Результат интеллектуальной деятельности: РЕАКТИВНЫЙ СНАРЯД

Изобретение относится к области ракетной техники, преимущественно к гиперзвуковым малогабаритным управляемым реактивным снарядам.

Известно [1] , что вся поверхность многоразового орбитального корабля "Буран" покрыта теплозащитными плитками, изготовленными из материала на основе кварцевого волокна, а наиболее нагруженные участки - передние кромки крыла, киля и носок фюзеляжа - плитками из композиционного материала на основе углерода, защищающими поверхность корабля от аэродинамического нагрева во время прохождения через атмосферу.

Подобное решение, обеспечивающее надежную защиту несущих элементов конструкции от нагрева, а также позволяющее снизить посадочную скорость за счет увеличенного сопротивления трения воздушного потока о поверхность, неприемлемо для малогабаритных реактивных снарядов, используемых в условиях земной атмосферы на малых высотах (до 5 - 10 км), так как помимо повышенного сопротивления трения, снижающего скорость снаряда при полете, клеевое соединение теплозащитных плиток с корпусом увеличивает пассивную массу конструкции, что также снижает скорость снаряда. Кроме того, под воздействием деформаций корпуса возможно отслоение плиток с защищаемых поверхностей, что недопустимо.

Известен также реактивный снаряд "Пэтриот" [2] с ракетным двигателем на твердом топливе (РДТТ), обеспечивающим разгон снаряда до скорости М = 5 - 6 за ~12 с. Время полета на максимальную дальность до 60 км составляет ~50 с. Исходя из соображений термозащиты вся внешняя поверхность снаряда покрыта специальным аблирующим материалом, который, испаряясь при высоких температурах, охлаждает находящиеся под ним поверхности, оживальный обтекатель, закрывающий антенну системы самонаведения, изготовлен из керамического сплава, а носовая часть покрыта кобальтовым сплавом.

Подобная конструкция, эффективная для снарядов большой дальности с большим временем полета, в которых используется самонаведение или радиокомандная система управления, мало приемлема для малогабаритных гиперзвуковых управляемых реактивных снарядов малой дальности с малым временем полета и системами теленаведения, работающими в оптическом диапазоне. Это объясняется тем, что при разгоне снаряда до заданной максимальной скорости поверхность защитного покрытия достигает температуры плавления и испарения, при которой абляционная защита наиболее эффективна не сразу, а примерно к моменту окончания работы двигателя. До момента начала плавления и испарения покрытие скалывается, расщепляется и расслаивается из-за возникающих в нем термических напряжений. Это приводит к возникновению оптических помех, которые возрастают после начала испарения защитного материала с поверхности.

Шероховатость наружной поверхности снаряда по сравнению с исходной также возрастает, что приводит к росту потерь на трение при обтекании внешней поверхности снаряда, снижению максимальной скорости снаряда, дальности и, как следствие, к увеличению времени полета до цели, что в большинстве случаев недопустимо.

Наиболее близким аналогом - прототипом изобретения является реактивный снаряд [3] , содержащий отделяемый двигатель из композиционного материала цилиндрической формы с коническо-оживальной частью, маршевую ступень с носовым обтекателем, задняя часть которой размещена в теплоизолированном частично утопленном в двигатель стакане, который расположен в диаметральном уширении порохового заряда.

Благодаря тому, что при разгоне часть маршевой ступени утоплена в двигателе, а двигатель после прекращения работы отделяется, снаряд имеет малую поверхность, что снижает сопротивление трения при разгоне, и до скоростей М = 3 - 4 композитный корпус двигателя не требует дополнительной защиты. Однако, наружная поверхность двигателя, выполненного из композиционного материала, имеет большую начальную шероховатость. При разгоне снаряда до скорости М = 5 - 7 происходит термоэрозионный унос связующего из композитной стенки двигателя, что приводит к увеличению шероховатости его наружной поверхности, к росту сопротивления трения при обтекании внешней поверхности двигателя и к снижению максимальной скорости снаряда. При этом нити наполнителя композитной стенки двигателя, не защищенные связующим, вследствие нагрева теряют прочность, что приводит к их разрыву и, как следствие, к недопустимому снижению прочности стенки камеры двигателя. Кроме того, в месте заглубления маршевой ступени в двигатель толщина топлива заряда значительно меньше, чем на остальной его длине. Это приводит к вскрытию внутренней поверхности камеры практически в начале работы двигателя и ее интенсивному нагреву продуктами сгорания, что в совокупности с аэродинамическим нагревом приводит к недопустимой потере прочности двигателя на этом участке задолго до момента достижения заданной скорости.

