Результат интеллектуальной деятельности: Антенный обтекатель (варианты)

Изобретение относится к области авиационной и ракетной техники, преимущественно к конструкциям антенных обтекателей с радиопрозрачными оболочками для ракет класса «воздух-воздух» и «воздух-земля».

Известно техническое решение антенного обтекателя по патенту РФ №2277738, 2004. Пористая оболочка из неорганического диэлектрика (кварцевая керамика) с полуволновой стенкой с физической толщиной около 10,0 мм, ориентировочно равнотолщинная без учета проточки на наружной поверхности оболочки для радиодоводки обтекателя и утолщения носовой части оболочки. Оболочка соединена эластичным адгезивом с металлическим шпангоутом. Для герметизации и влагозащиты пористой стенки предусмотрены наружное и внутреннее покрытия в виде эпоксидной грунтовки и фторопластовой эмали.

Основные недостатки этого решения:

- невозможность изготовления оболочки с толщиной меньшей 3 мм из-за хрупкости и малой прочности материала заготовки;

- существенные затраты на механическую обработку алмазным инструментом каждой оболочки обтекателя (особенно) при серийном производстве;

- большой коэффициент запуска (неисправимый брак на разных стадиях производственного процесса изготовления изделий);

- низкая ударная прочность, хрупкость материала оболочки;

- ограниченность уровня допустимого прогрева эластичного адгезива (из-за существенного падения его прочности при сдвиге) и шпангоута (из-за рассогласованности по температурному коэффициенту линейного расширения (ТКЛР) материалов шпангоута и оболочки).

Многообразие режимов эксплуатации ракет класса «воздух-воздух» и «воздух-земля», конструкций антенн (сантиметрового, λ_см; дециметрового, λ_дм; широкополосного, λ_{см+дм+мм} диапазонов) головки самонаведения (ГСН_{см;дм;см+дм+мм}) предъявляет особые требования к конструкции ее элементов и формообразующих поверхностей. Особенно это проявляется при конструировании авиационного комплекса, в котором может использоваться единая ракетная система с различными головными частями, выбираемыми в зависимости от специфики применения и поэтому отличающиеся друг от друга рабочими частотными диапазонами, типами и методами пеленгации и другими особенностями конструкции.

Основные конструктивные элементы входят в наиболее близкое техническое решение, выбранное в качестве прототипа по патенту RU №2090958, которое содержит однослойную стенку из диэлектрического материала в форме колпака, снабженного узлом крепления к летательному аппарату и эрозионностойкий наконечник. В указанном техническом решении элементы обтекателя - монолитный эрозионностойкий наконечник и однослойная оболочка соединены встык. При этом при соединении наконечника и оболочки встык применимо только для резонансных толщин стенки кратных полуволне на частоте работы системы антенна-обтекатель в сантиметровом диапазоне волн, при переходе в дециметровый диапазон при выполнении стенки полуволновой электрической толщины геометрическая толщина становится очень значительной и не может быть выполнена по массогабаритным условиям, а при применении электрически тонкой оболочки конструкция антенного обтекателя встык из наконечника и однослойной тонкостенной оболочки не может быть выполнена по прочностным характеристикам. Поэтому такая конструкция обтекателя не может быть применена, как унифицированная, в авиационном комплексе для различных частотных диапазонов. Кроме того, недопустимо использование в наконечнике и оболочке материалов со значительно различающимися коэффициентами термического расширения, что приведет к разрушению конструкции обтекателя при теплофизическом нагреве.

Задачей изобретения является создание антенного обтекателя с многоконтурной поверхностью с максимальной унифицированностью, обеспечивающего возможность применения разных типов головок самонаведения в составе антенны и обтекателя, как в узком, так и в широком диапазоне длин волн, работоспособного при высоких теплосиловых воздействиях.

