Антенный обтекатель
ANTENNA DOME

Изобретение относится к области авиационно-ракетной техники, преимущественно к конструкциям носовых радиопрозрачных обтекателей, являющихся укрытием антенных устройств головок самонаведения (АУ ГСН) от аэродинамического воздействия.
С ростом скоростей и длительности полетов современных летательных аппаратов становится проблематичным обеспечение заданных радиотехнических характеристик (РТХ) изделий, т.к. нагрев зеркала антенны и элементов волноводного тракта за счет переизлучения тепла от внутренней поверхности оболочки становится свыше допустимого и снижает надежность функционирования обтекателя в системе самонаведения.
В радиопрозрачной зоне обтекателя нагрев внутренней поверхности керамической оболочки может достигать 1000-1200°C при автономных полетах ракет в течение длительного времени (до 10-15 мин). При этом температура в центре и на периферии зеркала антенны за счет переизлучения тепла от внутренней поверхности оболочки может достигать 400-450°С, а на элементах волноводного тракта, расположенных в нерадиопрозрачной зоне узла соединения обтекателя с соседним отсеком ракеты, - до 300°C. При непосредственном соединении оболочки и шпангоута температура шпангоута также повышается до 450-500°C, и элементы волноводного тракта, находящиеся в непосредственной близости к шпангоуту, получают от него дополнительный нагрев, а сам шпангоут при таком нагреве создает в оболочке растягивающие напряжения за счет теплового расширения, превышающие предел прочности керамического материала.
Задача разработки конструкции обтекателя в радиопрозрачной зоне в этом случае сводится к выбору варианта защиты АУ ГСН от недопустимого нагрева с помощью конструктивно-технологических решений, обеспечивающих снижение нагрева зеркала антенны, а в зоне узла соединения - изолирование от нагрева элементов волноводного тракта и снижение нагрева шпангоута.
С этой целью во внутренней полости обтекателя устанавливаются конструктивные теплостойкие радиопрозрачные элементы различной конфигурации - пластины, полусферы, колпаки и т.д., защищающие антенные устройства от прямого излучения тепла с внутренней поверхности оболочки и одновременно позволяющие обеспечить передачу электромагнитной энергии без больших потерь и искажений волнового фронта.
Известна конструкция антенного обтекателя по патенту США №3128466, кл. МПК H01Q 1/42, 1964, состоящая из керамической оболочки, металлического шпангоута и радиопрозрачного теплозащитного экрана, изготавливаемого в виде плоской пластины из высокопористого теплозащитного материала. Недостатком такой конструкции является то, что в ней такой экран уменьшает переизлучение тепловой энергии только с той части внутренней поверхности оболочки, которая закрыта теплозащитной пластиной, что не обеспечивает защиту зеркала антенны в широком диапазоне углов прокачки, а также элементов волноводного тракта.
Известно также конструктивное решение антенного обтекателя по патенту США №5691736, кл. МПК H01Q 1/42, 1997, включающее установленные соосно внешнюю керамическую оболочку, внутреннюю оболочку, выполняющую функцию теплозащитного экрана, и металлический стыковой шпангоут. Теплозащитный экран куполообразной формы выполнен из легкого высокопористого керамического материала и присоединен к керамической оболочке, которая, в свою очередь, соединена со шпангоутом термостойким адгезивом. При этом металлический шпангоут и волноводный тракт закрыты от внешнего нагрева только теплозащитным покрытием в виде дополнительной оболочки.
Основным недостатком такого решения является то, что внутренняя однослойная радиопрозрачная оболочка экрана не может обеспечить РТХ защищаемого антенного устройства в широком диапазоне рабочих частот, а дополнительная оболочка, закрывающая металлический шпангоут узла соединения с соседним отсеком ракеты, не гарантирует защиты волноводного тракта и самого шпангоута от нагрева при длительном высокотемпературном аэродинамическом воздействии на обтекатель.
Наиболее близким конструктивным решением является антенный обтекатель по патенту РФ №2536360, кл. МПК H01Q 1/42, 2014, выбранный в качестве прототипа. Обтекатель содержит керамическую оболочку, металлический стыковой шпангоут и трехслойный радиопрозрачный теплозащитный экран, внешние слои которого изготовлены из термостойкого стеклопластика, а внутренний слой - из теплоизоляционного волокнистого материала с пониженной теплопроводностью. С целью снижения нагрева шпангоута и элементов волноводного тракта в узле соединения между оболочкой и шпангоутом размещено силовое теплоизоляционное кольцо, изготавливаемое из материала внешних слоев экрана.
Недостатком такой конструкции является относительно невысокая термостойкость стеклопластика, из которых изготовлен внешний слой экрана, - 600-700°C кратковременного теплового воздействия и 300-400°C - длительного. При нагреве наружной поверхности экрана свыше допустимых температур (700°C) стеклопластик деструктирует и может воспламениться с образованием значительного количества газов. При этом изменяются диэлектрические параметры экрана, что приводит к увеличению угловых ошибок и снижению коэффициента прохождения электромагнитной энергии в самом экране и, в целом, в обтекателе, что не позволяет обеспечить надежное функционирование системы наведения ракеты.
