Антенный обтекатель
ANTENNA FAIRING

Изобретение относится к области авиационной и ракетной техники и может быть использовано при проектировании и разработке антенных обтекателей перспективных высокоманевренных гиперзвуковых ракет различных классов базирования с оболочками из жаростойких керамических материалов.
Технический результат изобретения состоит в увеличении уровня допускаемого нагружения как по тепловому, так и по силовому воздействию, при которых обеспечивается работоспособность конструкции головного антенного обтекателя (АО) с учетом обеспечения достаточного уровня прочностной надежности узла соединения керамической оболочки с металлическими элементами соединения с ответным отсеком за счет снижения прогрева внутренних элементов, входящих в состав узла, а также обеспечения разгрузки клеевого слоя, как наиболее подверженного деградации физико-механических свойств от нарастания температуры, при соответствующем увеличении интенсивности и длительности воздействия конвективного теплового потока для обеспечения повышения скоростей движения и соответствующей дальности полета самой ракеты, в состав которой входит антенный обтекатель.
Превалирующая трудность проектирования и создания надежной конструкции узла соединения керамической оболочки с металлическими корпусом ЛА при высоких уровнях его теплового нагружения, обусловлена сложностью разработки надежного соединения указанных разнородных материалов в связи со значительной разницей в уровне возникающих в них температурных деформаций, особенно при температурах прогрева свыше 300-400°C. Так как подавляющее большинство керамических материалов, применяемых при производстве радиопрозрачных оболочек, имеют сравнительно низкий температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), применимость металлических сплавов в качестве материала шпангоута с ТКЛР, близким к ТКЛР керамики, ограничена группой прецизионных инваровых сплавов. Конструкция АО и материал шпангоута должны обеспечивать минимально возможный уровень растягивающих напряжений, возникающих в керамической оболочке, как элементе, подверженному хрупкому разрушению, целостность которого определяет работоспособность обтекателя.
Суммарный диапазон возможного изменения температур полного прогрева (охлаждения) конструкции лежит в пределах от минус 60°С до плюс 240°С. Указанные условия требуют применения в конструкции обтекателя в качестве соединительного слоя между керамикой и металлическими элементами упругой клеевой прослойки, демпфирующей и сглаживающей локальные нагрузки, связанные с неоднородными знакопеременными температурными деформациями этих разнородных элементов, действующих в течении длительного периода времени. При автономном режиме полета внутренний шпангоут и клеевой шов могут прогреваться до температур порядка 600°C. При современном уровне развития химической промышленности отсутствует возможность создания высокоэлластичных герметизирующих адгезивных материалов, работающих во всем указанном выше диапазоне температур при непосредственном соединении оболочки и шпангоута, с учетом предъявляемых требований по обеспечению высокого уровня прочности на сдвиг, определяемого уровнем силового нагружения при автономной работе обтекателя.
Известен ряд технических решений для конструкций антенных обтекателей, включающих керамическую оболочку и шпангоут, в которых снижение прогрева внутренних элементов и соответствующая работоспособность конструкции обеспечивается либо применением внешней теплоизоляции, сохраняющей внешние геометрические обводы за счет отсутствия в ней термодеструкции, либо применением в конструкции термокомпенсаторов или теплозащитных элементов между оболочкой и шпангоутом, позволяющих исключить непосредственный их контакт и достичь снижения температуры прогрева металлического шпангоута и клеевого соединения.
Таким образом, совокупность известных решений для увеличения температурного диапазона использования и повышения прочностной надежности конструкции узла соединения керамической оболочки и шпангоута, сводятся к следующим вариантам:
1. Применение теплозащитного элемента на внешней поверхности оболочки;
2. Установка термокомпенсаторов различных конфигураций между керамикой и шпангоутом для снижения растягивающих напряжений в керамике;
3. Установка теплозащитных элементов между керамикой и шпангоутом для уменьшения прогрева шпангоута и соответствующего снижения растягивающих напряжений в керамике;
4. Комбинация, в том или ином виде, всех предыдущих решений.
