Обтекатель
FAIRING

Изобретение относится к области авиационной и ракетной техники и преимущественно может быть использовано при изготовлении антенных обтекателей скоростных ракет различных классов.
Известны конструкции обтекателей, представляющих соединение керамических оболочек с металлическими переходниками посредством эластичного клея-герметика и работающих в условиях прогрева и несимметричной нагрузки.
В патенте RU №2231875, H01Q 1/42, 2004 «Неразъемный узел соединения» неметаллический элемент (керамическая оболочка) соединен компаундом (эластичным адгезивом, клеем-герметиком типа Виксинт) с металлическим элементом - переходником (шпангоутом), обладающим повышенной теплоемкостью и выполненным с группами продольных несквозных пазов на внутренней и наружной поверхностях переходника, равномерно распределенных по окружности. Пазы на поверхностях переходника образуют термокомпенсационные гофры, обращенные внутрь переходника. К торцевым участкам переходника возможно присоединение или выполнение за одно целое с ним сплошных кольцевых элементов.
Недостатком этого решения является низкая технологичность выполнения несквозных пазов на внутренней поверхности переходника.
Известное техническое решение по патенту RU №2258283, H01Q 1/42, 2005 «Узел крепления керамического обтекателя с металлическим корпусом летательного аппарата» включает керамическую оболочку, металлический шпангоут с продольными пазами, соединенные эластичным термостойким клеем. Продольные пазы выполнены сквозными, шириной 1-2 мм и протяженностью от 1/2 до 2/3 от длины склейки керамического обтекателя с металлическим шпангоутом, при этом пазы расположены по центру склейки, расстояние между ними составляет величину, равную длине склейки, а толщина клеевого шва устанавливается равной наибольшей разности радиальных температурных перемещений керамического обтекателя и шпангоута при максимальном эксплуатационном уровне температур.
К недостаткам этого технического решения относится то, что:
- при умеренных температурах в элементах соединения (до появления пластичности в клее) и значительно малых (менее 0,1) значениях соотношения толщины слоя клея к опорным площадям между соединяемыми поверхностями элементов эффект термокомпенсации пренебрежимо мал, что может приводить к разрушению керамической оболочки от распора шпангоутом;
- при появлении пластичности от температурного воздействия, например, в клее-герметике Виксинт У2-28, наиболее широко применяемым в узлах соединения обтекателей ракет разных классов, происходит недопустимое, резкое снижение прочности соединения, что приводит к разрушению оболочки или сползанию ее со шпангоута, т.е. к неработоспособности обтекателя;
- при прогреве жесткого фланца шпангоута (при выполнении шпангоута цельным, а не составным) требуемого уровня надежности термокомпенсации распора керамической оболочки за счет вытекания клея через сквозные пазы не достигается из-за высокого уровня напряжений в торцевой области керамической оболочки и разбросов прочности керамического элемента.
В известном техническом решении «Головной антенный обтекатель» по патенту RU №2273077, H01Q 1/42, 2006, взятом в качестве прототипа, керамическая оболочка, изготовленная из беспористого материала, не требующего влагозащиты, соединена с переходным металлическим шпангоутом, согласованным по ТКЛР с материалом оболочки, эластичным термостойким адгезивом по сопрягаемым коническим поверхностям, переходной шпангоут соединен соосно со стыковым и ограничен от осевого перемещения с одной стороны двумя взаимно ответными буртиками, выполненными на внутренней поверхности стыкового шпангоута и на наружной поверхности переходного шпангоута, с другой стороны - штифтами, запрессованными в стыковой шпангоут и установленными с зазором в глухие отверстия переходного шпангоута, уплотнительное кольцо установлено в проточку на торце переходного шпангоута.
К недостаткам данной конструкции относится то, что:
- несмотря на более высокую прочность беспористого материала оболочки из стеклокерамики такая конструкция уязвима от тепловых эксплуатационных воздействий при увеличении их уровня. Это связано, с одной стороны, с технологическими факторами изготовления керамической оболочки, а с другой стороны, с попытками использования в качестве материала переходного шпангоута более технологичных инварных сплавов, обладающих повышенной жесткостью;
- в конструкции переходного металлического шпангоута не предусмотрены эластичные элементы термокомпенсации для снижения напряженно деформированного состояния (НДС) в торцевой части керамической оболочки.
Задачей предлагаемого изобретения является повышение несущей способности и надежности обтекателя при расширении температурного диапазона эксплуатации за счет повышения термокомпенсирующей способности шпангоута.
