Результат интеллектуальной деятельности: АНТЕННЫЙ ОБТЕКАТЕЛЬ

Изобретение относится к области авиационно-ракетной техники, преимущественно к конструкциям носовых радиопрозрачных обтекателей, являющихся укрытием от аэродинамического воздействия антенных устройств головок самонаведения (АУ ГСН).

Рост скоростей и длительности полетов современных летательных аппаратов (ЛА), приводящих к значительному нагреву радиопрозрачных оболочек обтекателей, изготавливаемых из керамических диэлектрических материалов, вызвал ряд технических проблем, связанных с обеспечением заданных радиотехнических характеристик (РТХ) в более широкой, чем обычно, полосе частот сантиметрового диапазона длин волн (до 1 ГГц вместо ±1% от F₀) и надежностью функционирования как самого обтекателя, так и размещенной в нем аппаратуры, т.к.:

- большая длительность высокотемпературного аэродинамического воздействия на обтекатель приводит к нагреву АУ ГСН, превышающему допустимый для ее надежного функционирования;

- повышенный нагрев оболочки в зоне узла соединения обтекателя с соседним отсеком ЛА (ракеты) не позволяет использовать в конструкции наиболее оптимальный вариант непосредственного соединения керамической оболочки с металлическим стыковым шпангоутом с помощью термостойких адгезивов.

Нагрев элементов АУ ГСН сверх допустимого обусловлен переизлучением тепла от нагретой до высоких температур внутренней поверхности керамической оболочки (1000-1200°С) в радиопрозрачной зоне. При автономных полетах ракет в течение длительного времени (до 10-15 мин) с возрастанием нагрева наружной поверхности обтекателя на отдельных участках траектории до 1500-1700°C при полуволновой толщине стенки керамической оболочки максимальная температура внутренней поверхности стенки может достигать 1000-1200°C. При таком тепловом состоянии внутри оболочки температура в центре и на периферии зеркала антенны за счет переотражений тепла от внутренней поверхности стенки может достичь 400-450°C, что не приемлемо для обеспечения надежной работы АУ ГСН. Кроме того, при непосредственном соединении оболочки и шпангоута температура в клеевом соединении также повышается до 450-500°C и растягивающие напряжения в оболочке от распора шпангоутом, за счет значительной разницы ТКЛР их материалов, превышают предел прочности керамического материала.

Задача разработки конструкции обтекателя в радиопрозрачной зоне в этом случае сводится к нахождению варианта защиты АУ ГСН от недопустимого нагрева с помощью конструктивно-технологических решений, не снижающих радиотехнические характеристики (РТХ) АУ при прохождении электромагнитных волн через диэлектрическую стенку оболочки, а в зоне узла соединения - снижения прогрева шпангоута с целью ограничения его радиальных тепловых перемещений.

Известна конструкция антенного обтекателя по патенту США №3128466, кл. Н01Q 1/42, 1964, состоящая из керамической оболочки, металлического шпангоута и теплозащитного экрана (ТЗЭ), изготавливаемого в виде плоской пластины из высокопористого теплозащитного материала и устанавливаемого в носовой части керамической оболочки. Недостатком такой конструкции является то, что в ней теплозащитная пластина уменьшает переизлучение тепловой энергии только с той части внутренней поверхности оболочки, которая ограничена теплозащитной пластиной, что не обеспечивает защиту антенны от излучения тепла с остальной поверхности при большой длительности теплового воздействия.

Наиболее близким конструктивным решением является антенный обтекатель по патенту США №5691736, кл. H01Q 1/42, 1997, выбранный в качестве прототипа. Обтекатель включает установленные соосно внешнюю керамическую оболочку, внутреннюю оболочку, выполняющую функцию теплозащитного экрана, и металлический стыковой шпангоут. Теплозащитный экран куполообразной формы выполнен из легкого высокопористого керамического материала и присоединен к керамической оболочке, которая, в свою очередь, соединена со шпангоутом термостойким адгезивом. При этом между керамической оболочкой и внутренней оболочкой образован воздушный зазор, а металлический шпангоут защищен от внешнего нагрева теплозащитным покрытием в виде дополнительной оболочки.

Основным недостатком такого решения является то, что внутренняя однослойная радиопрозрачная оболочка экрана не обеспечивает требуемых радиотехнических параметров защищаемого антенного устройства, работающего в широком диапазоне рабочих частот, а дополнительная оболочка, защищающая металлический шпангоут узла соединения с соседним отсеком ракеты, не гарантирует его от недопустимого прогрева при длительном высокотемпературном аэродинамическом воздействии.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение работоспособности антенного обтекателя в широком диапазоне рабочих частот в условиях высокотемпературного нагрева элементов АУ ГСН и узла соединения, вызванного большой длительностью нестационарного высокотемпературного воздействия на конструкцию.

