Результат интеллектуальной деятельности: АНТЕННЫЙ ОБТЕКАТЕЛЬ РАКЕТЫ

Изобретение относится к ракетной технике, а точнее к конструкции антенных обтекателей с радиолокационной системой управления из кварцевой керамики. Оно может найти широкое применение при создании ракет различного назначения.

Известно, что антенные обтекатели из кварцевой керамики являются одними из перспективных благодаря таким свойствам материала, как высокая термостойкость, низкая теплопроводность, малая величина и стабильность диэлектрических характеристик (ε и tqδ) в широком интервале температур и частот. Однако низкая прочность и открытая пористость материала требует специальных мер по устранению этого недостатка.

Известна конструкция антенного обтекателя, патент РФ №2090956, МПК H 01 Q 1/42, 1994 г., содержащая оболочку из кварцевой керамики, переходной и стыковочный шпангоуты, отличающаяся тем, что переходной шпангоут выполнен из инвара, а керамическая оболочка обтекателя прикреплена к нему посредством слоя герметика. Работоспособность обтекателя при нагреве обеспечена за счет близости коэффициентов термического расширения кварцевой керамики и инвара, а также эластичного «плавающего» соединения оболочки со шпангоутом при помощи слоя герметика. Однако отсутствие в конструкции обтекателя элементов герметизации и упрочнения пористой керамической оболочки снижает эксплуатационные характеристики обтекателя. Наиболее близким техническим решением является антенный обтекатель ракеты по патенту РФ №2209494, МПК H 01 Q 1/42 от 27.07.2003 г., у которого керамическая оболочка из пористой кварцевой керамики состоит из радиопрозрачного внутреннего силового элемента с введенным в поры керамики полимером и внешнего теплозащитного элемента из пористой кварцевой керамики, причем толщина внутреннего силового элемента составляет 0,05-0,1 от общей толщины стенки оболочки или равномерно увеличивается от носка к основанию до величины, соответствующей 0,1-0,9 от общей толщины, а толщина внешнего теплозащитного элемента меняется в обратной зависимости с сохранением общей электрической толщины стенки, при этом на наружную поверхность теплозащитного элемента нанесено влагозащитное покрытие. Преимуществом такой конструкции является то, что в ней предусмотрено упрочнение и герметизация пористой керамической оболочки, что повысило несущую способность обтекателя из кварцевой керамики, обеспечило его влагоустойчивость.

Недостатками прототипа являются:

- Введение в поры керамической оболочки полимера на глубину до 0,9 общей толщины стенки ухудшает высокотемпературные свойства материала. Пиролиз органического полимера внутри стенки без доступа кислорода при высокоскоростном нагреве оболочки не только ухудшает диэлектрические характеристики материала обтекателя, но может привести к его разрушению. Этому способствует также отсутствие ограничений по пористости и теплопроводности кварцевой керамики в оболочке.

- В связи с тем, что введенный в поры полимер увеличивает диэлектрическую проницаемость кварцевой керамики примерно на 10%, а толщина пропитанного слоя значительна и переменна, усложняется радиодоводка обтекателя, возникает необходимость проведения индивидуальной радиодоводки изделий после пропитки.

- Отсутствие ограничения по наружному влагозащитному покрытию в части его толщины, мер предотвращения впитывания материала покрытия в поры керамики ухудшает радиотехнические характеристики обтекателя. В случае применения уносимых покрытий впитывание пористой керамикой органической эмали недопустимо, так как ее термодеструкция в процессе нагрева с образованием углерода в порах материала оболочки может вызвать резкое снижение радиопрозрачности обтекателя.

Отмеченные недостатки существенно ухудшают технические характеристики обтекателей из кварцевой керамики по термоустойчивости и радиотехническим характеристикам, сужают область применения обтекателей.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение технических характеристик антенных обтекателей из кварцевой керамики в условиях высокотемпературного нагрева и, в частности, увеличение термоустойчивости, улучшение радиотехнических характеристик при обеспечении необходимой несущей способности керамической оболочки и влагостойкости. Это важно, прежде всего, для высокоскоростных ракет, работающих на скоростях 8-12 М.

