Результат интеллектуальной деятельности: ГОЛОВНОЙ ОБТЕКАТЕЛЬ ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Изобретение относится к области авиационной и ракетной техники, преимущественно к антенным обтекателям скоростных ракет различных классов.

Известен антенный обтекатель (патент США №4520364, МПК Н 01 Q/42, 1985), содержащий керамический колпак, шпангоут, переходную секцию с изолирующей прокладкой, стыковочное кольцо, причем шпангоут установлен внутри керамического колпака и соединяется с ним по сопрягаемым поверхностям термостойким клеем.

Шпангоут в рассматриваемой конструкции выполнен из полиамидного углепластика, имеющего близкий по величине ТКЛР и поэтому обеспечивающий в определенных пределах компенсацию теплового расширения разнородных материалов. Соединение подобного шпангоута с металлическим стыковочным кольцом осуществляется через переходную секцию посредством множества крепежных элементов-заклепок.

Размеры переходной секции и количество крепежных элементов являются зависимым факторами от величины воспринимаемой нагрузки.

Аэродинамические и конструктивные ограничения неизбежно приводят к снижению воспринимаемых силовых нагрузок подобного соединения металла с композиционным материалом. В силу этого оптимальная реализация рассматриваемой конструкции обтекателя возможна только для режимов эксплуатации с невысоким уровнем силовых нагрузок.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является антенный обтекатель (патент РФ №2189674, МПК 7 Н 01 Q 1/42, 2001), содержащий керамический колпак с выполненным на внутренней поверхности прямым и обратным конусами, на которых по сопрягаемым поверхностям установлены металлический шпангоут и разрезное металлическое кольцо, которые механически связаны между собой соединительными элементами, а с керамическим колпаком соединены слоем клея на кремнеорганической основе. Продолжительность ресурса работы рассматриваемого обтекателя обеспечивается за счет толщины клеевого слоя, которая значительно компенсирует разницу теплового расширения металлического шпангоута и керамического колпака, что в определенном интервале температур предотвращает разрушение керамики, а разрезное металлическое кольцо, закрепленное на обратном конусе внутренней поверхности керамического колпака, обеспечивает необходимую силовую нагрузку соединения шпангоут - керамический колпак даже при увеличенной толщине клеевого слоя.

Термокомпенсация соединения металл - керамика в рассматриваемой конструкции обтекателя обеспечивается слоем эластичного кремнеорганического клея, толщина слоя которого выбирается оптимальной относительно действия двух противопоставляемых факторов: компенсации теплового расширения двух разнородных материалов и несущей силовой нагрузки.

Увеличенная толщина клеевого слоя расширяет температурный интервал эксплуатации обтекателя, но с точки зрения восприятия силовой нагрузки толщина клеевого слоя имеет предел.

Это предельное значение толщины клеевого слоя и ограничивает временной ресурс эксплуатации обтекателя, т.к. термокомпенсирующая способность эластичных клеев на кремнеорганической основе сохраняется только до температуры их отвердевания, что составляет примерно 300°С.

Таким образом, длительность эксплуатации обтекателя определяется тем промежутком времени, в течение которого клеевое соединение полностью прогреется до температуры 300°С.

Целью настоящего изобретения является устранение недостатков аналогов и повышение технической характеристики обтекателя.

Достигнутый технический результат заключается в увеличении длительности режима эксплуатации за счет полной компенсации разности температурных расширений металлического шпангоута и керамического колпака с обеспечением силовой несущей способности соединения металл - керамика при прогреве до температуры, уровень которой ограничивается только прочностью металлических деталей узла соединения.

Указанный технический результат достигается тем, что:

1. Головной обтекатель летательного аппарата, включающий керамический колпак, металлический шпангоут, соединенные между собой клеем на кремнеорганической основе, отличающийся тем, что конусообразно расширяющийся к торцу металлический шпангоут установлен на наружной поверхности керамического колпака, между металлическим шпангоутом и керамическим колпаком установлена по взаимосогласованным коническим поверхностям замкнутая гофрированная вставка, выполненная из материала с температурным коэффициентом линейного расширения большим, чем у материала металлического шпангоута, и связанная с керамическим колпаком клеем на основе кремнеорганических каучуков, торец керамического колпака опирается на составной упор, выполненный из двух колец, подвижно связанных между собой упорными винтами, причем одно кольцо упора механически связано с металлическим шпангоутом.

2. Головной обтекатель летательного аппарата по п.1., отличающийся тем, что составной упор выполнен из материала с температурным коэффициентом линейного расширения большим, чем у материала металлического шпангоута.

3. Головной обтекатель летательного аппарата по п.1., отличающийся тем, что кольцо упора, механически связанное с металлическим шпангоутом, выполнено разрезным и установлено во внутренней проточке металлического шпангоута.

