Антенный обтекатель

Изобретение относится к области авиационной и ракетной техники, преимущественно к конструкциям антенных обтекателей с керамическими радиопрозрачными оболочками для высокоскоростных ракет класса "земля - воздух". Технический результат состоит в увеличении несущей способности и надежности антенного обтекателя. Антенный обтекатель включает оболочку из кварцевой керамики, переходник в виде кольца, соединенный эластичным клеем с внутренней поверхностью оболочки, наружное влагозащитное покрытие и внутренний влагозащитный элемент ее поверхностей. Сущностью изобретения является введение элементов компенсации взаимных смещений керамической оболочки и переходных соединительных элементов. Элементы компенсации выполнены в виде профилирования стенки оболочки в носовой и средней ее части. 1 ил.

 

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

Обеспечение заданной надежности по прочности и точности радионаведения керамического обтекателя современных высокоскоростных ракет является комплексной задачей. Ее решение базируется на основании анализа результатов теоретических и экспериментальных исследований.

В реальных производственных условиях создания обтекателя с заданной эксплуатационной надежностью каждый из элементов его конструкции и характеристики этих элементов (прочностные, деформационные, диэлектрические, геометрические...) влияют на выходной параметр - надежность конструкции.

В процессе проектирования обтекателей, многочисленных наземных и летных испытаний создаваемых конструкций выявляются некоторые базовые, наиболее значимые факторы, характеризующие надежность конструкции антенного обтекателя современных высокоскоростных ракет.

Известна конструкция носовой части ракеты по патенту ЕР 0828312, МПК 6 Н 01 Q 1/42, 1/28, 1997, включающая керамическую оболочку, выполненную из алюмооксидной керамики и прикрепленную торцом к металлическому корпусу ракеты при помощи твердого припоя через металлический переходник, согласованный по температурному коэффициенту линейного расширения (ТКЛР) с керамикой, имеющий низкую радиальную жесткость благодаря малой его толщине.

Основными недостатками этой конструкции являются сложность технологии сборки и невозможность ее применения для высоконагруженных обтекателей из кварцевой керамики, ситалла, стеклокерамики, у которых ТКЛР и прочность при растяжении значительно ниже, чем у алюмооксидной керамики.

Известна конструкция головного обтекателя по патенту РФ №2189674, МПК 7 H 01 Q 1/42, 2001. Обтекатель состоит из керамической оболочки с внутренним фланцем и металлического переходника - обечайки, установленного в ее полости с гарантированным термокомпесирующим радиальным зазором и соединенного с нею упругим высокоэластичным соединительным элементом - теплостойким эластичным клеем, а с металлическим корпусом - стыковочным кольцом жесткой связью (пайкой, сваркой, за одно целое...). Для увеличения теплопрочности адгезионной связи с керамической оболочкой переходник дополнительно связан с нею через ее фланец с помощью разрезного металлического кольца, введенного в полость оболочки и механически зафиксированного на наружной поверхности носовой части переходника, между торцами оболочки и корпуса введена прокладка из неметаллического резиноподобного материала.

Основной недостаток этой конструкции заключается в том, что при предварительной затяжке стыка (это подразумевается из понятия - прокладка) в момент установки разрезного металлического кольца в керамической оболочке возникают предварительные монтажные напряжения в осевом и радиальном направлениях. В зависимости от угла наклона опорной поверхности разрезного металлического кольца возникают неблагоприятные ситуации - случаи:

малые углы приводят к разрушению оболочки при монтаже от ее радиального распора;

большие углы приводят к сколу фланца уже при монтаже или высоким концентрациям напряжений в керамической оболочке при эксплуатации обтекателя, снижающим несущую способность конструкции в 5...10 раз;

при ограниченной длине соединения оболочки и переходника возникает недопустимый рост напряжений в керамической оболочке общего или локального характера, снижающий несущую способность и надежность обтекателя, а при больших осевых размерах соединения оболочки с переходником наличие фланца керамической оболочки избыточно и нецелесообразно, т.к. обеспечение совместности работы механической и адгезионной связей проблематично при отсутствии гарантированной затяжки фланцевого соединения из условия нераскрытия стыка фланцев.

