RU2464679C1 - Antenna dome - Google Patents

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: antenna dome has a ceramic cladding, a metal attachment ring and a heat-insulating layer in between, which is formed by at least two sections made from heat-resistant fibre-glass, and joined by a heat-resistant adhesive with the cladding and the attachment ring. In the zone of joining with the heat-insulating layer, the ceramic cladding has on its inner surface an annular cavity and the sector on the outer surface has a reciprocal annular protrusion. The sector of the heat-insulating layer is made from heat-resistant fibre-glass based on polyimide, aluminium-chromium-phosphate or phenol-formaldehyde binder.

EFFECT: operating capacity of the antenna dome in high heat and force load conditions, including beyond operating range of the heat-resistant adhesive.

4 cl, 1 dwg

Description

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.The invention relates to the field of aeronautical-rocket technology, mainly to the designs of radiolucent fairings of aircraft, and can be used in the development of ceramic head fairings of high-speed missiles.

Основная проблема создания надежного соединения хрупкой керамической оболочки с металлическим стыковым шпангоутом при высоких температурах обусловлена значительной разницей их тепловых расширений в процессе нагрева шпангоута свыше 320-350°C.The main problem of creating a reliable connection of a brittle ceramic shell with a metal butt frame at high temperatures is due to the significant difference in their thermal expansions during heating of the frame over 320-350 ° C.

С ростом скоростей ракет и, соответственно, теплового воздействия на головные радиопрозрачные обтекатели с оболочками, изготавливаемыми в настоящее время, в основном, из ситаллов и кварцевой керамики с ее модификациями, процессы аблирования наружной поверхности оболочки приводят к эрозионному уносу материала и изменению электрической толщины стенки оболочки, а также к снижению прочности конструкции. Изменение электрической толщины стенки оболочки вызывает искажение радиотехнических характеристик и возрастание промаха ракеты.With increasing rocket speeds and, accordingly, thermal effects on the head radiolucent fairings with shells, which are currently made mainly of ceramic and quartz ceramics with its modifications, the ablation of the outer shell surface leads to erosion of the material and a change in the electrical thickness of the shell wall , as well as to reduce the strength of the structure. A change in the electric thickness of the wall of the shell causes a distortion of the radio characteristics and an increase in miss missiles.

Поэтому для обтекателей высокоскоростных ракет все чаще предлагаются керамические материалы, не подверженные тепловой эрозии, например, нитридкремниевая и алюмооксидная керамики.Therefore, ceramic fairings that are not susceptible to thermal erosion, such as silicon nitride and alumina ceramics, are increasingly being offered for fairings of high-speed rockets.

Однако эти материалы, обладающие высокой термостойкостью (до 2000-2500°C), эрозионной стойкостью и высокой прочностью, имеют повышенную теплопроводность, что приводит к значительному нагреву металлического стыкового шпангоута. Например, при непосредственном клеевом соединении оболочки и шпангоута в обтекателях ракет классов "воздух-воздух" и "воздух-поверхность" предварительный нагрев конструкции в полете под носителем может достигать 150-300°C еще до пуска ракеты.However, these materials, which have high heat resistance (up to 2000-2500 ° C), erosion resistance, and high strength, have increased thermal conductivity, which leads to significant heating of the metal butt frame. For example, with a direct glue connection of the shell and the frame in the fairings of air-to-air and air-to-surface missiles, the preliminary heating of the structure in flight under the carrier can reach 150-300 ° C even before the rocket launches.

После пуска, в автономном режиме, металлический стыковой шпангоут и клеевой шов могут прогреваться до температур 750-800°C. Такой, даже кратковременный, нагрев соединения приводит к разрушению оболочки, вследствие теплового расширения шпангоута в радиальном направлении, и полной деструкции эластичных адгезивов, термостойкость которых не превышает 300°C (например, герметика У-2-28).After starting, in standalone mode, the metal butt frame and the adhesive joint can be heated to temperatures of 750-800 ° C. Such, even short-term, heating of the joint leads to the destruction of the shell, due to the thermal expansion of the frame in the radial direction, and the complete destruction of the elastic adhesives, the thermal stability of which does not exceed 300 ° C (for example, U-2-28 sealant).