Поставленная задача достигается тем, что антенный обтекатель, включающий радиопрозрачную оболочку из пористой кварцевой керамики, на внутренней стороне которой содержится слой керамики с введенным в поры полимером, а на наружной поверхности нанесено влагозащитное покрытие, отличающийся тем, что оболочка представляет собой полуволновую конструкцию с кольцевыми трапециевидными проточками глубиной 0,003-0,01 рабочей длины волны антенны, внутренний слой керамики с полимером имеет толщину 0,02-0,05 от общей толщины стенки оболочки, а уносимое влагозащитное покрытие нанесено на предварительно блокированную ацетоном пористую оболочку и имеет толщину 50-80 мкм.

Керамическая оболочка выполнена из кварцевой керамики с пористостью 8,5-10,5%, прочностью при изгибе не менее 50 МПа, коэффициентом теплопроводности не более 1,3 Вт/м·К, разбросом значений диэлектрической проницаемости в радиопрозрачной зоне оболочки не более 1%, а от оболочки к оболочке - не более 3%.

В заявленном техническом решении высокие технические характеристики обтекателя при эксплуатации в широком интервале температур (от -60°С до +1800°С на поверхности) достигнуты за счет выбора конструкции и свойств материала оболочки, исключения глубинной пропитки пористой керамической оболочки полимером, нанесением уносимого влагозащитного покрытия на предварительно блокированную ацетоном пористую оболочку.

Проведенные авторами теплопрочностные расчеты, стендовые и натуральные испытания показали, что полуволновые обтекатели, выполненные из кварцевой керамики с указанными прочностными и теплофизическими свойствами, обеспечивают устойчивость оболочки к воздействию требуемых тепловых и силовых нагрузок без дополнительного упрочнения. Это связано с тем, что при высокотемпературном нагреве (выше 900°С) в оптимизированном по свойствам и технологии получения материале возникает эффект релаксации напряжений и высокотемпературная прочность материала увеличивается. Так, если при комнатной температуре прочность на изгиб кварцевой керамики ТУ 1-596-195-84 с пористостью 8,5-10,5% составляет 50-85 МПа, то при температуре 1100°С она равна 90-110 МПа. При этом верхний предел пористости (10,5%) ограничен допустимой прочностью при изгибе (50 МПа), а нижний (8,5%) - допустимой теплопроводностью. Керамическая оболочка полуволновой конструкции с теплопроводностью не более 1,3 Вт/м·К обеспечивает достаточную теплозащиту антенного блока и металлического шпангоута. Оболочки из более плотной кварцевой керамики (пористость менее 8,5%) не рекомендованы для изготовления антенных обтекателей еще и по причине низкой трещиностойкости, что проявляется уже при мехобработке тонкостенной оболочки алмазным инструментом.

В отличие от прототипа пропитка по внутренней поверхности полимером, например титанметилфенилсилоксановым олигомером ТМФТ (ТУ 6-02-933-74), осуществляется на глубину 0,02-0,05 общей толщины полуволновой стенки и служит для герметизации оболочки, а также контроля и залечивания поверхностных дефектов керамической оболочки. Толщина пропитанного полимером слоя выбрана по следующим причинам:

- она обеспечивает герметизацию пористой оболочки при минимальной глубине пропитки;

- не влияет на радиотехнические характеристики обтекателя, так как изменение электрической толщины не превышает 0,1%;

- полимер находится в поверхностном слое внутри оболочки, в зоне минимального прогрева при высокоскоростном режиме работы обтекателя.

Хорошие радиотехнические характеристики (РТХ) обтекателей достигнуты за счет профилирования стенки трапециевидными проточками на глубину 0,003-0,01 длины волны излучения антенны, которое осуществляется в зависимости от диэлектрической проницаемости материала на стадии механической обработки керамической оболочки. Профиль стенки подбирается экспериментально с учетом обеспечения РТХ во всем диапазоне рабочих частот, а воспроизводимость радиотехнических характеристик обтекателей обеспечивается стабильностью диэлектрической проницаемости (ε) материала обтекателя (разброс значений ε в оболочке не более 1,0%, а от оболочки к оболочке не более 3%). Трапециевидный профиль проточек выбран также с целью исключения подрезов керамической оболочки и исключения возникновения концентраторов напряжения в изделии.

