АНТЕННЫЙ ОБТЕКАТЕЛЬ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
AERIAL FAIRING AND METHOD OF ITS MANUFACTURE

Изобретение относится к области ракетной техники, в частности к головным радиопрозрачным обтекателям пеленгационных сверхширокополосных антенн, работающих в диапазоне ультравысоких (УВЧ) и сверхвысоких (СВЧ) частот, и может быть использовано при проектировании и изготовлении радиопрозрачных обтекателей самонаводящихся ракет.
Антенный обтекатель предназначен для защиты антенн от влияния климатических факторов, механических, термических и эрозионных воздействий в жестких условиях эксплуатации, например при высоких скоростях полета летательных аппаратов.
Это накладывает ряд требований к конструкции обтекателя, особенно к толщине стенки, к радиофизическим и физико-механическим свойствам материалов, из которых он изготовлен.
Основным требованием, предъявляемым к обтекателю с точки зрения минимизации влияния его на радиотехнические характеристики (РТХ) защищаемой антенны, является достижение максимально возможного коэффициента прохождения (КП) электромагнитных волн через его стенку. Этому требованию отвечают материалы, например, на основе фторопласта.
Известен антенный кожух, изготовленный из листа полимера на основе политетрафторэтилена (ПТФЭ или фторопласта Ф-4) (H01Q 1/42, WO 03077363). Основным достоинством антенного кожуха, указанным в заявке, является низкий уровень диэлектрических потерь даже в диапазоне высоких частот, однако каких-либо сведений, относящихся к прочности, термостойкости и эрозионной устойчивости антенного кожуха в публикации не приведено.
3
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является сверхширокополосный антенный обтекатель в форме цилиндра с полусферической вершиной, изготовленный из радиационно-модифицированного политетрафторэтилена (патент РФ №2420838). Указанный антенный обтекатель, имеющий полуцилиндрическую или полусферическую поверхность, предназначен для защиты малогабаритных антенн. Коэффициент прохождения электромагнитных волн данного антенного обтекателя составил 0,92. При увеличении габаритных размеров заготовок из политетрафторэтилена до 200×200×200 мм и более для крупногабаритных антенн в стенках обтекателя возможно возникновение дефектов в виде пустот и раковин.
Обеспечение требований, предъявляемых к тонкостенным сверхширокополосным антенным обтекателям, усложняется тем, что, как правило, материалы, обладающие сочетанием высокой механической прочности, термостойкости и эрозионной устойчивости имеют высокую диэлектрическую проницаемость, что снижает их радиопрозрачность и искажает диаграммы направленности антенн.
Поэтому специфика таких обтекателей выдвигает требование обеспечения минимально возможных диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь обтекателя при одновременном обеспечении требований по механической прочности, термостойкости и эрозионной устойчивости.
Политетрафторэтилен, являясь отличным атмосферостойким диэлектриком, имеющим широкий интервал рабочих температур и низкий коэффициент трения, обладает хладотекучестью, высокой ползучестью, низкой твердостью и, как следствие, низкой эрозионной и радиационной стойкостью.
Известен способ получения блочных изделий из политетрафторэтилена путем холодного прессования в пресс-формах с последующим спеканием прессованной заготовки в печи при 380°C. Максимальный размер блочных изделий, ограничен. Процесс спекания крупных заготовок из фторопласта составляет несколько суток, поэтому, например, стержни из фторопласта не изготавливают высотой больше 100 мм, и тем более изделия сложной, например, оживальной формы (Ю.А. Паншин, С.Г. Малкевич, Ц.С. Дунаевская «Фторопласты». Издательство «Химия», 1978 г., стр. 184-187).
Известен способ радиационно-химического модифицирования политетрафторэтилена и материала на его основе (патент РФ 2304592). Указанный способ состоит в обработке блочных и пленочных изделий из политетрафторэтилена гамма-лучами выше температуры плавления кристаллической фазы в присутствии молекулярного кислорода при мощности 1-5 Гр/час до поглощения дозы не более 200 кГр. Недостатком данного способа является то, что при увеличении габаритных размеров заготовок из политетрафторэтилена возникают дефекты в виде пустот раковин и трещин.