Наиболее близким техническим решением является обтекатель по патенту РФ № 2209494, МПК 7 H 01 Q 1/42, 2003, включающий радиопрозрачную оболочку из кварцевой керамики, соединенную слоем герметика со шпангоутом из инвара, выполненным в виде обечайки - переходника, жестко связанного с металлическим кольцевым элементом, расположенным за торцом керамической оболочки. Между торцами кольцевого металлического элемента и оболочки введен равнотолщинный слой герметика (эластичного клея-компаунда). 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 силовой элемент оболочки может быть выполнен дискретным.

Основным недостатком прототипа является суммарная равнотолщинность слоистой стенки оболочки на всей ее длине, что не позволяет реализовать максимум возможности по несущей способности конструкции в целом. Этому способствует также жесткая связь (выполнение за одно целое) переходника (обечайки шпангоута) с крепежным металлическим фланцем (компенсатором перемещений в виде металлического кольца, приклеенного герметиком к торцу керамической оболочки, с высотой, равной толщине оболочки у ее торца), т.е. цельность, монолитность шпангоута и равнотолщинность слоя герметика между торцами керамической оболочки и металлического кольца.

Задачей заявляемого изобретения является повышение уровня надежности антенного обтекателя.

Решение поставленной задачи обеспечивает технический результат - повышение прочностных и радиотехнических характеристик антенного обтекателя в эксплуатационных условиях высоких тепловых (до 2000°С снаружи и до 200...300°С в элементах соединения) и несимметричных силовых нагрузок, вызывающих напряжения в керамической оболочке, близкие к предельно допустимым. Это обеспечивается введением элементов компенсации взаимных смещений керамической оболочки и переходных соединительных элементов при эксплуатационных воздействиях, а также введением элементов компенсации для обеспечения заданных радиотехнических характеристик в условиях производства.

Решение задачи обеспечивается тем, что:

антенный обтекатель, включающий радиопрозрачную оболочку из кварцевой керамики, переходник в виде кольца, соединенный эластичным клеем с внутренней поверхностью оболочки, наружное влагозащитное покрытие и внутренний влагозащитный элемент ее поверхностей, отличающийся тем, что переходник выполнен из железоникелевого прецизионного сплава, согласованного по ТКЛР с материалом оболочки, к торцу оболочки присоединен компенсатор перемещений, выполненный послойно составным в осевом и радиальном направлениях из кольцевых металлического и неметаллических элементов, неразъемно связанный с переходником и оболочкой и имеющий податливость в зоне контакта его с оболочкой при воздействии максимально допустимых для обтекателя тепловых и неосесимметричных силовых эксплуатационных нагрузок, в 6...10 раз меньшую, чем податливость системы "оболочка - клей - переходник" от этих воздействий в зоне раскрытия стыка "оболочка - компенсатор", при этом длина клеевого соединения оболочки с переходником составляет 0,4...0,6 от радиуса наружной поверхности переходника в средней части соединения, угол наклона на большей части длины линии продольного сечения внутренней поверхности керамической оболочки под склейку к ее продольной оси составляет не менее 1°, между радиопрозрачной зоной обтекателя и переходником расположена промежуточная зона, в которой толщина стенки керамической оболочки обтекателя плавно увеличивается на 10...40% относительно полуволновой толщины стенки керамической оболочки, кроме этого наружное влагозащитное покрытие выполнено из слоя вязкой напыляемой эпоксидной грунтовки, не впитывающейся в поры оболочки, и не менее трех слоев фторопластовой эмали, а внутренний влагозащитный элемент, одновременно являющийся силовым упрочняющим слоем, выполнен дискретным в зоне соединения с переходником, допустимые величина пористости и предела прочности при изгибе материала оболочки соответствуют не менее 8% и не менее 40 МПа, а разброс значений диэлектрической проницаемости внутри тела оболочки и от оболочки к оболочке не более 1%, при этом в радиопрозрачной зоне обтекателя наружная поверхность оболочки выполнена ступенчатой за счет кольцевых проточек, боковые поверхности которых сглажены, а поверхности основания эквидистантны ее теоретическому контуру, ширина проточек соответствует 1,0...3,0 длины волны заданного частотного диапазона обтекателя, максимальная глубина проточек соответствует не более 0,03 длины волны, в носовой части оболочки максимальная толщина стенки соответствует величине не менее волновой, плавно снижаясь к основанию обтекателя до полуволновой на 1,0...3,0 волны, кроме этого центр прокачки антенны относительно оси обтекателя расположен с точностью не менее 0,01 длины волны.

