Головной антенный обтекатель ракеты

 

Изобретение относится к области авиационной и ракетной техники, преимущественно к конструкциям головных керамических обтекателей ракет. Техническим результатом является повышение несущей способности и надежности. Сущность изобретения заключается в том, что радиопрозрачная оболочка состоит из радиопрозрачного внутреннего силового элемента из пористой кварцевой керамики с введенным в поры 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 стенки, а толщина внешнего теплозащитного элемента меняется в обратной зависимости с сохранением общей электрической толщины стенки оболочки, при этом на наружную поверхность теплозащитного элемента нанесено влагозащитное покрытие. В зоне соединения со шпангоутом, выполненным из инвара, силовой элемент оболочки может быть выполнен дискретным. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области авиационной и ракетной техники, преимущественно к конструкциям головных антенных обтекателей ракет.

Для изготовления высоконагруженных теплосиловыми воздействиями радиопрозрачных обтекателей ракет применяются неорганические материалы. Одним из них является пористая кварцевая керамика, обладающая хорошими диэлектрическими, теплофизическими и технологическими характеристиками. По сравнению с другими неорганическими материалами (алюмооксидная керамика, ситаллы и пр. ) невысокая прочность пористой кварцевой керамики ограничивает ее применение в конструкциях высоконагруженных ракет.

Надежность конструкции обтекателя складывается из надежности его элементов. Одним из них является радиопрозрачный элемент из кварцевой керамики, применяемой для современных ракет.

Известен антенный обтекатель, по пат. США 4520364, МПК 6 Н 01 Q 1/28, 1/42, 1985 г., включающий радиопрозрачный теплозащитный элемент из пористой кварцевой керамики.

Отсутствие влагозащиты материала радиопрозрачной пористой стенки обтекателя и упрочняющих элементов конструкции стенки обтекателя не позволяют обеспечить требуемые эксплуатационные прочностные и радиотехнические характеристики.

Известен антенный обтекатель по пат. РФ 2090956, МПК 6 Н 01 Q 1/42, 1994 г. , выбранный в качестве прототипа, включающий радиопрозрачную оболочку из кварцевой керамики и шпангоут из инвара, соединенные слоем герметика.

Отсутствие в известной конструкции элементов влагозащиты материала пористой стенки, а также упрочняющих элементов в конструкции стенки существенно снижает эксплуатационные характеристики обтекателя.

Эта конструкция отработана, оптимизирована и серийно освоена в производстве, что позволяет проводить статистический сравнительный анализ этой конструкции с предлагаемой.

Современная ракетная техника характеризуется высокими скоростями, следовательно, высокими температурами аэродинамического нагрева, при этом температура на внешней поверхности обтекателя распределяется неравномерно. В носовой части она может достигать свыше 2000^oС, а к основанию значительно снижается.

Температура на внутренней поверхности обтекателя за счет теплоизолирующего свойства стенки значительно ниже температуры на его внешней поверхности. Поэтому к растягивающим напряжениям от силового аэродинамического воздействия, которые достигают у основания обтекателя максимального значения (в 10-20 раз превышающие напряжения от силового аэродинамического воздействия в носовой части обтекателя), присоединяются температурные напряжения из-за градиента температур по толщине стенки обтекателя.

В общем случае зона максимальных растягивающих напряжений в керамическом элементе находится во внутреннем слое стенки обтекателя.

Одним из путей увеличения несущей способности обтекателя является упрочнение зон керамического элемента, наиболее подверженных растягивающим напряжениям.

При эксплуатации обтекатель подвергается наружным климатическим воздействиям - дождь, иней и т.д. - и внутренним - запотевание, конденсат. Влага, проникающая в поры кварцевой керамики, существенно снижает радиотехнические характеристики обтекателя и поэтому необходимо обеспечить влагозащиту его пористой стенки для сохранения радиотехнических характеристик, достигаемых обтекателем из пористой кварцевой керамики в нормальных условиях, т.е. без воздействия влаги.

Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности антенного обтекателя с оболочкой из кварцевой керамики путем увеличения его несущей способности при обеспечении заданных радиотехнических параметров.

