Результат интеллектуальной деятельности: Антенный обтекатель

Изобретение относится к области авиационно-ракетной техники, преимущественно к конструкциям носовых радиопрозрачных обтекателей ракет с оболочками, изготавливаемыми из жаропрочных неорганических (керамических) материалов, являющихся укрытием от аэродинамического воздействия для антенных устройств головок самонаведения (АУ ГСН).

Надежность нормального функционирования АУ ГСН прямо зависит от возможностей обтекателя в части защиты от внешних воздействий размещенной в нем аппаратуры. С ростом скоростей и длительности полета ракет обеспечение работоспособности обтекателя постоянно усложняется, что обусловлено возрастающим нагревом внутренней поверхности керамической оболочки обтекателя, сопровождающимся отражением тепла от внутренней поверхности полуволновой стенки внешней оболочки обтекателя. Отраженное тепло обусловливает радиационный и конвективный нагрев открытого антенного устройства, расположенного во внутренней полости обтекателя, и приводит к снижению радиотехнических характеристик и нарушению устойчивой работы системы наведения.

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, способных не снижать радиотехнические характеристики (РТХ) системы при прохождении электромагнитной энергии через диэлектрическую стенку внешней керамической оболочки и одновременно способствовать повышению конструкционной надежности обтекателя.

Известна конструкция антенного обтекателя по патенту РФ №2536339, кл. H01Q 1/42, 2014, включающая керамическую оболочку, металлический стыковой шпангоут и расположенный во внутренней полости оболочки соосно с ними куполообразный радиопрозрачный теплозащитный экран (ТЗЭ), изготовленный из теплостойкого стеклопластика и соединенный с оболочкой термостойким адгезивом по поверхности прилегания к оболочке. Во внутренней полости экрана, в зоне узла соединения обтекателя с соседним отсеком, установлено металлическое кольцо, осуществляющее связь ТЗЭ и керамической оболочки со шпангоутом с помощью термостойкого адгезива и крепежных элементов.

Недостатком такой конструкции является относительно невысокая термостойкость известных органических стеклопластиков в условиях повышенного аэродинамического нагрева внешней оболочки и радиационного нагрева со стороны ее внутренней стенки, что приводит к науглероживанию внешних слоев экрана и резкому снижению РТХ АУ ГСН.

Известна конструкция антенного обтекателя по патенту №US 5691736, кл. H01Q 1/42, публ. 1997, включающая установленные соосно внешнюю теплозащитную (керамическую) оболочку, вторичную внутреннюю теплозащитную оболочку, выполняющую функции ТЗЭ, и металлический шпангоут, присоединенный к соседнему отсеку с помощью дополнительной металлической оболочки и крепежных элементов. Теплозащитный экран куполообразной формы выполнен из относительно легкого керамического материала (плотность 1,0-1,2 г/см³) и присоединен консольно к внутренней поверхности керамической оболочки, которая, в свою очередь, соединена по наружной поверхности через дополнительную металлическую оболочку со шпангоутом термостойким адгезивом, а между внутренней оболочкой ТЗЭ и внешней керамической оболочкой выполнен гарантированный воздушный зазор. Вся конструкция узла соединения с наружной поверхности обтекателя закрыта теплозащитным материалом.

Основным недостатком такой конструкции является то, что консольное закрепление теплозащитного экрана не обеспечивает надежного соединения с внешней оболочкой при значительных динамических нагрузках на начальном и конечном этапах траектории полета ракеты. Кроме того, при длительном высокотемпературном аэродинамическом воздействии на обтекатель наружный теплоизоляционный слой не гарантируетзащиты от значительного прогрева металлических элементов узла соединения и отрыва от внешней керамической оболочки при значительной разнице ТКЛР их материалов.

Наиболее близким конструкционным решением является антенный обтекатель по патенту РФ №2536360, кл. МПК H01Q 1/42, 2014, выбранный в качестве прототипа. Обтекатель содержит керамическую оболочку, металлический стыковой шпангоут и трехслойный радиопрозрачный теплозащитный экран, внешние слои которого изготовлены из термостойкого стеклопластика, а внутренний слой - из теплоизоляционного волокнистого материала с пониженной теплопроводностью. В узле соединения между оболочкой и шпангоутом размещено силовое теплоизоляционное кольцо, изготавливаемое из материала внешних слоев экрана.

Недостатком такой конструкции является тоже относительно невысокая теплостойкость стеклопластика, из которого изготовлен внешний слой экрана, - 600-700°С кратковременного теплового воздействия и 300-400°С - длительного. При радиационном нагреве экрана со стороны внутренней поверхности внешней оболочки обтекателя свыше допустимой теплостойкости стеклопластика происходит деструкция внешнего слоя ТЗЭ с выделением углерода и образованием значительного количества газов. При этом изменяются диэлектрические параметры экрана, что приводит к увеличению угловых ошибок и снижению коэффициента прохождения электромагнитной энергии в самом экране и, в целом, в обтекателе и не позволяет обеспечить надежное функционирование системы наведения высокоскоростных ракет.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение высоких и стабильных РТХ обтекателя с ТЗЭ при высоких температурах нагрева наружной поверхности ракеты и обеспечение защиты от недопустимого нагрева элементов волноводного тракта АУ ГСН в зоне узла соединения с соседним отсеком ракеты, а также снижение массы обтекателя.