Известна конструкция головного обтекателя ракеты (патент РФ №2337437, МПК H01Q 1/42, опубл. 2008), включающий керамическую оболочку, соединенную эластичным клеем с шпангоутом, состоящим из переходника, выполненного из металла, согласованного по температурному коэффициенту линейного расширения (ТКЛР) с материалом оболочки, и титанового стыкового элемента, соединенных между собой штифтами и буртами, и герметизирующие элементы, отличающийся тем, что на обтекателе установлена обечайка из жаропрочного материала с зазором относительно наружных поверхностей керамической оболочки и стыкового элемента, при этом в области торцов обечайки установлены пояса из резиноподобного теплостойкого материала, образующие замкнутую воздушную полость, передняя часть которой смещена к носку обтекателя относительно носового торца переходника на величину не менее толщины оболочки, а задняя часть полости смещена к торцу обтекателя относительно хвостового торца переходника на величину, превышающую смещение ее передней части, кроме этого, толщина бурта стыкового элемента в осевом направлении превышает толщину оболочки в области ее торца в 1,5…2,0 раза.
Известна конструкция головного обтекателя ракеты (патент РФ № 2459325, МПК H01Q 1/42, опубл.2012), содержащим керамическую оболочку, соединенную эластичным клеем с шпангоутом, состоящим из переходника, выполненного из металла, согласованного по температурному коэффициенту линейного расширения с материалом оболочки, и титанового стыкового элемента, соединенных между собой штифтами и буртами, герметизирующие элементы и обечайку из жаропрочного материала, установленную с зазором относительно наружных поверхностей керамической оболочки и стыкового элемента, внутренняя поверхность обечайки и наружная поверхность оболочки выполнены зеркальными. Техническим результатом изобретения является снижение температуры шпангоута не менее чем на 20 % по сравнению с прототипом при одних и тех же граничных условиях на наружной поверхности обтекателя.
Известна конструкция антенного обтекателя (патент РФ № 2464679, МПК H01Q 1/42, опубл. 2012), который содержит керамическую оболочку, металлический стыковой шпангоут и расположенный между ними теплоизоляционный слой, соединенный термостойким клеем с оболочкой и шпангоутом, отличающийся тем, что теплоизоляционный слой образован не менее чем двумя секторами, выполненными из термостойкого стеклопластика, при этом керамическая оболочка в зоне соединения с теплоизоляционным слоем выполнена с кольцевой проточкой, а сектора - с ответным кольцевым выступом.
Известна конструкция антенного обтекателя летательного аппарата (патент РФ № 2316088, МПК H01Q 1/42, опубл. 2008), включающий керамическую оболочку, соединенную с металлическим шпангоутом по сопрягаемым поверхностям слоем эластичного термостойкого адгезива, и бандаж из композиционного материала, отличающийся тем, что на сопрягаемой поверхности шпангоута выполнены кольцевые или винтовые пазы, в которых заподлицо с поверхностью шпангоута установлен бандаж из композиционного материала с ТКЛР, близким к нулю, при этом пазы уменьшают площадь сопрягаемой поверхности шпангоута не более чем на 1/3. Предлагаемое решение направлено на расширение рабочих температур антенного обтекателя за счет выполнения бандажа из композиционного материала с низким ТКЛР, который препятствует тепловому расширению металлического шпангоута.
Известен узел крепления керамического обтекателя с металлическим корпусом летательного аппарата (патент РФ №2258283, МПК H01Q 1/42, опубл. 2005), включающий металлический шпангоут, в котором равномерно по окружности выполнены продольные пазы, соединенный с керамическим обтекателем по сопрягаемым коническим поверхностям слоем эластичного термостойкого клея, и уплотнительное кольцо, отличающийся тем, что 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.