Уносимое влагозащитное покрытие, например, на основе фторопластовой эмали, нанесенное на предварительно блокированную ацетоном пористую керамическую оболочку толщиной 50-80 мкм создает влагозащиту обтекателя в наземных условиях и легко уносится в условиях автономного полета ракеты. Блокировка капиллярно-активных пор керамики осуществляется напылением на поверхность оболочки ацетона или смачиванием оболочки тампоном перед нанесением покрытия. Испаряясь, ацетон создает избыточное давление в порах керамики, что и препятствует всасыванию материала наносимого покрытия. Такое покрытие обеспечивает влагозащиту антенного обтекателя и не ухудшает радиотехнических характеристик обтекателя как после нанесения покрытия, так и после его уноса.

Технология изготовления антенных обтекателей по предложенному техническому решению включает следующие этапы:

- изготовление керамической оболочки методом водного шликерного литья в гипсовых формах с последующей сушкой и обжигом до получения пористости 8,5-10,5%, теплопроводности не выше 1,3 Вт/м К;

- механическая обработка оболочки алмазным инструментом до заданной толщины стенки и профиля изделия с радиодоводкой обтекателя кольцевыми трапециевидными проточками по заданной программе в зависимости от величины диэлектрической проницаемости материала в оболочке;

- герметизация оболочки путем пропитки по внутренней поверхности оболочки на глубину 0,02-0,05 общей толщины стенки ацетоновым раствором кремнийорганического полимера ТМФТ с плотностью 0,960-0,980 г/см³ и последующей полимеризацией при температуре 220±10°С;

- стыковка оболочки со шпангоутом на специальном стапеле и склейка оболочки со шпангоутом при помощи герметика, например, ВИКСИНТ У-2-28;

- нанесение на наружную поверхность методом пульверизации или при помощи тампона ацетона для блокировки капиллярно-активных пор керамики, затем влагозащитного покрытия, состоящего из одного слоя эпоксидной грунтовки ЭП-0101 и 3-6 слоев фторопластовой эмали ФП-566, до общей толщины 50-80 мкм.

Предложенная конструкция антенного обтекателя представлена на чертеже. Она состоит из радиопрозрачной оболочки из кварцевой керамики 1, инварового шпангоута 2, соединенного с керамической оболочкой слоем герметика 3.

Радиопрозрачная оболочка 1 представляет собой полуволновую конструкцию с кольцевыми проточками 4 глубиной 0,003-0,01 рабочей длины волны, изготовленную из кварцевой керамики ТУ 1-596-195-84 с пористостью 8,5-10,5%, прочностью при изгибе не менее 50 МПа, коэффициентом теплопроводности не более 1,3 Вт/м·К, разбросом значений диэлектрической проницаемости в радиопрозрачной зоне оболочки не более 1%, а от оболочки к оболочке не более 3%. Внутренний слой керамической оболочки 5 с целью герметизации пропитан на глубину 0,02-0,05 от общей толщины стенки оболочки полимером, например титанкремнийорганическим олигомером ТМФТ (ТУ 6-02-933-74). На наружную поверхность керамической оболочки нанесено влагозащитное уносимое покрытие 6 толщиной 50-80 мкм, например, на основе фторопластовой эмали ФП-566.

Антенные обтекатели, изготовленные по предлагаемому техническому решению, могут быть использованы в летательных аппаратах различного назначения, работающих на режимах полета с изгибающим моментом на обтекателе до 5000 кГм, при температуре на поверхности обтекателя до 1800°С, с коэффициентом запаса по несущей способности не ниже 1,3.

Совокупность конструкторско-технологических, материаловедческих решений позволяет получать высокие радиотехнические характеристики (по угловым ошибкам на уровне 0,015 град/град) в широком интервале температур и частот. Высокая стабильность диэлектрических характеристик материала обтекателя, воспроизводимость РТХ обтекателей позволяет в системах управления летательных аппаратов применять аппаратурную компенсацию ошибок пеленга.

Источники информации

1. Патент РФ №2090956, МПК H 01 Q 1/42, 1994 г.

2. Патент РФ №2209494, МПК H 01 Q 1/42, 2003 г.