Результат интеллектуальной деятельности: Антенный обтекатель

Изобретение относится к области авиационной и ракетной техники, и может быть использовано преимущественно в конструкциях радиопрозрачных антенных обтекателей, являющихся укрытием от аэродинамического воздействия антенных устройств головок самонаведения (АУ ГСН).

Надежность нормального функционирования АУ ГСН напрямую зависит от возможностей обтекателя в части защиты от внешних воздействий размещенной в нем аппаратуры. С ростом скоростей и длительности полета ракет, задача обеспечения работоспособности антенного устройства постоянно усложняется, что обусловлено растущим нагревом внутренней поверхности керамической оболочки обтекателя, сопровождающимся излучением тепла в полость обтекателя. Тепловое излучение внутренней поверхности оболочки приводит к нагреву открытого антенного устройства, расположенного во внутренней полости обтекателя, снижению радиотехнических характеристик и нарушению устойчивой работы системы наведения. Согласно [РФ 2679483, кл.МПК H01Q 1/42, 2018], нарушение нормального функционирования АУ ГСН возможно при нагреве внутренней поверхности оболочки до температур свыше 500 °С, если не обеспечить защиту элементов АУ от радиационного нагрева. Для защиты от воздействия радиационного нагрева зеркала антенны и элементов волноводного тракта требуется установка внутри оболочки дополнительных элементов конструкции, не снижающих радиотехнические характеристики (РТХ) системы при прохождении электромагнитной энергии через диэлектрическую стенку внешней керамической оболочки.

Известна конструкция антенного обтекателя по патенту [US 5691736, кл.H01Q 1/42, 1997], включающая установленные соосно внешнюю теплозащитную (керамическую) оболочку, вторичную внутреннюю теплозащитную оболочку, выполняющую функции теплозащитного экрана (ТЗЭ).

Основным недостатком такой конструкции является то, что при длительном высокотемпературном аэродинамическом воздействии на обтекатель однослойный теплозащитный экран из керамического материала плотностью 1,0-1,2 г/см³ не способен обеспечить защиту элементов АУ от радиационного нагрева.

Известна конструкция антенного обтекателя по патенту [РФ 2679483, кл.МПК H01Q 1/42, 2018]. Обтекатель, содержит керамическую оболочку и расположенный соосно с ними во внутренней полости оболочки куполообразный радиопрозрачный теплозащитный экран, наружная поверхность которого пропитана кремнезолем на глубину до 2 мм с последующим заполнением пор аморфным диоксидом кремния и (или) на нее нанесено диффузно-отражающее покрытие на основе диоксида кремния толщиной 0,5-1,5 мм. Недостатком такой конструкции является то, что керамическое диффузно-отражающее покрытие, наносимое на поверхность экрана, изготавливается на основе диоксида кремния, что не позволяет ему эффективно отражать тепловое излучение в диапазоне длин волн 2,5 - 15 мкм, из-за высокого поглощения излучения диоксидом кремния в данном спектральном диапазоне. При этом, на данный спектральный диапазон приходится более 50% энергии теплового излучения при температуре излучающей внутренней поверхности керамической оболочки до 1300°С. Соответственно, покрытие на основе диоксида кремния не может обеспечить эффективную защиту поверхности экрана от радиационного нагрева со стороны внутренней поверхности керамической оболочки.

Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения является конструкция антенного обтекателя согласно патенту [РФ №2536360, кл.МПК H01Q 1/42, 2014].Обтекатель содержит керамическую оболочку и расположенный соосно во внутренней полости оболочки куполообразный радиопрозрачный теплозащитный экран. На наружную поверхность экрана нанесено теплостойкое покрытие, представляющее собой кремнийорганическую или фторопластовую эмаль.

Недостатком такой конструкции является то, что в условиях радиационного нагрева экрана излучением внутренней поверхности оболочки обтекателя, кремнийорганические и фторопластовые эмали разлагаются, начиная с температур 200 - 400 °С с выделением углерода и образованием значительного количества газов. При этом изменяются диэлектрические параметры экрана, что приводит к снижению коэффициента прохождения электромагнитной энергии в самом экране и, в целом, в обтекателе. Кроме того, эмали на основе кремнийорганических соединений или фторопластов имеют значительное поглощение в средней и ближней ИК области длин волн (2,5 – 10 мкм). Колебания присутствующих в силоксанах связей C-H, Si-H, Si-OH дают сильные полосы поглощения в районе 3 – 3,1, 4 – 5 и 2,7 – 3,3 мкм соответственно [P.J.Launer.InfraredAnalysisofOrganosiliconCompounds: Spectra-StructureCorrelations // SiliconeCompoundsRegisterandReview / B.ArklesPetrarchSystems, 1987. C. 100-103.]. Наличие указанных полос поглощения делает малоэффективным использование кремнийорганических соединений в качестве отражающих покрытий в конструкциях тепловых экранов антенных обтекателей.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение работоспособности антенного обтекателя в условиях высокотемпературного нагрева элементов АУ ГСН, вызванного большой длительностью нестационарного высокотемпературного воздействия на конструкцию.

