Антенный обтекатель ракеты из кварцевой керамики и способ его изготовления

Изобретение относится к ракетной технике, а точнее к конструкции и технологии изготовления антенных обтекателей ракет из кварцевой керамики, работающих в сложных климатических условиях, высоких силовых и тепловых нагрузках.

Известно, что кварцевая керамика является одним из перспективных материалов для изготовления антенных обтекателей высокоскоростных ракет благодаря таким свойствам материала, как высокая термостойкость, низкая теплопроводность, малая величина и стабильность диэлектрических характеристик (ε и tgδ) в широком интервале температур и частот (J.D. Walton. Radome engineering Hardbook. NewYork, 1970 г.; Ю.Е. Пивинский, Е.И. Суздальцев. Кварцевая керамика и огнеупоры, 2008, т. 1). Низкая прочность и открытая пористость материала требуют специальных мер по устранению этого недостатка в случае применения его для изготовления антенных обтекателей ракет, работающих в сложных климатических условиях и значительных силовых и вибрационных нагрузках.

В патенте РФ №2090956, кл. HO1Q 1/42, бюл. №26, 20.09.1997 г. предложена конструкция антенного обтекателя ракеты, где с целью повышения динамической и статической прочности обтекателя керамическая оболочка из кварцевой керамики прикреплена к переходному кольцу металлического шпангоута при помощи слоя герметика, а само кольцо выполнено из инварового сплава с КТР, близким к значению КТР керамической оболочки. Предложенная конструкция нашла широкое применение, но она не решает всех вопросов по несущей способности тонкостенного обтекателя, герметичности обтекателя из пористых материалов и др.

Известна конструкция антенного обтекателя из пористой кварцевой керамики по патенту РФ №2256262, кл. HO1Q 1/42, бюл. №19, 10.07.2005 г., согласно которому с целью упрочнения и герметизации керамической оболочки с открытой пористостью 10-12% ее пропитывают органополимером, например олигомером МФСС-8 с молекулярным весом 2900 на глубину 1-2 мм с внутренней и наружной поверхности и полимеризуют при температуре 325°C.

Недостатком конструкции и технологии ее изготовления является необходимость повторной радиодоводки оболочки после завершения процесса пропитки, герметизации с двух сторон.

Наиболее близким техническим решением (прототип) является конструкция и способ изготовления антенного обтекателя из кварцевой керамики согласно патенту РФ №2267837, кл. HO1Q 1/42, бюл. №01, 10.01.2006 г. Антенный обтекатель ракеты по прототипу представляет собой полуволновую конструкцию из пористой кварцевой керамики с кольцевыми трапециевидными проточками по внутренней поверхности для достижения требуемых РТХ оболочки, которая потом пропитывается кремнийорганическим олигомером ТМФТ на глубину до 0,05 рабочей длины волны антенны и полимеризуется при t=220±10°C, а на внешнюю поверхность нанесли влагозащитное покрытие толщиной 50-80 мкм из слоев эпоксидной грунтовки ЭП-0101 и фторопластовой эмали ФП-566 с последующей полимеризацией.

Небольшая глубина пропитки по внутренней поверхности и предусмотренные для снижения угловых ошибок трапециевидные проточки, а также нанесение на внешней поверхности сравнительно тонкого (50-80 мкм) влагозащитного покрытия обеспечивают получение высоких РТХ и особенно на этапе автономного полета после уноса покрытия. Такая конструкция обтекателя и способ его изготовления нашли широкое применение для высокоскоростных ракет. Но при более длительном нагреве на небольших высотах требуется сохранение органического компонента обтекателя, так как условия по герметизации и влагозащите обтекателя остаются. Кроме того, в связи с увеличением времени прогрева керамической оболочки возникает проблема теплозащиты зоны стыковки керамической оболочки с металлическим шпангоутом. Не снижаются и радиотехнические требования.

Задачей изобретения является повышение радиотехнических, прочностных и теплозащитных характеристик керамической оболочки антенного обтекателя и способа его получения, успешно работающего в нижних слоях атмосферы при повышенной влажности.

