Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения антенных обтекателей ракет из кварцевой керамики

Изобретение относится к технологии изготовления антенных обтекателей ракет, а точнее, к способам получения тонкостенных радиопрозрачных оболочек антенных обтекателей из пористой кварцевой керамики.

Известно, что кварцевая керамика является одним из перспективных материалов для антенных обтекателей высокоскоростных ракет благодаря таким свойствам материала, как высокая термостойкость, низкая теплопроводность, малая величина и стабильность диэлектрических характеристик (ε и tgδ) в широком интервале температур и частот (J.D. Walton. Radome engineering Hardbook. NewYork, 1970 г. и Ю.Е. Пивинский, Е.И. Суздальцев. Кварцевая керамика и огнеупоры, 2008, том 1). Низкая прочность и открытая пористость материала требуют специальных мер по устранению этих недостатков.

В патенте РФ №2209494, кл. H01Q 1/42, бюл. №21, 27.07.2003 г. предложено техническое решение, где отмеченные недостатки устраняются за счет применения слоистой структуры керамической оболочки обтекателя, состоящей из упрочненного внутреннего силового слоя из кварцевой керамики с введенным в поры керамики органополимером и внешнего теплозащитного слоя из пористой кварцевой керамики, на наружную поверхность которого нанесено влагозащитное покрытие. Толщина упрочненного слоя равномерно увеличивается от носка к основанию до величины, соответствующей 0,1-0,9 от общей толщины стенки оболочки. Стыковка керамической оболочки с металлическим шпангоутом осуществлена за счет слоя герметика, а шпангоут изготовлен из инварового сплава с низким коэффициентом линейного термического расширения.

Недостатком предложенного технического решения является сложность изготовления слоистой оболочки с предсказуемой электрической толщиной стенки при переменной глубине пропитки от 0,1 до 0,9 толщины стенки, так как электрическая толщина стенки определяется не только толщиной слоев, но и связана квадратичной зависимостью с диэлектрической проницаемостью материала в слоях. Кроме того, введение в поры керамики на большую глубину органополимера (до 0,9 толщины стенки) при высокотемпературном нагреве не только изменяет и ухудшает диэлектрические характеристики материала керамической оболочки, но и может разрушить ее за счет интенсивного пиролиза органической составляющей.

Наиболее близким техническим решением является технология изготовления антенных обтекателей ракет из кварцевой керамики по патенту РФ №2267837, кл. H01Q 1/42, бюл. №01, 10.01.2006 г. (прототип), согласно которому упрочняющий, пропитанный органополимером слой имеет равномерную по всей поверхности толщину, не превышающую 0,05 от толщины полуволновой стенки. Сравнительно небольшая толщина пропитанного слоя обеспечивает герметизацию плотной и прочной кварцевой керамики, а уносимое влагозащитное покрытие, состоящее из слоя эпоксидной грунтовки ЭП-0101 и 3-6 слоев фторопластовой эмали ФП-566, обеспечивает влагозащиту керамической оболочки в наземных условиях и легко уносится на начальном этапе автономного полета.

Недостатком прототипа является неудовлетворительная работоспособность обтекателя при увеличении длительности полета под носителями и автономном полете при сравнительно низких температурах, что связано с недостаточной теплостойкостью применяемых органополимеров для упрочнения и герметизации пористой керамической оболочки. Предложенная в прототипе конструкция обтекателя и технология его получения использованы для изготовления антенных обтекателей высокоскоростных ракет, но неприемлемы для ракет, длительное время работающих при нагреве до 500-800°C в сложных климатических условиях.

Техническим результатом изобретения является повышение работоспособности обтекателей ракет из пористой кварцевой керамики, работающих в сложных климатических и тепловых условиях с применением обычного кварцевого сырья, керамического материала с прочностью при изгибе не менее 35 МПа, скоростных методов мехобработки и упрочнение оболочки органополимером.

