Антенный обтекатель


 


Владельцы патента RU 2451372:

Открытое акционерное общество "Обнинское научно-производственное предприятие "Технология" (ОАО "ОНПП "Технология") (RU)

Изобретение относится к области создания конструкций антенных обтекателей высокоскоростных ракет с оболочками из жаростойких керамических материалов. Антенный обтекатель содержит керамическую оболочку, металлический стыковой шпангоут и расположенный между ними теплоизоляционный слой, образованный не менее чем двумя секторами, выполненными из термостойкого стеклопластика, и соединенный термостойким клеем с оболочкой и шпангоутом. Керамическая оболочка в зоне соединения с теплоизоляционным слоем выполнена по внутренней поверхности с обратным направлением конусности по отношению к конусности ее наружной поверхности, а внешняя поверхность стыкового шпангоута выполнена с конусностью, совпадающей с конусностью наружной поверхности керамической оболочки. Сектора теплоизоляционного слоя выполнены из термостойкого стеклопластика на основе полиимидного, алюмохромфосфатного или фенолформальдегидного связующих. Техническим результатом изобретения является обеспечение работоспособности антенного обтекателя в условиях повышенного теплосилового нагружения. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области авиационно-ракетной техники, преимущественно к конструкциям радиопрозрачных обтекателей летательных аппаратов, и может быть использовано при разработке керамических головных обтекателей высокоскоростных ракет.

Основная проблема создания надежного соединения хрупкой керамической оболочки с металлическим стыковым шпангоутом при высоких температурах обусловлена значительной разницей их тепловых расширений, вызываемой резким возрастанием исходно низкого ТКЛР материала шпангоута (инварные сплавы), близкого к ТКЛР керамики в небольшом интервале температур (до 300°С), в процессе нагрева свыше 320-350°С (при практически стабильном ТКЛР материала оболочки при более высоких температурах).

С ростом скоростей ракет и, соответственно, теплового воздействия на носовые радиопрозрачные обтекатели с оболочками, изготавливаемыми в настоящее время, в основном, из ситаллов и кварцевой керамики с ее модификациями, нагрев оболочек достигает температур размягчения керамического материала, когда начинаются процессы аблирования наружной поверхности оболочки, приводящие к эрозионному уносу материала и изменению электрической толщины стенки оболочки, а также к снижению прочности конструкции. Изменение электрической толщины стенки оболочки приводит к искажению радиотехнических характеристик и снижению вероятности выполнения основной задачи - попадания ракеты в цель.

Поэтому для обтекателей высокоскоростных ракет, температура нагрева наружной поверхности керамических оболочек которых в радиопрозрачной зоне достигает температуры абляции применяемых в настоящее время керамических материалов (например, для кварцевой керамики - около 1500°С), предлагаются керамические материалы, не подверженные тепловой эрозии, например нитридкремниевая и алюмооксидная керамики.

Однако эти материалы, обладающие высокой термостойкостью (до 2000-2500°С), помимо высокой прочности имеют повышенную теплопроводность, что обусловливает значительный нагрев силовых элементов конструкции узла соединения оболочки и металлического стыкового шпангоута. Например, при непосредственном клеевом соединении оболочки и шпангоута в обтекателях ракет классов "воздух-воздух" и "воздух-поверхность", когда предварительный нагрев конструкции в полете под носителем может достигать 150-300°С еще до пуска ракеты, то после пуска, в автономном режиме, металлический стыковой шпангоут и клеевой шов могут прогреваться до температур 650-750°С. Такой режим эксплуатации является недопустимым не только для эластичных термостойких адгезивов, которые, в основном, используются в обтекателях с оболочками, изготавливаемыми из кварцевой керамики и ситаллов, но и приводит к разрушению оболочки вследствие теплового расширения шпангоута в радиальном направлении.

Изготовление оболочек из нитридкремниевой и алюмооксидной керамик, имеющих повышенные, по сравнению с кварцевой керамикой, ТКЛР и теплопрочность, позволяет использовать для шпангоута некоторые инварные сплавы также с повышенными ТКЛР, допускающими нагрев шпангоута до температур 450-500°С. Однако в этом случае невозможным становится использование термостойких эластичных адгезивов типа герметика У-2-28, работоспособность которых ограничивается нагревом до 300-320°С.