Обеспечение заданной надежности по прочности и точности радионаведения керамического обтекателя современных высокоскоростных ракет является комплексной задачей. Ее решение базируется на основании анализов результатов теоретических и экспериментальных исследований.

В производственных условиях - реальных технических возможностей (технологических и конструктивных) каждый из элементов конструкции по-своему важен. В предлагаемой конструкции затронуты некоторые из них. В процессе проектирования обтекателей, многочисленных наземных и летных испытаний созданных конструкций установлены некоторые базовые, наиболее значимые факторы, характеризующие надежность предлагаемой конструкции.

Выбор диапазонов свойств материала оболочки (прочность, пористость и диэлектрическая проницаемость) обеспечивают стабильность выходных параметров обтекателя. Меньшие значения пористости материала, по сравнению с указанной, увеличивают неоднородность его прочностных свойств и снижают эффект упрочнения материала от введения в его поры полимерных веществ. Верхняя граница пористости материала оболочки косвенно определяется допустимым уровнем предела прочности при изгибе и жестким требованием по допуску на величину диэлектрической проницаемости.

Понятие согласованность материалов по ТКЛР соединяемых керамической оболочки с переходником включает такую допустимую разницу по ТКЛР, которая при температурном воздействии не вызывает стеснения деформаций, приводящих к разрушению или недопустимому ослаблению керамической оболочки и других соединительных элементов. Наиболее предпочтительно выполнение переходника из прецизионного железоникелевого сплава, т.к. в этом случае и керамическая оболочка и клей находятся в наиболее благоприятных условиях как при климатических теплосменах (термоциклировании), так и при кратковременном (20...300 с) нестационарном тепловом воздействии, что необходимо для стабильного восприятия неосесимметричного силового воздействия высокого уровня. Применение других материалов для переходника принципиально возможно, но требует дополнительных экспериментальных исследований и конструктивных доработок.

Понятие компенсатор перемещений следует из его основного функционального назначения:

- снизить влияние эластичности, податливости клея на напряженно-деформированное состояние обтекателя, что существенно и значимо при ограниченных размерах длины склейки переходника и оболочки. Соотношение длины клеевого соединения оболочки с переходником 0,4...0,6 от радиуса наружной поверхности переходника в средней части соединения назначается из опыта проектирования и результатов экспериментальных исследований в зависимости от конструктивных ограничений и уровня требований по несущей способности обтекателя;

- конструктивное выполнение (послойно составная конструкция, состоящая из кольцевых элементов: металлического и неметаллического) и жесткостные параметры (податливость) компенсатора перемещений назначаются конструктивно из расчетных и экспериментальных оценок при стендовых испытаниях опытных образцов обтекателей. Эластичные крепящие слои элементов компенсатора перемещений друг с другом и прилегающими к ним поверхностями оболочки, переходника и торцевого гермошнура обеспечивают неразъемность конструкции узла соединения обтекателя и в совокупности обеспечивают необходимую податливость компенсатора в области опирания торца оболочки на его элементы. Некоторая неопределенность характеристики компенсатора перемещений связана со сложными процессами изменения теплопрочностных и теплофизических характеристик элементов компенсатора перемещений при нестационарном тепловом эксплуатационном воздействии. Исходя из этой неопределенности и назначаются границы податливости компенсатора перемещений. Меньшие величины податливости ведут к увеличению вероятности разрушения керамической оболочки с ее торцевой зоны, к снижению несущей способности конструкции обтекателя. Большие величины податливости также снижают несущую способность обтекателя и при этом отрицательно влияют на точность наведения на цель из-за угловых смещений оси оболочки относительно оси ракеты.

