Результат интеллектуальной деятельности: Антенный обтекатель

Изобретение относится к области авиационно-ракетной техники, преимущественно к конструкциям носовых радиопрозрачных обтекателей с оболочками, изготавливаемыми из термостойкой конструкционной керамики, обеспечивающих защиту антенных устройств головок самонаведения ракет (АУ ГСН) от аэродинамического теплосилового воздействия в автономном полете ракеты.

Основной проблемой создания работоспособного и надежного во всех условиях эксплуатации такого обтекателя является разработка конструкции узла стыковки хрупкой керамической оболочки с металлическим шпангоутом, обеспечивающим соединение обтекателя с соседним отсеком ракеты.

Эта проблема обусловлена сложностью соединения керамической оболочки, диэлектрический материал которой имеет низкий температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР) и невысокие прочностные характеристики, с металлическим шпангоутом, материал которого, напротив, имеет более высокие ТКЛР и модуль нормальной упругости. Их непосредственное соединение, например, с помощью термостойкого адгезива в условиях повышенного нагрева при эксплуатации приводит к разрушению керамической оболочки, чаще всего от теплового распора шпангоутом.

В ракетной технике в последнее время находят применение новые конструктивно-технологические решения по созданию обтекателей, в которых для снижения теплового воздействия шпангоута на керамическую оболочку уже используются установленные между ними промежуточные элементы, обладающие относительно невысокой жесткостью. Это позволяет уменьшить прогрев шпангоута, демпфировать его радиальные тепловые перемещения и обеспечить работоспособность обтекателя при длительном теплосиловом воздействии, вызванном увеличением параметров полета ракет.

Известна конструкция антенного обтекателя (патент США №4520364, МПК 6 H01Q 1/28, 1/42, 1985), состоящая из керамической диэлектрической оболочки, металлического шпангоута и теплоизолирующей секции в виде кольца, расположенной соосно с ними, введение которой в конструкцию позволяет снизить температуру металлического шпангоута до приемлемых значений и избежать теплового распора оболочки. Однако такая конструкция имеет ограниченное применение, т.к. не может обеспечить работоспособность обтекателя в условиях повышенного теплосилового воздействия в течение длительного времени, поскольку зависит от теплопрочности применяемых в соединениях адгезивов и теплоизолирующей секции.

Наиболее близким устройством по совокупности признаков, выбранным в качестве прототипа, является антенный обтекатель по патенту РФ №2536361, МПК H01Q 1/42, 2014, включающий керамическую оболочку, металлический стыковой шпангоут и расположенное во внутренней полости оболочки, соосно с ними, теплоизоляционное кольцо, соединенное с оболочкой и шпангоутом термостойким адгезивом. Теплоизоляционное кольцо выполнено из термостойкого конструкционного стеклопластика с ТКЛР, превышающим ТКЛР керамики, но с модулем нормальной упругости, значительно меньшим модуля нормальной упругости материала оболочки, с целью снижения напряжений растяжения в оболочке, вызываемых радиальными тепловыми перемещениями элементов конструкции.

Причинами, ограничивающими применение данного изобретения, являются:

- при использовании в обоих клеевых слоях трехслойной конструкции узла соединения обтекателя термостойких адгезивов типа герметиков, обладающих высокими пластическими свойствами (относительным удлинением не менее 100%), величина радиальных зазоров между элементами конструкции, заполняемых адгезивом, определяется обычным расчетом их радиальных перемещений при нагреве: оптимальный зазор между оболочкой и кольцом при температуре клеевого слоя, достигающей 450-550°C, составляет 0,5-0,7 мм, а зазор между кольцом и шпангоутом при температуре клеевого слоя, достигающей 280-320°C, не должен превышать 0,3 мм. При этом суммарное радиальное перемещение кольца и шпангоута, прочно соединенных между собой, демпфируется слоем адгезива в зазоре между оболочкой и экраном, имеющем высокие пластические свойства, сопровождающееся неразрушающим поджатием оболочки, тепловое стеснение элементов конструкции отсутствует, и ее работоспособность зависит только от уровня воздействия внешней нагрузки;

- в узлах соединения, воспринимающих значительное теплосиловое воздействие на обтекатель, используются адгезивы с более высокими характеристиками прочности (τ_сдв), но они обладают, как правило, пониженными пластическими свойствами (относительное удлинение значительно меньше 100%), и демпфирования суммарных радиальных перемещений экрана и шпангоута не происходит, что приводит к усилению теплового стеснения элементов конструкции и разрушению оболочки от распора. При этом стеклопластиковое кольцо, будучи зажатым между оболочкой и шпангоутом, не имеет возможности упруго деформироваться и передает даже незначительные тепловые перемещения шпангоута на оболочку, что приводит к разрушению обтекателя от суммарного воздействия внешней нагрузки и теплового распора оболочки. Поскольку собственное тепловое расширение кольца, имеющего относительно низкий модуль нормальной упругости и, чаще всего, меньшую толщину стенки, вызвать распор оболочки не может, основная роль в разрушении оболочки от распора принадлежит металлическому шпангоуту, имеющему значительно более высокий модуль нормальной упругости, хотя и меньший ТКЛР в рабочем интервале температур (инварные сплавы);

- стеклопластиковые кольца, как правило, имеют теплопроводность ниже теплопроводности керамической оболочки, и это способствует тому, что в клеевом соединении с эластичным адгезивом замедляется передача тепла по толщине стенки кольца, радиальное расширение кольца "запаздывает" и либо температура адгезива превышает допустимую, либо задерживается поджатие оболочки через адгезив, происходит деструкция адгезива и сползание оболочки с кольца, а затем и разрушение под действием внешней нагрузки (изгибающего момента).

