Антенный обтекатель
ANTENNA DOME

Изобретение относится к области авиационно-ракетной техники, преимущественно к конструкциям носовых радиопрозрачных обтекателей с оболочками, изготавливаемыми из жаропрочных неорганических (керамических) диэлектрических материалов, являющихся укрытием от аэродинамического воздействия антенных устройств головок самонаведения (АУ ГСН).
К числу технических проблем, связанных с обеспечением заданных радиотехнических характеристик (РТХ) систем самонаведения в условиях длительных и высокоскоростных полетов современных ракет, относятся:
- длительное аэродинамическое воздействие на обтекатель в полете ракеты приводит к повышенному нагреву внутренней полости оболочки и АУ ГСН за счет радиационного излучения от сильно нагретой внутренней поверхности керамической оболочки;
- радиационный нагрев зеркала антенны и близость волноводного тракта к нагретой оболочке диктуют необходимость в установке экранирующих элементов во внутренней полости обтекателя для защиты АУ ГСН.
Чтобы обеспечить нормальное функционирование АУ ГСН в радиопрозрачной зоне и в зоне размещения волноводного тракта, во внутренней полости обтекателя устанавливается радиопрозрачный теплозащитный экран, снижающий радиационный нагрев антенной системы от нагретой внутренней поверхности керамической оболочки. Такой экран изготавливается из термостойких стеклопластиков или неорганических (керамических) материалов, обладающих низкой теплопроводностью и хорошими диэлектрическими характеристиками, минимизирующими потери излучаемой антенной электромагнитной энергии. Одновременно в нерадиопрозрачной зоне узла соединения экран может выполнять роль промежуточного силового элемента, снижающего нагрев металлического шпангоута и передающего на него внешнюю силовую нагрузку, воспринимаемую керамической оболочкой.
Известна конструкция ракетного антенного обтекателя по патенту США №5691736, кл. H01Q 1/42, 1997, состоящая из установленных соосно внешней керамической оболочки, внутренней оболочки, выполняющей функцию теплозащитного экрана, и металлического стыкового шпангоута. Теплозащитный экран куполообразной формы выполнен из легкого высокопористого керамического материала и присоединен к керамической оболочке, которая, в свою очередь, соединена со шпангоутом термостойким адгезивом. При этом между керамической оболочкой и внутренней оболочкой образован воздушный зазор, а металлический шпангоут защищен от внешнего нагрева теплозащитным покрытием в виде дополнительной оболочки.
Недостатком такой конструкции является то, что внутренняя однослойная радиопрозрачная оболочка экрана не обеспечивает защиты зеркала антенного устройства щелевого типа с покрытием, имеющим невысокую теплостойкость, а дополнительная оболочка, защищающая металлический шпангоут узла соединения с соседним отсеком ракеты, не защищает от недопустимого прогрева элементы волноводного тракта АУ ГСН.
Наиболее близким конструктивно-технологическим решением является антенный обтекатель по патенту РФ №2536360, кл. H01Q 1/42, 2014, выбранный в качестве прототипа.
Обтекатель включает керамическую оболочку, металлический стыковой шпангоут и расположенный соосно с ними во внутренней полости оболочки куполообразный радиопрозрачный теплозащитный экран, выполненный трехслойным в радиопрозрачной части, а в зоне узла соединения представляет теплоизоляционное силовое кольцо, соединенное с оболочкой и металлическим шпангоутом термостойким адгезивом.
Основным недостатком обтекателя является то, что в такой конструкции максимально допустимый нагрев элементов АУ ГСН ограничивается применением для внешних слоев экрана стеклопластиков с открытой пористостью не более 15-20%, имеющих относительно высокую теплопроводность и низкую теплоемкость, что ограничивает допустимый нагрев экрана и, в целом, нагрев обтекателя. Увеличение аэродинамического воздействия на обтекатель приводит к значительному нагреву керамической оболочки и экрана и соответственно к недопустимому нагреву элементов АУ ГСН.
Стеклопластики с пористостью 25-50% позволяют благодаря их пониженной теплопроводности и повышенной теплоемкости максимально возможно снизить нагрев радиопрозрачной стенки экрана и соответственно антенного устройства. Однако в процессе хранения и эксплуатации обтекателя в условиях внешней среды происходит значительное влагонасыщение пористого экрана, приводящее к изменению его диэлектрических параметров и снижению полученных при изготовлении радиотехнических характеристик АУ ГСН. В процессе автономной работы обтекателя в полете ракеты быстрого удаления влаги и восстановления РТХ, полученных при изготовлении и настройке, не происходит, что приводит к искажению работы системы самонаведения, особенно в обтекателях с широким диапазоном рабочих частот.
Кроме того, экспериментально установлено, что при хранении обтекателей в обычных условиях экраны с высокой пористостью, не защищенные от воздействия внешней среды, подвержены образованию плесневых грибов на внешних слоях, что также приводит к нарушению работы антенной системы самонаведения ракеты.