Известен ряд технических решений для конструкций антенных обтекателей, включающих керамическую оболочку и металлический шпангоут, в которых работоспособность обеспечивается установкой между оболочкой и шпангоутом термокомпенсаторов или теплозащитных элементов, позволяющих исключить непосредственный контакт оболочки со шпангоутом и снизить температуру нагрева шпангоута и клеевого соединения.

Известна конструкция головного антенного обтекателя ракеты по патенту РФ №2189672, МПК 7H01Q 1/42, 2001, состоящая из керамической оболочки и металлического шпангоута и дополнительной оболочки, изготовленной из композиционного материала, согласованного по ТКЛР с керамической оболочкой, установленной с зазором между керамической оболочкой и металлическим шпангоутом и соединенной с ними на одном конце эластичным адгезивом. Кроме этого, в конструкции обтекателя имеются эластичные компенсирующие элементы.

Основным ограничением в применении такой конструкции является недостаточная на современном уровне термопрочность существующих эластичных компенсирующих элементов, невозможность использования жестких адгезивов, обладающих высокой термостойкостью, и усложненность конструкции.

Известна также конструкция головного обтекателя ракеты по патенту РФ №2168815, МПК 7HOIQ 1/42, 2000, включающая эластичную обечайку, введенную в расширяющуюся полость между оболочкой и носовой частью шпангоута, а в качестве адгезива-эластичный герметик на основе полисилоксана. К шпангоуту подсоединен или выполнен за одно целое с ним аккумулятор тепла.

Ограничение работоспособности такой конструкции для обтекателя с оболочкой, материал которой обладает повышенной теплопроводностью, обусловлено также невысокой термопрочностью эластичных элементов узла соединения, невозможностью использования жестких термостойких адгезивов и узким температурным интервалом совместимости ТКЛР материалов оболочки и шпангоута.

Наиболее близким устройством по совокупности признаков, выбранным в качестве прототипа, является антенный обтекатель по патенту США №4520364, МПК 6H01Q 1/28, 1/42, 1985, включающий радиопрозрачную керамическую оболочку, переходную секцию с изолирующей прокладкой, изготовленную из композиционного материала на полиимидном связующем и выполняющую роль теплозащитного слоя, металлический стыковой шпангоут и элементы их соединения. Керамическая оболочка соединяется с переходной секцией и стыковым шпангоутом по коническим сопрягаемым поверхностям термостойким клеем и с помощью стандартных крепежных элементов. Введение в конструкцию обтекателя переходной секции с изолирующей прокладкой позволяет снизить температуру металлического шпангоута до приемлемых значений.

Причинами, ограничивающими применение данного изобретения, являются:

- в условиях значительного теплосилового нагружения обтекателя и прогрева оболочки, обладающей повышенной теплопроводностью, клеевой слой в соединении "керамическая оболочка - переходная секция" и сам теплозащитный слой могут деструктировать, если температура нагрева превысит пределы термостойкости адгезива и связующего композиционного материала переходной секции, что не позволит обеспечить передачу внешней нагрузки на металлический стыковой шпангоут;

- отсутствие контакта по всей поверхности теплозащитного слоя и стыкового шпангоута не позволяет использовать для поджатия переходной секции увеличение размеров шпангоута в радиальном направлении в процессе нагрева.

Тепловые расчеты и практика разработки обтекателей с теплозащитными слоями между керамической оболочкой и металлическим шпангоутом показывают, что применение теплозащитного слоя из материала с низкой теплопроводностью с целью снижения температуры в металлическом шпангоуте приводит к концентрации тепла в соединении "керамическая оболочка - теплозащитный слой", что обусловливает повышение температуры на внутренней поверхности оболочки и клеевого слоя в этом соединении.

Этот отрицательный эффект тем значительнее, чем меньше теплопроводность материала теплозащитного слоя и чем выше теплопроводность керамики. Достигнутое необходимое снижение температуры металлического шпангоута и облегчение условий его работы приводит к тому, что наиболее теплонагруженным становится клеевой слой, соединяющий оболочку с теплозащитным слоем. Это особенно характерно для обтекателей с оболочками из нитридных и алюмооксидных керамик, обладающих высокой теплопроводностью.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение работоспособности антенного обтекателя в условиях повышенного теплосилового нагружения за счет снижения температуры нагрева стыкового шпангоута и его воздействия на керамическую оболочку.