Поставленная задача решается тем, что антенный обтекатель ракеты из кварцевой керамики, включающий радиопрозрачную оболочку из пористой кварцевой керамики, упрочненную и герметизированную органополимером и соединенную с металлическим шпангоутом из инварового сплава при помощи герметика, отличается тем, что оболочка представляет собой резонансную конструкцию с утолщением стенки в зоне крепления шпангоута на 15-45% по сравнению с радиопрозрачной зоной с целью повышения прочностных и теплозащитных свойств оболочки и увеличением осевой толщины носка внутрь оболочки до (0,3-1,0) λ - рабочей длины волны антенны для улучшения РТХ обтекателя, выполненного из кварцевой керамики плотностью 1,97-2,01 г/см³, прочностью при изгибе не ниже 50 МПа после упрочнения и герметизации по внутренней и наружной поверхности органополимером на общую толщину (глубину) не более 0,1 λ.

Способ изготовления антенного обтекателя ракеты из кварцевой керамики, включающий формование керамической заготовки методом шликерного литья в гипсовой форме, сушку, обжиг и механическую обработку алмазным инструментом до заданных размеров, герметизацию и упрочнение органополимером, соединение оболочки с металлическим шпангоутом из инварового сплава при помощи герметика, отличается тем, что формование керамической оболочки осуществляют из водного шликера кварцевого стекла с содержанием SiO₂ не менее 99,9% при влажности 13-16% полидисперсного зернового состава с размером частиц в пределах 0,1-500 мкм, а спекание производят по режимам, исключающим образование в материале кристобалита до плотности 1,97-2,01 г/см³, после чего производят механическую обработку изделия алмазным инструментом до заданных размеров и толщины стенки с утолщением в зоне шпангоута и носка, а также нанесение и пропитку пористой оболочки органополимером, например ТМФТ, МФСС-8, по внутренней поверхности и фторопластовыми или кремнийорганическими эмалями по наружной поверхности до общей толщины не более 0,1 λ.

Отличительные признаки предложенного технического решения и пути решения поставленной задачи

1. С целью улучшения радиотехнических, прочностных и теплозащитных характеристик тонкой керамической оболочки в ее конструкции предусмотрено увеличение толщины стенки в зоне крепления шпангоута на 15-45%, изменена конструкция носовой части оболочки - увеличена высота носка по оси оболочки до (0,3-1,0)λ, что обычно составляет 15-30 мм.

2. Для получения качественных оболочек обтекателей из кварцевой керамики оптимизирована технология получения и свойства:

- в качестве исходного сырья использовано кварцевое стекло без следов кристобалита с высоким содержанием SiO₂ (не менее 99,9%);

- влажность водного шликера 13-16% с полидисперсным зерновым составом частиц в пределах 0,1-500 мкм, что обеспечило хорошие реологические свойства шликера для формования сравнительно тонкостенных изделий;

- формование керамической заготовки осуществляется с применением формовых устройств по патенту РФ №2452618, кл. В28В 1/26, бюл. №16, 10.06.2012 г., позволяющих получать качественные керамические отливки, в том числе и разнотолщинные;

- спекание (обжиг) керамических заготовок производят по режимам, обеспечивающим получение материала с достаточно высокой плотностью 1,97-2,01 г/см³ и исключающим образование кристаллических фаз SiO₂ в материале изделий (режим обжига подбирается экспериментально для каждого поставщика стекла).

3. Ограничена и оптимизирована глубина (толщина) пропитки и нанесения органополимера для упрочнения и герметизации пористой керамической оболочки до толщины 0,1 λ излучения, обеспечивающей достижение прочности при изгибе не менее 50 МПа и стабильные, требуемые радиотехнические характеристики обтекателя.

На фиг. 1 изображен общий вид предлагаемого антенного обтекателя ракеты, состоящий из керамической оболочки (1), упрочненной по внутренней поверхности органополимером (4) и соединенной с металлическим шпангоутом (2) герметиком (3), и влагозащитного покрытия (5).

На фиг. 2 показан характер угловой ошибки в диапазоне прокачки антенны ±15° для антенного обтекателя представленной конструкцией (а) и обтекателя обычной одномерной стенки (б). Пунктиром на фиг. 1 изображены внутренние обводы керамической оболочки (1) по прототипу в зонах носка и металлического шпангоута. За счет изменения конструкции носка - увеличения осевой толщины носка внутрь оболочки, удалось значительно уменьшить величину угловой ошибки обтекателя. Улучшаются и другие РТХ обтекателя - крутизна угловой ошибки, радиопрозрачность. Пропорционально увеличению толщины стенки оболочки в зоне шпангоута возрастают прочностные характеристики обтекателя, повышается теплозащита инварового шпангоута и надежность работы всего узла.

Пример выполнения способа изготовления изделий.