Обтекатель состоит из керамической оболочки, теплоизоляционного кольца и металлического шпангоута. Эти детали значительно отличаются по теплофизическим характеристикам материалов, из которых они изготовлены, и при использовании в значительно теплонагруженных соединениях оболочки с кольцом термостойких адгезивов, характеризующихся высокой прочностью, но пониженными пластичностью и демпфирующей способностью, чтобы избежать разрушения оболочки от распирающего воздействия суммарного расширения теплоизоляционного кольца и шпангоута, необходимо отделить воздействие радиального расширения шпангоута от воздействия радиального расширения кольца.

Задачей настоящего изобретения является создание антенного обтекателя, работоспособного в условиях значительного теплосилового воздействия на него.

Поставленная задача решается тем, что предложен:

1. Антенный обтекатель, содержащий керамическую оболочку, металлический стыковой шпангоут и расположенное соосно между ними теплоизоляционное кольцо, выполненное из термостойкого стеклопластика с низким модулем нормальной упругости при растяжении и тепловым коэффициентом линейного расширения, превышающим тепловой коэффициент линейного расширения керамики, соединенное с оболочкой и шпангоутом термостойкими адгезивами, отличающийся тем, что оболочка и кольцо соединены адгезивом с низкой пластичностью и величина радиального зазора между ними составляет 0,25-0,4 мм, а кольцо и шпангоут соединены эластичным адгезивом на основе силоксанового каучука и величина радиального зазора между ними рассчитывается по формуле

S=ΔR₁+ΔR₂,

где S - радиальный зазор между теплоизоляционным кольцом и металлическим стыковым шпангоутом;

ΔR₁ - расчетное радиальное расширение теплоизоляционного кольца;

ΔR₂ - расчетное радиальное расширение стыкового шпангоута.

2. Антенный обтекатель по п. 1, отличающийся тем, что в качестве термостойкого адгезива с низкой пластичностью выбран высокотемпературный кремнийорганический клей-герметик полиаддиционного отверждения или клей на основе модифицированных фенольных смол и кремнийорганических соединений.

На чертеже представлено продольное сечение антенного обтекателя в зоне узла соединения с соседним отсеком.

Антенный обтекатель включает керамическую оболочку 1, металлический стыковой шпангоут 2 и теплоизоляционное кольцо 3, соосно соединенное термостойкими адгезивами 4 и 5 с оболочкой и шпангоутом. Теплоизоляционное кольцо изготовлено из стеклопластика с модулем нормальной упругости, значительно меньшим, а ТКЛР большим, чем у материала керамической оболочки в интервале эксплуатационных температур обтекателя.

В представленной конструкции узла соединения в клеевом соединении оболочки с кольцом используются адгезивы типа высокотемпературных кремнийорганических клеев-герметиков полиаддиционного отверждения ГПО-2 (ТУ 1-596-483-2011) и ГПО-15 (ТУ 1-596-522-2015), теряющие свои пластические свойства при нагреве свыше 300°C, или жесткие клеи типа ВК-15 (ТУ 6-05-1456-77), созданные на основе модифицированных фенольных смол и кремнийорганических соединений. Поскольку температура в клеевом соединении шпангоута и стеклопластикового кольца не должна превышать 280-320°C, в этом соединении может быть использован эластичный адгезив с высокой пластичностью на основе силоксанового каучука типа герметика Виксинт У-2-28 (ТУ 38.303-04-04-90).

Стеклопластиковое кольцо, будучи жестко связанным с оболочкой, передает внешнюю нагрузку, воздействующую на оболочку, на металлический шпангоут и не может своим радиальным расширением вызвать распор оболочки, поскольку имеет низкий модуль нормальной упругости и, как правило, меньшую толщину стенки. В то же время радиальное расширение шпангоута демпфируется достаточной величиной слоя адгезива с высокой пластичностью и осуществляет поджатие кольца, чтобы не возникло отрыва адгезива ни от кольца, ни от шпангоута.

Такое взаимодействие элементов конструкции достигается тем, что радиальный зазор между оболочкой и кольцом S₁ выбирают из условия обеспечения прочности при сдвиге, как это делается в клеевых соединениях с жестким адгезивом, а расчетный тепловой зазор между шпангоутом и кольцом S увеличивают на величину расчетного суммарного радиального расширения стеклопластикового кольца и шпангоута, выполняя соотношение

S=ΔR₁+ΔR₂.

В оптимальном варианте величина зазора в соединении кольца со шпангоутом в реальной конструкции обтекателя составляет 0,5-0,6 мм, а величина зазора в клеевом соединении оболочки и кольца принимается:

- S₁=0,2-0,4 - для клеев-герметиков с пониженной пластичностью (менее 100%);

- S₁=0,1-0,3 мм - для жестких клеев.

Для относительно жестких термостойких адгезивов, в рабочем состоянии подвергающихся циклической смене положительных и отрицательных температур, зазор между кольцом и шпангоутом может быть скорректирован с учетом температурных перемещений керамической оболочки.

Торцевой зазор S₂ по стыку оболочки и шпангоута соседнего отсека ракеты может быть выбран конструктивно, исходя из особенностей обеспечения герметичности изделия, и на выбор радиальных зазоров практически не влияет.

Достигнутым техническим результатом применения изобретения является создание работоспособной конструкции обтекателя для условий повышенного и длительного аэродинамического воздействия.