Результат интеллектуальной деятельности: Обтекатель

Изобретение относится к области авиационной и ракетной техники и, преимущественно, может быть использовано при изготовлении антенных обтекателей с керамическими радиопрозрачными оболочками для высокоскоростных ракет класса «поверхность - воздух».

Известны конструкции клеевых соединений керамических оболочек с металлическим шпангоутом (переходником), выполненных с помощью эластичного клея - герметика (адгезива, компаунда) и работающих в условиях прогрева и несимметричной нагрузки.

Основными источниками технических затруднений, возникающих при создании конструкций летательных аппаратов с применением керамических элементов, являются противоречивые требования к их соединению с металлическим корпусом ракеты. Повышенная хрупкость и низкая прочность, относительно, например, стеклопластиков или металлов, зачастую существенное отличие от данных материалов по температурным коэффициентам линейного расширения (ТКЛР) в сравнении с элементами из керамики, нашедших применение в практике, существенно осложняет разработку подобных конструкций.

Из наиболее существенных понятий, касающихся этого вопроса, целесообразно отметить следующие:

- хрупкость и высокая чувствительность к концентраторам напряжений - мгновенное разрушение от локально критично перенапряженной точки элемента конструкции без перехода от упругого к упруго-пластичному типу деформирования;

- жесткость - свойство элемента конструкции или самой конструкции, характеризующее степень деформирования от типа нагружения (продольное, поперечное, радиальное и др.), - в каком-либо направлении, т.е. способность оказывать сопротивление изменению формы при значительных силовых воздействиях;

- согласованность по температурным перемещениям - способность конструкции соединения быть работоспособной в существенном диапазоне эксплуатационных температурных воздействий за счет близости ТКЛР материалов соединяемых элементов, эластичности одного из элементов, малой жесткости одного из них и т.п.

Из опыта разработки подобных конструкций начало разрушения керамической оболочки обтекателя, слабого элемента конструкции, может произойти как в торцевой части оболочки от контакта ее торца со стыковыми элементами в зоне сжатия или от теплового распора металлическим переходником, так и от контактных силовых воздействий носовой части переходника на тонкостенную оболочку в области ее растяжения при несимметричном силовом воздействии на обтекатель.

Известна конструкция обтекателя по патенту РФ №2225664, МПК ⁷H01Q 1/42. Опубл. 10.03.2004, содержащим керамическую оболочку, металлический переходник и эластичный адгезив. Переходник связан с оболочкой через теплоизолятор, выполненный из материала оболочки, и имеет на наружной поверхности хвостовой части выступающей за торец оболочки крепежный бурт, выполненный из материала, согласованного по ТКЛР в заданном интервале температур с материалом оболочки. В полости между внутренней поверхностью теплоизолятора и наружной поверхностью переходника установлена эластичная обечайка. При этом в области связи теплоизолятора со шпангоутом вне обечайки отношение толщины шпангоута к суммарной толщине оболочки и теплоизолятора составляет 0,1…0,3.

К недостаткам данной конструкции можно отнести то, что:

- уменьшение толщины теплоизолятора и увеличение соотношения толщин стенок переходника и оболочки, а также увеличение толщины стенки переходника приводит к увеличению напряженного состояния в керамической оболочке в области контакта ее с передней частью переходника в зоне ее растяжения от изгиба оболочки, что может снижать несущую способность и надежность обтекателя;

- увеличение толщины слоя теплоизолятора приводит к увеличению веса конструкции, а разнотолщинность оболочки (разные толщины оболочки в радиопрозрачной зоне и в области ее соединения с переходником) приводит к снижению технологичности ее изготовления.

Наиболее близким техническим решением является конструкция головного обтекателя ракеты, по патенту РФ №2168815, МПК ⁷H01Q 1/42. Опубл. 10.06.2001.

Конструкция головного обтекателя ракеты состоит из керамической оболочки в виде колпака и металлического переходника, соединенных слоем эластичного адгезива. В расширяющуюся полость, образованную в передней торцевой части шпангоута внутренней поверхностью оболочки и наружной поверхностью переходника, введена эластичная обечайка, а к переходнику подсоединен или выполнен за одно целое с ним аккумулятор тепла.

Основным недостатком этой конструкции является то, что при высоких уровнях силовых несимметричных эксплуатационных воздействий на обтекатель и жесткой связи переходника со стыковыми элементами ракеты, в области носовой части переходника в месте перехода эластичной обечайки в равнотолщинный силовой клеевой шов в зоне растяжения керамической оболочки возникает концентрация распорных усилий на керамическую оболочку, снижающая несущую способность обтекателя.

