Антенный обтекатель

Изобретение относится к области авиационно-ракетной техники, преимущественно к конструкциям радиопрозрачных обтекателей летательных аппаратов, и может быть использовано при разработке керамических головных обтекателей высокоскоростных ракет.

Наиболее распространенной и работоспособной конструкцией головного обтекателя ракеты является конструкция, состоящая из радиопрозрачной керамической оболочки и металлического стыкового шпангоута, соединенных теплостойким адгезивом, воспринимающая внешнюю аэродинамическую нагрузку, создаваемую в полете ракеты. Основная цель при разработке конструкции такого обтекателя состоит в создании работоспособного и надежного в условиях эксплуатации соединения хрупкой керамической оболочки с металлическим силовым шпангоутом, осуществляющим связь обтекателя с соседним отсеком ракеты. Сложность в создании такого соединения обусловлена естественной разницей теплофизических и механических свойств материалов, из которых изготовлены оболочка и шпангоут. Имея природно низкий температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) материала, керамическая оболочка в соединении находится в условиях теплового стеснения шпангоутом, что может привести к ее разрушению от распора. Ряд металлических материалов, из которых возможно изготовление шпангоутов, имеющих ТКЛР, относительно близкий к ТКЛР, например, кварцевой и нитридной керамик только в некотором диапазоне температур, ограничен небольшим количеством титановых и прецизионных железоникелькобальтовых сплавов, обладающих инварным эффектом.

В результате этого, работоспособность конструкции в зоне соединения, выполненного по простой, классической схеме "оболочка - шпангоут", в условиях нестационарного аэродинамического воздействия на обтекатель зависит от правильного сочетания геометрических, жесткостных, теплофизических и других параметров соединяемых элементов.

Имеющийся опыт создания обтекателей показывает, что для определенных условий эксплуатации обтекателей такие оптимальные сочетания обеспечить вполне реально.

Наиболее простой способ обеспечения работоспособности соединения связан с увеличением толщины стенки оболочки в нерадиопрозрачной зоне для снижения нагрева шпангоута, но это приводит к увеличению веса оболочки и не всегда возможно из-за дефицита строительной высоты для компоновки конструкции узла соединения.

Известна, например, конструкция радиопрозрачного антенного обтекателя по патенту РФ №2494504, МПК ⁷H01Q 1/42, 2012, состоящая из керамической оболочки и металлического стыкового шпангоута, соединенных между собой термостойким адгезивом. В такой конструкции радиальный и торцевой зазоры между оболочкой и шпангоутом связаны соотношением через коэффициент пропорциональности, равный отношению наружного диаметра шпангоута к длине клеевого соединения, а также ограничена жесткость передней кромки шпангоута по отношению к изгибной жесткости оболочки в поперечном сечении, проходящем через эту кромку шпангоута.

Недостатком такой конструкции является неопределенность в выборе геометрических параметров (толщины) внутренней полки шпангоута, воспринимающей силовую часть аэродинамической нагрузки (максимальный изгибающий момент) и одновременно распирающей оболочку при нагреве шпангоута, по отношению к оболочке, толщина которой может быть ограничена при изготовлении технологическими трудностями или дефицитом строительной высоты узла соединения. Не определены также условия, которые способствуют наименее напряженному состоянию оболочки при ее тепловом распоре шпангоутом для условий превалирующего теплового воздействия.

Наиболее близким устройством, выбранным в качестве прототипа, является обтекатель по патенту РФ №2168815, МПК H01Q 1/42, 2000, состоящий из керамической оболочки и металлического шпангоута, соединенных между собой эластичным термостойким адгезивом, в котором к шпангоуту присоединен "аккумулятор тепла" для снижения теплового распора оболочки, а в расширяющуюся полость, образованную в носовой части шпангоута, введена эластичная (клеевая) обечайка для снижения жесткости переднего торца шпангоута.

Недостатком такой конструкции является увеличение массы и жесткости внутренней полки шпангоута с увеличением ее толщины, что при длительном аэродинамическом воздействии на обтекатель и значительном прогреве шпангоута усиливает тепловой распор керамической оболочки, а при высокоскоростном нагреве на активном участке траектории приводит к отрыву (отслаиванию) адгезива от оболочки при его недостаточных прочности, и пластичности, и тепловом зазоре, рассчитанном только по максимальному радиальному расширению шпангоута.

Задачей настоящего изобретения является создание работоспособной конструкции антенного обтекателя на основе выбора оптимального сочетания теплофизических характеристик и конструктивных параметров элементов узла соединения.

Поставленная задача решается тем, что предложен:

Антенный обтекатель, содержащий керамическую оболочку и металлический шпангоут, соединенные между собой термостойким адгезивом, отличающийся тем, что оптимальная толщина шпангоута определена, исходя из условия равенства расчетной изгибной жесткости оболочки изгибной жесткости внутренней полки шпангоута в их срединном поперечном сечении, а радиальный тепловой зазор между ними определен при максимальном радиальном расширении шпангоута и увеличен конструктивно для заполнения его термостойким адгезивом с относительным удлинением при растяжении не менее 100% и условной прочностью не менее 1,5 МПа, при этом торцевой зазор между оболочкой и шпангоутом принят, исходя из условия обеспечения герметичности стыка, но не более величины радиального зазора.

