СПОСОБ ВЫПОЛНЕНИЯ ТЕПЛОЗАЩИТНОГО ПОКРЫТИЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ ПОВЕРХНОСТИ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
METHOD OF PRODUCING THERMAL PROTECTIVE COATING OF AIRCRAFT AERODYNAMIC SURFACE

Заявляемое техническое решение относится к авиационной и ракетной технике и может быть использовано при выполнении теплозащитных покрытий на аэродинамических поверхностях (а.п.) и других несущих конструкциях гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА).
Известен способ (см. книгу «Доспехи для «Бурана». Материалы и технологии «ВИАМ» для МКС «Энергия-Буран». Под общ. ред. академика РАН Каблова Е.Н. - М.: Фонд «Наука и жизнь», 2013, с. 18-19, с. 21-23, л. 4 иллюстраций между с. 48 и с. 49») выполнения теплозащитного покрытия на воздушно-космических самолетах (ВКС) «Шаттл» и «Буран», заключающийся в разбивке теплозащитного покрытия на плитки и их закреплении на поверхности планера ВКС путем приклейки к демпфирующим подложкам из специального фетра, которые перед этим приклеиваются к металлической поверхности планера. Таким способом решалась проблема существенной разницы коэффициентов температурного расширения металла и материала плиток. Размеры и форма плиток выбирались так, чтобы при нагреве (и соответственно расширении) они не разрушили друг друга, а при охлаждении между ними не появлялись бы слишком широкие зазоры. Плитки располагались примыкающими друг к другу рядами шириной в одну плитку.
Описанный выше способ принят авторами за ближайший аналог.
Ближайший аналог имеет следующие недостатки:
- большое количество типоразмеров плиток;
- большое количество плиток, выражающееся пятизначным числом;
- широкое применение квадратных плиток вместо прямоугольных, что эффективно только для определенных значений углов между передней кромкой и бортовой хордой а.п. (объяснение см. ниже).
Указанные недостатки привели к тому, что впервые в отечественной практике использовали компьютерное проектирование такого огромного количества разнообразных деталей. Вероятно, иной подход был бы попросту невозможен, ведь только на плитки пришлось бы выпустить более сорока тысяч чертежей.
Техническая задача, которая решается в предлагаемом техническом решении: оптимальная разбивка теплозащитного покрытия аэродинамической поверхности ГЛА на плитки, в результате которой мы получаем минимальное количество типоразмеров плиток и минимальное количество плиток, что существенно упрощает технологию изготовления и сборки и уменьшает затраты на производство.
Для а.п. ГЛА, угол «α» между передней кромкой и бортовой хордой меньше или равен 45°. Для того, чтобы «замостить» плитками площадь между передней кромкой и бортовой хордой необходимо иметь в наборе трапециевидные и прямоугольные (или как частный случай квадратные) плитки. Тогда, если ряды плиток расположены, например, перпендикулярно бортовой хорде, то трапециевидные плитки будут располагаться вдоль передней кромки.
Для достижения оптимального результата по критерию «минимальное число типоразмеров плиток и минимальное число плиток», необходимо стремиться к одному типоразмеру трапециевидных плиток и ограниченному числу типоразмеров прямоугольных плиток.
Для этого, при выборе высот плиток необходимо учитывать величину угла «α» и задавать высоты прямоугольных плиток кратными величине
с=a⋅tgα,
где с - разность между большей и меньшей параллельными сторонами трапециевидной плитки;
а - ширина плитки;
α - угол между передней кромкой и бортовой хордой а.п. (α≤45°).
В этом случае можно сформировать два или три типоразмера прямоугольных плиток с высотами кратными «с», а для получения трапециевидных плиток одного типоразмера необходимо для меньшей из параллельных сторон трапециевидных плиток взять величину «р» или «р+с» или «p+2⋅с»,
где «р» - величина, равная остатку от деления нацело высоты ряда плиток на величину «с».
При этом, плитки одного ряда смещают по отношению к плиткам соседнего ряда на величину «с» или «с/2». Это необходимо для уменьшения воздействия набегающего потока на а.п.
Рассмотрим условие оптимальной разбивки на квадратные плитки, исходя из того же условия кратности высот плиток величине с=a⋅tgα.
В случае квадратной плитки, ширина плитки «а» равна высоте плитки n⋅с,
где n - целое число из ряда 1, 2, 3, 4, 5, …….
Итак, а=n⋅с=n а⋅tgα; tgα=1/n.
Из последнего выражения получаем при:
n=1, α=45°.
n=2, α=26,565°.
n=3, α=18,435°.
n=4, α=14,036° и т.д.
Следовательно, для определенных дискретных значений угла α разбивка на квадратные плитки эффективна и приводит к оптимальному результату (см. примеры на фиг. 7 и фиг. 8).