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 исходно более высокими ТКЛР (например, сплав 29НК), допускающими возможность нагрева шпангоута до температур 450-500°C. Но и в этом случае невозможным становится использование термостойких эластичных адгезивов при непосредственном соединении оболочки и шпангоута.The manufacture of shells made of nitride-silicon and alumina ceramics, having higher thermal expansion coefficient and heat resistance compared to quartz ceramic, makes it possible to use some invar alloys with initially higher thermal expansion coefficient (for example, 29NK alloy) for the frame, allowing the heating of the frame to temperatures of 450-500 ° C. But even in this case, it becomes impossible to use heat-resistant elastic adhesives with the direct connection of the shell and the frame.

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.A number of technical solutions are known for the designs of antenna cowls, including a ceramic shell and a metal frame, in which operability is ensured by installing thermal compensators or heat-shielding elements between the shell and the frame to eliminate direct contact of the shell with the frame and reduce the heating temperature of the frame and adhesive joint.

Известна конструкция головного антенного обтекателя ракеты по патенту РФ №2189672, МПК7 H01Q 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.A known design of the head antenna cowl of a rocket according to the patent of the Russian Federation No. 2189672, IPC7 H01Q 1/42, 2001, consisting of a ceramic shell and a metal frame and an additional shell made of composite material coordinated by thermal expansion coefficient with a ceramic shell installed with a gap between the ceramic shell and a metal frame and an elastic adhesive connected to them at one end. In addition, in the design of the fairing there are elastic compensating elements.

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.The main limitation in the application of this design is the insufficient thermal resistance of existing elastic compensating elements at the present level, the inability to use hard adhesives with high heat resistance, and the complexity of the design.

Известна также конструкция головного обтекателя ракеты по патенту РФ №2168815, МПК7 H01Q 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.Also known is the design of the head fairing of the rocket according to the patent of the Russian Federation No. 2168815, MPK7 H01Q 1/42, 2000, including an elastic shell inserted into the expanding cavity between the shell and the nose of the frame, and an adhesive sealant based on polysiloxane as an adhesive. A heat accumulator is connected to or connected to the frame in one piece with it.

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.The limitation of the operability of such a design for a cowl with a sheath, the material of which has increased thermal conductivity, is also due to the low heat resistance of the elastic elements of the joint, the inability to use hard heat-resistant adhesives, and the narrow temperature range of compatibility of the thermal expansion coefficient of the materials of the shell and the frame.

Наиболее близким устройством по совокупности признаков, выбранным в качестве прототипа, является антенный обтекатель по патенту США №4520364, МПК6 H01Q 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.The closest device for the totality of features selected as a prototype is an antenna cowl according to US patent No. 4520364, IPC6 H01Q 1/28, 1/42, 1985, including a radiolucent ceramic shell, a transition section with an insulating gasket made of composite material on a polyimide a binder and a heat-protective layer, a metal butt frame and elements of their connection. The ceramic shell is connected to the transition section and the butt frame on tapered mating surfaces with heat-resistant adhesive and using standard fasteners. Introduction to the design of the fairing transition section with an insulating gasket can reduce the temperature of the metal frame to acceptable values.

Причинами, ограничивающими применение данного изобретения, являются:Reasons limiting the use of this invention are:

- 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;- under conditions of significant heat-force loading of the fairing and heating of the shell with increased thermal conductivity, the adhesive layer in the connection “ceramic shell - transition section” and the heat-protective layer itself can degrade if the heating temperature exceeds the temperature resistance of the adhesive and the binder composite material of the transition section, which will not allow to ensure the transfer of external load to the metal butt frame;

- 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.- lack of contact over the entire surface of the heat-shielding layer and the butt frame does not allow to use to preload the transition section of the increase in the size of the frame in the radial direction during heating.

Тепловые расчеты и практика разработки обтекателей показывают, что включение в конструкцию теплозащитного слоя, изготавливаемого из материала с низкой теплопроводностью, с целью снижения температуры в металлическом шпангоуте, приводит к повышенному нагреву клеевого соединения "керамическая оболочка-теплозащитный слой". Этот отрицательный эффект тем значительнее, чем меньше теплопроводность материала теплозащитного слоя и чем выше теплопроводность керамики, что особенно характерно для обтекателей с оболочками из нитридных и алюмооксидных керамик, обладающих высокой теплопроводностью.Thermal calculations and the practice of developing fairings show that the inclusion in the design of a heat-protective layer made of a material with low thermal conductivity, in order to reduce the temperature in the metal frame, leads to increased heating of the adhesive joint "ceramic shell-heat-protective layer." This negative effect is the greater, the lower the thermal conductivity of the material of the heat-shielding layer and the higher the thermal conductivity of ceramics, which is especially characteristic of fairings with shells made of nitride and alumina ceramics, which have high thermal conductivity.