Поставленная задача решается тем, что предложен:

1. Антенный обтекатель, содержащий керамическую оболочку, металлический стыковой шпангоут и расположенный соосно во внутренней полости оболочки куполообразный радиопрозрачный теплозащитный экран, присоединенный к оболочке, отличающийся тем, что экран выполнен трехслойным, в котором внешние слои изготовлены из термостойкого стеклопластика с диэлектрической проницаемостью ε=3,0-3,5, а внутренний слой - из теплостойкого материала с диэлектрической проницаемостью ε=1,2-1,4 и коэффициентом теплопроводности λ≤0,1 Вт/м·К, на наружную поверхность экрана нанесено теплостойкое покрытие с коэффициентом излучения ε≤0,4, между оболочкой и шпангоутом размещено теплоизоляционное кольцо, жестко присоединенное к экрану или выполненное за одно целое с ним из материала внешних слоев экрана и соединенное с керамической оболочкой и металлическим шпангоутом теплостойким адгезивом.

2. Антенный обтекатель по п.1, отличающийся тем, что внешние слои теплозащитного экрана выполнены из стеклопластика на основе хромалюмофосфатного, полиимидного, кремнийорганического или фенолформальдегидного связующих.

3. Антенный обтекатель по п.1, отличающийся тем, что внутренний слой теплозащитного экрана выполнен из высокопористого теплостойкого материала на основе стеклянного или кремнеземного волокон.

4. Антенный обтекатель по п.1, отличающийся тем, что теплостойкое покрытие наружной поверхности экрана выполнено кремнийорганической или фторопластовой эмалью.

На чертеже представлено продольное сечение антенного обтекателя.

Антенный обтекатель включает керамическую оболочку 1, металлический стыковой шпангоут 2 и теплозащитный экран 3 куполообразной формы со сферической радиопрозрачной частью 4, состоящий из трех слоев - внешних 5 и 6 и внутреннего 7 - и соосно соединенный термостойкими адгезивами 8 и 9 с оболочкой и шпангоутом. Общая толщина экрана δ и толщина внешних слоев 5 и 6 определяются из условий максимального пропускания электромагнитной энергии с минимальными искажениями электромагнитного поля при обеспечении тепловой защиты антенного устройства не выше заданных температур. Внутренний слой 7 изготовлен, например, из пластин или блоков высокопористого теплостойкого материала на основе стеклянного или кремнеземного волокон и уложен во внутренней полости экрана, как показано на выносном элементе А.

Между керамической оболочкой и шпангоутом размещено теплоизоляционное кольцо 10, выполненное отдельно и жестко присоединенное к теплозащитному экрану 3, как показано на выносном элементе Б, или выполнено за одно целое с теплозащитным экраном из материала внешних слоев экрана, как показано на выносном элементе В, и соединенное с оболочкой и шпангоутом термостойким адгезивом.

Внешняя поверхность теплозащитного экрана защищена покрытием с низким коэффициентом излучения, например, кремнийорганической или фторопластовой эмалью белого цвета.

Выбор термостойких адгезивов для соединения элементов конструкции между собой обусловлен уровнем температур на стыке соединяемых деталей. Например, теплоизоляционное кольцо теплозащитного экрана, снижая прогрев шпангоута, может быть соединено с ним эластичным термостойким герметиком типа "Виксинт" У-2-28, а керамическая оболочка, теплозащитный экран по внешней поверхности в нерадиопрозрачной части и теплоизоляционное кольцо - жестким термостойким клеем, например, ВК-58 или ВК-15.

Расчетным путем получено и экспериментально подтверждено, что применение трехслойного радиопрозрачного теплозащитного экрана в предлагаемой конструкции обтекателя позволяет снизить нагрев АУ ГСН до 70-80°С, что допустимо для нормальной работы системы наведения, а теплоизоляционное кольцо в узле соединения позволяет снизить температуру металлического шпангоута до 180-200°С, т.е. до диапазона совместимости ТКЛР материалов оболочки и шпангоута. При этом коэффициент пропускания электромагнитной энергии непосредственно через ТЗЭ в широкой полосе частот (до 1 ГГц) достигает 0,95-0,98, что, в целом, обеспечивает высокие радиотехнические характеристики антенного обтекателя в этом диапазоне.

Достигнутым результатом применения изобретения явилось создание работоспособной конструкции антенного обтекателя для условий повышенного нестационарного аэродинамического воздействия общей длительностью до 10 минут.