Антенный обтекатель
ANTENNA FAIRING

Изобретение относится к области авиационно-ракетной техники, преимущественно к конструкциям носовых радиопрозрачных обтекателей ракет с оболочками, изготавливаемыми из жаропрочных неорганических (керамических) материалов, являющихся укрытием от аэродинамического воздействия для антенных устройств головок самонаведения (АУ ГСН).
Обеспечение стабильного функционирования АУГ СН в полете ракеты зависит не только от стабильности диэлектрических характеристик внешней керамической оболочки, но и от теплового состояния во внутренней полости обтекателя, непосредственно влияющего на нагрев элементов размещенной в нем аппаратуры.
С ростом скоростей и длительности полета ракет нагрев внутренней полости обтекателя усиливается, возрастает нагрев внутренней поверхности внешней керамической оболочки, сопровождающийся отражением тепла к зеркалу антенны. Отраженное тепло обусловливает радиационный и конвективный нагрев элементов антенного устройства, работоспособность которых может быть ограничена определенной допустимой температурой, превышение которой приводит к снижению радиотехнических характеристик и нарушению устойчивой работы системы наведения. Кроме того, усиливается нагрев опорного металлического шпангоута в зоне узла соединения, что приводит к распору керамической оболочки при его радиальном расширении и к повышенному нагреву элементов волноводного тракта АУ ГСН.
Для защиты от недопустимого нагрева АУ ГСН во внутренней полости обтекателя перед зеркалом антенны устанавливаются теплозащитные экранирующие элементы (ТЗЭ), позволяющие исключить радиационный нагрев антенны без значительного снижения заданных радиотехнических характеристик (РТХ) при прохождении электромагнитной энергии через систему "экран - внешняя оболочка". С целью снижения недопустимого нагрева шпангоута и элементов волноводного тракта АУ ГСН, между оболочкой и шпангоутом вводятся дополнительные теплоизоляционные элементы, например, силовые теплоизоляционные кольца или обечайки, изготавливаемые из композиционных материалов, имеющих низкую теплопроводность, повышенные теплостойкость и теплопрочность. В некоторых обтекателях удается конструктивно связать радиопрозрачную часть ТЗЭ с силовым теплоизоляционным элементом, что улучшает технологичность и конструкционную надежность обтекателя.
Известна конструкция антенного обтекателя (патент США №5691736, кл. H01Q 1/42, опубл. 25.11.1997 г.), включающая установленные соосно внешнюю керамическую оболочку, вторичную внутреннюю оболочку, выполняющую функции ТЗЭ и металлический шпангоут, присоединенный к соседнему отсеку с помощью дополнительной металлической обечайки и крепежных элементов. Теплозащитный экран куполообразной формы присоединен консольно к внутренней поверхности керамической оболочки, которая соединена по наружной поверхности через дополнительную металлическую обечайку со шпангоутом термостойким адгезивом, между внутренней оболочкой ТЗЭ и внешней керамической оболочкой выполнен гарантированный воздушный зазор. Вся конструкция узла соединения с наружной поверхности обтекателя закрыта теплозащитным материалом.
Основным недостатком конструкции является то, что консольное закрепление теплозащитного экрана не обеспечивает надежного соединения с внешней оболочкой при значительных динамических нагрузках. При длительном высокотемпературном аэродинамическом воздействии на обтекатель, наружный теплоизоляционный слой становится неэффективным для защиты металлических элементов узла соединения от повышенного нагрева, в результате чего на прочность соединений начинает значительно влиять разница ТКЛР соединяемых элементов.
Наиболее близким конструкционным решением является антенный обтекатель по патенту РФ №2536360, МПК H01Q 1/42, опубл. 20.12.2014 г., выбранный в качестве прототипа. Антенный обтекатель содержит керамическую оболочку, металлический стыковой шпангоут и трехслойный радиопрозрачный теплозащитный экран, внешние слои которого изготовлены из термостойкого стеклопластика, а внутренний слой из теплоизоляционного волокнистого материала с пониженной теплопроводностью. В узле соединения между оболочкой и шпангоутом размещено силовое теплоизоляционное кольцо, которое жестко присоединено к радиопрозрачной части теплозащитного экрана или выполненное за одно целое с ним из термостойкого стеклопластика, в частности, из материала внешних слоев экрана.
