ЗАЩИТНАЯ ПАНЕЛЬ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Российский патент 2021 года по МПК B64G1/58 

Изобретение относится к ракетно-космической технике: конструктивным элементам плиточной теплозащиты фюзеляжей, крыльев, стабилизаторов и прочих конструктивных элементов летательных аппаратов.

Ближайшим аналогом заявляемого изобретения является защитная панель космического корабля «Буран» (см. https://www.buran.ru/htm/tersaf4.h), которая состоит из плиток, жестко закрепленных на внешней поверхности летательного аппарата. Плитки выполнены из материала с низким коэффициентом термического расширения, не больше 5*10^-7 1/град, с зазорами между гранями, полностью заполненными эластичным жаростойким материалом, плитки приклеены к поверхности корпуса вместе с индивидуальной подложкой термостойким клеем.

Устройство ближайшего аналога работает следующим образом.

При спуске «Бурана» происходит нагрев плиток и, как следствие, их температурное расширение, перекрывающее зазор между плитками. Из-за низкого коэффициента теплопроводности плитки конструкции корпуса и крыльев «Бурана» имеют температуру, при которой прочностные свойства их материалов сохраняются на требуемом уровне.

Недостатком ближайшего аналога является высокая вероятность разрушения защитной панели летательного аппарата в полете, состоящей из плиток, по причине того, что при избыточном нагреве плиток защитной панели происходит ее расширение, превышающее величину зазора между плитками. В результате, напряжения в плитке могут быть существенно увеличены до уровня, при котором возможно ее разрушение или отрыв. При этом:

1. Материал, из которого изготовлены плитки, жаростойкий и легкий, но имеет небольшую прочность, что создает большую трудность в эксплуатации летательного аппарата.

2. Покрытие ЛА в основном состоит из плиток, имеющих форму прямоугольных призм. Плитки с такой формой могут разрушаться от нехватки величины теплового зазора в момент превышения расчетной температуры нагрева, поскольку плазма нестабильна. А также разрушения плиток возможны при скручивании или изгибах корпуса ЛА в момент действия на него динамических и статических нагрузок выше расчетных.

Технической задачей, вытекающей их критики аналога, является уменьшение вероятности разрушения защитной панели летательного аппарата в полете.

Указанная техническая задача решается тем, что теплозащита состоит из легких керамических плиток в оболочке из жаростойкого композита, выполнены из материалов с одинаковым коэффициентом термического расширения, не больше 5*10^-7 1/град, с зазорами между гранями, полностью заполненными эластичным жаростойким материалом, плитки приклеены к поверхности корпуса вместе с индивидуальной подложкой термостойким клеем, плитки имеют форму наклонных призм, основанием призм является правильный многоугольник, основания смещены друг относительно друга по направлению одной из диагоналей, подложки, кроме крайних, изготовлены из упругого материала, например, резины, величина зазора между гранями определяется величиной расширения плиток при нагревании, а также величиной деформации корпуса от действий статических и динамических нагрузок.

Техническим результатом изобретения является уменьшение вероятности разрушения защитной панели летательного аппарата в полете.

К преимуществу данного покрытия, по сравнению с покрытием из плиток, имеющих форму прямоугольных призм, также можно отнести следующее:

- боковые грани плиток перекрываются, тем самым увеличивается их прочность на отрыв.

- удельное давление на наклонных боковых гранях меньше из-за их большей площади при одинаковой толщине плитки.

- глубина теплового зазора больше, что увеличивает тепловое сопротивление.

- при ремонте плитку несложно заменить новой.

- плитка в плане может иметь различную форму.

- форма плитки позволяет хорошо укладывать ее на криволинейные поверхности.

- при укладке на цилиндрическую поверхность подрезается только одна грань.

- для плоскости и цилиндрической поверхности предпочтительна квадратная форма плиток, для узких плоских поверхностей - ромбическая.

Заявляемое изобретение представлено на фиг. 1-3.

На фиг. 1 изображена защитная панель.

На фиг. 2 изображена часть защитной панели, показана плитка в плане и ее разрез.

На фиг. 3 изображен разрез панели и показано положение плитки при ее расширении.

На фиг. 1, фиг. 2 и фиг. 3 обозначено:

1 - Защитная панель;

2 - Корпус летательного аппарата;

3 - Плитка;

4 - Зазор;

5 - Оболочка плитки;

6 - Упругая подложка; (6-1, 6-2,6-3, 6-4,6-5)

7 - Эластичная подложка; (7, 7-1)

2-А - расширенная плитка;

L - величина расширения плитки;

F1, F2 - реакции сил давления.

