Антенный обтекатель Российский патент 2020 года по МПК H01Q1/42 

Изобретение относится к области авиационно-ракетной техники, преимущественно к конструкциям радиопрозрачных обтекателей летательных аппаратов, и может быть использовано при разработке керамических головных обтекателей высокоскоростных ракет.

Наиболее распространенной и работоспособной конструкцией головного обтекателя ракеты является конструкция, состоящая из радиопрозрачной керамической оболочки и металлического стыкового шпангоута, соединенных соосно теплостойким адгезивом, воспринимающая значительную внешнюю аэродинамическую нагрузку, создаваемую в полете ракеты. Оптимальным сочетанием радиотехнических характеристик (РТХ), теплопрочностью и массой обладает керамическая оболочка с полуволновой толщиной диэлектрической стенки.

Одним из основных условий, обеспечивающих работоспособность клеевого соединения при допускаемой прочности при сдвиге (τ_сдв), является возможность конструктивно создать достаточную площадь склейки, определяющуюся, при заданном диаметре сопрягаемых поверхностей оболочки и шпангоута, протяженностью зоны склейки вдоль продольной оси обтекателя, т.е. длину адгезионного слоя, получаемую в процессе теплопрочностного расчета соединения от воздействия составляющих внешней аэродинамической нагрузки – продольной силы и изгибающего момента, создаваемого поперечной силой. Если при значительном силовом воздействии на керамическую оболочку обтекателя и дефиците объема для компоновки узла соединения величина расчетной длины клеевого слоя не обеспечивается (например, при больших углах прокачки антенны близость антенны к металлическому шпангоуту искажает параметры излучения), то ее конструктивное увеличение может быть достигнуто удлинением всей конструкции обтекателя в сторону соседнего отсека или, наоборот, продвижением антенны в сторону носка оболочки. Удлинение конструкции приводит к дополнительному возрастанию силовой нагрузки на оболочку, увеличению масс оболочки и шпангоута и смещению центровки ракеты. Перемещение антенного устройства в сторону носка оболочки и уменьшение длины оболочки позволяют снизить силовую составляющую аэродинамического воздействия, но приводят к увеличению нагрева соединения. В неподкрепленной переходной зоне радиопрозрачной части полуволновой стенки оболочки – от центра вращения (прокачки) антенны до переднего торца шпангоута – действует значительная силовая нагрузка, и в обоих вариантах решения по увеличению длины клеевого слоя в оболочке могут возникнуть растягивающие напряжения, превышающие допустимые. В общем случае, переходная зона необходима для обеспечения плавного уменьшения толщины стенки оболочки в зоне узла соединения со шпангоутом, где на конструкцию воздействует максимальная нагрузка, до определенной электрическим расчетом полуволновой толщины в радиопрозрачной зоне. Общее увеличение толщины стенки оболочки до волновой, с целью снижения напряжений в переходной зоне, приводит к увеличению массы обтекателя и некоторому ухудшению радиотехнических характеристик.

Таким образом, основной целью разработки носового радиопрозрачного обтекателя в условиях аэродинамического воздействия с превалирующей силовой нагрузкой (в том числе – в переходной зоне) при дефиците объема для компоновки узла соединения является создание конструкции, обеспечивающей достаточную работоспособность адгезионного (клеевого) соединения, характеризующуюся максимальными значениями напряжений сдвига, и снижение напряжений в керамической оболочке. Имеющийся опыт создания обтекателей показывает, что оптимальная работоспособность обтекателя может быть достигнута за счет увеличения несущей способности конструкции в переходной зоне и, в целом, в узле соединения, например, с помощью дополнительных силовых элементов, устанавливаемых во внутренней полости между оболочкой и шпангоутом.

Наиболее близким устройством, включающим дополнительные промежуточные элементы и выбранным в качестве прототипа по совокупности признаков, является конструкция носового антенного обтекателя по патенту США № 4520364, МПК 6 Н01 Q 1/28, 1/42, 1985, включающая керамическую радиопрозрачную оболочку, промежуточную кольцевую полимерную секцию и металлический стыковой шпангоут, соединенные последовательно вдоль продольной оси по коническим сопрягаемым поверхностям термостойким адгезивом.