Задачей настоящего изобретения является обеспечение работоспособности антенного обтекателя с АУ ГСН в условиях повышенного аэродинамического воздействия.
Поставленная задача решается тем, что предложен:
1. Антенный обтекатель, содержащий керамическую оболочку, металлический стыковой шпангоут, силовое теплоизоляционное кольцо, соединенные между собой теплостойким адгезивом, и расположенный соосно с ними во внутренней полости оболочки куполообразный радиопрозрачный теплозащитный экран, присоединенный к оболочке и шпангоуту, отличающийся тем, что экран выполнен двухслойным, внешний слой которого выполнен в виде оболочки из высокопористого керамического материала на основе кварцевого стекловолокна с открытой пористостью не менее 50%, теплопроводностью λ≤0,3 Вт/м⋅К и диэлектрической проницаемостью ε=1,25-2,1 и присоединен к внутреннему слою и керамической оболочке термостойким адгезивом, а внутренний слой выполнен из теплостойкого стеклопластика за одно целое с теплоизоляционным кольцом или отдельно и жестко присоединен к шпангоуту.
2. Антенный обтекатель по п. 1, отличающийся тем, что внутренний слой куполообразного радиопрозрачного теплозащитного экрана выполнен из стеклопластика на основе хромалюмофосфатного, полиимидного, кремнийорганического или фенолформальдегидного связующих.
3. Антенный обтекатель по п. 1, отличающийся тем, что внутренний слой куполообразного радиопрозрачного теплозащитного экрана пропитан кремнийорганическим полимером.
4. Антенный обтекатель по п. 1, отличающийся тем, что на его поверхность, обращенную к зеркалу антенны, нанесено термостойкое влагозащитное покрытие кремнийорганической или фторопластовой эмалью в композиции с кремнийорганической шпатлевкой.
На фиг. 1 представлено продольное сечение антенного обтекателя. Антенный обтекатель включает керамическую оболочку 1, металлический стыковой шпангоут 2, силовое теплоизоляционное кольцо 3 и установленный соосно с ними во внутренней полости оболочки теплозащитный экран 4 куполообразной формы, состоящий из двух слоев - внешнего 5 и внутреннего 6. Внешний слой 5 экрана соединен с оболочкой 1 и кольцом 3 термостойкими адгезивами 7 и 8, а внутренний слой 6 выполнен за одно целое с кольцом 3 или присоединен к шпангоуту, как это показано на выносных элементах А и А (вариант). Общая толщина экрана 5 и толщины слоев 5 и 6 устанавливаются на основе электрического и теплопрочностного расчетов.
Высокая пористость материала обусловливает низкую теплопроводность внешнего слоя 5, благодаря чему резко снижается температура внутреннего слоя 6 и радиационное излучение от него в сторону зеркала АУ ГСН.
1
1
Выбор термостойких адгезивов для соединения элементов конструкции между собой обусловлен уровнем температур на стыковочных поверхностях соединяемых деталей. Например, внешний слой 5 экрана может быть соединен с керамической оболочкой 1 кремнийорганическим клеем-герметиком 7 типа ГПО-2 (ТУ 1-596-483-2011) или ГПО-15-3 (ТУ 1-596-522-2015), а с внутренним слоем 6 (теплоизоляционным кольцом 3) - клеем-герметиком 8 типа ГПО-15-3 или термостойким герметиком типа "Виксинт" У-2-28. Теплоизоляционное кольцо 3 соединяется с оболочкой 1 клеем-герметиком 7 и со шпангоутом 2 - герметиком 10 типа У-2-28, а присоединение слоя 6 к шпангоуту 2 на длине L - также герметиком 10 типа У-2-28. Длины L и L клеевых слоев определяются конструктивно и расчетом прочности.
Конструкционная прочность и жесткость экрана в целом обеспечиваются внутренним слоем 6, который, при необходимости, с целью дополнительного повышения прочности, пропитывается кремнийорганическим полимером, например продуктом МФСС-8 ТУ 20.16.57-001-64570284-2016, на всю толщину или поверхностно. На поверхность слоя 6, обращенную к антенному устройству, наносится влагозащитное покрытие 9 (ВЗП) кремнийорганической или фторопластовой эмалью в композиции с кремнийорганической шпатлевкой. При необходимости, с целью выравнивания давления во внутренней полости обтекателя над и под теплозащитным экраном, в нем может быть выполнено сквозное отверстие, например, как это показано на выносном элементе Б.
Достигнутым результатом использования изобретения является расчетно-экспериментальное подтверждение, что применение в обтекателе для изготовления внешнего слоя радиопрозрачного теплозащитного экрана высокопористого керамического материала на основе кварцевого стекловолокна допускает нагрев наружной поверхности экрана до 1000-1200°С при обеспечении заданного уровня рабочих температур на зеркале антенны и на волноводном тракте АУ ГСН.