Поставленная задача решается за счет того, что предложен:

1. Антенный обтекатель, содержащий керамическую оболочку и расположенный соосно во внутренней полости оболочки куполообразный радиопрозрачный теплозащитный экран, на наружную поверхность которого нанесено теплостойкое покрытие, отличающийся тем, что покрытие толщиной в диапазоне 0,01-5 мм выполнено в виде жаростойкого материала с областью прозрачности в диапазоне длин волн 1-7 мкм или шире, содержащего равномерно распределенные в объеме с объемной долей в диапазоне 10 – 90 % рассеиватели в виде пор, имеющих средний размер в диапазоне 0,5 - 20 мкм, и обеспечивающее отражение излучения со спектральным коэффициентом диффузного отражения не менее 0,6 в диапазоне длин волн 1-7 мкм или шире.

Использование покрытия, обладающего заявленными свойствами, позволяет существенно уменьшить долю теплового излучения внутренней поверхности оболочки обтекателя, поглощаемую поверхностью теплозащитного экрана в диапазоне длин волн 1-7 мкм и тем самым, уменьшить тепловой поток, проходящий от поверхности обтекателя на объект защиты.

Можно выделить два механизма отражения от границы слоя материала. Первый механизм определяется френелевским отражением от поверхности. Второй - обусловлен рассеянием излучения в направлении противоположном направлению падения излучения на неоднородностях показателя преломления, например порах. Данный механизм отражения имеет место в слоях прозрачных для излучения материалов, содержащих поры. Такие материалы называют частично прозрачными. Использование преимущественно отражения по второму механизму составляет физическую основу принципа действие отражающего покрытия, составляющего суть технического решения.

Для обоснования отличительного признака технического решения в части спектральных диапазонов прозрачности материала и отражения покрытия (1 – 7 мкм или шире), проведен расчет доли теплового излучения приходящейся на спектральный диапазон ( - )для различных значений по формуле:

(1)

где принималось, =60 мкм – спектральная плотность излучения абсолютно черного тела, , – длина волны и температура соответственно. Рассчитанные по формуле (1) зависимости приведены нафиг.1. Доля теплового излучения, приходящаяся на спектральный диапазон 1 - мкм рассчитана для значений : 2,5 , 5,7,10 и 15 мкм. Приведенные на фиг.1 результаты показывают, что при температуре внутренней стенки оболочки в диапазоне 600 – 2000 ^оС спектр теплового излучения лежит преимущественно в диапазоне длин волн
1 – 7 мкм или шире, на которую приходится не менее 70% энергии теплового излучения. Поэтому для увеличения эффективности тепловых экранов обосновано использование покрытий отражающих в диапазоне длин волн 1 – 7 мкм или шире, что обуславливает отличительный признак предлагаемого технического решения. В соответствии с отражением по второму механизму (объемное рассеяние) материал, используемый для создания покрытия должен быть прозрачным в диапазоне длин волн 1 – 7 мкм или шире, что обуславливает отличительный признак предлагаемого технического решения.

Для частично прозрачных материалов характерна зависимость спектрального коэффициента диффузного отражения от оптической толщины слоя материала. Оптическая толщина слоя равна отношению толщины слоя ()к длине свободного пробега излучения между актами рассеяния ():

(2)

На фиг.2 приведена зависимость коэффициента диффузного отражения от оптической толщины слоя, рассчитанная методом Монте-Карло в соответствии с теорией переноса излучения для частично прозрачного материала без поглощения. Из приведенных на фиг.2 данных видно, что при оптической толщине слоя равной 10 и более, слой будет отражать не менее 80% падающего излучения. Таким образом, в соответствии с (2) и фиг.2, за «необходимую» толщину покрытия () можно принять толщину покрытия в 10 раз превышающую длину свободного пробега излучения в материале:

(3)

При толщине покрытия () не меньшей, чем «необходимая» толщина, покрытие будет обеспечивать отражение на уровне не менее чем 80% от максимально возможного отражения для данного материала:

(4)

Толщина покрытия определяется совокупностью диэлектрических, теплофизических и оптических свойств конструкции обтекателя в целом, поэтому при реализации технического решения, свойства материала покрытия должны быть подобраны в соответствии с неравенством (4). Согласно теории Ми, длина свободного пробега излучения зависит от размеров рассеивателей, их объемной доли и длины волны излучения. Для обоснования отличительного признака технического решения в части использования рассеивателей со средними размерами в диапазоне 0,5 – 10 мкм и диапазона значений объемной доли пор 10 – 90%, на фиг.3Б-В приведены результаты моделирования «необходимой» толщины покрытия от длины волны падающего излучения для различного среднего значения размера пор и объемной доли пор.

На фиг. 3А приведены распределения пор по размерам для значений среднего размерам пор 0,5 , 1, 3, 5, 10 мкм, использованные для расчета.

На фиг.3Б и фиг.3В приведены зависимости «необходимой» толщины покрытия от длины волны для объемной доли пор в покрытии 10 и 20% соответственно, для распределений пор по размерам, приведенных на фиг. 3А, со средним размером пор 0,5 , 1, 3, 5, 10 мкм.