Вышеуказанные известные решения, целью которых является увеличение температурного диапазона использования конструкции узла соединения керамической оболочки и металлического шпангоута, за счет введения в конструкцию различных термокомпенсаторов между керамикой и шпангоутом, установки различных теплозащитных элементов на внешней поверхности, между керамикой и шпангоутом для уменьшения прогрева шпангоута, а также их комбинация, в том или ином виде, обладают существенными недостатками. При использовании термокомпенсации, существенно усложняется конструкция узла соединения и, как следствие, уменьшается надежность. При использовании теплозащитных элементов в представленных известных решениях, эффективность их ограничивается конструктивными особенностями компоновки, обуславливаемыми предельно допускаемой суммарной толщиной узла соединения керамической оболочки и переходных элементов, определяемой внешним аэродинамическим контуром и габаритами внутренней радиоэлектронной аппаратуры. Внешняя теплозащитная металлическая обечайка не имеет механической связи с ответной поверхностью оболочки для снижения теплопередачи между указанными элементами и, соответственно, не является элементом, воспринимающим силовую нагрузку. Внутренняя теплозащита расположена под оболочкой и, как правило, имеет с ней соединение, выполняемое посредством эластичного клеевого слоя, несущая способность которого ограничена предельной температурой его работоспособности, соответствующей температуре внутренней поверхности оболочки. Теплозащита при этом защищает только внутренний шпангоут и не способна сильно уменьшить для внутренних элементов их максимальный прогрев, определяемый суммарным количеством тепла, поглощенного керамической оболочкой.
Наиболее близким конструктивным решением является конструкция головного обтекателя ракеты (патент РФ № 2337437, МПК H01Q 1/42, опубл. 2008). Выбранная в качестве прототипа конструкция включает керамическую оболочку, соединенную эластичным клеем со шпангоутом, состоящим из переходника, выполненного из металла, согласованного по температурному коэффициенту линейного расширения (ТКЛР) с материалом оболочки, и титанового стыкового элемента, соединенных между собой штифтами и буртами, и герметизирующие элементы, отличающийся тем, что на обтекателе установлена обечайка из жаропрочного материала с зазором относительно наружных поверхностей керамической оболочки и стыкового элемента, при этом в области торцов обечайки установлены пояса из резиноподобного теплостойкого материала, образующие замкнутую воздушную полость, передняя часть которой смещена к носку обтекателя относительно носового торца переходника на величину не менее толщины оболочки, а задняя часть полости смещена к торцу обтекателя относительно хвостового торца переходника на величину, превышающую смещение ее передней части, кроме этого, толщина бурта стыкового элемента в осевом направлении превышает толщину оболочки в области ее торца в 1,5…2,0 раза.
Недостаток этого решения заключается в том, что внешняя теплозащитная металлическая обечайка не имеет механической связи с ответной поверхностью оболочки для снижения теплопередачи между указанными элементами и, соответственно, не является элементом, воспринимающим силовую нагрузку.
Задачей настоящего изобретения является повышение несущей способности конструкции, достигаемое за счет расширения зоны перераспределения усилий от керамической оболочки к присоединяемым элементам с одновременным снижением прогрева внутренних элементов при соответствующем уменьшении распорного взаимодействия между разнородными элементами.
Технический результат изобретениядостигается тем, что предложен:
1. Антенный обтекатель, включающий керамическую оболочку, соединенную эластичным клеем со шпангоутом, состоящим из переходника, выполненного из металла, согласованного по температурному коэффициенту линейного расширения (ТКЛР) с материалом оболочки, и титанового стыкового элемента, соединенных между собой штифтами и буртами, и герметизирующие элементы, на обтекателе установлена обечайка из жаропрочного материала с зазором относительно наружных поверхностей керамической оболочки, которая совместно с поясами из резиноподобного теплостойкого материала образуют замкнутую воздушную полость, отличающийся тем, что в полости, образованной внутренней поверхностью обечайки и наружной поверхностью оболочки, установлен переходной элемент из термостойкого стеклопластика, поверхность контакта с оболочкой которого повторяет форму наружной поверхности оболочки.
2. Антенный обтекатель по п. 1, отличающийся тем, что поверхности контакта оболочки и переходного элемента выполнены с волнообразным профилем, оптимальная конфигурация которого определяется расчетным путем, с учетом упругих характеристик контактирующих деталей и действующего на режиме эксплуатации ракеты максимального уровня комбинированного теплосилового нагружения из условия минимизации продольных перемещений оболочки относительно переходного элемента и обечайки.
3. Антенный обтекатель по п. 1, отличающийся тем, что толщина стенки внутреннего шпангоута рассчитывается из условия минимизации растягивающих напряжений в торце оболочки за счет сохранения формы шпангоута при воздействии теплосиловых нагрузок.
На чертеже представлена реализация предложенного технического решения. Поставленная задача обеспечивается за счет следующих конструктивных решений.