Причинами, ограничивающими применение данного изобретения в рассматриваемых условиях, являются:

- элементы узла соединения, расположенные вдоль продольной оси и склеенные термостойким адгезивом, не создают эффект увеличения общей длины клеевого слоя, т.к. клеевые слои включаются в “работу” последовательно и каждый отдельный слой должен обеспечить работоспособность конструкции от всего внешнего воздействия, что ограничивает величину максимальной силовой нагрузки;

- конструкционная жесткость хрупкой керамической оболочки обеспечивается только жесткостью радиотехнической, полуволновой или волновой, толщины стенки оболочки.

Задачей настоящего изобретения является повышение несущей способности керамической оболочки и узла соединения в условиях значительного силового воздействия на конструкцию обтекателя.

Поставленная задача решается тем, что предложен:

1. Антенный обтекатель, содержащий керамическую оболочку, металлический шпангоут и расположенную соосно между ними кольцевую обечайку, соединенные между собой теплостойким адгезивом, отличающийся тем, что кольцевая обечайка выполнена из слоистого композиционного материала и имеет в основании толщину, равную не более 0,5 толщины стенки оболочки в радиопрозрачной зоне, и межслоевую прочность, превышающую не менее чем на 20 % прочность адгезионного слоя, при этом толщина и высота кольцевой обечайки в области от переднего торца шпангоута до радиопрозрачной зоны оболочки определяются расчетным путем, исходя из условия обеспечения минимума растягивающих напряжений в оболочке при плавном уменьшении толщины стенки обечайки от переднего торца шпангоута к радиопрозрачной зоне до уровня, ограничивающего допустимое снижение заданных радиотехнических характеристик.

2. Антенный обтекатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве слоистого композиционного материала кольцевой обечайки используется теплостойкий композиционный материал на основе полиимидного, кремнийорганического, алюмохромфосфатного или фенолформальдегидного связующих.

На чертеже представлено продольное сечение обтекателя в зоне узла соединения.

Антенный обтекатель включает керамическую оболочку 1, металлический шпангоут 2 и кольцевую обечайку 3, соединенные между собой теплостойким адгезивом 4,

где L min – длина адгезионного (клеевого) слоя (соответственно – высота шпангоута), обусловленная компоновкой узла соединения и принятая для проведения предварительного теплопрочностного расчета по величине максимальной силовой нагрузки (изгибающего момента и осевой силы) по классической схеме “керамическая оболочка – металлический шпангоут;

δ – полуволновая толщина диэлектрической стенки оболочки 1 в радиопрозрачной зоне;

δ₁ – толщина стенки кольцевой обечайки 3 в узле соединения, плавно уменьшающаяся в переходной зоне ΔL от переднего торца шпангоута к радиопрозрачной зоне керамической оболочки 1.

Создание работоспособной конструкции антенного обтекателя с узлом соединения достигается тем, что с установкой промежуточной кольцевой обечайки появляются дополнительный адгезионный слой в узле соединения, “работающий” совместно с основным, определяемым длиной L min и практически равным ему, и дополнительное соединение обечайки с оболочкой в переходной зоне, создающие эффект увеличения несущей способности конструкции в целом.

Если полученная предварительным расчетом длина L min конструктивно не обеспечивается объемом, выделенным для соединения, и ее увеличение в сторону соседнего отсека не возможно, а в сторону радиопрозрачной зоны (вместе со шпангоутом) приводит к значительному искажению параметров излучения и радиотехнических характеристик за счет влияния металлического шпангоута, то принимается решение о применении в соединении дополнительного силового элемента – кольцевой обечайки, устанавливаемой между оболочкой и шпангоутом, соосно с ними.

Кольцевая обечайка изготавливается из слоистого композиционного материала на основе термостойкого связующего (например, полиимидного СП-97 или алюмохромфосфатного АХФС) и приклеивается к керамической оболочке и шпангоуту термостойким адгезивом. Толщина обечайки в зоне узла соединения принимается равной не более половины толщины керамической оболочки в радиопрозрачной зоне, а в переходной зоне ΔL – дискретно уменьшается от переднего торца шпангоута в сторону носка оболочки до уровня, ограничивающего допустимое снижение РТХ в этой зоне. В переходной зоне толщина стенки обечайки влияет на работу антенного устройства: перемещение обечайки к центру прокачки антенны вызывает возрастание угловых ошибок пеленга. Поэтому за пределами переднего торца шпангоута требуется также плавное уменьшение толщины стенки обечайки в сторону радиопрозрачной зоны, практически – до нуля.