Защитная панель (1) педназначена для обеспечения тепловой защиты корпуса ЛА (2), плитки (3) защищают корпус летательного аппарата от тепловых нагрузок, зазор (4) предназначен для компенсации температурного расширения плиток, оболочка плитки (5) придает плитке прочность и улучшает ее эксплуатационные характеристики, упругая подложка (6) - уменьшает напряжения в плитке при деформациях корпуса, а также позволяет выходить плитки из гнезда при расширении и возвращает плитку в исходное положение при ее остывании, эластичная подложка крайних контурных плиток (7) - для уменьшения напряжения в плитке при деформациях корпуса и создания условий возможности выхода из гнезда смежным плиткам.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

При нагреве плитки (3) защитной панели (1) корпуса ЛА (2) происходит ее равномерное объемное расширение, которое компенсирует тепловой зазор. При перегреве и нехватке зазора (4) наклонные боковые грани нагретой плитки оказывают давление на наклонные боковые грани соседних смежных плиток. В этот момент возрастают сильные внутренние напряжения в плитках, которые могут ее разрушить или оторвать от корпуса. От воздействия сил давления (F1,F2) на наклонных боковых гранях возникает крутящий момент, который поворачивает плитку (3-А). При повороте плитки (3-А) защитной панели (1) уменьшается истинный размер ее сечения, в результате чего плитка незначительно выходит из гнезда под углом к поверхности плиточного покрытия. В момент выхода из гнезда происходит уменьшение внутренних напряжений в плитке, что предотвращает ее разрушение и отрыв. Часть упругой подложки (6-3) под плиткой сжимается, другая часть растягивается. При остывании размеры плитки уменьшаются. Исчезает крутящий момент. Плитка под действием упругих сил подложки (6-3) приходит в исходное положение. При деформациях корпуса (кручение, изгиб) принцип работы покрытия остается такой же, как и при нагреве (плитка выходит из гнезда под углом к поверхности плиточного покрытия).

Техническим результатом изобретения является уменьшение вероятности разрушения защитной панели летательного аппарата в полете.

К преимуществу данного покрытия, по сравнению с покрытием из плиток, имеющих форму прямоугольных призм, также можно отнести следующее:

- боковые грани плиток перекрываются, тем самым увеличивается их прочность на отрыв.

- удельное давление на наклонных боковых гранях меньше из-за их большей площади при одинаковой толщине плитки.

- глубина теплового зазора больше, что увеличивает тепловое сопротивление.

- при ремонте плитку несложно заменить новой.

- плитка в плане может иметь различную форму.

- форма плитки позволяет хорошо укладывать ее на криволинейные поверхности.

- при укладке на цилиндрическую поверхность подрезается только одна грань.

для плоскости и цилиндрической поверхности предпочтительна квадратная форма плиток, для узких плоских поверхностей - ромбическая.

Изобретение относится к ракетно-космической технике, а более конкретно к защитным панелям. Защитная панель летательного аппарата состоит из легких керамических плиток в оболочке из жаростойкого композита. Плитки приклеены к поверхности корпуса вместе с индивидуальной подложкой термостойким клеем. Плитки имеют форму наклонных призм, основанием призм является правильный многоугольник. Основания смещены относительно друг друга по направлению одной из диагоналей. Подложки, кроме крайних, изготовлены из упругого материала, например резины. Величина зазора между гранями определяется величиной расширения плиток при нагревании, а также величиной деформации корпуса от действий статических и динамических нагрузок. Достигается уменьшение вероятности разрушения защитной панели. 3 ил.

Защитная панель летательного аппарата, состоящая из легких керамических плиток в оболочке из жаростойкого композита, выполненных из материалов с одинаковыми коэффициентами термического расширения, не больше 5⋅10^-7 1/град, с зазорами между гранями, полностью заполненными эластичным жаростойким материалом, плитки приклеены к поверхности корпуса вместе с индивидуальной подложкой термостойким клеем, отличающаяся тем, что плитки имеют форму наклонных призм, основанием призм является правильный многоугольник, основания смещены относительно друг друга по направлению одной из диагоналей, подложки, кроме крайних, изготовлены из упругого материала, например резины, величина зазора между гранями определяется величиной расширения плиток при нагревании, а также величиной деформации корпуса от действий статических и динамических нагрузок.