Поставленная задача решается тем, что предложен:

1. Антенный обтекатель, содержащий керамическую оболочку, металлический стыковой шпангоут и расположенный между ними теплоизоляционный слой, соединенный термостойким клеем с оболочкой и шпангоутом, отличающийся тем, что теплоизоляционный слой образован не менее чем двумя секторами, выполненными из термостойкого стеклопластика, при этом керамическая оболочка в зоне соединения с теплоизоляционным слоем по внутренней поверхности выполнена с обратным направлением конусности по отношению к конусности ее наружной поверхности, а внешняя поверхность металлического стыкового шпангоута выполнена с конусностью, совпадающей по направлению с конусностью наружной поверхности керамической оболочки.

2. Антенный обтекатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве термостойкого стеклопластика выбран стеклопластик на основе полиимидного связующего.

3. Антенный обтекатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве термостойкого стеклопластика выбран стеклопластик на основе алюмохромфосфатного связующего.

4. Антенный обтекатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве термостойкого стеклопластика выбран стеклопластик на основе фенолформальдегидного связующего.

В условиях полета под носителем при прогреве всей конструкции до 150-300°С и относительной совместимости ТКЛР материалов оболочки, теплоизоляционного слоя и шпангоута, значительных растягивающих напряжений в керамической оболочке от распора шпангоутом не возникает, а термостойкий адгезив в соединениях еще не претерпевает необратимых структурных изменений и деформаций, поскольку внешние нагрузки и температура нагрева соединяемых деталей не значительны. При охлаждении до температуры окружающей среды система практически приходит в исходное состояние.

При пуске ракеты после предварительного прогрева до температур 150-300°С в соединении "оболочка - теплоизоляционный слой" дополнительный нагрев в автономном режиме приводит к значительному увеличению температуры клея и внешних слоев теплоизоляционного слоя.

В то же время увеличения температуры металлического шпангоута и адгезива в соединении "теплоизоляционный слой - шпангоут" в течение короткого времени автономного режима не происходит, т.к. значительная часть тепла идет на нагрев оболочки и теплоизоляционного слоя.

В соединении "оболочка - теплоизоляционный слой" происходит постепенная деструкция адгезива и размягчение связующего во внешних слоях композиционного материала кольцевых секторов. Скорость протекания деструкции адгезива и связующего в композиционном материале пропорциональна длительности теплового воздействия на обтекатель, которая составляет от нескольких десятков секунд до 1,5-2 минут.

По мере деструкции адгезива и некоторого размягчения внешних слоев материала кольцевых секторов одновременно происходит поджатие теплоизоляционного слоя к оболочке за счет теплового расширения шпангоута. В результате этого в соединении, благодаря конусности обратной направленности, образуется клин, который при приложении внешней нагрузки "запирает" весь узел и препятствует сползанию оболочки со шпангоута. В общем случае эффективность клинового соединения тем выше, чем больше угол конусности клина, который, однако, лимитирован строительной высотой узла соединения. В оболочках, изготовленных из нитридной и алюмооксидной керамик, обладающих значительной прочностью (σи=200-400 МПа), клиновое соединение способно выдержать без разрушения оболочки значительные нагрузки, поскольку теплоизоляционный слой "работает", в основном, на изгиб и сжатие.

Работоспособность конструкции узла соединения обеспечивается до тех пор, пока сохраняется прочность клеевого соединения "теплоизоляционный слой - шпангоут", а окружные растягивающие напряжения, возникающие в оболочке от распора шпангоутом через теплоизоляционный слой, не превышают допустимых. Это может быть достигнуто применением в этом соединении термостойкого адгезива.

На фигуре представлено продольное сечение антенного обтекателя в зоне узла соединения.

Антенный обтекатель включает керамическую оболочку 1, металлический стыковой шпангоут 2 и теплоизоляционный слой 3, соединенный термостойким клеем 4 с оболочкой и шпангоутом. Теплоизоляционный слой состоит из секторов 5, разделенных между собой зазором, заполненным теплостойким клеем 4. Внешняя поверхность секторов 5, образующих теплоизоляционный слой 3, и внутренняя поверхность керамической оболочки 1 имеют обратное направление конусности по отношению к конусности наружной поверхности оболочки (угол конусности выбирается конструктивно), а внутренняя поверхность секторов 5 и наружная поверхность шпангоута 2 - конусность, совпадающую по направлению с конусностью наружной поверхности оболочки 1.

