Антенный обтекатель
ANTENNA DOME

Изобретение относится к области авиационно-ракетной техники, преимущественно к конструкциям радиопрозрачных обтекателей с диэлектрическими оболочками, изготавливаемыми из жаростойких керамических материалов, и может быть использовано при разработке обтекателей ракет с радиолокационной системой самонаведения.
Рост скоростей и длительности полетов ракет сопровождается повышенным аэродинамическим воздействием на носовой обтекатель, приводящим к значительному теплосиловому нагружению конструкции обтекателя. Это создает ряд технических проблем, связанных с обеспечением конструкционной надежности обтекателя и заданных радиотехнических параметров антенного устройства головки самонаведения (АУ ГСН) ракеты.
Известно, что наиболее оптимальное сочетание радиотехнических характеристик (РТХ) обтекателя обеспечивается диэлектрической оболочкой, изготовленной из керамического материала, если при этом решены следующие технические задачи:
- гарантирована конструкционная надежность диэлектрической оболочки, материал которой имеет повышенную хрупкость при высокой твердости и характеризуется большой анизотропией основных прочностных характеристик, определяемой соотношением пределов прочности при растяжении и сжатии;
- разработана конструкция надежного соединения керамического обтекателя с соседним отсеком ракеты, с точки зрения вероятности неразрушения;
- обеспечена тепловая защита элементов АУ ГСН, необходимая для нормального функционирования системы наведения.
Конструкционная надежность хрупкой керамической оболочки зависит не столько от теплового воздействия, сколько от величины силового нагружения на обтекатель, которое, в общем случае, складывается из осевой силы и изгибающего момента от поперечной силы, при этом уровень растягивающих напряжений в керамической оболочке, соответствующий нагрузке, может превысить ее несущую способность и привести к разрушению обтекателя.
Кроме того, при непосредственном соединении (например, клеевом) керамической оболочки и металлического шпангоута в узле стыковки обтекателя с соседним отсеком ракеты нагрев шпангоута может превысить интервал температурной совместимости их материалов по тепловому расширению, и растягивающие напряжения в оболочке, возникшие от распора ее шпангоутом, также приведут к разрушению оболочки и прекращению функционирования обтекателя.
Нагрев элементов АУ ГСН обусловлен температурным излучением от нагретой внутренней поверхности керамической оболочки в радиопрозрачной зоне: чем выше скорость полета ракеты и температура нагрева наружной поверхности обтекателя, тем выше значение радиационного теплового потока, излучаемого с внутренней поверхности нагретой оболочки. Например, радиационный тепловой поток от внутренней поверхности оболочки, изготовленной из кварцевой керамики и нагретой до 500-600°С, приводит к нагреву в центре и на периферии зеркала антенны, а также на элементах волноводного тракта до 150-200°С, что может быть не приемлемо для обеспечения надежной работы АУ ГСН.
Таким образом, основной целью разработки носового радиопрозрачного обтекателя для условий повышенного теплосилового аэродинамического воздействия, является создание конструкции, обеспечивающей достаточную работоспособность обтекателя и надежность функционирования системы наведения.
Практика создания радиопрозрачных керамических обтекателей показывает, что повышение конструкционной надежности керамической оболочки и обтекателя с узлом соединения может быть достигнуто за счет увеличения конструкционной жесткости оболочки, например, с помощью подкрепляющих силовых элементов, а снижение нагрева элементов системы наведения при радиационном излучении от внутренней поверхности оболочки, в основном, достигается применением теплозащитных экранов, обеспечивающих укрытие АУ ГСН от прямого нагрева.
Известна, например, конструкция антенного обтекателя по патенту РФ № 2536360, кл. H01Q 1/42, 2013, состоящая из керамической оболочки, металлического шпангоута и куполообразного радиопрозрачного теплозащитного экрана (ТЗЭ), присоединенного к оболочке и шпангоуту теплостойким адгезивом. Недостатком такой конструкции является то, что диэлектрический экран, защищая антенное устройство от радиационного нагрева, не позволяет снизить интенсивность радиационного теплового потока непосредственно на внутренней поверхности оболочки, поскольку не имеет прямого контакта с керамической оболочкой. Между тем, не всегда возможно минимизировать потери электромагнитной энергии и исключить искажения фронта электромагнитной волны АУ ГСН при излучении через ТЗЭ, внешний профиль которого отличается от профиля керамической оболочки.
Наиболее близким устройством, выбранным в качестве прототипа по совокупности признаков, является конструкция носового антенного обтекателя по патенту РФ № 2209494, Н01Q 1/42, 2002, включающая керамическую радиопрозрачную оболочку и металлический стыковой шпангоут, соединенные адгезивом, в которой радиопрозрачная оболочка состоит из двух радиопрозрачных элементов – внешнего пористого теплозащитного элемента и внутреннего силового элемента, поры в котором заполнены органическим полимером, при этом толщины радиопрозрачных элементов находятся в определенном соотношении между собой.
Причинами, ограничивающими применение данного изобретения в рассматриваемых условиях, являются:
- введение полимера в поры внутреннего силового элемента (пропитка материала) с целью увеличения прочности и жесткости хрупкой оболочки, необходимых для восприятия изгибающего момента, воздействующего на оболочку, не обеспечивает достаточного увеличения запаса прочности по растягивающим напряжениям при значительном силовом нагружении, т.к. экспериментально установлено, что в результате такой пропитки (например, пористой кварцевой керамики) предел прочности материала при растяжении увеличивается не более, чем на 10 %; - пропитка внутреннего силового элемента практически не способствует снижению интенсивности лучеиспускания от внутренней поверхности оболочки, т.к. заполнение пор в материале полимером увеличивает теплопроводность оболочки, но не влияет на коэффициент излучения (черноты) в инфракрасном спектре длин волн.