Поставленная задача решается тем, что предложен:

1. Антенный обтекатель, содержащий керамическую оболочку, металлический стыковой шпангоут, силовое теплоизоляционное кольцо, соединенные между собой теплостойким адгезивом, и расположенный соосно с ними во внутренней полости оболочки куполообразный радиопрозрачный теплозащитный экран, присоединенный к оболочке и кольцу теплостойким адгезивом, отличающийся тем, что экран выполнен из высокопористого шликеро-волокнистого материала на основе кремнеземного или кварцевого волокна с прочностью при изгибе σ_и ≥ 5 МПа и диэлектрической проницаемостью ε = 1,25-1,50, 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, а внутренняя поверхность экрана пропитана на глубину до 2 мм высокотемпературным органическим полимером или на нее наформован слой термостойкого стеклопластика толщиной 0,5-2 мм.

2. Антенный обтекатель по п. 1, отличающийся тем, что на внутреннюю поверхность купола экрана нанесено термостойкое влагозащитное покрытие кремнийорганической или фторопластовой эмалью в композиции с кремнийорганической шпатлевкой.

Обеспечение высоких и стабильных РТХ обтекателя при значительном нагреве наружной и внутренней его поверхностей осуществляется благодаря тому, что куполообразный радиопрозрачный теплозащитный экран изготавливается из высокопористого шликеро-волокнистого материала на основе кремнеземного или кварцевого волокна, сохраняющего стабильные диэлектрические параметры и конструкционную прочность до 1100-1200°С. Благодаря низкой теплопроводности и высокой пористости материала, снижается нагрев стенки экрана от радиационного излучения, исходящего от внутренней поверхности керамической оболочки, и нагрев зеркала антенны АУ ГСН. Высокопористый материал экрана имеет невысокую плотность (0,3-0,55 г/см³) и низкую диэлектрическую проницаемость ε=1,25-1,50), что позволяет сделать оболочку оптимальной толщины и массы. Вместе с тем, такой материал имеет относительно невысокие прочностные характеристики (σ_и=5-10 МПа) и отражательную способность (повышенный коэффициент поглощения), что при определенных условиях эксплуатации (например, при значительных динамических перегрузках) может привести к разрушению экрана или к недостаточному снижению нагрева (например, при большой длительности высокотемпературного нагрева). С целью повышения прочности и жесткости экрана в условиях значительного динамического нагружения (вибрации, удары, линейные перегрузки и т.д.), воздействующего на обтекатель в целом и частично на экран, наружная поверхность экрана пропитана кремнезолем с последующим заполнением пор аморфным диоксидом кремния на глубину до 2 мм. Пропитка стенки экрана на глубину свыше 2 мм заметного увеличения прочности не дает, но приводит к нежелательному увеличению теплопроводности экрана. С целью сохранения стабильными заданных диэлектрических параметров ε и tgδ материала, обеспечивающих стабильные РТХ, для увеличения отражательной способности экрана при повышенном нагреве на его наружную поверхность нанесено диффузно-отражающее керамическое покрытие на основе диоксида кремния толщиной 0,5 - 1,5 мм, которая является достаточной для получения требуемого эффекта: покрытие толщиной 0,5 мм - 0,8 мм наносится в случае предварительной пропитки наружной поверхности кремнезолем, а до 1,5 мм - при отсутствии пропитки. С целью увеличения прочности и динамической устойчивости экрана, внутренняя поверхность экрана пропитана высокотемпературным органическим полимером, например, МФСС-8 на глубину до 2 мм или на нее может быть наформован слой термостойкого стеклопластика толщиной 0,5 -2 мм. Пропитка органическим полимером на глубину свыше 2 мм заметного эффекта в повышении прочности не дает, но также приводит к увеличению теплопроводности и коэффициента отражения (в сторону антенны), а наформовывание стеклопластика толщиной до 0,5 мм и свыше 2 мм не технологично.

Радиотехническая толщина стенки оболочки экрана 8 и отдельных слоев устанавливается на основе электрического и теплопрочностного расчетов.

На фигуре представлено продольное сечение антенного обтекателя с теплозащитным экраном.

Антенный обтекатель включает керамическую оболочку 1, металлический стыковой шпангоут 2, силовое теплоизоляционное кольцо 3 и установленный соосно с ними во внутренней полости оболочки теплозащитный экран 4 куполообразной формы, соединенный с оболочкой 1 и кольцом 3 термостойкими адгезивами 5 и 6, как это показано на выносном элементе А.

На выносном элементе Б показана пропитка наружной поверхности экрана кремнезолем 7 на заданную глубину и нанесение на нее диффузно-отражающего покрытия 8, а также пропитка внутренней поверхности экрана органическим полимером 9.

На выносном элементе Б (вариант) показано нанесение на наружную поверхность экрана диффузно-отражающего покрытия 8 без предварительной пропитки кремнезолем и наформовывание на внутреннюю поверхность экрана термостойкого стеклопластика 10.

На выносных элементах А, Б и Б (вариант) показано нанесение на внутреннюю поверхность экрана влагозащитного покрытия 11 для защиты от окружающей среды, например, при эксплуатации и хранении обтекателя в полевых условиях. При эксплуатации и хранении обтекателя в составе ракеты в транспортно-пусковом контейнере (ГПК) ВЗП допускается не наносить.

В экране может быть также выполнено отверстие 12 для выравнивания давления во внутренних полостях над и под экраном, как это показано на выносных элементах Б и Б (вариант), если вследствие нагрева воздуха над экраном давление может привести к разрушению экрана.

Достигнутым результатом использования изобретения является расчетно-экспериментальное подтверждение, что, в случае применения дополнительных мер по увеличению прочности, жесткости и отражательной способности радиопрозрачного теплозащитного экрана, обтекатель такой конструкции обеспечивает сохранение работоспособности и высоких РТХ при нагреве наружной поверхности керамической оболочки обтекателя до 1800°С; при этом температура на внутренней поверхности экрана не превышает 200°С, что исключает радиационный нагрев зеркала антенны, а нагрев антенного устройства за счет конвективного теплообмена не превышает допустимых рабочих температур системы наведения ракеты.