Указанная задача решается следующим образом. Вариант 1

Антенный обтекатель, включающий однослойную конусообразную оболочку и эрозионностойкий носок, выполненные из диэлектрического материала, связанные между собой клеевым соединением, металлическое кольцо, жестко скрепленное с конусообразной оболочкой, отличающийся тем, что оболочка и носок изготовлены из термостойких пористых стеклопластиков с диэлектрической проницаемостью 3,2÷4,2, носок соединен с оболочкой встык с нахлесткой, образуя в сечении вдоль оси обтекателя зетобразный профиль, с сохранением электрической толщины стенки оболочки резонансно-кратной полуволне в области соединения, в качестве клея использован высокотермостойкий жесткий адгезив на основе кремнийорганического связующего, а на наружную и внутреннюю поверхности оболочки нанесено влагозащитное покрытие. Вариант 2

Антенный обтекатель, включающий однослойную конусообразную оболочку и эрозионностойкий носок, выполненные из диэлектрического материала, связанные между собой клеевым соединением, металлическое кольцо, жестко скрепленное с конусообразной оболочкой, отличающийся тем, что оболочка и носок изготовлены из термостойких пористых стеклопластиков с диэлектрической проницаемостью 3,2÷4,2, носок соединен с оболочкой встык, в области соединения изнутри установлена накладка, выполненная из аналогичного с носком или оболочкой материала и склеенная по соприкасающимися поверхностям клеем, толщина стенки накладки составляет (0,03÷0,06)⋅λ, высота 1,5⋅λ, а стенка оболочки обтекателя в его носовой части на расстоянии не менее одной третьей высоты от носка равнотолщинна и составляет не более 0,1⋅λ, где λ - длина волны для верхней частоты трехсантиметрового рабочего диапазона с учетом диэлектрической проницаемости материала оболочки при среднем угле падения волны на поверхность обтекателя, кроме того, на расстоянии не менее одной третьей высоты от носка толщина стенки оболочки плавно увеличивается в 2÷3,5 раза в радиотехнической зоне, возрастая до 5,5 раз в зоне крепления оболочки с металлическим кольцом, в качестве клея использован высотермостойкий жесткий адгезив на основе кремнийорганического связующего, а на наружную и внутреннюю поверхности оболочки нанесено влагозащитное покрытие.

Авторы установили, что в конструкции антенного обтекателя из композиционных материалов оболочка выполняется многоконтурной из составных частей и основным вопросом, возникающим при конструировании оболочки, является соединение разъемных частей обтекателя в местах изменения кривизны поверхности таким образом, чтобы обеспечить заданные теплопрочностные и радиотехнические характеристики, при этом при проектировании и производстве обтекателей с применением органических связующих и волокнистых наполнителей необходимо решить следующие вопросы:

-исходя из заданного частотного диапазона, формы оболочки и материала, удовлетворяющего теплофизическим требованиям, выбрать толщину стенки оболочки: геометрически и электрически тонкую или резонансную, сравнимую по толщине с длиной волны сантиметрового диапазона;

- выбрать типы связующих, виды наполнителей, методы получения элементов оболочки, обеспечивающих требования по диэлектрическим характеристикам, способы обеспечения влагозащиты и герметизации пористых элементов оболочки, составов для этого обеспечения, виды и типы связи элементов оболочки и связи ее со шпангоутом;

- определить геометрические параметры элементов обтекателя с учетом обеспечения заданных требований по аэродинамическим, теплопрочностным и радиотехническим параметрам конструкции;

- определить типы соединений конструкционных элементов обтекателя с различными радиусами кривизны и использование дополнительных элементов, обеспечивающих при этом заданные требования по герметичности, прочности и радиотехническим параметрам.