Создание работоспособной конструкции антенного обтекателя с узлом соединения достигается за счет того, что подбор геометрических параметров (толщин) оболочки и внутренней полки шпангоута производится на основе оптимального сочетания теплопрочностных характеристик и геометрических параметров элементов соединения, приведенных к характерному сводному параметру - изгибной жесткости Е⋅I в срединном поперечном сечении,

где Е - модуль нормальной упругости материала элемента;

I - момент инерции поперечного сечения элемента.

В классической схеме клеевого соединения "оболочка - шпангоут" керамическая оболочка является более слабым элементом, чем металлический шпангоут, т.к. обладает сравнительно невысокими прочностными характеристиками и повышенной хрупкостью. Поскольку наибольший изгибающий момент в оболочке приходится на узел соединения оболочки со шпангоутом, толщина радиопрозрачной части оболочки, определенная электрическим расчетом, в зоне узла соединения увеличивается, но не более чем в 1,5-1,7 раза. Более прочный металлический шпангоут, изготавливаемый из инварного или титанового сплавов, при нагреве расширяется сильнее, чем оболочка, и оказывает на нее распирающее воздействие, способное разрушить обтекатель. В интервалах относительной совместимости материалов оболочки и шпангоута ТКЛР шпангоута, в среднем, превышает в 4-5 раз ТКЛР оболочки, но это не означает, что шпангоут должен быть пропорционально тоньше оболочки - необходимо учитывать прочностные характеристики материала. Теплопрочностным расчетом узла соединения определяются окружные растягивающие напряжения в керамической оболочке от распора шпангоутом, при этом комплексный параметр Е⋅I наиболее корректно связывает тепло-прочностные и геометрические параметры оболочки и шпангоута.

Величина окружных растягивающих напряжений в оболочке σ_об от распора шпангоутом определяется по известной формуле расчета напряженно-деформированного состояния (НДС) клеевого соединения двух колец:

где α_об, α_шп - максимальные значения ТКЛР оболочки и шпангоута в пределах диапазона совместимости;

δ_об, δ_шп - толщины оболочки и шпангоута в срединном поперечном сечении;

Е_об, Е_шп - модули нормальной упругости материалов оболочки и шпангоута;

Т_об,Т_шп - средние температуры нагрева оболочки и шпангоута.

Для обеспечения минимального значения σ_об необходимо определить оптимальное значение толщины внутренней полки шпангоута. Этого можно достичь, если приравнять изгибные жесткости оболочки и шпангоута, т.е. чтобы в конструкции выполнялось следующее соотношение:

где Е_об⋅I_об - изгибная жесткость оболочки;

Е_шп⋅I_шп - изгибная жесткость шпангоута;

I_об, I_шп - моменты инерции поперечных сечений оболочки и шпангоута.

Из соотношения (2) необходимо определить момент инерции поперечного сечения шпангоута I_шп, в известную из технической механики формулу которого входит толщина поперечного сечения шпангоута δ_шп. Поскольку внешние геометрические параметры обтекателя и оболочки заданы изначально и толщина оболочки уже определена, толщина шпангоута является последним параметром, дополняющим конструкцию узла соединения.

Экспериментально установлено, что, в зависимости от колебаний прочности материала керамической оболочки в интервале ±15% от среднего значения, это соотношение (2) может изменяться в пределах ±10% от номинального значения для температурного диапазона относительной совместимости материалов по ТКЛР, но это практически не сказывается на величине оптимальной толщины шпангоута. При нагреве шпангоута за пределами этого диапазона напряжения в оболочке от распора шпангоутом резко возрастают и должны учитываться при определении суммарного НДС оболочки от аэродинамического воздействия и теплового распора.

Проверочным расчетом по формуле (1) подтверждается минимальное, практически не влияющее на общее НДС оболочки в диапазоне совместимости по ТКЛР материалов, значение окружных растягивающих напряжений в оболочке от распора шпангоутом, соответствующее оптимальному значению толщины нижней полки шпангоута.

С другой стороны, для исключения отслаивания адгезива от оболочки при резком возрастании скорости ракеты на начальном участке траектории и запаздывании нагрева шпангоута, величина зазора S₁ (толщина слоя адгезива), определенная по величине максимального теплового расширения шпангоута, может быть увеличена конструктивно, с учетом того, что относительное удлинение термостойкого адгезива при растяжении должно составлять не менее 100% при условной прочности не менее 1,5 МПа.

На изображении представлено продольное сечение обтекателя в зоне узла соединения.

Антенный обтекатель включает керамическую оболочку 1 и металлический шпангоут 2, соединенные между собой теплостойким адгезивом 3. Длина клеевого соединения L (соответственно - высота шпангоута) определяется прочностным расчетом по величине максимальной силовой нагрузки. Радиальный тепловой зазор S₁ в диапазоне совместимости по ТКЛР материалов оболочки и шпангоута (до 300-320°С для кварцевой керамики, до 350-400°С - для нитридной керамики и ситаллов) конструктивно увеличен, с учетом допускаемого относительного удлинения адгезива при растяжении.

Поскольку зазор S₁ выбирается конструктивно, то зазор S₂ принимается, исходя из необходимости обеспечения герметичности стыка с соседним отсеком, но не должен быть больше теплового зазора S₁ (с учетом деформации адгезива). Достигнутым результатом применения изобретения явилось создание работоспособной конструкции антенного обтекателя для условий высокоскоростного нагрева на начальном участке траектории и повышенного аэродинамического теплосилового воздействия на маршевом участке с превалирующей тепловой нагрузкой.