Задачей изобретения является повышение надежности реактивного снаряда за счет исключения аэродинамического нагрева силовой оболочки (наполнитель + связующее) двигателя и повышение максимальной скорости снаряда. Это достигается тем, что в реактивном снаряде, содержащем отделяемый двигатель из композиционного материала цилиндрической формы с коническо-оживальной частью, маршевую ступень с носовым обтекателем, задняя часть которой размещена в теплоизолированном частично утопленном в двигатель стакане, который расположен в диаметральном уширении порохового заряда, угол наклона образующей конического участка двигателя к продольной оси снаряда не более угла наклона образующей носового обтекателя маршевой ступени, причем наружная поверхность двигателя выполнена с полуэластичным теплоизоляционным покрытием на основе связующего и мелкодисперсного полимерного наполнителя, поверхность которого эквидистантна поверхности двигателя, при этом на длине вдвижения маршевой ступени в двигатель толщина теплоизоляционного покрытия превышает толщину покрытия на других участках двигателя, а поверхность покрытия на всей длине нанесения имеет шероховатость в пределах Rz 10 - 40. В качестве наполнителя теплоизоляционного покрытия используют фторопласт.

Сущность изобретения заключается в том, что полуэластичное теплоизоляционное покрытие на основе связующего (жаростойкого клея или компаунда) и мелкодисперсного полимерного наполнителя сохраняет свою целостность (не растрескивается) при температурных и рабочих деформациях двигателя, предотвращает термоэрозионный унос связующего из композитной стенки двигателя и, благодаря минимальной шероховатости, неизменной в процессе разгона снаряда до скорости М = 5 - 7, предотвращает нагрев стенки и потерю двигателем прочности. Толщина покрытия выбирается из условия обеспечения под ним к концу работы двигателя температуры, меньшей температуры начала разупрочнения конструкционных материалов силовой оболочки (наполнитель + связующее) двигателя. Соотношение компонентов подбирается из условия получения эластичного покрытия и возможности его последующей механической обработки. Размер частиц наполнителя выбирается равным заданной шероховатости наружной поверхности покрытия, чтобы в случае нерасчетного возрастания теплового потока и возникновении уноса шероховатость наружной поверхности покрытия оставалась неизменной.

На фиг. 1, 2 представлена предлагаемая конструкция реактивного снаряда, где:
1 - маршевая ступень;
2 - носовой обтекатель маршевой ступени;
3 - отделяемый двигатель из композиционного материала;
4 - диаметральное уширение порохового заряда;
5 - задняя часть маршевой ступени в теплоизолированном стакане;
6 - конический начальный участок двигателя;
7 - полуэластичное теплоизоляционное покрытие;
L - длина вдвижения маршевой ступени в двигатель;
α₁ - угол наклона образующей носового обтекателя маршевой ступени;
α- угол наклона образующей конического участка двигателя к продольной оси снаряда;
δ- толщина полуэластичного теплоизоляционного покрытия на длине вдвижения маршевой ступени в двигатель;
δ₁- толщина полуэластичного теплоизоляционного покрытия на всей длине нанесения.

На фиг. 3, 4 представлены графики зависимости от времени шероховатости наружной поверхности двигателя без покрытия и с покрытием, а также графики зависимости увеличения коэффициента теплоотдачи и снижения скорости снаряда от шероховатости наружной поверхности отделяемого двигателя из композиционного материала.

Покрытие (соотношение компонентов ~ 2:3-2 части жаростойкого клея или компаунда, 3 части наполнителя) наносится на наружную поверхность двигателя, проходит полимеризацию, зачищается и шлифуется по заданному внешнему контуру.

Источники информации
1. Моделист-Конструктор, N 11, 1990 г., стр. 34-38 - аналог.

2. Моделист-Конструктор, N 7, 1993 г., стр. 25-26 - аналог.

3. Патент RU N 2133444 от 20.07.1999 г. - прототип.