Для доказательства преимуществ предложенного технического решения проводились электродинамические расчеты. В расчетах моделировалась система антенна-обтекатель: антенным обтекателем в форме оживала диаметром 300 мм и высотой 600 мм и многоэлементной антенной круговой поляризации. Расчеты угловых зависимостей пеленгационных ошибок проводились для фазового метода пеленгации по двум элементам, лежащим в плоскости пеленга, совпадающей с плоскостью поворота обтекателя вокруг неподвижной антенны, направленной на источник излучения. Коэффициент прохождения определялся для элемента, расположенного в точке, соответствующей центру поворота антенны. Диэлектрическая проницаемость материала оболочки составила ε=3,2÷3,4, а носка и накладки ε=4,0÷4,2. Расчеты проводились на средней частоте 10 ГГц и на верхней и нижней частотах ±5 % диапазона. Параметры стенки и обтекателя описывались относительно длины волны относительно волновой толщины стенки оболочки:

где С - скорость света, F - рабочая частота, ε - диэлектрическая проницаемость материала оболочки, α_ср - средний угол падения волны на радиопрозрачную внешнюю поверхность обтекателя.

Расчетными электродинамическими экспериментами установлено, что предложенные конструктивные решения позволяют обеспечить заданные радиотехнические требования, как, в первом варианте, при использовании соединения встык носовой части и оболочки со стенкой значительной толщины, кратной полуволновой для сантиметрового диапазона, так и во втором варианте, в случае использования электрически и геометрически тонкой стенки оболочки и носка с накладками на внутренней поверхности. В первом и втором вариантах толщины и кривизны носка и оболочки должны совпадать в месте стыка для обеспечения плотного прилегания друг к другу.

Сущность предлагаемого изобретения при выполнении вариантов антенного обтекателя, используемого в едином авиационном комплексе, поясняется чертежами.

На фиг. 1 представлена конструктивная схема предлагаемых вариантов антенного обтекателя, включающего оболочку 1, соединенную с и металлическим кольцом 2 эластичным адгезивом 3 и винтами 4.

На правой половине фиг. 1 представлен первый вариант с зетобразным профилем соединения элементов оболочки с полуволновой толщиной стенки на сантиметровом диапазоне длин волн работы антенны ГСН_см 8. (ГСН_см, около λ_см), поворачивающейся во время работы относительно центра прокачки 9.

На левой половине фиг. 1 представлен второй вариант соединения элементов оболочки с использованием накладки 10 в дециметровом и 3 - х сантиметровом диапазоне длин волн работы антенны ГСН 8, при этом для необходимого подкрепления соединения оболочки со шпангоутом и тонкостенной толщиной стенки радиопрозрачной зоны обтекателя 6 введена переходная зона 11 оболочки с внутренним контуром, выбранным из условия обеспечения разъемности пуансона с отформованной заготовкой оболочки.

Для влагоустойчивости и герметизации оболочки нанесено наружное покрытие 12, состоящее из шпатлевки, грунтовки и эмали, и внутреннее покрытие 13, состоящее из эмали, наносимой на внутреннюю поверхность оболочки с пористостью от 8 до 15%, а также герметик для устранения течи через винтовые соединения переходного кольца 14.

Толщина стенок носка 5 и оболочки 6 выбирается одинаковой в зоне их соединения (для качественной склейки с накладкой), толщина накладки 10 меньше или соизмерима с толщиной стенок носка 5 и оболочки 6 (левая половина фиг. 1).

Носок 5 и оболочка 6 соединены с помощью высокотермостойкого жесткого адгезива на основе кремнийорганического связующего 7, типа ВК-58, ВК-78, ВК-90.

На фиг. 2 представлены результаты расчетов зависимостей пеленгационных ошибок при повороте антенного обтекателя с равнотолщинной резонансной полуволновой толщиной стенки (0,5⋅λ для диэлектрической проницаемости стенки ε = 3,4) на средней F=10 ГГц, верхней и нижней частотах 10% диапазона и вертикальной поляризации падающей волны.

На фиг. 3 представлены результаты расчетов зависимостей пеленгационных ошибок при повороте антенного обтекателя с равнотолщинной резонансной полуволновой толщиной стенки (0,5⋅λ для диэлектрической проницаемости стенки ε = 3,4) с накладкой в носовой части толщиной 0,03⋅λ на средней F=10 ГГц, верхней и нижней частотах 10% диапазона и вертикальной поляризации падающей волны.

