Антенный обтекатель ракеты

Изобретение относится к области ракетной техники, преимущественно к конструкциям антенных обтекателей с радиолокационной системой наведения. Технический результат заключается в создании антенных обтекателей из кварцевой керамики для высокоскоростных ракет классов "воздух-воздух" и "воздух-земля", длительно работающих в сложных климатических условиях под носителем. Сущность изобретения состоит в том, что антенный обтекатель ракеты включает радиопрозрачную оболочку из пористой кварцевой керамики, состоящую из внутреннего радиопрозрачного силового элемента из пористой керамики с введенным в поры полимером и внешнего теплозащитного элемента из пористой кварцевой керамики, соединенной слоем герметика со шпангоутом из инвара. Внешний теплозащитный элемент дополнительно содержит наружный герметизирующий слой из пористой кварцевой керамики с введенным в поры полимером. Толщины слоев керамики с полимером равны по высоте обтекателя и составляют 1-2 мм. В качестве полимера использован олигомер МФСС-8 с молекулярным весом 2900, а в качестве пористой кварцевой керамики - кварцевая керамика с пористостью 10-12%, прочностью при изгибе не ниже 40 МПа и коэффициентом теплопроводности не выше 1,0 Вт/м·К. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к ракетной технике, а точнее к конструкции антенных обтекателей из кварцевой керамики, и может быть использовано для изготовления антенных обтекателей высокоскоростных ракет классов "воздух-воздух" и "воздух-земля", длительное время эксплуатируемых в сложных климатических условиях под носителем.

В настоящее время существует проблема создания антенных обтекателей ракет, закрепленных под носителем, работающих в сложных климатических условиях в температурном интервале -60°С - +400°С и сохраняющих свои функции при резком нагреве до 1000°С и выше в процессе автономного полета ракеты.

Известно, что для радиоуправляемых ракет таких классов применяют обтекатели из стеклопластика с достаточно сложной системой влагозащиты или обтекатели из беспористых неорганических материалов, таких как высокоглиноземистая керамика и ситалл (пирокерам-США). Однако применение стеклопластиковых обтекателей ограничено по теплостойкости, однородности диэлектрических свойств, что резко ухудшает тактико-технические характеристики ракет. Кроме того, поверхностные влагозащитные покрытия не надежны при длительной эксплуатации ракет, легко разрушаются механическими воздействиями (пыль, град и др.).

Обтекатели из беспористых неорганических материалов отличаются высокой устойчивостью к климатическим воздействиям, не требуют нанесения органической влагозащиты, но ограничены по стойкости к термоудару, что существенно снижает скоростные возможности ракет при автономном полете.

Обтекатели из кварцевой керамики практически не имеют ограничения по тепловым нагрузкам, отличаются хорошими и стабильными радиотехническими характеристиками, но для этих классов ракет они не применялись из-за своей пористости и недостаточной прочности.

Известен антенный обтекатель из кварцевой керамики, включающий радиопрозрачную оболочку из керамики и шпангоут из инвара, соединенные слоем герметика (патент РФ №2090956, H 01 Q 1/42, 1994 г.). Отсутствие в конструкции элементов герметизации и упрочнения существенно снижает эксплуатационные характеристики обтекателя, не позволяет использовать его для данного типа ракет.

Наиболее близким техническим решением является антенный обтекатель из кварцевой керамики по патенту РФ №2209494, H 01 Q 1/42, от 27.07.2003 г. (прототип), "состоящий 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". Покрытие наносится методом напыления и горячего отверждения из фторопластовой или кремнийорганической эмали.

Недостатком предложенной конструкции являются следующие факторы:

1. Влагозащитное покрытие, нанесенное на наружную поверхность обтекателя из кварцевой керамики методом напыления известных органических эмалей, имеет те же недостатки, что и покрытия, нанесенные на стеклопластиковые обтекатели:

- они легко разрушаются механическим воздействием твердых предметов и частиц (пыль, град и др.);

- коэффициент линейного термического расширения (КЛТР) покрытия сильно отличается от КЛТР кварцевой керамики, что при термоциклировании вызывает отслаивание покрытия и потерю его целостности;

- сильно подвергаются воздействию влаги, световой радиации с потерей влагозащитных свойств и требуют обновления.