В автономном полете ракеты в закрытой внутренней полости обтекателя, образованной экраном и внутренней поверхностью оболочки (над экраном), происходит увеличение давления за счет нагрева воздуха и испарения влаги, что может привести к потере устойчивости экрана и даже к катастрофическому разрушению обтекателя.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение работоспособности антенного обтекателя в широком диапазоне рабочих частот при длительном воздействии высокотемпературного нагрева на обтекатель с радиопрозрачным экраном для защиты от нагрева элементов АУ ГСН.
Поставленная задача решается тем, что предложен:
1. Антенный обтекатель, содержащий керамическую оболочку, металлический стыковой шпангоут и расположенный соосно во внутренней полости оболочки куполообразный радиопрозрачный теплозащитный экран, выполненный трехслойным, в котором внешние слои выполнены из термостойкого стеклопластика, а внутренний слой из теплостойкого высокопористого материала, присоединенный к оболочке и шпангоуту через теплоизоляционное кольцо термостойким адгезивом, отличающийся тем, что внешние слои экрана изготовлены из термостойкого стеклопластика с пористостью 25-50% и на внутреннюю поверхность экрана нанесено термостойкое влагозащитное покрытие с коэффициентом излучения ε≤0,4, а в вершине купола экрана установлена втулка из термостойкого диэлектрического материала.
2. Антенный обтекатель по п. 1, отличающийся тем, что внешние слои теплозащитного экрана выполнены из стеклопластика на основе хромалюмофосфатного, полиимидного или кремнийорганического связующих.
3. Антенный обтекатель по п. 1, отличающийся тем, что термостойкое влагозащитное покрытие внутренней поверхности экрана выполнено кремнийорганической или фторопластовой эмалью в композиции с кремнийорганической шпатлевкой.
4. Антенный обтекатель по п. 1, отличающийся тем, что втулка выполнена из термостойкого стеклопластика или теплостойкого материала на основе кремнийорганических соединений.
На чертеже представлено продольное сечение антенного обтекателя.
Антенный обтекатель включает керамическую оболочку 1, металлический стыковой шпангоут 2 и радиопрозрачный теплозащитный экран 3 куполообразной формы, состоящий в радиопрозрачной зоне из трех слоев - внешних 4 и 5, выполненных из термостойкого стеклопластика, и внутреннего 6, выполненного из теплостойкого материала (типа войлока или ваты) на основе стеклянного или кремнеземного волокон. В нерадиопрозрачной зоне (зона узла соединения) теплозащитный экран через теплоизоляционное кольцо 7 соосно соединен термостойким адгезивом с оболочкой и шпангоутом.
С целью снижения теплопроводности радиопрозрачной стенки экрана и уменьшения нагрева зеркала антенны и элементов волноводного тракта АУ ГСН, внешние слои экрана выполнены из стеклопластика с повышенной пористостью (до 50%), но такой экран требует защиты от влагонасыщения, приводящего к изменению его диэлектрических параметров, снижению грибостойкости, изменению электрической толщины и, в целом, к снижению РТХ обтекателя. Чтобы этого избежать, на поверхность слоя 5, обращенную к антенному устройству, до уровня переднего торца шпангоута 2 нанесено влагозащитное покрытие 8 кремнийорганической или фторопластовой эмалью, например КО-5189 или КО-5105, в композиции с кремнийорганической шпатлевкой КО-0035, втираемой в поры внутреннего слоя. Кроме того, поскольку воздух в полости обтекателя, расположенной над экраном, нагревается раньше и давление в ней возрастает быстрее, чем в полости, расположенной под экраном, разница давлений в полостях может привести к потере устойчивости радиопрозрачной части экрана. С целью выравнивания давления в полостях, в вершине купола экрана установлена втулка 9, изготавливаемая из термостойкого диэлектрического материала, например из материала внешних слоев или из материала на основе кремнийорганических соединений, и через отверстие 10 осуществляется вывод газов из верхней полости.
Выбор коэффициента излучения  термостойкого влагозащитного покрытия обусловлен интенсивностью нагрева внутренней поверхности экрана: чем выше температура внутренней поверхности, тем ниже должен быть коэффициент излучения, который зависит от цвета термостойкой эмали; при этом предпочтительно применение эмали белого цвета с различными оттенками.
На внешний слой 6 экрана, находящийся в полости, защищенной от воздействия внешней среды, влагозащитное покрытие может не наноситься.
Достигнутым результатом применения изобретения является то, что нанесение термостойкого влагозащитного покрытия на внутреннюю поверхность теплозащитного экрана позволяет обеспечить сохранность полученных при изготовлении обтекателя РТХ при длительном хранении и наземной эксплуатации, а также максимально допустимый нагрев системы наведения в процессе автономной работы обтекателя при аэродинамическом воздействии в полете ракеты длительностью до 10-15 минут.