На фиг. 4 представлены результаты расчетов зависимостей коэффициентов прохождения при повороте антенного обтекателя с равнотолщинной резонансной полуволновой толщиной стенки (0,5⋅λ для диэлектрической проницаемости стенки ε = 3,4) на средней F=10 ГГц и вертикальной поляризации падающей волны с различными толщинами: 0,015⋅λ, 0,03⋅λ, 0,05⋅λ, 0,07⋅λ накладки в носовой части.

На фиг. 5 представлены результаты расчетов зависимостей пеленгационных ошибок при повороте антенного обтекателя с равнотолщинной электрически тонкой толщиной стенки (0,07⋅λ) на средней F=10 ГГц, верхней и нижней частотах 10% диапазона и вертикальной поляризации падающей волны.

На фиг. 6 представлены результаты расчетов зависимостей пеленгационных ошибок при повороте антенного обтекателя с равнотолщинной электрически тонкой толщиной стенки (0,07⋅λ) с накладкой в носовой части толщиной 0,015⋅λ на средней F=10 ГГц, верхней и нижней частотах 10% диапазона и вертикальной поляризации падающей волны.

На фиг. 7 представлены результаты расчетов зависимостей пеленгационных ошибок при повороте антенного обтекателя с равнотолщинной электрически тонкой толщиной стенки (0,07λ) с накладкой в носовой части толщиной 0,03⋅λ на средней F=10 ГГц, верхней и нижней частотах 10% диапазона и вертикальной поляризации падающей волны.

На фиг. 8 представлены результаты расчетов зависимостей пеленгационных ошибок при повороте антенного обтекателя с равнотолщинной электрически тонкой стенкой (0,07⋅λ) с накладкой в носовой части толщиной 0,05⋅λ на средней F=10 ГГц, верхней и нижней частотах 10% диапазона и вертикальной поляризации падающей волны.

На фиг. 9 представлены результаты расчетов зависимостей пеленгационных ошибок при повороте антенного обтекателя с равнотолщинной электрически тонкой толщиной стенки (0,07⋅λ) с накладкой в носовой части толщиной 0,07⋅λ, на средней F=10 ГГц, верхней и нижней частотах 10% диапазона и вертикальной поляризации падающей волны.

На фиг. 10 представлены результаты расчетов зависимостей пеленгационных ошибок на средней F=10 ГГц при вертикальной поляризации падающей волны при повороте антенного обтекателя с равнотолщинной электрически тонкой стенкой (0,07⋅λ), с накладкой в носовой части толщиной 0,03⋅λ различной высоты: 0,65⋅λ, 1,0⋅λ, 1,4⋅λ, 1,7⋅λ.

На фиг. 11 представлены результаты расчетов зависимостей коэффициента прохождения ошибок на средней F=10 ГГц и вертикальной поляризации падающей волны при повороте антенного обтекателя с равнотолщинной электрически тонкой стенкой (0,07λ) накладкой в носовой части толщиной 0,03λ, различной высоты: 0,65⋅λ, 1,0⋅λ, 1,5⋅λ, 1,7⋅λ.

На фиг. 12 представлены результаты расчетов зависимостей пеленгационных ошибок при повороте антенного обтекателя с равнотолщинной электрически тонкой стенкой (0,07⋅λ) на средней F=10 ГГц при вертикальной поляризации падающей волны с различными величинами утолщения оболочки к основанию в: 2 раза, 3 раза и 3,5 раза.

Для первого варианта, как показывают результаты сравнительных радиотехнических расчетов, представленные на фиг. 2 и фиг. 3, для геометрически толстой резонансной стенки полуволновой по электрической толщине применение накладки приводит к значительному увеличению пеленгационных ошибок в носовых углах и поэтому не допустимо.