Указанный технический результат достигается тем, что: 1. Головной антенный обтекатель ракеты, включающий радиопрозрачную оболочку из кварцевой керамики, соединенную слоем герметика со шпангоутом из инвара, отличается тем, что оболочка состоит из радиопрозрачного внутреннего силового элемента из пористой кварцевой керамики с введенным в поры полимером и внешнего теплозащитного элемента, 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 стенки, а толщина внешнего теплозащитного элемента меняется в обратной зависимости с сохранением общей электрической толщины стенки оболочки, при этом на наружную поверхность теплозащитного элемента нанесено влагозащитное покрытие; 2. Головной антенный обтекатель ракеты по п.1, отличающийся тем, что внутренний силовой элемент выполнен дискретным в зоне соединения со шпангоутом.

В заявляемом изобретении: - внутренний силовой элемент из пористой кварцевой керамики с введенным в поры полимером обладает большей конструкционной прочностью по сравнению с внешним теплозащитным элементом из пористой кварцевой керамики, например, в результате снижения концентраций напряжений в области пор. Этот эффект усиливается при увеличении толщины силового элемента, но величина ее ограничивается температурой деструкции полимера в порах керамики, так как деструкция полимера отрицательно влияет на радиотехнические характеристики (РТХ) обтекателя и поэтому толщина внутреннего силового элемента выбирается на основе анализа результатов статистических исследований конструкций различных обтекателей из соотношения его толщины к общей толщине стенки обтекателя от 0,05-0,1 в носке до 0,1-0,9 в основании обтекателя; - влагозащита внутренней поверхности обтекателя обеспечивается беспористой пленкой полимера на внутренней поверхности силового элемента; - теплозащитный элемент стенки обтекателя из пористой кварцевой керамики эффективно обеспечивает защиту от деструкции теплостойкого полимера в порах внутреннего силового элемента и материал теплозащитного элемента имеет диэлектрические характеристики, соизмеримые в широком диапазоне температур с диэлектрическими характеристиками материала внутреннего силового элемента. Диэлектрическая проницаемость для обоих материалов элементов стенки по результатам экспериментальных исследований составляет 3, 38 - 3, 46, что позволяет получить радиотехнические характеристики предлагаемого обтекателя такими же, как и у обтекателя с радиопрозрачной оболочкой из пористой кварцевой керамики; - влагозащита теплозащитного элемента обеспечивается влагозащитным покрытием (ВЗП). В зависимости от режима эксплуатации, характеризующегося величиной температуры на наружной поверхности (Тн) обтекателя и длительностью теплового аэродинамического воздействия, ВВП может быть различным. В случае жесткого режима эксплуатации, когда Тн в начале полета ракеты в наименее нагретой зоне основания обтекателя более 1000^oС в течение 5-10 секунд, материал ВЗП выбирается из условия полного его сгорания без остатков, ухудшающих РТХ обтекателя. В случае мягкого режима эксплуатации обтекателя (Тн=300...600^oС на всем протяжении полета) материал ВЗП выбирается из группы кремнийорганических полимеров или из неорганических глазурей с диэлектрическими характеристиками и геометрическими параметрами, учитываемыми в радиотехнических расчетах разрабатываемого обтекателя.

В некоторых случаях эксплуатационного теплового воздействия, конструктивного исполнения шпангоута и выбранного полимера для формирования силового элемента оболочки проявляется некоторое снижение теплопрочностной связи герметика с силовым элементом оболочки обтекателя. В этих случаях целесообразно выполнение силового элемента в зоне соединения со шпангоутом дискретным, прерывающимся преимущественно в средней зоне соединения, составляющей большую часть длины клеевого шва.

На фиг. 1 представлено продольное сечение конструктивной схемы предлагаемого головного антенного обтекателя ракеты.

Радиопрозрачная оболочка обтекателя состоит из внутреннего силового элемента 1, внешнего теплозащитного элемента 2, влагозащитного покрытия 3 и соединена с инваровым шпангоутом 4 слоем герметика 5.

На фиг. 2 представлен антенный обтекатель, в котором силовой элемент 1 выполнен дискретным.

Обтекатели предлагаемой конструкции реализованы в различных вариантах исполнения.

Для охвата всех видов апробированных и внедренных в производство вариантов предлагаемой конструкции можно рассмотреть следующие: - Изготовлен обтекатель из кварцевой керамики с толщиной стенки 10 мм, предназначенный для мягкого режима эксплуатации. Внутренний силовой элемент, выполняющий в основном роль ВЗП внутренней поверхности, имеет толщину 0,5-1,0 мм, выполнен с помощью пропитки внутренней поверхности ободочки из пористой кварцевой керамики на заданную глубину раствором блок-полимера на основе фенолформальдегидного и титанкремнийорганического олигомера ТМФТ горячего отверждения, при полимеризации образующим на пропитываемой поверхности глянцевую водонепроницаемую пленку, при этом на наружную поверхность оболочки обтекателя нанесено методом напыления ВЗП горячего отверждения, представляющее собой кремнийорганическую эмаль КО 5189.

