АНТЕННЫЙ ОБТЕКАТЕЛЬ
ANTENNA DOME

Изобретение относится к области авиационно-ракетной техники, преимущественно к конструкциям радиопрозрачных обтекателей летательных аппаратов, и может быть использовано при разработке керамических головных обтекателей высокоскоростных ракет.
Основная проблема создания надежного соединения хрупкой керамической оболочки с металлическим стыковым шпангоутом при высоких температурах обусловлена значительной разницей их тепловых расширений в процессе нагрева шпангоута свыше 320-350°C.
С ростом скоростей ракет и, соответственно, теплового воздействия на головные радиопрозрачные обтекатели с оболочками, изготавливаемыми в настоящее время, в основном, из ситаллов и кварцевой керамики с ее модификациями, процессы аблирования наружной поверхности оболочки приводят к эрозионному уносу материала и изменению электрической толщины стенки оболочки, а также к снижению прочности конструкции. Изменение электрической толщины стенки оболочки вызывает искажение радиотехнических характеристик и возрастание промаха ракеты.
Поэтому для обтекателей высокоскоростных ракет все чаще предлагаются керамические материалы, не подверженные тепловой эрозии, например, нитридкремниевая и алюмооксидная керамики.
Однако эти материалы, обладающие высокой термостойкостью (до 2000-2500°C), эрозионной стойкостью и высокой прочностью, имеют повышенную теплопроводность, что приводит к значительному нагреву металлического стыкового шпангоута. Например, при непосредственном клеевом соединении оболочки и шпангоута в обтекателях ракет классов "воздух-воздух" и "воздух-поверхность" предварительный нагрев конструкции в полете под носителем может достигать 150-300°C еще до пуска ракеты.
После пуска, в автономном режиме, металлический стыковой шпангоут и клеевой шов могут прогреваться до температур 750-800°C. Такой, даже кратковременный, нагрев соединения приводит к разрушению оболочки, вследствие теплового расширения шпангоута в радиальном направлении, и полной деструкции эластичных адгезивов, термостойкость которых не превышает 300°C (например, герметика У-2-28).
Изготовление оболочек из нитридкремниевой и алюмооксидной керамик, имеющих повышенные, по сравнению с кварцевой керамикой, ТКЛР и теплопрочность, позволяет использовать для шпангоута некоторые инварные сплавы также с исходно более высокими ТКЛР (например, сплав 29НК), допускающими возможность нагрева шпангоута до температур 450-500°C. Но и в этом случае невозможным становится использование термостойких эластичных адгезивов при непосредственном соединении оболочки и шпангоута.
Известен ряд технических решений для конструкций антенных обтекателей, включающих керамическую оболочку и металлический шпангоут, в которых работоспособность обеспечивается установкой между оболочкой и шпангоутом термокомпенсаторов или теплозащитных элементов, позволяющих исключить непосредственный контакт оболочки со шпангоутом и снизить температуру нагрева шпангоута и клеевого соединения.
Известна конструкция головного антенного обтекателя ракеты по патенту РФ №2189672, МПК7 H01Q 1/42, 2001, состоящая из керамической оболочки и металлического шпангоута и дополнительной оболочки, изготовленной из композиционного материала, согласованного по ТКЛР с керамической оболочкой, установленной с зазором между керамической оболочкой и металлическим шпангоутом и соединенной с ними на одном конце эластичным адгезивом. Кроме этого, в конструкции обтекателя имеются эластичные компенсирующие элементы.
Основным ограничением в применении такой конструкции является недостаточная на современном уровне термопрочность существующих эластичных компенсирующих элементов, невозможность использования жестких адгезивов, обладающих высокой термостойкостью, и усложненность конструкции.
Известна также конструкция головного обтекателя ракеты по патенту РФ №2168815, МПК7 H01Q 1/42, 2000, включающая эластичную обечайку, введенную в расширяющуюся полость между оболочкой и носовой частью шпангоута, а в качестве адгезива - эластичный герметик на основе полисилоксана. К шпангоуту подсоединен или выполнен за одно целое с ним аккумулятор тепла.
Ограничение работоспособности такой конструкции для обтекателя с оболочкой, материал которой обладает повышенной теплопроводностью, обусловлено также невысокой термопрочностью эластичных элементов узла соединения, невозможностью использования жестких термостойких адгезивов и узким температурным интервалом совместимости ТКЛР материалов оболочки и шпангоута.
Наиболее близким устройством по совокупности признаков, выбранным в качестве прототипа, является антенный обтекатель по патенту США №4520364, МПК6 H01Q 1/28, 1/42, 1985, включающий радиопрозрачную керамическую оболочку, переходную секцию с изолирующей прокладкой, изготовленную из композиционного материала на полиимидном связующем и выполняющую роль теплозащитного слоя, металлический стыковой шпангоут и элементы их соединения. Керамическая оболочка соединяется с переходной секцией и стыковым шпангоутом по коническим сопрягаемым поверхностям термостойким клеем и с помощью стандартных крепежных элементов. Введение в конструкцию обтекателя переходной секции с изолирующей прокладкой позволяет снизить температуру металлического шпангоута до приемлемых значений.
Причинами, ограничивающими применение данного изобретения, являются:
- в условиях значительного теплосилового нагружения обтекателя и прогрева оболочки, обладающей повышенной теплопроводностью, клеевой слой в соединении "керамическая оболочка - переходная секция" и сам теплозащитный слой могут деструктировать, если температура нагрева превысит пределы термостойкости адгезива и связующего композиционного материала переходной секции, что не позволит обеспечить передачу внешней нагрузки на металлический стыковой шпангоут;
- отсутствие контакта по всей поверхности теплозащитного слоя и стыкового шпангоута не позволяет использовать для поджатия переходной секции увеличение размеров шпангоута в радиальном направлении в процессе нагрева.