Выполнение указанной задачи достигается тем, что предложен обтекатель, включающий керамическую оболочку, соединенную эластичным адгезивом с металлическим шпангоутом, состоящим из переходника из инварного сплава и стыкового элемента, соединенных между собой с помощью буртов и штифтов, и уплотнительного кольца, отличающийся тем, что на наружной поверхности переходника в области его соединения с торцевой зоной керамической оболочки выполнена кольцевая проточка, перпендикулярно которой в части соединения переходника с оболочкой выполнены равномерно расположенные по окружности прорези, в бурте переходника выполнены дискретно расположенные опорный элемент, прилегающий к бурту стыкового элемента, и крепежный элемент в области штифтов, в опорном элементе выполнены осевые пазы, размещенные в шахматном порядке относительно прорезей переходника, а в крепежном элементе выполнена дополнительная кольцевая проточка.
На чертеже представлена заявленная конструкция обтекателя.
Обтекатель содержит керамическую оболочку 1, соединенную эластичным адгезивом 2 с металлическим шпангоутом, состоящим из переходника 3 из инварного сплава и стыкового элемента 4, которые связаны с помощью буртов и штифтов 5.
На наружной поверхности переходника 3 в области его соединения с торцевой зоной керамической оболочки 1 выполнена кольцевая проточка 6, перпендикулярно которой в направлении носовой части переходника выполнены равномерно расположенные по окружности прорези 7. Кольцевая проточка 6 заполняется при сборке обтекателя клеем-герметиком 2 с образованием эластичной обечайки 8.
В бурте переходника выполнены дискретно расположенные опорный элемент 9, прилегающий к бурту стыкового элемента, и крепежный элемент 10. В опорном элементе бурта выполнены осевые пазы 11, расположенные в шахматном порядке относительно прорезей 7 переходника 3. На наружной поверхности крепежного элемента бурта выполнена дополнительная кольцевая проточка 12.
В качестве уплотнительного кольца установлен гермошнур 13.
Уточненными расчетами установлено:
- напряжения в керамической оболочке реального обтекателя из-за краевых эффектов могут превышать в 1,5-2,0 раза результаты ориентировочных расчетов и их уровень может превышать допустимый для прочности керамики при растяжении. Выполнение прорезей 7 в области склейки переходника 4 значительно (на 30-40%) снижает этот уровень по сравнению с вариантом конструкции по прототипу при эксплуатационном прогреве узла соединения до 250-320°C;
- количество и длина прорезей в переходнике выбираются из условия минимизации зоны керамической оболочки, в которой действуют растягивающие напряжения, а также уровня этих напряжений не более 60-70% от допустимой прочности керамики при растяжении, а также с учетом конструктивно-технологических соображений и прочностных требований к переходнику и его элементам.
Эластичная обечайка 8 обеспечивает снижение напряжений в торцевой области керамической оболочки как при тепловых, так и при несимметричных силовых воздействиях.
Выполнение в бурте переходника дискретно расположенных опорного элемента 9, прилегающего к бурту стыкового элемента 4, и крепежного элемента 10 в области штифтов 5, а также выполнение осевых пазов 11 в опорном элементе 9 бурта переходника 3 и размещение их в шахматном порядке относительно прорезей 7 в носовой части переходника, обеспечивает снижение вероятности отрицательного эффекта возможного защемления штифтов от совместного воздействия тепловых и несимметричных силовых нагрузок и снижает напряжения в торцевой области керамической оболочки.
Выполнение кольцевой проточки 12 в области штифтов 5 крепежного элемента 10 бурта переходника позволяет за счет образовавшегося воздушного зазора между стыковым и крепежным элементами снизить температуру крепежного элемента и тем самым снизить распорные усилия в керамической оболочке.
Заполнение при сборке прорезей 7 и проточки 6 эластичным клеем-герметиком 2 обеспечивает заданную надежность герметизации обтекателя.
Наличие в обтекателе гермошнура 13 обеспечивает надежную герметизацию соединения обтекателя с корпусом ракеты.
Введение новых элементов в конструкцию по прототипу обеспечило выполнение более жестких требований к новой конструкции. Обтекатель с керамической оболочкой из стеклокерамики прошел все виды испытаний и выпускается серийно.
Заявляемая конструкция по сравнению с прототипом позволяет повысить температурные и силовые эксплуатационные параметры обтекателей ракет разных классов. На основе предлагаемого изобретения созданы обтекатели для перспективных ракет класса «воздух-воздух» с применением различных керамических материалов.