Введение в конструкцию обтекателя компенсатора перемещений позволяет:

- снизить угловое смещение оси радиопрозрачной оболочки относительно оси ракеты, отчего существенно зависит точность наведения ракеты на цель;

- снизить уровень растягивающих напряжений в керамической оболочке в зоне ее контакта с передней частью жесткого переходника, а также в области торцевой части керамической оболочки от контакта ее в радиальном направлении с переходником и в осевом направлении с ограничительной опорой, что обеспечивает увеличение несущей способности надежности конструкции отсека;

- снизить уровень напряжений и деформаций в эластичном клее, от которого зависит выбор габаритов конструкции, снизить напряжения в клее, как касательных, сдвигающих, так и нормальных - сжимающих, отслаивающих, отрывающих, что, в свою очередь, обеспечивает снижение напряженного состояния в керамическом элементе конструкции, позволяющее уменьшить длину склейки до величин, обеспечивающих заданные работоспособность, надежность конструкции при реализации предельных возможностей по прочности на растяжение материала керамического элемента.

Промежуточная зона обтекателя, введенная между его радиопрозрачной зоной и переходником, с увеличивающейся на 10-40% толщиной стенки относительно полуволновой обеспечивает увеличение несущей способности конструкции и ее стабильности. Это происходит из-за снижения напряжений в керамической оболочке как за счет снижения напряженного состояния в ней от эксплуатационного силового воздействия, так и за счет снижения распорных усилий в оболочке от теплового расширения переходника из-за уменьшения прогрева его утолщенной оболочкой в зоне их соединения. Нижняя граница утолщения промежуточной зоны (10% по сравнению с полуволновой) связана с ограничением по проходному сечению зеркала антенны, в котором учитывается и толщина клея и толщина стенки переходника в его носовой (передней) части, а также и длина клеевого соединения, соответственно связанная с этим утолщением (меньшему утолщению промежуточной зоны соответствует большая длина клеевого соединения при равных внешних теплосиловых воздействиях). Верхняя граница толщины стенки переходной зоны оболочки в области носовой части переходника (40% относительно полуволновой) выбирается при необходимости большей теплоизолированности переходника, например, из-за увеличения длительности полета ракеты с большой скоростью и при снижении требований по величине проходного сечения зеркала антенны, а также с учетом рациональности выбора этого фактора с точки зрения формирования равнотолщинной заготовки и получения из нее механообработкой существенно разнотолщинной оболочки обтекателя;

- минимальный угол наклона склеиваемых поверхностей (не менее 1°) выбирается из условия получения клеевого слоя требуемого качества (без непроклеев...), а верхняя граница значений углов наклона склеиваемых поверхностей выбирается из условия, что толщина стенки оболочки в ее торцевом сечении будет составлять величину не меньшую, чем толщина оболочки обтекателя в его радиопрозрачной зоне. Это необходимо для обеспечения равнопрочности керамической оболочки в области носовой части переходника и торцевого сечения оболочки;

- наружное влагозащитное покрытие, состоящее из эпоксидной грунтовки и не менее трех слоев фторопластовой эмали, выбирается из соображений, проверенных экспериментально, обеспечения надежной герметизации, влагозащищенности поверхности оболочки и уносимости его на первых секундах полета ракеты без остатков продуктов горения на поверхности и без повреждения целостности оболочки (отсутствия локальных "рытвин", раковин, образующихся на поверхности в случае пропитки ее полимером на существенную глубину, за счет взрывных процессов деструкции полимера в порах при высоких темпах прогрева 1000...3000°С за 5...10 с, т.е. из условия требований радиотехники и прочности);

- внутренний влагозащитный и упрочняющий элемент, получаемый путем введения на заданную глубину ацетонового раствора смеси кремнийорганической и фенолформальдегидной смол, за счет капиллярных сил пор тела оболочки и последующей термообработки, залечивает поверхностные дефекты и обеспечивает надежную герметизацию. В области склейки внутренний влагозащитный элемент выполняется дискретным (в процессе сборки он подвергается механообработке шлифовальной шкуркой, т.е. нарушается его сплошность), что позволяет увеличить качество подготовляемой поверхности под склейку и улучшить качество самого клеевого слоя за счет отвода газообразных компонентов из него через пористую поверхность взрыхленного глянцевого слоя внутреннего влагозащитного элемента оболочки;