Такая конструкция антенного обтекателя позволяет использовать теплозащитные возможности отечественных стеклопластиковых материалов, имеющих невысокую теплопроводность и термостойкость до 450-500°С, как для радиопрозрачной части ТЗЭ, так и для силового теплоизоляционного кольца в узле соединения, объединить их в один элемент со шпангоутом "теплозащитный экран с узлом соединения" с помощью эластичного теплостойкого адгезива, что обеспечивает технологичность и конструкционную надежность обтекателя.
Недостатком такой конструкции является невозможность гарантировать безусловную надежность обтекателя при длительном высокотемпературном теплосиловом воздействии, при котором нагрев силового теплоизоляционного кольца превышает 450-500°С и поддерживается на этом уровне в течение нескольких минут. В этом случае, возможное разрушение силового теплоизоляционного кольца и, в целом, обтекателя под действием внешней нагрузки является следствием нестабильности межслоевой прочности силового теплоизоляционного кольца при этих температурах, в особенности - при наличии межслоевых расслоений в стеклопластике. Чтобы обеспечить целостность и работоспособность конструкции узла соединения, должно обязательно выполняться следующее условие - межслоевая прочность силового теплоизоляционного кольца при сдвиге должна быть не ниже допустимой прочности клеевого соединения, полученной расчетом по величине внешних нагрузок. Между тем, теплопрочность известных адгезивов, имеющих некоторую эластичность, при этих температурах также находится на пределе, хотя адгезионное разрушение клеевого соединения и происходит реже, чем разрыв кольца при разрушении межслоевых связей.
Оценка межслоевой прочности стеклопластикового кольца и прочности клеевых соединений производится в процессе наземных испытаний методом опрессовки при нормальных условиях после изготовления изделия, величина допускаемого избыточного давления во внутренней полости является отбраковочным фактором для обтекателя, но даже выполнение этого условия еще не гарантирует его эксплуатационную надежность, поскольку неопределенным остается запас межслоевой прочности силового стеклопластикового кольца на пределе (уровне) его теплостойкости при одновременном воздействии внешней нагрузки и температуры.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение стабильной прочности конструкции, гарантированной надежности и работоспособности обтекателя с ТЗЭ при длительном высокотемпературном аэродинамическом воздействии в процессе автономной работы в составе ракеты, приводящем к прогреву узла соединения до температур, превышающих допустимые 450-500°С для отечественных стеклопластиков и эластичных адгезивов.
Поставленная задача решается тем, что предложен:
1. Антенный обтекатель, содержащий керамическую оболочку, металлический стыковой шпангоут, силовое теплоизоляционное кольцо и расположенный соосно с ними во внутренней полости оболочки куполообразный радиопрозрачный теплозащитный экран, присоединенный к оболочке, силовому теплоизоляционному кольцу и шпангоуту теплостойким адгезивом, отличающийся тем, что силовое теплоизоляционное кольцо выполнено из прочного керамического материала, а радиопрозрачная часть теплозащитного экрана внешними слоями присоединена к теплоизоляционному кольцу теплостойким адгезивом.
2. Антенный обтекатель по п. 1, отличающийся тем, что силовое теплоизоляционное кольцо изготовлено из керамического материала на основе кварцевого стекла, нитрида и карбида кремния или двуокиси алюминия.