Указанная задача достигается тем, что способ получения антенных обтекателей ракет из кварцевой керамики, включающий формование керамической оболочки методом шликерного литья из водной суспензии кварцевого стекла в гипсовой форме, сушку, обжиг и механическую обработку оболочки алмазным инструментом, герметизацию и упрочнение оболочки органополимером, радиодоводку и сборку оболочки с металлическим шпангоутом при помощи герметика, отличающийся тем, что в качестве исходного сырья используется кварцевое стекло с содержанием SiO₂ не менее 99,8%, а формование керамической заготовки осуществляют из полидисперсного водного шликера кварцевого стекла с зерновым составом от 0,1 до 500 мкм, плотностью 1,87-1,90 г/см³ с предусмотренным отводом и сбором гравитационного осадка, спекание материала производится в воздушной среде по режимам, исключающим образование кристобалита до пористости 8,0-11,0% и прочности при изгибе не менее 35 МПа, затем производят механическую обработку изделия до заданных размеров алмазным инструментом с глубиной резания не более 2,0 мм, упрочнение и герметизацию пористой оболочки пропиткой по внутренней поверхности высокотемпературным кремнийорганическим полимером до 20-40% толщины стенки и диэлектрической проницаемостью материала радиопрозрачной зоны оболочки не выше 3,5 единиц, радиодоводки по наружной поверхности путем плавного профилирования толщины стенки алмазным инструментом, соблюдая требования по контуру изделия, после чего наносятся два слоя кремнийорганической эмали КО-5189, один слой суспензии эмали с пониженной вязкостью (для частичной пропитки пористой керамики), второй - для формирования сплошной пленки с общей толщиной до 100 мкм, а сборка изделия с инваровым шпангоутом осуществляется при помощи эластичного герметика У-2-28 на специальном стапеле с центровкой и прижимом шпангоута и оболочки до постоянной толщины клеевого шва в пределах 0,1-0,4 мм.

Проведенные авторами предлагаемого технического решения исследования показали:

1. Оптимальным материалом для получения керамических оболочек антенных обтекателей этого класса является кварцевая керамика с пористостью 8-11%, прочностью при изгибе не ниже 35 МПа, полученная из кварцевого стекла с содержанием SiO₂ не менее 99,8% с отсутствием кристаллической фазы - кристобалита.

2. Наиболее простым и экономически выгодным способом формования сложнопрофильных оболочек обтекателей является метод водного шликерного литья из полидисперсного водного шликера с зерновым составом от 0,1 до 500 мкм, плотностью 1,87-1,90 г/см³ в гипсовых формах. При этом высокую однородность материала в изделии обеспечивает отвод гравитационного осадка как случайно попавших крупных частиц, так и примесей твердой фазы за пределы формуемой заготовки согласно патенту РФ на формовой комплект №2285609, B28B 1/26, бюл. №29, 20.10.2006 г.

3. Учитывая стеклообразный характер керамики, склонной к образованию и развитию трещин, мехобработку изделий необходимо производить алмазным инструментом с глубиной резания до 2 мм.

4. Наиболее приемлемыми для герметизации и упрочнения изделий из кварцевой керамики являются высокотермостойкие смолы и эмали на основе кремнийорганических материалов с высоким содержанием SiO₂ (более 50%), которые даже в процессе частичного пиролиза существенно не ухудшают радиопрозрачность керамической оболочки. Такими органополимерами были выбраны смола МФСС-8 ТУ 6-02-1352-87 (для пропитки керамики) и эмаль КО-5189 ТУ 6-10-11-ВИАМ-79-86 (для влагозащиты по наружной поверхности). Оптимизированы технология нанесения и глубина пропитки.

5. Приемлемая в прототипе и в других источниках радиодоводка керамических обтекателей путем профилирования по внутренней поверхности заменена на плавное изменение толщины стенки проточкой оболочки по наружной поверхности после контроля РТХ упрочненной оболочки. Нанесение влагозащитного покрытия осуществлено в два этапа: нанесение эмали с меньшей вязкостью (η=11-12 с по ВЗ-1) для обеспечения частичной пропитки верхнего пористого слоя, затем второго слоя эмали с вязкостью 12-14 с по ВЗ-1 для создания сплошной пленки покрытия, при общей толщине слоя эмали не более 100 мкм, что обеспечивает высокое качество влагозащитного покрытия и практически не влияет на РТХ.