Оболочка (1) из высокотемпературной высокопрочной технической керамики, соединяется по своей внутренней поверхности эластичным термостойким адгезивом (6) с переходным шпангоутом (5), а по наружной поверхности через переходной элемент (3) с обечайкой (2). Обечайка (2) с переходным элементом (3) выполняет двойную функцию: снижает прогрев эластичного термостойкого адгезива (6) и является дополнительным опорным элементом для оболочки (1) при воздействии изгибающего поперечного момента, возникающего в корневых сечениях антенного обтекателя при маневрировании ракеты.
Переходной элемент (3) изготовлен из термостойкого стеклопластика, модуль упругости которого в (4….20) раз меньше модулей упругости материала обечайки (2), внутреннего шпангоута (5) и материала оболочки (1), а также в (100…2000) раз больше модуля упругости эластичного термостойкого адгезива (6). Поверхность контакта переходного элемента (3) с керамической оболочкой (1) выполнена волнообразной, допускающей свободное перемещение в радиальном направлении переходного элемента (3) и обечайки (2) относительно оболочки (1).
Соединение переходного шпангоута (5) с переходным металлическим корпусом (4), предназначенным для крепления к ответному отсеку ракеты, выполнено по байонетному типу, допускающему взаимное радиальное перемещение элементов, а обечайка (1) имеет жесткое закрепление с переходным металлическим корпусом (4).
Параметры кривой, описывающей геометрию профиля сопрягаемых поверхностей переходного элемента (3) и оболочки (1) определяются расчетным путем, с учетом упругих характеристик контактирующих деталей и действующего на режиме эксплуатации ракеты максимального уровня комбинированного теплосилового нагружения из условия минимизации продольных перемещений оболочки (1) на стороне растяжения от действия изгибающего момента и минимизации контактных напряжений на торце оболочки (1) в зоне сжатия.
Сдвиговая жесткость переходного элемента (3) соотносится с модулем сдвига эластичного термостойкого адгезива (6) таким образом, что при максимальном прогреве конструкции и одновременном нагружении продольной сжимающей силой и изгибающим моментом перемещения торца оболочки (1) не превышают величины зазора между торцевой поверхностью оболочки (1) и опорной поверхностью на переходном металлическом корпусе (4).
Толщина стенки внутреннего шпангоута (5) подобрана таким образом, что при действии максимального изгибающего момента и полном прогреве узла заделки деформация шпангоута (5) в районе байонетных выступов крепления к переходному металлическому корпусу (4), не вызывает в торцевой зоне оболочки (1) роста растягивающих напряжений, выше уровня, достигаемого для применяемого материала.
Расчетным путем определяются оптимальные параметры конструкции всех элементов узла соединения керамической оболочки (1), согласно процедуре многофакторной минимизации целевой функции действующих в ней растягивающих напряжений
раст
1
2
n
раст
i
i
i
i
н
в
σ (x, x,…,x) → min < [σ] на некотором множестве (области) n-мерного пространства векторного аргумента x ≤ x ≤ x, i = 1, …, n, в зависимости от вариаций следующих параметров x:
- набора физико-механических и теплофизических свойств рассматриваемых металлических, композиционных и адгезивных материалов;
- геометрии, компоновки и размеров проектируемых деталей;
1
2
n
макс
1
2
n
доп
1
2
n
доп
- с учетом ограничений по массе конструкции m(x, x,…,x) ≤ M, суммарной строительной высоты конструкции h(x, x,…,x) ≤ Н и предельно допустимой температуры к адгезионном слое t(x, x,…,x) ≤ T.
раст
Значение допустимого напряжения материала оболочки (1) [σ] определяется на основе моделей хрупкого разрушения и статистических данных по испытаниям образцов материала.
Эффективность предлагаемого решения для антенного обтекателя путем снижения действующих в слое адгезива сдвиговых напряжений и создания теплового барьера, защиты клеевого соединения и шпангоута от теплового потока в процессе аэродинамического нагрева, действующего на наружную поверхность обтекателя, подтверждена путем проведения серии расчетов различных вариантов исполнения профиля волн на внешней поверхности оболочки при применении в качестве материала переходного композиционного элемента различных пластиков.
Заявляемая конструкция по сравнению с прототипами позволяет существенно повысить эксплуатационные характеристики антенного обтекателя при более высоком уровне теплосилового нагружения.