Применение полисилоксановых герметиков в качестве конструкционных клеев в керамических ракетных обтекателях
USE OF POLYSILOXANE SEALANTS AS STRUCTURAL ADHESIVES IN CERAMIC ROCKET FAIRINGS

Изобретение относится к области полимерных материалов и может быть использовано при склеивании элементов конструкций из металла и керамики, преимущественно для соединения керамической оболочки ракетного антенного обтекателя с переходником или переходными элементами (шпангоутом) к металлическому корпусу ракеты, с помощью термостойкого конструкционного эластичного кремнийорганического клея холодного отверждения (эластомера конструкционного).
В случае применения хрупких, малопрочных керамических материалов, таких как кварцевая керамика и стеклокерамика, в качестве высокоответственного элемента летательного аппарата - головного обтекателя, вопрос способа соединения керамического элемента (керамической оболочки) со шпангоутом приобретает основополагающее значение для обеспечения работоспособности и надежности летательного аппарата.
Технические требования к соединению зачастую весьма противоречивы.
Адгезионный слой, соединяющий тонкостенную керамическую оболочку с переходником, должен обеспечивать:
- несущую способность обтекателя в широком диапазоне аэродинамических асимметричных нагрузок и рабочих температур, и радиотехнические требования к его конструкции (обеспечение допустимого уровня относительных угловых смещений продольных осей обтекателя и корпуса ракеты);
- герметичность конструкции обтекателя и устойчивость соединения переходника с тонкостенной керамической оболочкой к термоциклическим и вибродинамическим эксплуатационным воздействиям;
- долговечность соединения в течение 20-25 лет и более;
- технологичность изготовления обтекателя;
- доступность (недифицитность) компонентов крепящего материала и адаптируемость его к конструктивным модификациям элементов конструкции обтекателя (ассортимент материалов переходника и его элементов, геометрические параметры переходника и клеевого шва.
Известны термостойкие конструкционные жесткие клеи горячего отверждения (КЖКГО) типа ВК2, ВК18, ВК20… и холодного отверждения (КЖК-ХО) типа ВК9, ВК58, ВК18М, ВК20М…, предназначенные для работы в условиях жестких теплосиловых эксплуатационных воздействий (Авиационные материалы, Избранные труды под общей редакцией Е.Н. Каблова, М. «МИССИС» ВИАМ» 2002, с. 321-326).
Известны также эластомеры герметизирующие холодного отверждения (ЭГХО) такие, как кремнийорганические герметики типа Виксинт (для поверхностной герметизации - Виксинт У-1-18 НТ…, внутришовной герметизации: Виксинт У-2-28 НТ…), работающие при высоких температурах (250…350°С), в качестве не силовых герметизирующих материалов (Авиационные материалы, Избранные труды 1932-2002, под общей редакцией Е.Н. Каблова, М. «МИССИС» ВИАМ» 2002, с. 326-328).
Известно также, что требования к термостойкости, теплопрочности крепящих материалов (адгезивов) и их эластичности являются противоречимыми.
ж
3
Несмотря на высокие прочностные характеристики современных термостойких конструкционных жестких клеев типа ВК58, ВК18 и др. (10…20 МПа и более в нормальных условиях и 2…5 МПа при 400°С и выше), из-за их высокой жесткости (модуль упругости второго рода, модуль сдвига, G=(0,2…1,0)⋅10 МПа)), хрупкости (разрушение без пластических деформаций), высоких значений температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР), на порядок и более высоких, чем, например, у кварцевой керамики, удовлетворительное их применение в конструкциях современных керамических обтекателей ракет существенно затруднено. Степень рассогласованности ТКЛР керамических материалов и ТКЛР материалов переходника является одним из важнейших факторов, влияющих на несущую способность и надежность обтекателя.
