Обтекатель
FAIRING

Изобретение относится к области авиационной и ракетной техники и преимущественно может быть использовано при изготовлении антенных обтекателей высокоскоростных ракет.
Известны конструкции керамических обтекателей и узлы крепления керамической оболочки с переходными элементами к корпусу ракеты. Переходные металлические элементы (шпангоуты, переходники), в основном, выполняются из инварных сплавов для обеспечения снижения распора керамической оболочки при эксплуатационном прогреве конструкции. При этом адгезионная связь металлического элемента (шпангоута) обтекателя с керамической оболочкой осуществляется эластичным адгезивом холодного отверждения (патент РФ № 2270221, МПК С09J/06, опубл. 20.02.2006).
В случае применения для переходных металлических элементов материалов существенно отличающихся по температурному коэффициенту линейного расширения (ТКЛР), возникает вопрос о возможности использования эластичного адгезива (компаунда, упругого резиноподобного соединительного элемента) для термокомпенсации сдвиговых и распорных усилий в керамической оболочке при тепловых воздействиях (кратковременных эксплуатационных и длительных - термоциклических) с сохранением необходимой работоспособности и надежности соединения.
Известна конструкция антенного обтекателя по патенту РФ №2090956 МПКН01Q1/42, опубл. 20.09.1997, в которой соединение переходного шпангоута из инвара с керамической оболочкой выполнено с помощью беспористого слоя герметика, а со стыковым шпангоутом радиально установленными штифтами.
Недостатком этой конструкции является:
- при беспористости крепящего слоя герметика и больших площадях склеиваемых поверхностей практически исключается его термокомпенсационная способность в радиальном направлении и не снижается тепловой распор керамической оболочки переходным шпангоутом;
- прогрев переходного шпангоута до 200-300ºС приводит к снижению несущей способности обтекателя или его разрушению;
- выполнение шпангоута составным из переходного и стыкового шпангоутов снижает технологичность его изготовления, а также снижает надежность герметизации обтекателя.
7
Известна конструкция обтекателя по патенту РФ №2168815, МПК  H01Q 1/42, 2000, состоящая из керамического колпака (оболочки) и металлического шпангоута (переходника), соединенных между собой слоем эластичного термостойкого адгезива (высокоэластичного клея – герметика). В этой конструкции в расширяющуюся полость, образованную в носовой части шпангоута, введена эластичная (клеевая) обечайка, а к шпангоуту подсоединен или выполнен за одно целое с ним аккумулятор тепла.
Недостатком является отсутствие опоры торца керамической оболочки - компенсатора осевых перемещений торца оболочки в зоне сжатия от осевых и несимметричных силовых воздействий на обтекатель и термокомпенсирующего элемента для снижения окружных напряжений в торцевой части керамической оболочки от температурного распора оболочки от расширения шпангоута, что приводит к снижению несущей способности керамической оболочки обтекателя.
Наиболее близкое конструктивное решение «Обтекатель» по патенту РФ №2225664 H01Q1/42 от 22.04.2002, в котором керамическая оболочка с увеличенной толщиной стенки в области клеевого соединения с инварным (металлическим) переходником связаны с помощью высокоэластичного клея – герметика (эластичного адгезива), примененного в качестве конструкционного клея. В хвостовой части керамической оболочки между смежными участками поверхностей соединяемых элементов введена эластичная обечайка в виде утолщенного слоя эластичного адгезива. Хвостовая часть переходника, выступающая за торец керамической, выполнена с крепящим буртом (фланцем, кольцеобразным элементом) на наружной поверхности переходника. Соотношение толщин переходника и керамической оболочки в области их склейки назначается в диапазоне от 0,1 до 0,3 в зависимости от заданных режимов теплосилового воздействия. Толщина клеевого шва (слоя адгезива) выбирается из условий обеспечения оптимальной прочности клеевого соединения и рационального диапазона допусков на геометрические размеры обводов склеиваемых поверхностей элементов соединения. Этот диапазон назначается из опыта производства обтекателей для ракет разных классов и при использовании для керамических оболочек различных неорганических материалов, а также экспериментальных исследований на образцах, моделях, макетах и опытных образцах изделий при их стендовых исследовательских испытаниях.
Отсутствие опоры торца керамической оболочки обтекателя на поверхности, смежных с ней элементов, снижает несущую способность и надежность конструкции обтекателя.
При снижении требований к несущей способности керамического элемента и умеренных тепловых воздействий или снижении их длительности возникают вопросы о возможности упрощения конструкции.
Задачей настоящего изобретения является создание работоспособной и надежной конструкции антенного обтекателя, устойчивой к разноплановому аэродинамическому воздействию на граничных траекториях, за счет рационального выбора конструктивных параметров элементов узла.