Целью изобретения является разработка конструкции головного антенного обтекателя ракеты с улучшенными эксплуатационно-техническими характеристиками по прочности, термостойкости (до 300°C), эрозионной устойчивости при высоких скоростях полета, с одновременным увеличением коэффициента прохождения электромагнитной волны и технологии его изготовления.
Указанная цель достигается за счет того, что заготовка антенного обтекателя оживальной формы сформирована из порошка политетрафторэтилена многоступенчатым компактированием с последующим радиационным модифицированием и механической обработкой. Формирование заготовки проводят в три этапа. На первом этапе прессуют цилиндрическую часть заготовки. На втором оформляют среднюю линейную часть заготовки, на третьем верхнюю сферическую. Далее заготовку подвергают радиационному модифицированию, а окончательную форму обтекателю придают механической обработкой.
Компактирование порошка политетрафторэтилена осуществляют в следующей последовательности. Загружают расчитанное количество порошка в прессформу для прессования цилиндрической части заготовки.
Загрузку навески производят равномерно по высоте. В загруженную пресс-форму вставляют кольцевой пуансон, задают давление 25 МПа и выдерживают при этом давлении пресс-форму 1-3 мин. Затем в пресс-форму устанавливают центральную направляющую, оформляющую среднюю линейную часть заготовки. Загружают вторую расчитанную навеску, производят ручную подпрессовку навески. Загружают третью навеску, устанавливают кольцеобразный пуансон, оформляющий верхнюю сферическую часть заготовки, шайбу и толкатель. Медленно поднимают заданное давление прессования. После выдержки под давлением пресс-формы в течение 1-3 мин заготовку извлекают. Внешний вид заготовки приведен на рис. 1.
Далее осуществляют радиационное модифицирование заготовки обтекателя. Обработку заготовки проводят гамма-лучами со средней энергией квантов 1.25 МэВ выше температуры плавления кристаллической фазы политетрафторэтилена при заданном составе инертной газовой среды без примесей молекулярного кислорода в реакционном объеме с величиной суммарной поглощенной дозы не выше 200 кГр и мощностью поглощенной дозы от 5 до 10 Гр/сек.
Радиационно-химический реактор должен обеспечивать возможность нагрева и выдержки образцов заготовок из политетрафторэтилена в интервале температур от 20 до 400°C, регулировки скорости нагрева и охлаждения в интервале от 0.5 до 4°C, регулировки давления газовой среды в рабочей зоне в диапазоне 50-300 кПа.
На третьем этапе производят механическую доработку заготовки до необходимых геометрических размеров обтекателя.
На рис. 2 приведены результаты проверки коэффициента прохождения электромагнитных волн обтекателя, она показала, что на верхней частоте рабочего диапазона он составляет не менее 0,94.
Была выполнена проверка радиотехнических характеристик антенны эллиптической поляризации, размещенной под обтекателем. На рис. 3 представлены диаграммы направленности антенны эллиптической поляризации для верхней частоты рабочего диапазона без обтекателя (1) и с обтекателем (2). Влияние обтекателя на диаграмму направленности антенны минимальное - не превышает 1 дБ.
Кроме того, радиотехнические характеристики обтекателя не изменились после проведенных механических и климатических испытаний на воздействие следующих факторов:
- широкополосной случайной вибрации;
- циклического изменения температур от минус 60°C - 2 часа, до плюс 85°C - 2 часа, всего 10 циклов;
- повышенной влажности 98±2%, всего 6 циклов;
- пониженной температуры среды минус 60°C - 2 часа;
- повышенной температуры среды плюс 85°C - 2 часа, плюс 185°C - 30 минут, кратковременно до 10 минут - плюс 290°C±10°C.
3
Таким образом, с помощью многоступенчатой технологии прессования порошка политетрафторэтилена с последующим радиационным модифицированием и механической обработкой заготовки изготовлен крупногабаритный обтекатель для радиопеленгаторов самонаводящихся ракет размером более 200×200×200 мм, обладающий повышенной прочностью и термостойкостью с минимальным влиянием на параметры антенны