Широкополосный антенный обтекатель
BROADBAND AERIAL FAIRING

Изобретение относится к области авиационной и ракетной техники и преимущественно может быть использовано при изготовлении антенных обтекателей высокоскоростных ракет класса «воздух-поверхность».
Известен антенный радиопрозрачный обтекатель, содержащий многослойную конусообразную оболочку из диэлектрического материала, металлический эрозионностойкий наконечник, стыковочное кольцо для крепления к летательному аппарату по патенту РФ №2186444, МПК 7 H01Q 1/42, публ. 27.07.2002 г.
Недостатком такого обтекателя являются большие пеленгационные ошибки, вносимые обтекателем в определение положения цели, так как металлический наконечник вносит в раскрыв антенны затенения, значительно изменяющие фазовое и амплитудное распределения поля, что приводит к возникновению пеленгационных ошибок.
Другим аналогом по совокупности признаков является обтекатель, рассматриваемый в патенте РФ №2090958, МПК H01Q 1/42, публ. 20.09.1997 г. Данный радиопрозрачный обтекатель включает оболочку в виде колпака из стеклотекстолита, эрозионностойкий наконечник из диэлектрического материала на основе волокнистого кремнеземного наполнителя и кремнийорганического связующего. Эрозионностойкий наконечник соединен с колпаком клеем, а также двумя металлическими шпильками. Недостатком этой конструкции является влияние металлических шпилек на проходящее электромагнитное поле, и как следствие, ухудшение радиотехнических характеристик (РТХ) обтекателя.
Наиболее близким по совокупности признаков, выбранным в качестве прототипа, является радиопрозрачный обтекатель по патенту RU 2 433 512, МПК H01Q 1/42, публ. 10.11.2011 г. Обтекатель включает однослойную конусообразную оболочку из упрочненного стеклопластика и носок из диэлектрического пресс-материла, связанные клеевым соединением, металлическое кольцо, жестко скрепленное с конусообразной оболочкой, в зоне стыка конусообразной оболочки и носка изнутри установлен промежуточный конусообразный элемент, выполненный из диэлектрического материала и склеенный по соприкасающимся поверхностям с оболочкой и носком термостойким адгезивом на эпоксикремнийорганической основе и нанесенным на внутреннюю и наружную поверхности оболочки лакокрасочным покрытием
К недостаткам данной конструкции обтекателя относятся неоптимизированные толщины узла соединения оболочки с носком и самой оболочки. Это обстоятельство не позволяет обеспечить необходимые параметры РТХ в широкополосном диапазоне, что заметно сужает область применения данного обтекателя.
Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение заданных РТХ в широкополосном диапазоне, повышение несущей способности и улучшение герметичности обтекателя при повышенных тепловых и силовых нагрузках.
Такой технический эффект достигается следующим комплексом технических признаков изобретения, которые характеризуют конструкцию антенного обтекателя.
Предложен широкополосный антенный обтекатель, включающий однослойную конусообразную оболочку, носок и промежуточный конусообразный элемент, расположенный изнутри в зоне стыка конусообразной оболочки и носка, выполненные из диэлектрических материалов и соединенные между собой, с нанесенным на внутреннюю и наружную поверхности обтекателя лакокрасочным покрытием, металлическое кольцо, жестко скрепленное с конусообразной оболочкой, отличающийся тем, что оболочка выполнена из стеклопластика на основе кварцевой ткани и фенолформальдегидного связующего, в поровое пространство которого введен кремнийорганический продукт МФСС-8, на расстоянии равном не менее 0,4 длины обтекателя от вершины носка, толщина стенки оболочки составляет не более 2,0 мм и плавно увеличивается к ее торцу не более чем в 5 раз, на наружную поверхность оболочки нанесена термостойкая шпатлевка на кремнийорганической основе, оболочка, носок и промежуточный конусообразный элемент соединены радиопрозрачным термостойким адгезивом холодного отверждения с порошковым неорганическим наполнителем или горячего отверждения с наполнителем, аналогичным материалу оболочки, крепление оболочки с металлическим кольцом выполнено клеемеханическим соединением посредством крепежных элементов, установленных с внутренней стороны кольца в глухие отверстия в оболочке, и эластичным термостойким адгезивом холодного отверждения, на внутреннюю поверхность металлического кольца нанесен слой эластичного герметизирующего материала, выходящий за пределы кольца в зону лакокрасочного покрытия оболочки не более, чем на 20 мм.
На фиг. 1 и фиг. 2 приведено изображение антенного обтекателя, включающего однослойную конусообразную оболочку 1, выполненную из стеклопластика на основе кварцевой ткани и фенолформальдегидного связующего, соединенную с носком 3 с помощью промежуточного конусообразного элемента 4, установленного изнутри оболочки и выполненного из диэлектрического материала. Оболочка, носок и промежуточный конусообразный элемент соединены с помощью радиопрозрачного термостойкого адгезива холодного отверждения с порошковым неорганическим наполнителем или горячего отверждения с наполнителем, аналогичным материалу оболочки.
На фиг. 3 изображено металлическое кольцо 2, жестко скрепленное с конусообразной оболочкой 1 с помощью двух рядов винтов 5 и эластичного адгезива 6.