- Разработан обтекатель по предлагаемому изобретению для жесткого режима эксплуатации. Обтекатель представляет собой оболочку из пористой кварцевой керамики с толщиной стенки 10 мм, которая пропитывается с внутренней стороны раствором кремнийорганической смолы МФСС-8 спироциклического строения на глубину 0,5-1,0 мм в носовой части и с равномерным увеличением глубины пропитки к основанию до 5-6 мм с местным прерыванием пропитки в средней 80%-ной зоне соединения временной гидроизоляцией оболочки, подвергается температурной полимеризации, на наружную поверхность методом напыления наносится ВЗП горячего отверждения, состоящее из слоев эпоксидной грунтовки и фторопластовой эмали ФП 566.

Сравнительный статистический анализ результатов экспериментальных исследований радиотехнических и прочностных характеристик обтекателей из пористой кварцевой керамики с монолитной полуволновой стенкой в сравнении с характеристиками обтекателей со слоистой стенкой показал, что наличие полимера в порах внутреннего силового слоя не влияет на РТХ, но существенно увеличивает несущую способность обтекателей за счет увеличения прочности и стабильности прочностных характеристик внутреннего силового элемента.

Результаты теплопрочностных испытаний и оценка влияния тепловых воздействий и повышенной влажности на РТХ опытных партий обтекателей заявляемой конструкции следующие: - вероятность безотказной работы обтекателей, выполненных согласно прототипу, при наземной реализации заданных теплосиловых и климатических воздействий соответствует 0,5-0,9 и увеличивается до 0,99-0,999 у обтекателей, выполненных согласно предлагаемого изобретения, в зависимости от толщины силового элемента, т.е. надежность существенно увеличивается; - при превышении границы допустимой толщины силового элемента, за которой происходит деструкция полимера в порах кварцевой керамики при тепловом эксплуатационном воздействии, ухудшаются РТХ обтекателей;
- при отсутствии ВЗП на наружной поверхности обтекателя и проникновении влаги в поры также недопустимо ухудшаются радиотехнические характеристики обтекателей;
- в случаях проявления отрицательного влияния начала деструкции полимера в силовом элементе на теплопрочность герметика и при отсутствии этого влияния на РТХ временная гидроизоляция части зоны соединения в процессе формирования силового элемента дискретным обеспечивает исключение этого отрицательного эффекта без снижения несущей способности и надежности обтекателя.

Таким образом, результаты всесторонних экспериментальных исследований конструкции обтекателя по предлагаемому изобретению показали, что заданную надежность выполнения высоких требований по теплопрочности и радиотехническим параметрам в условиях эксплуатации обтекателей современных ракет различных классов обеспечивает лишь предлагаемая конструкция.

Источники информации
1. Патент США 4520364, МПК 6 Н 01 Q 1/42, 1/28, 1985 г.

2. Патент РФ 2090956, МПК 6 Н 01 Q 1/42, 1994 г. - прототип.

Формула изобретения

1. Головной антенный обтекатель ракеты, включающий радиопрозрачную оболочку из кварцевой керамики, соединенную слоем герметика со шпангоутом из инвара, отличающийся тем, что радиопрозрачная оболочка состоит из радиопрозрачного внутреннего силового элемента из пористой кварцевой керамики с введенным в поры полимером и внешнего теплозащитного элемента из пористой кварцевой керамики, причем толщина радиопрозрачного внутреннего силового элемента составляет 0,05-0,1 от общей толщины стенки радиопрозрачной оболочки или равномерно увеличивается от носка к основанию до величины, соответствующей 0,1-0,9 от общей толщины стенки, а толщина внешнего теплозащитного элемента меняется в обратной зависимости с сохранением общей электрической толщины стенки радиопрозрачной оболочки, при этом на наружную поверхность внешнего теплозащитного элемента нанесено влагозащитное покрытие.

2. Головной антенный обтекатель ракеты по п.1, отличающийся тем, что радиопрозрачный внутренний силовой элемент выполнен дискретным в зоне соединения со шпангоутом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2