Теплопрочностные расчеты и эксперименты показывают, что применение для ракет классов "воздух - воздух" и "воздух - поверхность" конструкции антенного обтекателя, включающего теплоизоляционный слой, образованный из отдельных кольцевых секторов, изготовленных из стеклопластиков на основе фенолформальдегидных, полиимидных, алюмофосфатных и других теплостойких связующих с низкой теплопроводностью, позволит обеспечить работоспособность антенного обтекателя при прогреве клеевого слоя в соединении "керамическая оболочка - теплоизоляционный слой" до 650-850°С и выше, а в соединении "теплоизоляционный слой - металлический шпангоут" - до 500-550°С (ограничение обусловлено резким подъемом ТКЛР применяемых в настоящее время конструкционных инварных материалов для шпангоутов при нагреве выше этих температур). Температурными полями в соединениях можно управлять, применяя материалы с необходимыми теплофизическими характеристиками для теплоизоляционных слоев. Такая конструкция антенного обтекателя может быть реализована не только с оболочками, материал которых обладает высокой прочностью (нитридная и алюмооксидная керамики), но также и с оболочками, имеющими относительно невысокие прочностные характеристики материалов (кварцевая керамика и ее модификации, стеклокерамика и др.).

Достигнутым техническим результатом применения изобретения является возможность создания работоспособных конструкций антенных обтекателей в условиях повышенного аэродинамического воздействия, создающего тепловые потоки, приводящие к нагреву наружной поверхности керамической оболочки в зоне узла соединения с металлическим шпангоутом до температур 1000-1100°С.

1. Антенный обтекатель, содержащий керамическую оболочку, металлический стыковой шпангоут и расположенный между ними теплоизоляционный слой, соединенный термостойким клеем с оболочкой и шпангоутом, отличающийся тем, что теплоизоляционный слой образован не менее чем двумя секторами, выполненными из термостойкого стеклопластика, при этом керамическая оболочка в зоне соединения с теплоизоляционным слоем по внутренней поверхности выполнена с обратным направлением конусности по отношению к конусности ее наружной поверхности, а внешняя поверхность металлического стыкового шпангоута выполнена с конусностью, совпадающей по направлению с конусностью наружной поверхности керамической оболочки.

2. Антенный обтекатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве термостойкого стеклопластика выбран стеклопластик на основе полиимидного связующего.

3. Антенный обтекатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве термостойкого стеклопластика выбран стеклопластик на основе алюмохром-фосфатного связующего.

4. Антенный обтекатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве термостойкого стеклопластика выбран стеклопластик на основе фенолформальдегидного связующего.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано для испытаний и измерений радиотехнических характеристик (РТХ) антенных обтекателей. .

Изобретение относится к области авиационной и ракетной техники, преимущественно к антенным обтекателям скоростных ракет различных классов. .

Изобретение относится к антенно-фидерным устройствам, преимущественно к широкополосным антенным системам «антенна-обтекатель». .

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано при радиотехнических испытаниях систем антенна-обтекатель. .
Изобретение относится к ракетной технике, а точнее к технологии изготовления антенных обтекателей радиоуправляемых ракет из кварцевой керамики. .

Изобретение относится к области авиационной и ракетной технике, преимущественно к радиопрозрачным обтекателям скоростных летательных аппаратов различных классов.
Изобретение относится к области авиационной и ракетной техники, в частности к антенным обтекателям скоростных ракет из пористой керамики. .

Изобретение относится к антенной технике, в частности к радиопрозрачным укрытиям сверхширокополосных антенн, работающих в диапазоне ультравысоких (УВЧ) и сверхвысоких (СВЧ) частот.

Изобретение относится к радиотехнике и может быть использовано в качестве радиопрозрачных укрытий и обтекателей для защиты антенн, в том числе станций спутниковой связи, от влияния механических и климатических факторов изобретения.