Обеспечение достаточной и стабильной прочности конструкции узла соединения, осуществляющего связь обтекателя с соседним отсеком ракеты, достигается за счет того, что силовое теплоизоляционное кольцо, изготовленное из керамического материала, имея однородную структуру по всей толщине кольца, при воздействии осевой нагрузки, возникающей от внутреннего давления, "работает" на сжатие, а не на межслоевой сдвиг, как это происходит в кольце, изготовленном из стеклопластика. Прочность керамического материала при сжатии в любом направлении достаточно высока, поэтому прочность и надежность конструкции в целом при воздействии осевой нагрузки определяется только прочностью клеевых соединений "керамическая оболочка - теплоизоляционное кольцо" и "теплоизоляционное кольцо - металлический шпангоут". При восприятии внешней поперечной нагрузки важно исключить или значительно ослабить опирание внешней оболочки на передний торец силового теплоизоляционного кольца и вместе с ним на шпангоут. Учитывая, что внешняя оболочка и кольцо могут быть изготовлены из одного материала или из материалов, не значительно отличающихся по ТКЛР, их соединение может быть выполнено с помощью относительно "жесткого" высокотемпературного клея с высокими прочностными свойствами. Для обеспечения устойчивости при воздействии динамических нагрузок предусматривается возможность демпфирования перемещений оболочки при опирании на кольцо за счет деформирования внешнего слоя радиопрозрачной стеклопластиковой части ТЗЭ, склеенной с керамическим теплоизоляционным кольцом.
Изготовление оболочки и силового теплоизоляционного кольца за одно целое с ним не технологично и не целесообразно, потому что керамическая заготовка формуется равнотолщинной по всей высоте оболочки, что приводит к необходимости удалять механической обработкой (шлифование алмазными кругами) большую массу керамического материала, обладающего высокой твердостью.
При значительном теплосиловом воздействии на обтекатель в процессе автономной работы ракеты защита элементов АУ ГСН от нагрева в зоне узла соединения обеспечивается подбором толщин соединяемых элементов.
На чертеже представлено продольное сечение антенного обтекателя с теплозащитным экраном и силовым теплоизоляционным кольцом.
Антенный обтекатель, аналогично прототипу, включает керамическую оболочку 1, металлический стыковой шпангоут 2, керамическое силовое теплоизоляционное кольцо 3 и установленный соосно с ними во внутренней полости оболочки теплозащитный экран (ТЗЭ) 4 куполообразной формы. На выносном элементе А показана радиопрозрачная часть ТЗЭ, состоящая из внешних слоев 5 и 6, изготовленных из термостойкого стеклопластика, и внутреннего слоя 7, изготовленного из высокопористого теплоизоляционного материала на основе стекловолокна. На выносном элементе Б показано, что радиопрозрачная часть ТЗЭ приклеивается внешними слоями к силовому теплоизоляционному кольцу 3 термостойкими адгезивами 8 и 9, после чего экран соединяется с металлическим шпангоутом 2 с помощью термостойкого адгезива 10, образуя "теплозащитный экран с узлом соединения". Затем теплозащитный экран с узлом соединения 4 собирается с керамической оболочкой 1 с помощью термостойкого адгезива 11, что является окончательной конструкцией антенного обтекателя.
Приклеивание внешних слоев 5 и 6 радиопрозрачной части ТЗЭ к силовому теплоизоляционному кольцу, керамической оболочке и шпангоуту обеспечивает прочность консольного закрепления ТЗЭ, подвергающегося воздействию динамических факторов нагружения, а для керамического кольца позволяет снизить концентрацию напряжений на переднем торце кольца при возможном опирании на него внешней керамической оболочки под воздействием поперечной составляющей аэродинамической нагрузки.
Работоспособность конструкции ограничивается теплопрочностью клеевых соединений: в клеевом соединении "керамическая оболочка -теплоизоляционное кольцо" может быть использован "жесткий" термостойкий клей с теплостойкостью 500-1000°С или аналогичный теплостойкий герметик, а в соединении "теплоизоляционное кольцо - металлический шпангоут" эластичный герметик с теплостойкостью до 450-500°С.
Достигнутым результатом использования изобретения является создание работоспособной конструкции антенного обтекателя, обеспечивающей гарантированную надежность при всех условиях эксплуатации, в том числе в условиях повышенного нестационарного аэродинамического воздействия общей длительностью не менее 10 минут, когда нагрев внутренних элементов непрерывный, от исходной температуры до предельной в клеевых соединениях.