Некоторые результаты поиска при выборе адгезива для вариантов конструкций и способов сборки (технологический процесс сборки), являющегося триединой задачей для обтекателей с керамическими оболочками, можно представить следующим образом:
2
- с одной стороны, при нанесении лишь капли клея холодного отверждения типа ВК9, ВК58 на поверхность пластины из кварцевой керамики (SiO) с пористостью 8-10% (НИАСИТ 8ПП) после отверждения и климатического термоциклирования (от минус 60°С до +60°С, 10 циклов) вызывает когезионное разрушение керамического элемента с образованием лунки под каплей клея. Начало разрушения керамического элемента (в виде возникновения в нем трещин на краях склейки) происходит и при соединении его с элементами из стеклопластиков с разными связующими;
2
- целостность связи нанесенных полосок клея горячего отверждения типа ВК18 на поверхности образца из SiО нарушается даже от остаточных напряжений в процессе охлаждения;
2
2
- хотя использование инварных сплавов для переходника вместо композиционных материалов в соединении элементов из SiО с помощью жестких клеев холодного отверждения типа ВК9, ВК58 обеспечивает заданную работоспособность, как при климатическом термоциклировании (от минус 60°С до +60°С, 10 циклов), так и при высоком уровне сдвигающих усилий, возбуждающих в керамическом элементе (тонкостенной оболочке) растягивающие напряжения, близкие к значениям предела прочности при растяжении для SiO (=20…40 МПа), однако высокий уровень касательных напряжений на краях склейки из-за жесткости клея создает условия для снижения стабильности несущей способности и надежности керамического элемента обтекателя, что было зафиксировано на десятках экспериментальных изделий.
и
При увеличении температуры испытания, Т до 400…500°С прочность конструкционных клеев (КЖКГО и КЖКХО) зачастую приобретает значения, соизмеримые с прочностью широко известных кремнийорганических герметиков типа Виксинт в нормальных условиях (3…4 МПа).
Для исключения опасности возникновения и развития трещин - нарушения сплошности в жестких, хрупких элементах конструкции при термоциклических эксплуатационных воздействиях (термоциклы климатические от минус 60°С до плюс 60°С для ракет класса «поверхность - воздух» или в условиях совместного полета ракеты с ее носителем, когда термоциклическое воздействие ужесточается - от минус 60°С до плюс 120…240°С…) требуется согласованность по ТКЛР склеиваемых материалов (керамика + керамика, керамика + углепластик, керамика + углерод-углеродный материал…), или снижение жесткости адгезива.
В случае применения эластичных адгезивов в соединениях керамической оболочки обтекателя с переходными элементами к корпусу ракеты одной из главных задач является установление допустимых уровней теплопрочностных и деформационных характеристик таких клеев с точки зрения прочностных и радиотехнических требований к керамическому обтекателю современных ракет разных классов.
Установлено, что:
- применение кремнийорганических герметиков типа Виксинт, (Виксинт У-1-18 НТ, Виксинт У-2-28 НТ - ТУ 38.303-04-04-90) в неразъемных трубчатых (телескопических) соединениях тонкостенной керамической оболочки обтекателя ракет разных классов со шпангоутом (переходником к их корпусу), согласованным по ТКЛР с керамической оболочкой, в качестве конструкционного эластомера (конструкционного клея) обеспечивает заданную эксплуатационную надежность (по механической прочности и радиотехническим требованиям - допустимым угловым смещениям оси обтекателя относительно оси корпуса ракеты) современных ракет с носовыми антенными обтекателями с керамической оболочкой;
в
20
в
20
ср
ср
- при контролируемом среднем значении предела прочности при сдвиге в нормальных условиях, τ, клеевого соединения керамического элемента и элемента из материала переходника, составляющих τ ≥ 2,0 МПа при оптимальном диапазоне толщин клея его снижение в результате кратковременного прогрева клея до 300°С в 3-5 раз по сравнению с контролируемым в нормальных условиях является допустимым, если геометрические и физико-механические параметры элементов соединения выбираются из условия:
Σ
σ/τ=k (L/ h), где
σ - допускаемые в предварительных проектировочных расчетах значения предела прочности при растяжении материала керамической оболочки при заданной надежности обтекателя, МПа;
h - толщина стенки керамической оболочки у зоны ее склейки с переходником, мм;
Σ
1
2
3
4
5
k - интегральный коэффициент (суммарный, комплексный, компенсационный), учитывающий эффекты опоры торца керамической оболочки в зоне сжатия (k), упруго-пластические эффекты в хвостовой части переходника (k), стеснение радиальных температурных перемещений, согласованных по ТКЛР трубчатых элементов (k), упрочнения соединения и увеличение жесткостных характеристик клеевого слоя при термообработке (k), кратковременное (шоковое) тепловое воздействие на клеевой шов (k) и др.;
τ - экспериментальные средние значения предела прочности клея на сдвиг при условной 5-минутной выдержке плоских моделей - имитаторов реальных конструкций при температуре испытания в тепловой камере, МПа;
L - длина перекрытия в осевом направлении склеиваемых поверхностей трубчатых элементов, мм.