Технология изготовления антенных обтекателей по предложенному техническому решению включает следующие этапы.

1. Из кварцевого стекла с содержанием SiO₂ не менее 99,9% готовили водный шликер путем мокрого помола боя стекла при содержании воды в пределах 13-16% до размера зерна 0,1-500 мкм. Верхний размер частиц твердой фазы суспензии ограничивали процеживанием через сетку с ячейкой 500 мкм. Содержание воды в шликере оптимизировалось исходя из обеспечения хороших литейных свойств, необходимых для литья сравнительно тонкостенных оболочек (вязкость в пределах 40-75 с по В3-246, сопло 4 мм). Контроль зернового состава осуществляли рассевом на ситах и методом седиментации.

2. Изделия формовали наиболее простым и доступным способом - методом водного шликерного литья в гипсовых формах. В полость между гипсовой формой и пассивным сердечником, рабочие поверхности которых выполнены по профилю формуемых заготовок, заливали шликер и выдерживали для полного набора керамической заготовки. Контроль завершения набора осуществляли УЗ-датчиком. Для формования разнотолщинных оболочек использовали формовые комплекты, изложенные в патенте РФ №2452618, кл. В28В 1/26, бюл. №16, 10.06.2012 г.

3. Высушенные заготовки обжигали в электрических печах с силитовыми нагревателями и вращающимся подом типа ТСБ 71 или (в зависимости от требований по однородности материала в оболочке) печах фирмы Nabertherm N1150/Н и N1500/H по температурно-временным режимам, обеспечивающим получение материала с плотностью 1,97-2,01 г/см³ и отсутствие следов кристобалита.

4. Затем производили механическую обработку изделий и образцов для контроля свойств конкретной оболочки. Изделия обрабатывали алмазным инструментом (круги отрезные и шлифовальные, зенкеры, фрезы) на токарных станках типа 1М63, РТ6603 с копировальными устройствами или на специальных станках, например СА600 (800) с ЧПУ. Оптимизированы технологические параметры резания для изделий из кварцевой керамики плотностью 1,97-2,01 г/см³, основным из которых является глубина введения инструмента, которая должна быть не более 2 мм. С увеличением глубины резания плотная кварцевая керамика более склонна к разрушению, образованию трещин. Толщину стенки изделия контролировали на специальной установке с индикаторами часового типа, а профиль оболочки - на координатно-измерительной машине FaroArt.

5. После сушки и контроля, заготовки поступали на пропитку по внутренней поверхности ацетоновыми растворами кремнийорганических олигомеров ТМФТ ТУ 6-02-933-74 или МФСС-8 ТУ 6-02-1352-87 плотностью 0,95-0,98 г/см³. Глубина пропитки 0,5-2 мм регулируется временем нахождения изделия в пропиточной установке ОТА424, которое для такого класса изделий принятой плотности (пористости) материала находится в пределах 15-30 с. Затем оболочку сушат, термообрабатывают по режиму полимеризации используемого органополимера и производят полное измерение радиотехнических характеристик (коэффициент прохождения, угловые ошибки и градиент угловых ошибок). При необходимости, производится радиодоводка путем плавного профилирования наружной поверхности оболочки алмазным инструментом или алмазной шкуркой.

6. Последним этапом изготовления оболочки обтекателя из кварцевой керамики является нанесение влагозащитного покрытия, например, состоящего из одного слоя эпоксидной грунтовки ЭП-0101 и 1-2 слоев фторопластовой эмали ФП-566. Тонкий и равномерно нанесенный по всей оболочке слой покрытия заметно не ухудшает РТХ оболочки, а при необходимости корректировки предложенное покрытие легко снимается или наращивается, так как температура полимеризации эмали невысокая (до 100°C).

Сборка оболочки с металлическим инваровым шпангоутом производилась по известной технологии путем приклейки шпангоута к посадочной зоне оболочки, включая этапы обезжиривания поверхностей, склейки нефрасом, приготовление герметика Виксинт У-2-28 непосредственно перед его применением, нанесение герметика шпателем на зоны склейки оболочки и шпангоута. Стыковка оболочки со шпангоутом и вулканизация герметика производятся на стапеле при температуре от 17 до 30°C не менее 24 часов.

Предложенная конструкция антенного обтекателя и технология его изготовления обеспечивают получение антенных обтекателей ракет из кварцевой керамики, работающих в плотных слоях атмосферы и сложных климатических условиях.