Задачей настоящего изобретения является обеспечение работоспособности антенного обтекателя в условиях повышенного теплосилового нагружения за счет снижения температуры нагрева стыкового шпангоута и использования термостойких адгезивов, обладающих повышенными жесткостными характеристиками.The objective of the present invention is to ensure the operability of the antenna fairing under conditions of increased heat load due to lowering the temperature of the butt frame and the use of heat-resistant adhesives with increased stiffness characteristics.

Поставленная задача решается тем, что предложен:The problem is solved by the fact that the proposed:

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 выполнена с кольцевой проточкой, а сектора с ответным кольцевым выступом.1. Antenna fairing containing a ceramic shell, a metal butt frame and a heat-insulating layer located between them, connected by a heat-resistant adhesive with a shell and a frame, characterized in that the heat-insulating layer is formed by at least two sectors made of heat-resistant fiberglass, while the ceramic shell the connection zone with the heat-insulating layer is made with an annular groove, and sectors with a reciprocal annular protrusion.

2. Антенный обтекатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве термостойкого стеклопластика выбран стеклопластик на основе полиимидного связующего.2. The antenna fairing according to claim 1, characterized in that a fiberglass based on a polyimide binder is selected as a heat-resistant fiberglass.

3. Антенный обтекатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве термостойкого стеклопластика выбран стеклопластик на основе алюмохромфосфатного связующего.3. The antenna fairing according to claim 1, characterized in that as a heat-resistant fiberglass selected fiberglass based on alumina-phosphate binder.

4. Антенный обтекатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве термостойкого стеклопластика выбран стеклопластик на основе фенолформальдегидного связующего.4. The antenna fairing according to claim 1, characterized in that fiberglass based on a phenol-formaldehyde binder is selected as a heat-resistant fiberglass.

В условиях полета под носителем при прогреве всей конструкции до 150-300°C 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 незначительны.Under flight conditions under the carrier, when the entire structure is heated to 150-300 ° C and the relative thermal expansion coefficient of the shell materials, the heat-insulating layer and the frame, significant tensile stresses in the ceramic shell do not arise from the expansion with the frame, and the heat-resistant adhesive in the compounds has not yet undergone irreversible structural changes and deformations, since external loads and the heating temperature of the parts to be joined are negligible.

При охлаждении до температуры окружающей среды система практически приходит в исходное состояние.When cooled to ambient temperature, the system almost comes to its original state.

При пуске ракеты после предварительного прогрева до температур 150-300°C, в соединении "оболочка - теплоизоляционный слой" дополнительный нагрев в автономном режиме приводит к значительному увеличению температуры клея и внешних слоев теплоизоляционного слоя, но 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.When a rocket is launched after preheating to temperatures of 150-300 ° C, in the shell – heat-insulating layer joint, additional heating in an autonomous mode leads to a significant increase in the temperature of the glue and the outer layers of the heat-insulating layer, but the temperature of the metal frame and adhesive in the heat-insulating joint increases layer - frame "for a short time offline mode does not occur, because a significant part of the heat goes to heat the shell and the insulating layer.

При значительных прогревах клеевого соединения, в особенности в кольцевой проточке, и даже в случае полной деструкции адгезива передача нагрузки на шпангоут продолжается с помощью кольцевого выступа, образованного секторами, уложенными в кольцевой проточке керамической оболочки. При этом уплотнение соединения осуществляется за счет поджатия секторов при тепловом расширении шпангоута.With significant heating of the adhesive joint, especially in the annular groove, and even in the case of complete destruction of the adhesive, the load is transferred to the frame using an annular protrusion formed by sectors laid in the annular groove of the ceramic shell. At the same time, the joint is sealed by preloading the sectors during thermal expansion of the frame.

В оболочках, изготовленных из нитридной и алюмооксидной керамик, обладающих значительной прочностью (σ_и=200-400 МПа), концентрацию напряжений в кольцевой проточке можно не учитывать или свести к минимальному значению подбором конструктивных элеменов (радиусы, углы наклона) кольцевой проточки.In shells made of nitride and alumina ceramics with significant strength (σ _and = 200-400 MPa), the stress concentration in the annular groove can be ignored or reduced to the minimum value by the selection of structural elements (radii, tilt angles) of the annular groove.