Таким образом, техническая задача достигается способом, заключающимся в разбивке теплозащитного покрытия на плитки и их закреплении на силовом каркасе аэродинамической поверхности, при этом плитки установлены примыкающими друг к другу рядами шириной в одну плитку и высотой от передней кромки до бортовой хорды аэродинамической поверхности, ряды расположены перпендикулярно либо бортовой хорде, либо передней кромке, в каждом ряду размещены примыкающие друг к другу прямоугольные плитки и, замыкающая ряд, трапециевидная плитка, а высоты прямоугольных плиток выполнены кратными величине с=a⋅tgα,
где с - разность между большей и меньшей параллельными сторонами трапециевидной плитки;
а - ширина плитки;
α - угол между передней кромкой и бортовой хордой аэродинамической поверхности, α меньше или равен 45°,
при этом меньшая из параллельных сторон трапециевидной плитки выполнена равной величине р или р+с или р+2⋅c,
где р - величина, равная остатку от деления нацело высоты ряда плиток на величину «с»,
а плитки одного ряда расположены со смещением по отношению к плиткам соседнего ряда на величину «с» или «с/2».
Предложенное техническое решение поясняется чертежами.
На фиг. 1 показаны два отрезка прямых, расположенных в одной плоскости под углом α друг к другу (α≤45°). На некотором расстоянии от края первого отрезка построены с равным шагом «а» и перпендикулярно этому отрезку ряд параллельных прямых до пересечения со вторым отрезком. В качестве первого отрезка может выступать бортовая хорда а.п., второго отрезка - торец кромки передней, а плоскость двух отрезков в этом случае образует плоскость хорд а.п. ГЛА.
На фиг. 2 видно, что из точек пересечения прямых со вторым отрезком построены прямые, перпендикулярные исходным параллельным прямым. Образовавшиеся при этом ячейки в виде прямоугольных треугольников имеют катеты «а» и «с=а⋅tgα». Далее, с шагом «с» построен еще ряд параллельных прямых. При этом ближайшая к первому отрезку прямая будет находиться от него на расстоянии р≤с, образуя ячейки со сторонами  и «р».
На фиг. 3 показано, что треугольные ячейки объединены с ячейками со сторонами  и «р», тем самым со стороны передней кромки получены трапециевидные ячейки со сторонами «р» и «р+с».
На фиг. 4 видно, что трапециевидные ячейки объединены с примыкающими к ним ячейками со сторонами «с» и , поэтому стороны трапециевидных ячеек теперь равны «р+с» и «p+2⋅с». Это прибавление выполняют, если величины «р» и «р+с» малы по сравнению с «а».
На фиг. 5 показан вариант объединения ячеек со сторонами «с» и -«а». В итоге получены четыре типоразмера плиток, заполняющих всю площадь аэродинамической поверхности:
- поз. 1 -трапециевидная плитка;
- поз. 2 - прямоугольная плитка со сторонами «а» и «2⋅c»;
- поз. 3 - прямоугольная плитка со сторонами «а» и «3⋅c»;
- поз. 4 - прямоугольная плитка со сторонами «а» и «4⋅c».
При этом видно, что плитки одного ряда смещены по отношению к плиткам соседнего ряда на величину «с». Это необходимо для уменьшения воздействия набегающего потока на а.п.
На фиг. 6 показан такой же вариант объединения ячеек со сторонами «с» и , т.е. получены те же четыре типоразмера плиток, заполняющих всю площадь аэродинамической поверхности:
- поз. 1 - трапециевидная плитка;
- поз. 2 - прямоугольная плитка со сторонами «а» и «2⋅c»;
- поз. 3 - прямоугольная плитка со сторонами «а» и «3⋅c»;
- поз. 4 - прямоугольная плитка со сторонами «а» и «4⋅c».
Но плитки поз. 2, поз. 3, поз. 4 расположены в другом сочетании, что позволило уменьшить общее число плиток. С этой точки зрения на фиг. 6 показана более оптимальная разбивка на плитки.
На фиг. 7 приведен пример разбивки на квадратные плитки при угле α, равном 18,435°, для которого разбивка на квадратные плитки эффективна.
На фиг. 8 приведен пример разбивки на квадратные плитки при угле α, равном 26,565°, для которого разбивка на квадратные плитки эффективна.
Предложенный способ выполнения теплозащитного покрытия а.п. ГЛА был реализован в конструкции, которая успешно прошла лабораторно-стендовые и летно-конструкторские испытания.
Использование предлагаемого технического решения позволит получить минимальное количество типоразмеров плиток и минимальное количество плиток, а это упростит технологию изготовления и сборки плиток и уменьшит затраты на их производство.