Результат интеллектуальной деятельности: УЗЕЛ КРЕПЛЕНИЯ КЕРАМИЧЕСКОЙ ОБОЛОЧКИ АНТЕННОГО ОБТЕКАТЕЛЯ С МЕТАЛЛИЧЕСКИМ ШПАНГОУТОМ

Изобретение относится к области авиационной и ракетной техники, преимущественно к разработке и производству радиопрозрачных обтекателей летательных аппаратов.

Из опубликованных источников известен узел крепления керамического обтекателя с металлическим шпангоутом соединения по патенту РФ №2231875, МПК ⁷ НО1 Q/42, опубл. 27.06.2004, в котором соединенный компаундом металлический элемент с неметаллическим выполнен в виде аккумуляторов тепла, жестко связанных между собой или выполненных как одно целое и равномерно расположенных по периметру, между которыми расположены термокомпенсирующие перемычки зетового профиля.

В такой конструкции, когда геометрические размеры площади склейки в местах соединения аккумуляторов тепла с внутренней поверхностью оболочки много больше толщины клеевого соединения, упругий клей ведет себя как несжимаемая жидкость, так как выход клея, выталкиваемого при сжатии, прекращается от свободного края шпангоута на расстоянии 3-5 толщин клеевого слоя, а влияние перемычек на снижение напряжений в оболочке за счет выталкивания в них избытка клея незначительно. Это недостаток всех замкнутых клеевых соединений с упругими адгезивами.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является узел крепления керамического обтекателя с металлическим корпусом летательного аппарата согласно патенту РФ №2258283 МПК 7 H01 Q/42, опубл. 10.08.2005. Указанная конструкция включает металлический шпангоут, в котором равномерно по окружности выполнены сквозные металлические пазы, соединенные с керамической оболочкой эластичным термостойким клеем.

К недостаткам данной конструкции относится то, что расстояние между пазами значительно превышает толщину клеевого слоя. По этой причине происходит неравномерное распределение воздействия упругого клея на шпангоут. В местах отсутствия прорезей из-за того, что площадь соединения клеевого слоя со стороны шпангоута достаточно большая, клей работает как несжимаемая жидкость, а в прорезях сила воздействия шпангоута на оболочку практически равна нулю. Вследствие этого, а также вследствие уменьшения жесткости шпангоута в окружном направлении, такая конструкция обладает достаточно большой неустойчивостью при одновременном воздействии силовой и тепловой нагрузок.

Задачей предлагаемого технического решения является повышение прочности узла соединения керамической оболочки с металлическим шпангоутом при теплопрочностных нагрузках и улучшение технологии изготовления.

Поставленная задача достигается тем, что узел крепления керамической оболочки антенного обтекателя с металлическим шпангоутом включает керамическую оболочку и металлический шпангоут, соединенный с керамической оболочкой по сопрягаемым поверхностям слоем эластичного термостойкого адгезива, отличающийся тем, что в шпангоуте выполнены равномерно расположенные по окружности отверстия, плотность распределения которых в осевом направлении для области соединения оболочки со шпангоутом пропорциональна величине распорных усилий, передаваемых от шпангоута к оболочке, при этом радиусы описанных окружностей отверстий выбираются из условия:

R≥5H,

где R - радиус описанной окружности,

Н - толщина адгезива.

Общий вид узла крепления керамической оболочки с металлическим шпангоутом представлен на фигуре 1, на котором керамическая оболочка 1 и металлический шпангоут 2 соединены термостойким адгезивом 3. В шпангоуте выполнены отверстия 4 и 5 различной формы.

Работоспособность узла крепления керамической оболочки со шпангоутом при прогреве последнего определяется неравенством:

где K - коэффициент податливости адгезива; Δ - изменение толщины клеевого упругого слоя; Т_щ, Т_к - температура шпангоута и керамической оболочки; α_ш, α_к - КТЛР материала шпангоута и керамики; δ - толщина керамической оболочки в зоне склейки; h - ширина клеевого слоя; [σ_к] - предел прочности керамики при растяжении; S_k=2×π×R×h - проекция участка клеевого слоя протяженностью h на плоскость, проходящую через ось вращения обтекателя, где R - внутренний радиус оболочки в области соединения с шпангоутом.

Из неравенства вытекает, что при уменьшении S_k запас прочности по растягивающим напряжениям увеличивается (условие выполнения неравенства удовлетворяется при меньших значениях [σ_к]), если при этом не изменится температурный режим металлической части шпангоута. При этом S_k можно уменьшить за счет снижения площади соединения со стороны шпангоута. Самым простым способом ее уменьшения является выполнение в шпангоуте отверстий различной формы в шпангоуте в области соединения с оболочкой, при этом с учетом условий нагружения обтекателя, отверстия должны быть выполнены осесимметрично и, либо равномерно по высоте шпангоута, либо с переменным шагом, при котором количество распределения отверстий в поперечных сечениях по высоте шпангоута пропорционально величине механических напряжений в керамической оболочке в области склейки. Вместе с тем, оптимальный шаг между отверстиями определяется диаметром отверстий, изгибной жесткостью металлического шпангоута и толщиной слоя клея-адгезива.

Температурное поле шпангоута с выполненными в нем отверстиями меняется незначительно, так как количество тепла, которое передается шпангоуту при одностороннем нагреве, определяется площадью зоны склейки и тепло-массовыми характеристиками каждого из материалов конструкции.

Наличие отверстий в полке шпангоута приводит к тому, что при склейке шпангоута с керамической оболочкой отверстия заполняются адгезивом, теплопроводность которого более чем на порядок ниже теплопроводности металла, что дает основание сделать допущение о наличии условий адиабатности на внутренних поверхностях отверстий в металле.

Для подтверждения вышесказанного были проведены предварительные расчеты типовой конструкции узла соединения, в которых было проведено исследование зависимостей уровня снижения растягивающих напряжений в керамической оболочке, определяющих общую несущую способность конструкции, от вариаций выполнения отверстий - диаметра их окружности, расстояния между ними как по окружности, так и по высоте металлического шпангоута. Результаты расчетов показаны на фигурах 2 и 3, где представлены графики зависимостей растягивающих напряжений в керамической оболочке от расстояния по окружному и осевому направлениям.

Таким образом, расчетным путем было показана возможность снижения максимальных растягивающих напряжений, возникающих в керамической оболочке от распора внутренним металлическим шпангоутом, более чем в 2 раза.

Другой аспект предлагаемого изобретения заключается в том, что равномерное распределение отверстий в шпангоуте дает возможность применять упругие клеи-эластомеры с меньшей адгезионной способностью к металлу шпангоута или, например, при частичной или полной деструкции подслоев, наносимых на склеиваемые поверхности. Адгезив, заполняющий отверстия, образовывает своего рода полимерные заклепки, являющиеся соединительными элементами между слоем адгезива в целом и стенками отверстий в шпангоуте вплоть до полной деструкции адгезива. Кроме того, предложенное техническое решение позволяет применить более жесткие герметики или их композиции.

Варианты реализации способа для случая двухкратного уменьшения площади S_k металлического шпангоута приведены в таблице. Отверстия на поверхности шпангоута располагались в шахматном порядке.

Внедрение данного технического решения позволит модернизировать конструкции уже разработанных обтекателей с минимальными затратами.

Экспериментальная отработка способа подтвердила повышение термостойкости существующих керамических обтекателей.