- разнотолщинность оболочки обтекателя в его радиопрозрачной зоне при его остроконечности (оживальная заданная аэродинамическая форма наружной поверхности, отношение длины к максимальному диаметру - миделю, соответствующее трем и более...), даже при удовлетворении сложной технологией изготовления оболочек обтекателя жестким требованиям по диэлектрической проницаемости материала в производственных условиях и серийной поставке изделий, является существенно необходимой для обеспечения надежности наведения и уничтожения цели при рациональной стоимости обтекателя антенны. Для снижения угловых ошибок наведения на малых углах отворота антенны (5...7 градусов) в носовой части оболочки максимальная толщина стенки соответствует величине не менее волновой, плавно снижаясь при удалении к основанию оболочки до полуволновой на длине от 1,0 до 3,0 длин волн, что ориентировочно предсказывается теорией, но, в основном, корректируется экспериментальными наработками с учетом конкретных теплосиловых воздействий при стендовых и летных испытаниях и возможностей формовки заготовок и их механической обработки. На больших углах отворота антенны до 70 градусов и более проблема обеспечения требуемой надежности наведения ракеты на цель, связанная с конструкцией обтекателя, решается также с помощью экспериментально-теоретического подхода путем придания ступенчатости наружной поверхности радиопрозрачной зоны оболочки обтекателя за счет наружных кольцевых проточек, поверхности основания которых эквидистантны ее теоретическому контуру, при этом ширина проточек назначается опытным путем и соответствует 1,0...3,0 длины волны в зависимости от требований к обтекателю с радиотехнической точки зрения. Такое конструктивное решение профилирования стенки обтекателя обеспечивает также удобство при механической обработке и не нарушает несущую способность обтекателя и его аэродинамические характеристики даже при необходимой максимальной глубине проточек, соответствующих даже 0,03 длины волны, т.е. около 0,5 мм, благодаря сглаживанию боковых поверхностей проточек до плавности контура, соответствующей не менее 0,02.

Для надежности наведения на цель ракеты существенное значение имеет точность расположения центра прокачки антенны относительно оси обтекателя. Наземные стендовые испытания определили целесообразность этой точности на уровне не менее 0,01 длины заданного частотного диапазона обтекателя.

На чертеже представлена конструктивная схема предлагаемого антенного обтекателя, включающая оболочку 1, выполненную из пористой кварцевой керамики, и переходник 2, соединенный клеем (адгезивом) 3 с ее внутренней поверхностью, наружное влагозащитное покрытие 4 и внутренний влагозащитный и упрочняющий элемент 5.

Переходник выполнен из согласованного по ТКЛР с материалом оболочки железоникелевого прецизионного сплава. Принципиально может быть выполненным и из композиционных материалов на основе стеклянных или углеродных волокон.

К торцу оболочки присоединен компенсатор перемещений 6, выполненный послойно составным в осевом и радиальном направлениях, неразъемно связанный с переходником и оболочкой и имеющий податливость в зоне контакта его с оболочкой при воздействии максимально допустимых для обтекателя тепловых и неосесимметричных силовых эксплуатационных нагрузок, в 6...10 раз меньшую, чем податливость системы "оболочка - клей - переходник" от этих воздействий в зоне раскрытия стыка "оболочка - компенсатор".

Длина клеевого соединения оболочки с переходником составляет 0,4...0,6 от радиуса наружной поверхности переходника в средней части их соединения.

Между радиопрозрачной зоной обтекателя и переходником введена промежуточная зона 7 обтекателя, в которой толщина стенки керамической оболочки обтекателя плавно увеличивается на 10...40% относительно толщины стенки керамической оболочки в радиопрозрачной зоне.

В радиопрозрачной зоне обтекателя наружная поверхность оболочки относительно теоретического оживального контура 8 выполнена ступенчатой за счет кольцевых проточек 9, основания которых эквидистантны теоретическому контуру. Торцевые поверхности проточек сглажены до плавности контура, соответствующей не менее 0,02.