Задачей настоящего изобретения является повышение несущей способности керамической оболочки, а также надежности и работоспособности антенного обтекателя в условиях значительного теплосилового воздействия на его конструкцию.
Поставленная задача решается тем, что предложен:
1. Антенный обтекатель, содержащий радиопрозрачную оболочку, состоящую из внешнего  керамического теплозащитного и внутреннего силового радиопрозрачных элементов, и металлический шпангоут, соединенные между собой термостойким адгезивом, отличающийся тем, что внутренний силовой радиопрозрачный элемент оболочки выполнен из теплостойкого стеклопластика с диэлектрической проницаемостью, близкой или равной диэлектрической проницаемости внешнего силового элемента, и интегральным  коэффициентом излучения ε ≤ 0,6 и соединен с внешним элементом оболочки термостойким адгезивом или наформован на него, при этом суммарная толщина внешнего и внутреннего элементов  равна электрической толщине стенки оболочки,  толщина внутреннего элемента в  радиопрозрачной зоне составляет не более 30 % от электрической толщины стенки оболочки, а в области  перехода от радиопрозрачной зоны к узлу соединения и в узле соединения оболочки со шпангоутом определяется расчетным путем из условия достижения минимума напряжений во внешнем керамическом элементе при одновременном воздействии внешней силовой нагрузки и теплового распора шпангоутом.
2. Антенный обтекатель по п.1, отличающийся тем, что внутренний силовой элемент оболочки изготовлен из теплостойкого стеклопластика на основе полиимидного, кремнийорганического, алюмохромфосфатного или фенолформальдегидного связующих.
3. Антенный обтекатель по пп.1, 2, отличающийся тем, что на наружную поверхность оболочки нанесено влагозащитное покрытие.
4. Антенный обтекатель по пп.1, 2, отличающийся тем, что на наружную поверхность оболочки нанесено теплозащитное покрытие.
Создание работоспособной и надежной конструкции антенного обтекателя с узлом соединения достигается тем, что установкой конструкционного элемента, изготовленного из теплостойкого стеклопластика в качестве внутреннего силового радиопрозрачного элемента оболочки, обладающего хорошей ударной вязкостью и прочно соединенного с внешним теплозащитным элементом оболочки, в радиопрозрачной зоне достигается необходимая и прогнозируемая расчетным путем суммарная жесткость обоих радиопрозрачных элементов, позволяющая снизить величину растягивающих напряжений в оболочке и повысить ее несущую способность, а также обеспечиваются условия для значительного уменьшения интенсивности лучеиспускания с внутренней поверхности оболочки, поскольку радиопрозрачная оболочка с внутренней поверхности (стеклопластик) имеет интегральный коэффициент излучения (черноты)  ε ≤ 0,6, что позволяет обойтись без установки ТЗЭ непосредственно над элементами АУ ГСН и исключить возможные потери энергии и искажения фронта электромагнитной волны.
Кроме того, введение внутреннего элемента в узел соединения между внешним элементом оболочки и металлическим шпангоутом, в качестве теплостойкого силового кольца трехслойной конструкции узла соединения, позволяет, в определенной степени, снизить нагрев металлического шпангоута и уменьшить опасность разрушения внешнего элемента от теплового распора шпангоутом, что дает возможность использовать для шпангоута материалы с более высоким температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР), например, титановые сплавы вместо прецизионных инварных сплавов при соответствующем снижении себестоимости изготовления шпангоута.
Суммарная толщина радиопрозрачной оболочки определяется электрическим расчетом, исходя из условия равенства диэлектрической проницаемости ε внешнего и внутреннего элементов оболочки; при этом ограничение толщины внутреннего элемента до 30 % от суммарной обусловлено более низкой теплостойкостью стеклопластика, а также возрастанием при его нагреве тангенса угла диэлектрических потерь. Выбор стеклопластика и конкретная толщина внутреннего элемента определяются теплопрочностным и электрическим расчетами. В качестве материалов для покрытий наружной поверхности радиопрозрачной оболочки рекомендуются кремнийорганические и фторопластовые эмали в пределах их термостойкости, а при значительном нагреве могут использоваться более термостойкие композиционные материалы, создаваемые на основе тугоплавких окислов, уносимые или не уносимые в процессе полета ракеты.
На фигуре представлено продольное сечение обтекателя в зоне узла соединения.
Антенный обтекатель включает керамическую радиопрозрачную оболочку, состоящую из внешнего керамического теплозащитного элемента 1 и внутреннего силового элемента 2, и металлический шпангоут 3, соединенные между собой теплостойким адгезивом 4, при этом внутренний силовой элемент соединен с внешним элементом теплостойким адгезивом или приформован к нему. На наружную поверхность обтекателя, с целью защиты от влагонасыщения пористого материала и умеренного теплового воздействия нанесено влагозащитное покрытие 5 (ВЗП), а для обеспечения защиты от интенсивного нестационарного нагрева внешней поверхности обтекателя нанесено теплозащитное покрытие (ТЗП), одновременно обеспечивающее и влагозащиту оболочки.
Высота внутреннего силового элемента, изготавливаемого из термостойкого стеклопластика, определяется расчетным путем, исходя из требований по минимуму допустимых растягивающих напряжений в оболочке по длине обтекателя, а также из возможности снижения касательных напряжений в гиперупругом слое адгезива, соединяющего внешний теплозащитный и внутренний силовой элементы, с учетом термопрочности стеклопластика и адгезива.
Достигнутым результатом применения изобретения является экспериментальное подтверждение возможности создания работоспособной конструкции антенного обтекателя для условий повышенного теплосилового воздействия на радиопрозрачную оболочку с обеспечением минимизации потерь электромагнитной энергии и искажений фронта электромагнитной волны.