На фиг. 4 показано, что даже незначительное отклонение от полуволновой толщины из-за применения накладки в носовой части приводит к падению коэффициента прохождения, а значит применение соединения элементов оболочки и носка соединения в встык с нахлесткой, образуя в сечении вдоль оси обтекателя зетобразный профиль, является единственно правильным и не допускает ухудшения радиотехнических характеристик, а так как толщина стенки в месте соединения значительна, то значительной является и место соединения, увеличенное за счет применения в сечении зет профиля, что позволяет выполнить эксплуатационные прочностные и теплофизические требования к обтекателю. Зетобразное сечение соединения оболочки и носка в виде колпака увеличивает площадь соприкосновения и является более прочным, чем при применении иных конструктивных решений для резонансных толщин стенки обтекателя.

Во втором варианте, как показывают сравнительные радиотехнические расчеты, представленные на фиг. 5, 6, 7, 8, для геометрически тонкой стенки (электрически тонкая стенка) оболочки и носка в виде колпака с геометрической толщиной в 0,07⋅λ, применение накладки с геометрической толщиной (0,015÷0,07)⋅λ, незначительно влияет на радиотехнические характеристики, так как стенка останется электрически тонкой.

Высота накладки выбирается исходя из обеспечения радиотехнических характеристик системы антенна-обтекатель с электрически тонкой стенкой.

Как показано на фиг. 10 уровень угловых зависимостей пеленгационных ошибок оболочки зависит от высоты накладки и является оптимальным при ее высоте соответствующей длине в 1,5⋅λ.

Как показано на фиг. 11 уровень угловых зависимостей коэффициента прохождения оболочки также зависит от высоты накладки и является оптимальным при ее высоте не более 1,5⋅λ.

Авторы установили, что предложенные варианты конструкции антенного обтекателя с поверхностью, выполненной из элементов различной кривизны позволяют реализовать весь комплекс теплофизических, прочностных и радиотехнических требований в зависимости от задаваемого рабочего частотного диапазона и могут быть применены в авиационном комплексе.

Проведен большой объем экспериментальных исследований по определению значимости примененных эксплуатационных и конструктивно-технологических факторов, влияющих на выходные параметры конструкции изделия при исследованиях на моделях в наземных стендовых испытаниях макетных и опытных образцов изделий и подтвержденных летными испытаниями в составе изделий.

Антенные обтекатели для обоих вариантов изготовлены из радиопрозрачных элементов, отличающихся по кривизне контуров поверхностей. Радиопрозрачные элементы оболочки (фиг. 1) с малыми радиусами кривизны (R₁), как носки в виде колпаков 5, соизмеримыми с длиной волны сантиметрового диапазона (около λ, см = 3 см), изготовляются из монолитного материала, например, пресс материала на основе кремнийорганического материала и волокнистого наполнителя, кварцевой керамики, а элементы с большими радиусами кривизны (R₂), как оболочки 6, значительно большими длинами волны сантиметрового диапазона (более λ см = 3 см) в свободном пространстве, из формованного стеклопластика на основе фенолформальдегидного, полиамидного, кремнийорганического связующего и тканевого наполнителя.

Предложенные конструктивно-технологические решения, позволили соединить в единую конструкцию радиопрозрачные элементы с различной кривизной, выполненные из диэлектрических материалов, при этом обеспечив приемлемые радиотехнические характеристики в заданных рабочих частотных диапазонах, что позволило унифицировать конструкцию антенного обтекателя при сохранении одинакового контура внешней формы:

- элементы оболочки с малыми радиусами кривизны, как носок в виде колпака, соизмеримыми с длиной волны сантиметрового диапазона, выполнены из монолитного материала, например, на основе кремнийорганического пресс-материала, кварцевой керамики и др.;

- элементы оболочки с большими радиусами кривизны из формованного стеклопластика, например, на основе органического связующего типа фенолформальдегидного, полиимидного, кремнийорганического и др.