В носовой части 10 оболочки максимальная толщина стенки соответствует величине не менее волновой, плавно снижаясь при удалении к основанию оболочки до полуволновой на длине от 1,0 до 3,0 длин волн.

Прожекторный пучок 11 антенны 12 при ее максимально заданном угле отворота проходит в радиопрозрачную зону обтекателя без затенения переходником и промежуточной зоной оболочки.

Центр прокачки 13 антенны располагается относительно оси обтекателя с точностью не менее 0,01 длины волны заданного частотного диапазона обтекателя.

Между внутренней поверхностью оболочки и поверхностью кольцевой проточки в переходнике размещен центрирующий гермошнур 14, а между торцом оболочки и компенсатором перемещений торцевой гермошнур 15. Компенсатор перемещений представляет собой послойно составную конструкцию, состоящую из металлического кольцевого элемента 16, неметаллического кольцевого элемента 17, соединенных между собой, торцом оболочки и хвостовой частью переходника эластичными крепящими слоями 18. Переходник связан металлическим кольцевым элементом компенсатора перемещений радиально установленными штифтами 19, при этом штифты в отверстиях переходника установлены с гарантированным зазором, а в металличеком кольцевом элементе компенсатора перемещений по прессовой посадке. В хвостовой части переходника в области штифтового соединения обтекатель загерметизирован поясом 20 из герметика, армированного стеклотканью.

Элементы, их свойства и соотношения их характеристик, рассмотренные в предлагаемой конструкции, являются существенными, не очевидными, и их использование является основой создания серийноспособной продукции.

Антенный обтекатель, включающий оболочку из кварцевой керамики, переходник в виде кольца, соединенный клеем с внутренней поверхностью оболочки, наружное влагозащитное покрытие и внутренний влагозащитный элемент ее поверхностей, отличающийся тем, что переходник выполнен из железоникелевого прецизионного сплава, согласованного по ТКЛР с материалом оболочки, к торцу оболочки присоединен компенсатор перемещений, выполненный послойно составным в осевом и радиальном направлениях из металлического и неметаллических элементов, неразъемно связанный с переходником и оболочкой и имеющий податливость в зоне контакта его с оболочкой при воздействии максимально допустимых для обтекателя тепловых и неосесимметричных силовых эксплуатационных нагрузок в 6...10 раз меньшую, чем податливость системы "оболочка - клей - переходник" от этих воздействий в зоне раскрытия стыка "оболочка - компенсатор", при этом длина клеевого соединения оболочки с переходником составляет 0,4...0,6 радиуса наружной поверхности переходника в средней части соединения, угол наклона линии продольного сечения внутренней поверхности керамической оболочки относительно ее продольной оси на большей части ее длины в области клеевого соединения оболочки и переходника составляет не менее 1°, между радиопрозрачной зоной обтекателя и переходником расположена промежуточная зона, в которой толщина стенки керамической оболочки обтекателя плавно увеличивается на 10...40% относительно полуволновой толщины стенки керамической оболочки, кроме этого, наружное влагозащитное покрытие выполнено из слоя вязкой напыляемой эпоксидной грунтовки, не впитывающейся в поры оболочки, и не менее трех слоев фторопластовой эмали, а внутренний влагозащитный элемент, одновременно являющийся силовым упрочняющим слоем, выполнен дискретным в зоне соединения с переходником, допустимые величины пористости и предела прочности при изгибе материала оболочки соответствуют не менее 8% и не менее 40 МПа, а разброс значений диэлектрической проницаемости внутри тела оболочки и от оболочки к оболочке не более 1%, при этом в радиопрозрачной зоне обтекателя наружная поверхность оболочки выполнена ступенчатой за счет кольцевых проточек, боковые поверхности которых сглажены, а поверхности основания эквидистантны ее теоретическому контуру, ширина проточек соответствует 1,0...3,0 длины волны заданного частотного диапазона обтекателя, максимальная глубина проточек соответствует не более 0,03 длины волны, в носовой части оболочки максимальная толщина стенки соответствует величине не менее волновой, плавно снижаясь к основанию обтекателя до полуволновой на 1,0...3,0 волны, кроме этого, центр прокачки антенны относительно оси обтекателя расположен с точностью не менее 0,01 длины волны.