагрузки на обтекатель, а также степени его поджатия шпангоутом к керамической оболочке. При длительных режимах полета ракеты величина внешней нагрузки на обтекатель достигает максимума на активном участке траектории, когда значительного нагрева узла соединения еще не происходит, на маршевом участке траектории нагрузка относительно невысокая, но может значительно возрастать в конце полета, поэтому теплостойкость и термопрочность стеклопластика имеют определяющее значение.

Работоспособность конструкции узла соединения обеспечивается до тех пор, пока сохраняется прочность клеевого соединения оболочки со стеклопластиковым кольцом, а окружные растягивающие напряжения, возникающие в стеклопластиковом кольце от распора шпангоутом, не превышают допустимых. Выбор термостойких адгезивов для соединения элементов конструкции между собой обусловлен уровнем температур по длине соединения. Например, стеклопластиковое кольцо и шпангоут могут быть соединены эластичным герметиком типа "Виксинт" У-2-28, а соединение оболочки и кольца, как наиболее нагретое, может быть выполнено жестким термостойким клеем, например ВК-58 или ВК-15.

Расчетным путем и экспериментально установлено, что для обеспечения работоспособности конструкции обтекателя и исключения возникновения в керамической оболочке растягивающих напряжений от распора, вызванного расширением шпангоута, превышающих допустимые, необходимо, чтобы выполнялось соотношение (1), из которого

$${\delta }_{ск}={\alpha }_{ск}\cdot E_{ск}\cdot {\delta }_{об}\text{/}{\alpha }_{\text{об}}\cdot E_{\text{об}}\left(\text{2}\right)$$

Обозначим $${\delta }_{ск}/{\delta }_{об}=к$$ , тогда $$к={\alpha }_{ск}\cdot E_{ск}/{\alpha }_{об}\cdot E_{об}\left(\text{3}\right)$$

где к - коэффициент пропорциональности.

При изготовлении теплоизолирующего кольца из материала, модуль нормальной упругости которого в 2-2,5 раза меньше модуля материала керамической оболочки, разработанная конструкция антенного обтекателя позволяет обеспечить работоспособность обтекателя при прогреве шпангоута до температур 400-500°C (ограничение обусловлено термостойкостью стеклопластикового материала кольца); при этом соотношение толщин керамической оболочки и стеклопластикового кольца соответствует коэффициенту пропорциональности к = 0,4-0,5.

Такая конструкция антенного обтекателя может быть реализована с керамическими оболочками и стеклопластиковыми кольцами, материалы которых обладают даже невысокими прочностными характеристиками при условии их высокой термостойкости и достаточности строительной высоты для организации соединения.

Достигнутым техническим результатом применения изобретения является возможность создания работоспособных конструкций антенных обтекателей в условиях длительного аэродинамического воздействия, создающего тепловые потоки, приводящие к нагреву теплозащитных слоев в узлах соединения с оболочкой до 600-650°C и металлических шпангоутов - до температур 400-500°C.

Изобретение относится к области создания конструкций носовых антенных обтекателей ракет с оболочками, изготавливаемыми из жаростойких неорганических (керамических) материалов. Технический результат - повышение герметичности и устойчивости антенного обтекателя к воздействию динамических нагрузок в условиях длительного теплосилового воздействия. Для этого антенный обтекатель содержит керамическую оболочку, металлический стыковой шпангоут и расположенное между ними теплоизоляционное кольцо, соединенное с оболочкой и шпангоутом термостойким адгезивом. Кольцо выполнено из термостойкого стеклопластика на основе алюмохромфосфатного, полиимидного, кремнийорганического и фенолформальдегидного связующих. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Антенный обтекатель, содержащий керамическую оболочку, металлический стыковой шпангоут и расположенное между ними теплоизоляционное кольцо, соединенное с оболочкой и шпангоутом термостойким адгезивом, отличающийся тем, что кольцо выполнено из термостойкого стеклопластика с модулем нормальной упругости при растяжении в 2-2,5 раза меньшим модуля нормальной упругости керамической оболочки, а толщина кольца выбрана из соотношения

где α_об - ТКЛР оболочки;
α_ск - ТКЛР стеклопластикового кольца;
E_об - модуль нормальной упругости оболочки;
E_ск - модуль нормальной упругости стеклопластикового кольца;
δ_об - толщина стенки оболочки;
δ_ск - толщина стеклопластикового кольца.

2. Антенный обтекатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве термостойкого стеклопластика выбран стеклопластик на основе алюмохром-фосфатного, полиимидного, кремнийорганического или фенолформальдегидного связующих.