Изобретение относится к антенно-фидерным устройствам преимущественно к широкополосным системам «антенна-обтекатель» для работы в совмещенных диапазонах

Изобретение относится к области авиационной и ракетной техники и может быть использовано при изготовлении головных радиопрозрачных обтекателей летательных аппаратов

Изобретение относится к судостроению, а именно к обтекателям гидроакустических станций, и касается вопроса конструирования обтекателя антенны гидроакустической станции

Изобретение относится к области создания конструкций антенных обтекателей высокоскоростных ракет с оболочками из жаростойких керамических материалов
Изобретение относится к области авиационной и ракетной техники и может быть использовано при изготовлении антенных обтекателей скоростных ракет из пористой керамики
Изобретение относится к области авиационной и ракетной техники и преимущественно может быть использовано при изготовлении антенных обтекателей скоростных ракет из керамики

Изобретение относится к области создания конструкций антенных обтекателей высокоскоростных ракет с оболочками из жаростойких керамических материалов. Технический результат - обеспечение работоспособности антенного обтекателя для условий одновременного удовлетворения воздействию превалирующих нагрузок: тепловой - при менее значительной силовой и силовой - при менее значительной тепловой, а также при любом соотношении нагрузок на промежуточных траекториях. Антенный обтекатель содержит керамическую оболочку и металлический стыковой шпангоут, соединенные между собой термостойким клеем. Изгибная жесткость внутренней полки шпангоута составляет 85-95% от изгибной жесткости оболочки в поперечном сечении, проходящем через переднюю кромку шпангоута. Длину клеевого соединения определяют при максимальном силовом воздействии, а радиальный зазор между оболочкой и шпангоутом равен максимальному радиальному расширению шпангоута от теплового воздействия на обтекатель. Торцевой зазор между оболочкой и шпангоутом принимается пропорционально радиальному зазору, с коэффициентом пропорциональности, равным соотношению между длиной клеевого соединения и наружным диаметром шпангоута, с учетом модуля нормальной упругости клея. 2 ил.

Изобретение относится к конструктивным элементам фюзеляжа летательного аппарата. Обтекатель антенны, установленный на самолете, содержит радиопрозрачную переднюю и металлическую заднюю части, обшивку, подкрепленную силовым набором. Обтекатель выполнен обтекаемой сигарообразной формы с жесткой металлической панелью в верхней части по всей длине, являющейся основанием для установки наружных антенн и имеющей люки, закрываемые крышками. На верхней поверхности радиопрозрачной передней части установлена металлизирующая накладка. Обтекатель установлен на пилоне над фонарем кабины летчиков, приподнят над поверхностью фюзеляжа, выдвинут вперед относительно выступа упомянутого фонаря, имеет вырез внизу по контуру пилона и закреплен легкосъемными замками на силовом поясе с ответным силовым поясом пилона, стационарно установленного на фюзеляже, в силовую схему которого включены балки для крепления поворотной антенны. Изобретение направлено на увеличение зоны обзора. 9 ил.

Изобретение относится к области авиационной и ракетной техники и может использоваться преимущественно в конструкциях высокоскоростных ракет различных классов. Технический результат - увеличение длительности эксплуатационного режима за счет сохранения прочности соединения металл-керамика при силовых и тепловых воздействиях на обтекатель. Антенный обтекатель включает (соединенный эластичным клеем на кремнеорганической основе) керамический колпак с выполненной на внутренней поверхности выборкой, металлические шпангоут и соединительный переходник, металлическое разрезное кольцо, соединенные между собой крепежными элементами и эластичным клеем на кремнеорганической основе к сопрягаемым поверхностям. К торцу керамического колпака пристыковано опорное металлическое кольцо, а на внутренней поверхности керамического колпака выполнена выборка, в которой по сопрягаемым поверхностям установлено разрезное металлическое кольцо длиной, соизмеримой с длиной шпангоута, и снабженное буртиком, размещенным в ответном пазу опорного кольца. Опорное кольцо связано с металлическим шпангоутом фиксаторами в виде радиально ориентированных штифтов, а с соединительным переходником скреплено неподвижно винтами по окружной соприкасаемой поверхности и по торцевым соприкасаемым поверхностям дополнительно связано посредством соответствующих друг другу скосов. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области радиотехники, а именно к защите антенн от воздействия внешних факторов окружающей среды. Техническим результатом является расширение диапазона частот проходящих радиоволн от 3 до 30 ГГц через многослойное радиопрозрачное укрытие для антенн с одновременным упрощением его конструкции. Широкодиапазонное многослойное радиопрозрачное укрытие для антенн, содержащее ряд расположенных параллельно друг другу тонких слоев, включающих несущий слой, отличается тем, что входной наружный слой, обращенный в сторону падающего излучения, имеет диэлектрическую проницаемость от 1,8 до 2,2 и толщину от 2 до 4 мм, а наружный выходной слой выполнен электропроводящим, имеющим поверхностное электрическое сопротивление от 300 до 700 Ом. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.
Наверх