Рассматриваемая конструкция отличается от предыдущих, прежде всего улучшенными радиотехническими характеристиками и обеспечением их в нескольких смежных диапазонах (сверхширокополосность). Это достигается уменьшением толщины конструктивных элементов в носовой части обтекателя с приданием им оптимизированной формы.
В этом элементе конструкции предлагается два варианта его исполнения.
В первом варианте исполнения промежуточный элемент 4 соединяет термостойким адгезивом холодного отверждения оболочку 1 и носок 3. В силу обеспечения требований по широкополосности, конструктивные элементы имеют минимальные толщины порядка 1,5-2 мм, а значит температурные и силовые нагрузки, действующие на узел соединения очень велики. Главной задачей при проектировании соединения является поиск высокотемпературного адгезива с хорошей диэлектрической проницаемостью. Одним из решений, удовлетворяющих требованиям, являются адгезивы на основе кремнийорганических соединений, которые обладают приемлемыми диэлектрическими свойствами и выдерживают высокие температуры. Был опробован ряд адгезивов холодного отверждения на кремнийорганической основе. Например, адгезивы типа К-400 позволили добиться работоспособности конструкции при температуре 400°С. Дальнейшие поиски привели к испытаниям узла с применением адгезивов типа ВК-58 и эти термостойкие адгезивы холодного отверждения обеспечили соединение носка и оболочки длительно при температурах от -60°С до +250°С и при 500°С кратковременно.
В другом варианте исполнения был применен адгезив горячего отверждения с неорганическим наполнителем аналогичным материалу оболочки (кварцевая стеклоткань). Выбор адгезива был произведен из условий максимально эффективной совместной работы промежуточного элемента и оболочки. Было опробовано и использовано фенолформальдегидное связующее, применяемое для пропитки оболочки. Полимеризация адгезива проводилась после сборки носка, оболочки и промежуточного элемента совместно с оболочкой, что придало соединению прочность основной конструкции.
Следующим важным элементом рассматриваемой конструкции является оболочка, которая должна обеспечивать радиотехнические характеристики в широком диапазоне частот. Для выполнения этих требований в качестве материала оболочки был применен стеклопластик на основе кварцевой ткани, у которого достаточно высокие показатели коэффициента прохождения для электромагнитных волн. В связи с необходимостью реализации проницаемости оболочки в широкополосном диапазоне, она была выполнена с разнотолщинной стенкой. На расстоянии равном не менее 0,4 длины обтекателя от вершины носка толщина стенки оболочки составляет не более 2,0 мм и плавно увеличивается к ее торцу не более чем в 5 раз. При профилировании стенки согласно описанным требованиям РТХ толщина в ее передней части составляет 1,5-2 мм, соответственно утонение оболочки ведет к увеличению теплового потока, проходящего через нее, что вызывает большие тепловые и прочностные нагрузки на конструкцию оболочки и обтекателя в целом.
Работоспособность тонкостенной стеклопластиковой оболочки в условиях высокотемпературного режима является критичной с большой вероятностью потери ее устойчивости и герметичности. Для решения этой проблемы, для упрочнения и герметизации обтекателя, была применена пропитка пористого материала оболочки кремнийорганическим полимером типа МФСС-8. Это позволило создать тонкостенную конструкцию обтекателя со сложнопрофилированной стенкой, работающего в высокотемпературном диапазоне и широкой полосе пропускания электромагнитных волн.
Важным элементом конструкции является соединение оболочки с металлическим кольцом (фиг. 3). Кольцо 2 соединяется с оболочкой 1 крепежными элементами 5, например, винтами, вкручиваемыми с внутренней стороны кольца 1 в предварительно подготовленные отверстия в оболочке, заполненные герметиком, не имеющие выхода на ее наружную поверхность. Таким образом, реализовано клее - механическое соединение стеклопластиковой оболочки с металлическим кольцом, не нарушающее герметичности оболочки. Возможно расположение крепежных элементов в шахматном порядке. При этом увеличивается зона механического крепления и повышается жесткость и общая прочность обтекателя.
Для обеспечения герметичности соединения металлического кольца с оболочкой на наружную поверхность металлического кольца 2 наносится слой эластичного адгезива (герметика типа У-2-28), после чего кольцо вставляется в оболочку 1. На внутреннюю поверхность металлического кольца нанесен слой эластичного адгезива (герметик типа У-2-28), выходящий за его пределы в зону лакокрасочного покрытия оболочки не более, чем на 20 мм, это позволяет обеспечить герметичность зоны стыка и необходимый контроль его исполнения.
Комплексом вышеперечисленных мер обеспечивается прочность и герметичность рассматриваемого соединения.
Для обеспечения возможности доводки обтекателя на завершающем этапе его изготовления на наружную поверхность оболочки обтекателя наносится ряд дополнительных слоев высокотемпературной кремнийорганической шпатлевки типа КО-0070. Это обеспечивается конструктивной особенностью оболочки, а именно тем, что ее толщина в радиопрозрачной зоне мала и небольшое изменение, реализуемое нанесением покрытия, ведет к изменению диэлектрических характеристик.
Изобретение позволит разрабатывать и изготавливать сверхширокополосные обтекатели высокоскоростных ракет класса «воздух-поверхность».