Выполнение указанной задачи достигается тем, что предложен обтекатель, включающий керамическую оболочку, соединенную внутренней поверхностью эластичным адгезивом с металлическим переходником, отличающийся тем, что к торцу переходника присоединен жестко или выполнен с ним за одно целое стыковой кольцеобразный элемент, наружная поверхность которого выполнена заподлицо с наружной поверхностью оболочки у ее торца, а внутренняя выполнена заподлицо с внутренней поверхностью переходника или смещена внутрь обтекателя на заданную величину, в полость в торцевой части оболочки, образованную смежными поверхностями оболочки и переходника введена эластичная обечайка, толщина оболочки в зоне соединения с переходником превышает ее толщину в радиопрозрачной зоне обтекателя, при этом длина соединения оболочки с переходником соизмерима с расчетной при максимальном силовом воздействии на обтекатель или превышает расчетную в 1,5-2,0 раза, а между торцами оболочки и стыкового элемента введен равнотолщинный дистанционный слой из адгезива типа «Виксинт» или адгезива с волокнистым наполнителем типа Т-10 или ТС 8/3-К-ТО с толщиной, соизмеримой или превышающей не более чем в 1,5 раза среднюю величину оптимального диапазона толщины силового крепящего слоя эластичного адгезива в области соединения оболочки с переходником, радиальная жесткость переходника составляет 0,5-2,0 от радиальной жесткости оболочки в области их соединения, кроме того средняя часть переходника выполнена сплошной или с продольными сквозными прорезями, при этом толщина его носовой части соизмерима или превышает, или снижена по сравнению со средней частью.
На фигуре изображено сечение области соединения керамической оболочки с металлическим переходником эластичным адгезивом.
Керамическая оболочка 1 соединена внутренней поверхностью с металлическим переходником 2 эластичным адгезивом 3. К торцу переходника присоединен или выполнен за одно целое с ним стыковой кольцеобразный элемент 4. Между торцами оболочки и стыкового элемента введен равнотолщинный дистанционный слой 5 из эластичного адгезива или эластичного адгезива с волокнистым наполнителем. В торцевой области керамической оболочки введена эластичная обечайка 6 из адгезива. К внутренней поверхности стыкового кольцеобразного элемента присоединен или выполнен заодно целое с ним аккумулятор тепла 7. К внутренней поверхности оболочки 1 вне ее радиопрозрачной зоны присоединен или выполнен заодно с оболочкой теплоизолирующий и усилительный элемент 8. Для крепления обтекателя с корпусом ракеты предусмотрены шпильки 9.
В средней части переходника введены продольные прорези 10 от эластичной обечайки 6 до сплошной части переходника 2. К носовой сплошной части переходника 2, жестко присоединен или выполнен за одно целое усилительный элемент 11.
Присоединение к хвостовому торцу переходника 2 стыкового кольцеобразного элемента 4 из материала переходника или выполнение его за одно целое с ним повышает технологичность изготовления шпангоута и его сборки с керамической оболочкой 1. Выполнение толщины стыкового кольцеобразного элемента 4 в радиальном направлении из условия допустимого уровня распора торцевой части оболочки при его прогреве по времени с учетом изменения температурного коэффициента линейного расширения (ТКЛР) материала стыкового элемента 4, то есть из условия:
Э
к
к
э
ΔТ ≤ k [σ]/ Еα, где:
э
ΔТ - средние расчетные значения температуры стыкового кольцеобразного элемента;
k – коэффициент, учитывающий влияние силовых воздействий;
к
[σ] - допустимое значение предела прочности материала керамической оболочки при растяжении;
к
Е – модуль упругости материала керамической оболочки;
э
α – температурный коэффициент линейного расширения материала шпангоута, соответствующий средним расчетным значениям температуры стыкового кольцеобразного элемента, обеспечивает заданные требования по работоспособности и надежности конструкции.
Снижение средней температуры стыкового элемента 4 за счет аккумуляции тепла в нем обеспечивает требуемую работоспособность обтекателя при коротких режимах полета с высокой силовой нагрузкой обтекателя и умеренной в конце полета.
Длину клеевого соединения керамической оболочки с переходником 2 выбирают соизмеримой с расчетной при максимальном силовом воздействии на обтекатель или превышающей расчетную в 1,5-2,0 раза с учетом задаваемых ограничений (весовых и габаритных). Увеличение длины склейки сверх необходимых (расчетных) позволяет использовать эффект каркасности для увеличения несущей способности, виброустойчивости и надежности конструкции обтекателя.
Введение между торцами оболочки и стыкового элемента равнотолщинного дистанционного слоя из адгезива или адгезива с волокнистым наполнителем с толщиной, соизмеримой или превышающей не более чем в 1,5 раза (с учетом допустимого уровня выдавливаемости адгезива) среднюю величину оптимального диапазона толщины силового крепящего слоя адгезива обеспечивает надежную работоспособность конструкции обтекателя.
Радиальная жесткость переходника 2 от радиальной жесткости области оболочки 1, примыкающей к переходнику 2 выбирается в диапазоне от 0,5 до 2,0 в зависимости от уровня и длительности тепловых воздействий и уровня силовых воздействий при нормальных и повышенных температур в клеевом шве. Оптимизация проводится расчетным путем с экспериментальной проверкой надежности прогнозов.
Для расширения температурного диапазона эксплуатации обтекателя и длительности теплового воздействия в области соединения в торцевой области керамической оболочки в полости между соединяемыми элементами введена эластичная обечайка 6. Так же для снижения приведенной жесткости переходника от эластичной обечайки 6 введены осевые сквозные прорези 10 от обечайки 6 до сплошной носовой части переходника 2.
Усилительный элемент 11 сплошной носовой части переходника 2 обеспечивает увеличение стойкости сплошной части при увеличении прогрева адгезива 3 и силовой нагрузки на обтекатель.
Эффективность применения предлагаемого сочетания факторов апробировано на разрабатываемых и внедренных в производство обтекателей класса «поверхность-воздух». Отработаны приемы проектирования подобных конструкций с заданной надежностью.