Приклеиванием промежуточной обечайки к оболочке (по всей высоте) и шпангоуту (в узле соединения) создается положительный эффект увеличения суммарной жесткости элементов конструкции, напряжения в них снижаются, увеличивая несущую способность хрупкой керамической оболочки и узла соединения, а в целом – конструкции обтекателя.

Кроме того, применение кольцевой обечайки позволяет, в определенной мере, снизить нагрев металлического шпангоута, что особенно заметно у обтекателей с относительно небольшой длительностью полета ракеты.

Эффективность работы такой конструкции обтекателя подтверждается при условии, если межслоевая прочность кольцевой обечайки превышает прочность при сдвиге адгезионного (клеевого) слоя τ_сдв не менее чем на 20%. Поскольку межслоевая прочность слоистого композиционного материала не зависит от толщины его стенки, исходная толщина кольцевой обечайки δ₁ в узле соединения, как показывают расчеты РТХ, не должна превышать 0,5 δ, а в переходной зоне – должна дискретно уменьшаться от переднего торца шпангоута к радиопрозрачной зоне керамической оболочки.

Длина переходной зоны ΔL – это одновременно и максимально возможная часть кольцевой обечайки 3, выступающая за передний торец шпангоута с плавно уменьшающейся толщиной δ₁, которая обусловлена величиной допустимого снижения РТХ, вызванного отклонением общей толщины стенки в переходной зоне от полуволновой толщины стенки оболочки δ.

Достигнутым результатом применения изобретения является экспериментальное подтверждение возможности создания работоспособной конструкции антенного обтекателя для условий эксплуатации со значительной силовой составляющей аэродинамической нагрузки на начальном участке траектории.

Изобретение относится к области создания конструкций антенных обтекателей высокоскоростных ракет с оболочками из жаростойких керамических материалов. Антенный обтекатель содержит керамическую оболочку, металлический шпангоут и расположенную соосно между ними кольцевую обечайку, соединенные между собой термостойким адгезивом. Кольцевая обечайка выполнена из слоистого композиционного материала и имеет в основании толщину, равную не более 0,5 толщины стенки оболочки в радиопрозрачной зоне, и межслоевую прочность, превышающую не менее чем на 20% прочность адгезионного слоя. Толщина и высота кольцевой обечайки в области от переднего торца шпангоута до радиопрозрачной зоны оболочки определяются расчетным путем, исходя из условия обеспечения минимума растягивающих напряжений в оболочке при плавном уменьшении толщины стенки обечайки от переднего торца шпангоута к радиопрозрачной зоне до уровня, ограничивающего допустимое снижение заданных радиотехнических характеристик. Технический результат - повышение несущей способности керамической оболочки и узла соединения в условиях значительного силового воздействия на конструкцию обтекателя. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Антенный обтекатель, содержащий керамическую оболочку, металлический шпангоут и расположенную соосно между ними кольцевую обечайку, соединенные между собой теплостойким адгезивом, отличающийся тем, что кольцевая обечайка выполнена из слоистого композиционного материала и имеет в основании толщину, равную не более 0,5 толщины стенки оболочки в радиопрозрачной зоне, и межслоевую прочность, превышающую не менее чем на 20 % прочность адгезионного слоя, при этом толщина и высота кольцевой обечайки в области от переднего торца шпангоута до радиопрозрачной зоны оболочки определяются расчетным путем, исходя из условия обеспечения минимума растягивающих напряжений в оболочке при плавном уменьшении толщины стенки обечайки от переднего торца шпангоута к радиопрозрачной зоне до уровня, ограничивающего допустимое снижение заданных радиотехнических характеристик.

2. Антенный обтекатель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве слоистого композиционного материала кольцевой обечайки используется теплостойкий композиционный материал на основе полиимидного, кремнийорганического, алюмохромфосфатного или фенолформальдегидного связующих.