На фиг. 3Г приведены зависимости «необходимой» толщины покрытия от длины волны для различных значений объемной доли пор 10, 20, 30, 40 и 50% при фиксированном распределении пор по размерам со средним размером 5 мкм.

Величина свободного пробега оценивалась в соответствии с описанным в [Р.А.Миронов, М.О.Забежайлов, М.Ю.Русин, В.В.Черепанов, С.П.Бородай. Расчет оптических свойств кварцевой керамики на основе данных о ее структуре // Теплофизика высоких температур. - 2018. - T. 56, № 1. - C. 41-49.] подходом на основе теории Ми и модели независимых рассеивателей. Величина рассчитывалась по формуле (3). Из приведенных на фиг.3Б данных видно, что «необходимая» толщина покрытия, размер пор и объемная доля пор взаимосвязаны. Поэтому, в зависимости от требований, предъявляемых к толщине покрытия, могут быть подобраны размеры пор и их объемная доля для обеспечения условия (4) во всем спектральном диапазоне 1 – 7 мкм или шире. При фиксированных размерах пор и их объемной доли, в соответствии с (4) должна быть выбрана толщина покрытия. Для обеспечения эффективного отражения в области длин волн 1 – 7 мкм при минимальной толщине покрытия, предпочтительно, чтобы размер пор лежал в интервале 0,5 – 10 мкм. Таким образом, приведенные данные обуславливают применение для создания покрытий материалов с размерами рассеивателей 0,5 – 10 мкм, что является отличительной особенностью предлагаемого технического решения.

Можно привести пример определения параметров покрытия. Если в соответствии с технологическими требованиями, толщина покрытия должна быть мм. В спектральном диапазоне 1 – 7 мкм неравенство (4) может быть соблюдено либо созданием покрытия с объемной долей пор не менее 20% со средним размером пор, лежащем в диапазоне 3 – 10 мкм (фиг.3Г), либо созданием покрытия с объемной долей пор 10% и средним размером пор 10 мкм.

Можно привести другой пример определения параметров покрытия. Если технология нанесения и получения покрытия не позволяет создавать покрытие с объемной долей пор более 10% и средним размером отличным от 0,5 мкм, то в соответствии с фиг.2, фиг.3Г и формулами (2-4), для обеспечения эффективного отражения в диапазоне длин волн 1 – 7 мкм, толщина покрытия должна быть не менее 2 мм.

Указанные отличительные признаки являются существенными, поскольку позволяют решить поставленную задачу. Использование отличительных признаков в известных решениях не обнаружено, что характеризует соответствие технического решения критерию «новизна».

Единая совокупность новых признаков с общеизвестными обеспечивает решение поставленной задачи с достижением нужного технического результата и характеризует предложенное техническое решение как имеющее существенные отличия с известным уровнем техники и аналогами. Данное решение является результатом научно-исследовательской и экспериментальной работы по разработке способа защиты АУ ГСН от радиационного нагревасо стороны внутренней поверхности оболочки обтекателя в условиях гиперзвукового режима полета.

В качестве примера совокупного действия указанных отличительных признаков на кривой (3) фиг. 4 приведены данные по спектральной зависимости коэффициента диффузного отражения покрытия, полученного на основе оксида иттербия. Данное покрытие реализует технические решения патента, так как оксид иттербия имеет область прозрачности не уже 1 - 7 мкм, покрытие имеет пористость 50 – 70% и по данным ртутной порозиметрии содержит более 90% пор с размерами в диапазоне 0,5 – 10 мкм. Покрытие обеспечивает значение спектрального коэффициента диффузного отражения не менее 0,6 в диапазоне длин волн 1 – 7 мкм (фиг. 4 кривая (3)). Для сравнения также приведены спектральные коэффициенты диффузного отражения материалов, используемых для изготовления тепловых экранов [РФ 2536360, кл. МПК H01Q 1/42, 2014; РФ 2679483, кл. МПК H01Q 1/42, 2018]: теплоизоляции на основе волокон диоксида кремния (Фиг.4 кривая (2)) и неорганического композита на основе кварцевой ткани и хромалюмофосфатнго связующего (фиг.4 кривая (1)).

Эффект от применения покрытия на основе оксида иттербия в конструкциях антенных обтекателей был оценен путем численного моделирования и показан на фиг. 5. На фиг.5 приведена температура снаружи и внутри оболочки в носовой части (1,2), снаружи и внутри оболочки в области над экраном (3,4); снаружи и внутри экрана, на объекте защиты в случае без покрытия (5,6,7); снаружи и внутри экрана, на объекте защиты в случае c покрытием на границе 5 (5’,6’,7’). Численно показано, что применение такого покрытия с внешней стороны теплозащитного экрана по оценкам, произведённым в условиях приведенного примера, позволит снизить в определённые моменты времени температуру наружной поверхности экрана на 570 °С (~50%), внутренней поверхности экрана на 200 °С (~45%), в центре зеркала антенного устройства на 75 °С (~35%).