Тепловые расчеты и практика разработки обтекателей показывают, что включение в конструкцию теплозащитного слоя, изготавливаемого из материала с низкой теплопроводностью, с целью снижения температуры в металлическом шпангоуте, приводит к повышенному нагреву клеевого соединения "керамическая оболочка-теплозащитный слой". Этот отрицательный эффект тем значительнее, чем меньше теплопроводность материала теплозащитного слоя и чем выше теплопроводность керамики, что особенно характерно для обтекателей с оболочками из нитридных и алюмооксидных керамик, обладающих высокой теплопроводностью.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение работоспособности антенного обтекателя в условиях повышенного теплосилового нагружения за счет снижения температуры нагрева стыкового шпангоута и использования термостойких адгезивов, обладающих повышенными жесткостными характеристиками.
Поставленная задача решается тем, что предложен:
1. Антенный обтекатель, содержащий керамическую оболочку, металлический стыковой шпангоут и расположенный между ними теплоизоляционный слой, соединенный термостойким клеем с оболочкой и шпангоутом, отличающийся тем, что теплоизоляционный слой образован не менее чем двумя секторами, выполненными из термостойкого стеклопластика, при этом керамическая оболочка в зоне соединения с теплоизоляционным слоем выполнена с кольцевой проточкой, а сектора с ответным кольцевым выступом.
2. Антенный обтекатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве термостойкого стеклопластика выбран стеклопластик на основе полиимидного связующего.
3. Антенный обтекатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве термостойкого стеклопластика выбран стеклопластик на основе алюмохромфосфатного связующего.
4. Антенный обтекатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве термостойкого стеклопластика выбран стеклопластик на основе фенолформальдегидного связующего.
В условиях полета под носителем при прогреве всей конструкции до 150-300°C и относительной совместимости ТКЛР материалов оболочки, теплоизоляционного слоя и шпангоута, значительных растягивающих напряжений в керамической оболочке от распора шпангоутом не возникает, а термостойкий адгезив в соединениях еще не претерпевает необратимых структурных изменений и деформаций, поскольку внешние нагрузки и температура нагрева соединяемых деталей незначительны.
При охлаждении до температуры окружающей среды система практически приходит в исходное состояние.
При пуске ракеты после предварительного прогрева до температур 150-300°C, в соединении "оболочка - теплоизоляционный слой" дополнительный нагрев в автономном режиме приводит к значительному увеличению температуры клея и внешних слоев теплоизоляционного слоя, но увеличения температуры металлического шпангоута и адгезива в соединении "теплоизоляционный слой - шпангоут" в течение короткого времени автономного режима не происходит, т.к. значительная часть тепла идет на нагрев оболочки и теплоизоляционного слоя.
При значительных прогревах клеевого соединения, в особенности в кольцевой проточке, и даже в случае полной деструкции адгезива передача нагрузки на шпангоут продолжается с помощью кольцевого выступа, образованного секторами, уложенными в кольцевой проточке керамической оболочки. При этом уплотнение соединения осуществляется за счет поджатия секторов при тепловом расширении шпангоута.
и
В оболочках, изготовленных из нитридной и алюмооксидной керамик, обладающих значительной прочностью (σ=200-400 МПа), концентрацию напряжений в кольцевой проточке можно не учитывать или свести к минимальному значению подбором конструктивных элеменов (радиусы, углы наклона) кольцевой проточки.
Работоспособность конструкции узла соединения обеспечивается до тех пор, пока сохраняется прочность клеевого соединения "теплоизоляционный слой - шпангоут", а окружные растягивающие напряжения, возникающие в оболочке от распора шпангоутом через теплоизоляционный слой, не превышают допустимых.
На фигуре представлено продольное сечение антенного обтекателя в зоне узла соединения.
Антенный обтекатель включает керамическую оболочку 1, металлический стыковой шпангоут 2 и теплоизоляционный слой 3, соединенный термостойким клеем 4 с оболочкой и шпангоутом; при этом теплоизоляционный слой образован не менее чем двумя секторами 5, разделенными между собой зазором, заполненным термостойким клеем 4. В керамической оболочке по внутренней поверхности выполнена кольцевая проточка, а на внешней поверхности секторов 5, образующих теплоизоляционный слой 3, выполнен кольцевой выступ, повторяющий конфигурацию кольцевой проточки в оболочке. Сектора кольцевыми выступами укладываются в кольцевой проточке оболочки, образуя клее-механическое соединение теплозащитного слоя с оболочкой.
Теплопрочностные расчеты и эксперименты показывают, что применение для ракет классов "воздух - воздух" и "воздух - поверхность" конструкции предлагаемого обтекателя, включающего теплоизоляционный слой, образованный из отдельных кольцевых секторов, изготовленных из термостойких стеклопластиков с фенольными, полиимидными, алюмофосфатными и другими теплостойкими связующими с низкой теплопроводностью, позволит обеспечить работоспособность при прогреве верхнего клеевого слоя до 800-850°C и выше, а нижнего - до 500-550°C (ограничение обусловлено резким подъемом ТКЛР применяемых в настоящее время конструкционных инварных материалов для шпангоутов при нагреве выше этих температур). При этом такая конструкция обтекателя может быть реализована не только с оболочками, материал которых обладает высокой прочностью (нитридная и алюмооксидная керамики), но также и с оболочками, имеющими относительно невысокие прочностные характеристики материалов (кварцевая керамика и ее модификации, ситаллы и др.)