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.The operability of the design of the joint assembly is ensured as long as the strength of the adhesive joint “heat-insulating layer - frame” is maintained, and the circumferential tensile stresses arising in the shell from being expanded by the frame through the heat-insulating layer do not exceed the permissible ones.

На фигуре представлено продольное сечение антенного обтекателя в зоне узла соединения.The figure shows a longitudinal section of an antenna cowl in the area of the connection node.

Антенный обтекатель включает керамическую оболочку 1, металлический стыковой шпангоут 2 и теплоизоляционный слой 3, соединенный термостойким клеем 4 с оболочкой и шпангоутом; при этом теплоизоляционный слой образован не менее чем двумя секторами 5, разделенными между собой зазором, заполненным термостойким клеем 4. В керамической оболочке по внутренней поверхности выполнена кольцевая проточка, а на внешней поверхности секторов 5, образующих теплоизоляционный слой 3, выполнен кольцевой выступ, повторяющий конфигурацию кольцевой проточки в оболочке. Сектора кольцевыми выступами укладываются в кольцевой проточке оболочки, образуя клее-механическое соединение теплозащитного слоя с оболочкой.Antenna fairing includes a ceramic shell 1, a metal butt frame 2 and a heat-insulating layer 3 connected by a heat-resistant adhesive 4 with a shell and a frame; the heat-insulating layer is formed by at least two sectors 5, separated by a gap filled with heat-resistant adhesive 4. An annular groove is made in the ceramic shell along the inner surface, and an annular protrusion is made on the outer surface of the sectors 5 forming the heat-insulating layer 3, repeating the configuration annular grooves in the shell. Sectors with annular protrusions fit into the annular groove of the shell, forming a glue-mechanical connection of the heat-protective layer with the shell.

Теплопрочностные расчеты и эксперименты показывают, что применение для ракет классов "воздух - воздух" и "воздух - поверхность" конструкции предлагаемого обтекателя, включающего теплоизоляционный слой, образованный из отдельных кольцевых секторов, изготовленных из термостойких стеклопластиков с фенольными, полиимидными, алюмофосфатными и другими теплостойкими связующими с низкой теплопроводностью, позволит обеспечить работоспособность при прогреве верхнего клеевого слоя до 800-850°C и выше, а нижнего - до 500-550°C (ограничение обусловлено резким подъемом ТКЛР применяемых в настоящее время конструкционных инварных материалов для шпангоутов при нагреве выше этих температур). При этом такая конструкция 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, ситаллы и др.)Heat-resistant calculations and experiments show that the use for the air-to-air and air-to-surface missiles of the design of the proposed fairing, including a heat-insulating layer formed of separate annular sectors made of heat-resistant fiberglass with phenolic, polyimide, aluminophosphate and other heat-resistant binders with low thermal conductivity, will ensure operability during heating of the upper adhesive layer to 800-850 ° C and above, and the lower - to 500-550 ° C (restriction due to p With a sharp increase in the thermal expansion coefficient of the currently used structural Invar materials for frames when heated above these temperatures). Moreover, such a design of the fairing can be implemented not only with shells, the material of which has high strength (nitride and alumina ceramics), but also with shells having relatively low strength characteristics of materials (quartz ceramics and its modifications, ceramic, etc.)

Claims (4)

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 выполнена с кольцевой проточкой, а сектора - с ответным кольцевым выступом.1. Antenna fairing containing a ceramic shell, a metal butt frame and a heat-insulating layer located between them, connected by a heat-resistant adhesive with a shell and a frame, characterized in that the heat-insulating layer is formed by at least two sectors made of heat-resistant fiberglass, while the ceramic shell the connection zone with the heat-insulating layer is made with an annular groove, and the sectors with a reciprocal annular protrusion. 2. Антенный обтекатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве термостойкого стеклопластика выбран стеклопластик на основе полиимидного связующего.2. The antenna fairing according to claim 1, characterized in that a fiberglass based on a polyimide binder is selected as a heat-resistant fiberglass. 3. Антенный обтекатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве термостойкого стеклопластика выбран стеклопластик на основе алюмохромфосфатного связующего.3. The antenna fairing according to claim 1, characterized in that as a heat-resistant fiberglass selected fiberglass based on alumina-phosphate binder. 4. Антенный обтекатель по п.1, отличающийся тем, что в качестве термостойкого стеклопластика выбран стеклопластик на основе фенолформальдегидного связующего. 4. The antenna fairing according to claim 1, characterized in that fiberglass based on a phenol-formaldehyde binder is selected as a heat-resistant fiberglass.

Images