В условиях эксплуатации ресурс работы обтекателя определяется степенью термокомпенсации соединения металл - керамика. В настоящем изобретении предусмотрено соединение керамического колпака с охватывающим его металлическим шпангоутом, и в силу этого наружное расположение шпангоута относительно керамического колпака полностью снимает проблему температурной компенсации.

При аэродинамическом разогреве между металлическим шпангоутом и керамическим колпаком вследствие различных ТКЛР неизбежно образуется зазор, который отрицательно сказывается на величине воспринимаемой силовой нагрузки. Замкнутая гофрированная вставка из металла с большим ТКЛР, чем у материала шпангоута, установленная между шпангоутом и керамическим колпаком, при разогреве равномерно деформируется и создает плотный постоянный контакт как со шпангоутом, так и с керамическим колпаком, что является необходимым условием для обеспечения прочности соединения, воспринимающего большие силовые нагрузки.

Торец керамического колпака опирается на составной упор, состоящий из двух колец, связанных упорными винтами, при этом одно из колец соединено со шпангоутом. Посредством упорных винтов осуществляется осевое перемещение колец друг относительно друга, и за счет этого создается необходимое осевое поджатие керамического колпака к гофрированной вставке и шпангоуту в исходном положении при сборке. В эксплуатационном режиме при разогреве происходит осевое перемещение составного упора и шпангоута друг относительно друга в силу разницы ТКЛР их материалов, и таким образом дополнительно создается постоянное поджатие керамического колпака к гофрированной вставке и шпангоуту.

В итоге суммарное взаимодействие гофрированной вставки и составного упора при разогреве устраняет рассогласование температурных расширений керамики и металла и тем самым сохраняется силовая несущая способность узла соединения в любом диапазоне температур.

Наиболее оптимальным вариантом крепления кольца составного упора к шпангоуту является выполнение кольца разрезным и фиксация его во внутренней проточке шпангоута. Такое исполнение соединения наиболее технологично для заявляемой конструкции головного обтекателя и в более полной мере способствует достижению приведенных в описании технических преимуществ.

На фиг.1 представлен общий вид головного обтекателя летательного аппарата, на фиг.2 - в увеличенном масштабе местный поперечный разрез по месту соединения керамического колпака с металлическим шпангоутом, на фиг.3 - вариант соединения составного упора с металлическим шпангоутом.

Головной обтекатель летательного аппарата включает колпак 1 из алюмооксидной или кварцевой керамики, металлический шпангоут 2 из титана или сплава инварового класса, конусообразно расширяющийся к торцу и установленный на керамической оболочке, замкнутую гофрированную вставку 3 из нержавеющей стали, меди или сплавов на ее основе, составного упора, состоящего из кольца 4, опирающегося на торец керамического колпака, и кольца 5, механически соединенного с металлическим шпангоутом. Кольца 4 и 5 подвижно связаны между собой упорными винтами 6, при этом в кольцо 5 винты завинчиваются на резьбе, а в кольце 4 фиксируются гладким концом в ответных отверстиях. Кольца 4, 5 и винты 6 изготовлены из материала с высоким ТКЛР, например, нержавеющей стали.

При вращении винтов 6 кольца 4 и 5 перемещаются друг относительно друга, а кольцо 4 нажимает на торец керамического колпака 1, тем самым при сборке устраняются все зазоры в соединяемых деталях: керамический колпак 1, гофрированная вставка 3, металлический шпангоут 2.

Крепление кольца 5 к металлическому шпангоуту 2 обеспечивается винтами 7, соединение керамического колпака 1 с гофрированной вставкой 3 осуществляется посредством клея 8 на кремнеорганической основе, который заполняет все зазоры между вставкой и керамическим колпаком. В рабочем режиме клей отвердевает при температуре свыше 300°С, при этом увеличивается площадь жесткого контакта вставки и керамического колпака, тем самым повышается прочность их соединения.

Между шпангоутом и керамическим колпаком установлена уплотнительная прокладка 9 из силоксановой резины, обеспечивающая герметичность головного обтекателя в нерабочем и эксплуатационном режимах.

Крепление кольца 5 составного упора к шпангоуту может осуществляться различными способами. На фиг.1 показано крепление посредством стандартных деталей: винтов, штифтов и т.п.

На фиг.3 показан наиболее технологичный способ крепления кольца составного упора к металлическому шпангоуту. Кольцо 10 выполнено разрезным и установлено во внутренней кольцевой проточке 11 шпангоута и зафиксировано упорными винтами 6.

Данное изобретение обеспечивает работоспособность головного обтекателя при длительных режимах эксплуатации и высоких температурах аэродинамического разогрева и многократно превышает предельный температурный уровень работоспособности прототипа.