2. Введение в поры кварцевой керамики полимера на глубину до 0,9 общей толщины стенки ухудшает высокотемпературные свойства материала. Пиролиз органического полимера внутри стенки оболочки без доступа кислорода при высокоскоростном нагреве (термодеструкция) не только ухудшает диэлектрические характеристики материала обтекателя, но и разрушает его.

3. Как показывают экспериментальные исследования, упрочнение кварцевой керамики органополимером не всегда имеет место. Для кварцевой керамики с пористостью ниже 10% эффект упрочнения незначителен. Отсутствует также и прямая зависимость возрастания прочности материала с увеличением глубины пропитки.

4. К недостаткам прототипа следует отнести сложность изготовления слоистой оболочки с сохранением электрической толщины при переменной глубине пропитки до 0,9 и различных значениях диэлектрической проницаемости слоев, так как электрическая толщина стенки определяется не только толщинами слоев, но и связана квадратичной зависимостью с диэлектрическими проницаемостями слоев.

Предложенная в прототипе конструкция антенного обтекателя из кварцевой керамики предназначена для ракет разового применения, например для ракет класса "земля-воздух", не подвергающихся длительному климатическому воздействию.

Целью настоящего изобретения является создание антенного обтекателя из кварцевой керамики для высокоскоростных ракет, длительное время эксплуатируемых под носителями в температурном интервале -60°С - +400°С и при температуре обтекателя в автономном полете ракеты до 1000°С и выше с сохранением радиотехнических, прочностных и других характеристик обтекателя.

Поставленная цель достигается тем, что антенный обтекатель, включающий радиопрозрачную оболочку из кварцевой керамики, состоящую из внутреннего радиопрозрачного силового элемента из пористой кварцевой керамики с введенным в поры полимером и внешнего теплозащитного элемента из пористой кварцевой керамики, дополнительно содержит наружный слой из пористой кварцевой керамики с введенным в поры полимером, причем толщины слоев керамики с полимером равны по высоте обтекателя и составляют 1-2 мм. В качестве полимера использован олигомер МФСС-8 с молекулярным весом 2900, а в качестве пористой кварцевой керамики для изготовления обтекателя использована кварцевая керамика с пористостью 10-12%, прочностью при изгибе не ниже 40 МПа и коэффициентом теплопроводности не выше 1,0 Вт/м·К.

Отличительными признаками предложенного технического решения являются следующие признаки:

1. Радиопрозрачная оболочка обтекателя из пористой кварцевой керамики, содержащая внутренний силовой элемент из пористой кварцевой керамики с введенным в поры полимером, дополнительно содержит наружный герметизирующий пористую оболочку слой из пористой кварцевой керамики с введенным в поры полимером, при этом толщины слоев керамики с полимером по высоте обтекателя равны и составляют 1-2 мм.

Наружный слой из пористой кварцевой керамики с введенным в поры полимером толщиной 1-2 мм обеспечивает влагозащиту обтекателя при хранении, полете ракеты под носителем, повышает устойчивость керамического обтекателя к дождевой и полевой эрозии.

Так, эрозионная стойкость пористой кварцевой керамики, пропитанной полимером на глубину 1 мм, при воздействии дождя интенсивностью 25 мм/час при скорости капель 800 км/час в 10-20 раз выше, чем непропитанной. Толщина пропитанных слоев выбрана одинаковой и ограничена 1,0-2,0 мм по следующим причинам:

- она достаточна для обеспечения упрочнения, герметизации и влагозащиты оболочки при сохранении РТХ керамической оболочки;

- создает симметричную по электрической толщине стенку, положительно влияющую на РТХ;

- упрощается технология изготовления обтекателя на этапах упрочнения, герметизации и влагозащиты пористой оболочки.

2. В качестве полимера выбран олигомер МФСС-8 с молекулярным весом 2900, который устойчиво, без разрушения, работает в интервале температур -60°С - +400°С, а термоокислительная деструкция, возможная при автономном полете (температура более 1000°С), не носит взрывного характера и не ухудшает радиотехнические характеристики обтекателя.

Ацетоновые растворы МФСС-8 плотностью 0,95-0,96 г/см³ хорошо впитываются в кварцевую керамику с пористостью 10-12% без фильтрации за счет капиллярных свойств пористой керамики.