Расчеты соединений оболочек, телескопически связанных упругим слоем клея, с помощью существующих теорий дают неоднозначные ответы на вопрос о работоспособности и надежности системы «керамика - клей - металл». Попытка решения системы уравнений равновесия и совместности деформаций элементов соединения наталкивается на неопределенность исходных характеристик элементов по кратковременным (секундным) характеристикам (прочностным и деформационным для клея - герметика), а отсюда возникает некорректность теоретических прогнозов и рекомендаций.
В таблице приведены некоторые свойства кремнийорганических (полиси-локсановых) клеев-герметиков типа Виксинт («ВИКСИНТ У-1-18 НТ» для поверхностной герметизации, «ВИКСИНТ У-2-28 НТ» для внутришовной герметизации), применяемых в производстве керамических обтекателей в качестве конструкционных клеев.
Основным фактором, определяющим работоспособность конструкции, является результат стендовых испытаний реальных обтекателей в условиях максимально приближенных к эксплуатационным и результаты летных испытаний. Этот результат можно охарактеризовать следующим образом: - независимо от высокой деформативности материалов «ВИКСИНТ У-1-18 НТ» и «ВИКСИНТ У-2-28 НТ» (от 300 до 400% и более) и сравнительно невысоких теплопрочностных характеристиках (предел прочности при сдвиге от 2,2 до 1,0-1,5 МПа для «ВИКСИНТ-а У-1-18 НТ» и от 1,0 до 0,5 МПа для «ВИК-СИНТ-а У-2-28 НТ» при температуре от 200 до 300°С соответственно) для керамических обтекателей ракет одноразового применения при динамическом воздействии изгибающего эксплуатационного момента, вызывающего близкие к предельным напряжения (σ ≈ 20 МПа) в керамической оболочке с полуволновой толщиной стенки (h ≈ 10 мм), диаметре у основания оболочки ≈400 мм (в качестве примера), темповом нагреве клея и металлического переходника (от 60 до 200 град / мин) и при изменении температуры от 20 до 300°С обеспечивается требуемая работоспособность и надежность соединения керамической оболочки обтекателя с металлическим переходником, что подтверждается положительными стендовыми, летными и ресурсными испытаниями обтекателей в условиях хранения и эксплуатации.
Свойства кремнийорганических герметиков типа Виксинт, применяемых в производстве керамических обтекателей в качестве конструкционных клеев приведены в таблице.
Экспериментально доказано, что в трубчатых клеевых соединениях тонкостенной керамической оболочки при ее внешнем расположении относительно переходника и длине соединения элементов, ориентировочно составляющей (эквивалентно) или величину 10 толщин керамической оболочки в радиопрозрачной области, или 0,5 радиуса срединной поверхности (между наружной и внутренней поверхностями керамической оболочки в зоне соединения), или 0,1 длины типового современного обтекателя возможно и рационально применение эластомеров герметизирующих холодного отверждения (ЭГХО) - герметиков типа Виксинт (Виксинт У-1-18 НТ, Виксинт У-2-28 НТ и их модификаций) в качестве конструкционных эластичных клеев холодного отверждения (КЭК-ХО).