Результаты электродинамических расчетов показывают (фиг. 12), что для второго варианта возможно увеличить толщину стенки тонкостенной оболочки на расстоянии не менее, чем от одной трети ее высоты плавно к торцу в 2÷3,5 раза, без потерь радиотехнического качества оболочки, так как область оболочки в основании для электрически тонкой стенки незначительно влияет на ее радиотехнические характеристики, но при этом увеличение толщины оболочки в этой области значительно повышает уровень выдерживаемых прочностных нагрузок. Дальнейшее увеличение толщины стенки обтекателя в основании должно происходить вне радиопрозрачной зоны в области заделки. Как авторы установили для выполнения теплопрочностных требований достаточно увеличение толщины стенки оболочки у ее основания в 5,5 раз.

При большой толщине стенки элементов для первого варианта антенного обтекателя установлена возможность обеспечения заданной работоспособности при теплосиловых воздействиях без введения дополнительных элементов связи (штифты, болты, винты, накладки), кроме введенного теплостойкого жесткого адгезива на основе высокотермостойкого кремнийорганического связующего типа ВК-58, ВК-78, ВК-90 между механически обработанными торцевыми областями элементов для образования зет соединения.

При малой толщине стенки, в несколько миллиметров, при соединении элементов (оболочки и носка) антенного обтекателя во втором варианте в месте стыка возникает необходимость введения дополнительного элемента -накладки, которые соединены между собой теплостойким жестким адгезивом на основе высокотермостойкого кремнийорганического связующего типа ВК-58, ВК-78, ВК-90. Проведенными электродинамическими расчетами установлена допустимость ее введения в конструкцию при выполнении радиотехнических требований, оптимальных по коэффициенту прохождения.

Накладка выполнена по толщине меньшей или соизмеримой с толщиной стенки оболочки в области соединения с носком обтекателя и выбрана из условия выполнения радиотехнических и теплопрочностных требований.

Электрическая толщина стенки в радиопрозрачной зоне оболочки обтекателя выбрана в зависимости от заданных значений длины волны и ширины диапазона, резонансно кратна полуволне или тонкостенной, минимальные значения которой определяются комплексом эксплуатационных нагрузок.

В зависимости от ГСН_{см,дм,см+дм} и заданных радиотехнических характеристик и применяемых материалов разрабатываемого обтекателя толщина оболочки может быть от 1 мм до 1 см.

Наибольшие сложности для обеспечения комплекса эксплуатационных нагрузок возникали при электрически тонкой стенке оболочки, соответствующей 0,05⋅λ, при геометрической толщине в (1-0,07)⋅λ, как с точки зрения соединения элементов, так и с точки зрения потери устойчивости оболочки с тонкой стенкой при высоких температурах.

Высокая пористость (15%) стеклопластиков обусловлена термореактивной природой полимеризации связующего с выделением газовых компонентов. Установлено, что применение влагозащиты и герметизации покрытия наружной поверхности с высокой пористостью оболочки обтекателя из шпатлевки, грунтовки и эмали удовлетворяет современным требованиям к обтекателям ракет класса «воздух -поверхность». При этом радиотехнические характеристики разработанных конструкций удовлетворительны.

Облив внутренней поверхности кремнийорганической эмалью, в основном, обеспечивает радиотехнические требования и требования по герметичности даже при высокой пористости внутренней поверхности.

Наземными и летными испытаниями доказана работоспособность комплекса с вариантами антенных обтекателей с оболочками, собранными в единую конструкцию элементов поверхностей различной кривизны, причем каждый из них имеет электрическую толщину стенки, оптимальную по радиотехническим характеристикам для заданного диапазона длин волн, а электрическая толщина стенки в зависимости от длины волны и ширины диапазона может быть, как равнотолщинной, кратной полуволне, так и неравномерной тонкостенной с минимальными значениями толщины, определяемыми комплексом эксплуатационных нагрузок.