Пример выполнения способа изготовления антенного обтекателя

Бой прозрачного кварцевого стекла из кварцевой стеклотрубки ТУ 11-87 ЩЛО.027.252 с содержанием SiO₂ не менее 99,8%, мелющие тела из кварцевых стержней ТУ 21-РСФСР-587-82 вместе с дистиллированной водой в пропорции 1:(0,5-0,7):(0,16-0,22) загружали в шаровую мельницу типа TCA 115, футерованную кварцевой керамикой и путем помола и последующей стабилизации получали водный шликер с плотностью 1,87-1,90 г/см³. Крупные частицы (недомол) отделяли процеживанием через сетку с ячейкой 500 мкм. Контроль зернового состава шликера осуществляли методом седиментационного осаждения и на лазерном микроанализаторе LA-950 "Horiba". Оболочки антенных обтекателей оживальной формы различного размера: диаметр основания 200-350 мм, высотой 600-1000 мм, с толщиной стенки 15-25 мм формовали в гипсовых формах наливным методом водного шликерного литья путем заливки шликера в полость между гипсовой матрицей и пассивным сердечником с последующей выдержкой до полного набора заготовки. В конструкции формы предусмотрен сборник гравитационного осадка согласно патенту РФ №2285609, кл. B28B 1/26, бюл. №29, 20.10.2006 г. Высушенные заготовки обжигали в силитовых печах типа ТСБ 71 с вращающимся подом и в печах с проволочными нагревателями моделей N1150/H, N1500/H фирмы Nabertherm по температурно-временным режимам, обеспечивающим получение материала с пористостью 8-11%, прочностью при изгибе не менее 35 МПа. Контроль свойств осуществлялся по технологическим припускам и образцам-спутникам. Механическая обработка керамических оболочек до заданной толщины осуществлялась на токарно-винторезных станках типа 1М63, РТ6603 с копировальными устройствами, или на специальных станках с числовым программным обеспечением (ЧПУ) типа СА600 алмазным инструментом (алмазные круги, фрезы, зенкера и др.). При этом глубина резания для изделий из кварцевой керамики с пористостью 8-11% должна быть не более 1,5-2,0 мм (2,0 мм - для высокопористых). Остроконечная носовая часть оболочки обрабатывается и формируется зенкерами. Контроль толщины стенки осуществляется специальными установками с индикатором часового типа или УЗ-методом.

После мехобработки, сушки и контроля на отсутствие трещин заготовки поступали на пропитку по внутренней поверхности органополимером - смолой МФСС-8. Операцию можно производить двумя способами: на пропиточных установках для изделий заданного типоразмера, например, ОТА 424 по времени пропитки для каждой пористости материала и требуемой глубины, или, для малых глубин пропитки, путем напыления, нанесения кистью. Оптимальной плотностью пропитывающего раствора для смолы МФСС-8 является 0,96-0,98 г/см³ (регулируется добавкой ацетона). Затем заготовку сушат и термообрабатывают по режиму полимеризации смолы при t_max=275±25°C с выдержкой 4-6 часов.

После завершения пропитки органополимером по внутренней поверхности производится полное измерение радиотехнических характеристик (коэффициент прохождения, угловые ошибки и градиент угловых ошибок). При необходимости производится радиодоводка путем профилирования наружной поверхности оболочки алмазным инструментом или алмазной шкуркой, не выходя за допуски по контуру изделия. Затем производится влагозащита оболочки нанесением на наружную поверхность высокотермостойкого кремнийорганического покрытия из эмали КО-5189 ТУ 6-10-11-ВИАМ-79-86. С целью исключения его влияния на РТХ оболочки наносится всего два слоя. При этом первый слой наносится из суспензии с вязкостью 11-12 с по ВЗ-1 с диаметром сопла 4 мм. После высыхания первого слоя - наносится второй слой из суспензии с вязкостью 12-14 с. Общая толщина влагозащитного слоя находилась в пределах 60-100 мкм и не влияла на заметное изменение РТХ оболочки, что подтверждалось последующим измерением на стенде.

Сборка оболочки с инваровым шпангоутом производилась по известной технологии путем приклейки шпангоута к посадочной зоне оболочки, включая этапы обезжиривания поверхностей, склейки нефрасом, приготовления герметика Виксинт У-2-28 непосредственно перед его применением, нанесения герметика шпателем на зоны склейки оболочки и шпангоута. Стыковка оболочки со шпангоутом и вулканизация герметика производятся на стапеле при температуре от 17 до 30°C не менее 24 часов.

Окончательный контроль изделия включает контроль основных показателей РТХ, герметичности, отклонения внешнего контура, качества поверхности оболочки (визуальный).

Изготовленные по предложенному способу антенные обтекатели из кварцевой керамики прошли весь комплекс приемочных и предварительных испытаний и признаны годными для комплектации изделий.