Эффективность компенсирующего свойства эластичной обечайки на снижение контактных усилий от носовой части шпангоута на керамическую оболочку ограничена.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение температурных и силовых эксплуатационных параметров керамических обтекателей и увеличение их несущей способности.

Выполнение указанной задачи достигается тем, что предложен:

Обтекатель, включающий керамическую оболочку, металлический переходник, соединенный эластичным адгезивом с внутренней поверхностью оболочки, отличающийся тем, что к торцу переходника жестко присоединен или выполнен за одно целое с ним смещенный к носку оболочки на величину не менее толщины оболочки у ее торца компенсатор жесткости в виде кольцевой обечайки, выступающей за торец оболочки, и толщиной стенки не менее 1/3 толщины стенки переходника у его торца, при этом выступающая часть обечайки выполнена с крепежным буртом в виде равномерно расположенных по его периметру секторов, наружный диаметр которого соизмерим с наружным диаметром у его торца, кроме этого уточнение размеров компенсатора жесткости проводят расчетным путем с допущением пластичности в наиболее нагруженной его области.

Толщина стенки кольцевой обечайки компенсатора жесткости выбирается из условия обеспечения ее прочности и требуемой (необходимой) деформативности с допущением пластичности в наиболее нагруженной ее области. В реальных условиях она может быть в пределах от 0,3 до 0,7 толщины стенки переходника у его торца.

Смещение компенсатора жесткости к носку оболочки на величину не менее толщины оболочки у ее торца обусловлено как для снижения распорных температурных напряжений в торцевой области керамической оболочки при прогреве переходника, так и для обеспечения (необходимой) деформативности его обечайки с допущением пластичности в наиболее нагруженной ее области.

Крепежный бурт в виде равномерно расположенных по его периметру секторов необходим для обеспечения байонетного соединения со смежными с ними соединительными элементами.

Количество и геометрические размеры секторов определяют при проектировании и с допущением пластичности в наиболее нагруженной области компенсатора жесткости.

Размер наружного диаметра крепежного бурта обусловлен рациональным размещением смежных с ним стыковых элементов клеемеханического байонетного соединения.

На чертеже представлено продольное сечение торцевой области обтекателя.

Обтекатель, включающий керамическую оболочку 1, металлический переходник 2, соединенный эластичным адгезивом 3 с внутренней поверхностью оболочки. К торцу переходника 2 жестко присоединен или выполнен за одно целое с ним смещенный к носку оболочки 1 на величину не менее толщины оболочки у ее торца компенсатор жесткости в виде кольцевой обечайки 4, выступающей за торец оболочки 1, и толщиной стенки не менее 1/3 толщины стенки переходника у его торца, при этом выступающая часть обечайки выполнена с крепежным буртом в виде равномерно расположенных по его периметру секторов 5, а наружный диаметр крепежного бурта выполнен соизмеримым с наружным диаметром переходника у его торца.

Результатами экспериментально-теоретических исследований напряженно-деформированного состояния (НДС) керамической оболочки в наиболее нагруженной ее области от несимметричных силовых воздействий на обтекатель и анализом результатов стендовых испытании на предельные возможности разработанных и разрабатываемых конструкций обтекателей установлено:

- несущая способность обтекателя с оболочкой из кварцевой керамики по предлагаемому техническому решению с компенсатором жесткости стабильно превышает на 20-30% конструкцию без компенсатора жесткости. При этом было зафиксировано наличие остаточных - пластических деформаций в наиболее нагруженной области кольцевой обечайки и ее крепежного бурта;

- определена зависимость НДС керамической оболочки в области ее контакта с носовой частью переходника при упругих и упруго-пластических деформациях в наиболее нагруженной области кольцевой обечайки и ее крепежного бурта при вариации их геометрических параметров. Осевое смещение наиболее нагруженных от несимметричного силового воздействия секторов крепежного бурта компенсатора жесткости из-за пластического деформирования его кольцевой обечайки обеспечивает перераспределение по окружности силового потока от смежных элементов механической связи и приводит к увеличению несущей способности обтекателя на 20-30%. Т.е. компенсирует жесткое взаимодействие переднего края переходника с керамической оболочкой.

Таким образом, доказаны рациональность, целесообразность и значимость введения компенсатора жесткости в конструкцию обтекателя.

Летными испытаниями доказана надежность использования предлагаемого решения при выполнении комплекса требований к обтекателям современных ракет.