3. В качестве материала оболочки выбрана кварцевая керамика с пористостью 10-12%, обладающая хорошей всасывающей способностью спиралевидных молекул олигомера МФСС-8. Такая керамика отличается максимальным упрочнением после пропитки и полимеризации (в 1,5-2,0 раза).

Она имеет сравнительно высокие прочностные характеристики в исходном состоянии, обладает оптимальными теплозащитными и диэлектрическими свойствами.

Кроме того, технология производства керамических оболочек с такой пористостью более проста, применяются мягкие, с более низкими температурами спекания режимы обжига.

4. Исключена необходимость нанесения лакокрасочного покрытия для влагозащиты пористой керамической оболочки.

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 включает внутренний силовой элемент из пористой кварцевой керамики с введенным в поры полимером 4, теплозащитный элемент из пористой кварцевой керамики 5 и наружный герметизирующий слой из пористой кварцевой керамики с введенным в поры полимером 6. Толщина силового элемента и герметизирующего слоя оболочки одинакова по высоте и составляет 1-2 мм. Керамическая оболочка изготовлена из кварцевой керамики с пористостью 10-12%, прочностью при изгибе не ниже 40 МПа и коэффициентом теплопроводности не выше 1,0 Вт/м·К. В качестве полимера использован олигомер МФСС-8 с молекулярным весом 2900.

Технология изготовления предлагаемой конструкции антенного обтекателя из кварцевой керамики включает следующие основные этапы:

- изготовление керамической оболочки методом водного шликерного литья в гипсовые формы с последующей сушкой и обжигом до получения пористости кварцевой керамики 10-12% и прочности при изгибе не ниже 40 МПа, коэффициента теплопроводности не выше 1,0 Вт/м·К;

- механическая обработка оболочки на токарно-винторезном станке алмазным инструментом по копирам до заданной толщины стенки и профиля изделия в зависимости от диэлектрической проницаемости материала в оболочке;

- пропитка внутренней и наружной поверхностей оболочки ацетоновым раствором олигомера МФСС-8 с плотностью 0,950-0,960 г/см³ на глубину 1,0-2,0 мм с последующей полимеризацией при температуре 325°С;

- сборка оболочки с инваровым шпангоутом через слой герметика.

Впервые предложенная конструкция антенного обтекателя из кварцевой керамики позволяет решить задачу создания антенного обтекателя для высокоскоростных ракет, работающих в сложных климатических условиях под носителем в интервале температур -60°С - +400°С и при тепловых нагрузках в автономном полете до температур 1000°С и выше.

Для обеспечения влагозащиты обтекателя из пористой кварцевой керамики вместо ВЗП из органических грунтов и эмалей применена герметизация обтекателя за счет пропитки пористой оболочки по наружной поверхности органополимером, которая одновременно повышает ее прочность и эрозионную стойкость. Такое решение проблемы может быть использовано и для обтекателей ракет других классов.

Технологические процессы упрочнения керамической оболочки - создание силового элемента по внутренней поверхности и влагозащитного наружного слоя из пористой керамики с полимером совмещены, что существенно упрощает технологию изготовления обтекателей, снижает трудозатраты и стоимость.

1. Антенный обтекатель ракеты, включающий радиопрозрачную оболочку из пористой кварцевой керамики, состоящую из внутреннего радиопрозрачного силового элемента из пористой кварцевой керамики с введенным в поры полимером и внешнего теплозащитного элемента из пористой кварцевой керамики и соединенную слоем герметика со шпангоутом из инвара, отличающийся тем, что внешний теплозащитный элемент дополнительно содержит наружный герметизирующий слой из пористой кварцевой керамики с введенным в поры полимером, причем толщины слоев керамики с полимером равны по высоте обтекателя и составляют 1-2 мм.

2. Антенный обтекатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве полимера использован олигомер МФСС-8 с молекулярным весом 2900.

3. Антенный обтекатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве пористой кварцевой керамики для изготовления обтекателя использована кварцевая керамика с пористостью 10-12%, прочностью при изгибе не ниже 40 МПа и коэффициентом теплопроводности не выше 1,0 Вт/м·К.