RU2568515C1 - Ленточный препрег для изготовления теплозащитного покрытия силовой оболочки корпуса возвращаемого с гиперзвуковыми скоростями летательного аппарата - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области ракетной техники и касается изготовления силовой оболочки корпуса возвращаемого летательного аппарата. Ленточный препрег для изготовления теплозащитного покрытия силовой оболочки корпуса содержит скрепленные между собой куски растяжимой в тангенциальном направлении и пропитанной фенольным связующим ленты. При этом препрег выполнен в виде многослойной ленты, в каждом слое которой куски образующих ее лент скреплены между собой встык со смещением этих стыков, расположенных в соседних слоях, относительно друг друга. Слои ленты скреплены между собой в точках, расположенных зигзагообразно вдоль продольной оси ленты. Достигается повышение качества изготовления теплозащитного покрытия за счет оптимизации структуры и конструктивно-технологической схемы изготовления ленточного препрега с повышенной термоэрозионной стойкостью в сочетании с улучшенными теплоизоляционными свойствами и меньшей толщиной. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к области ракетно-космической техники и может быть использовано при изготовлении теплозащиты методом геликоидной намотки ленточного препрега силовой оболочки корпуса возвращаемых летательных аппаратов различного типа составной цилиндро-конической или конической формы, совершающих вход в атмосферу с гиперзвуковыми скоростями, а также при изготовлении сопловых блоков ракетных двигателей.

Известен ленточный препрег, изготовленный из пропитанного фенольным связующим кварцевого тканевого материала трехмерного плетения 3DQP (Three-Dimensional Quartz Phenolic) и применяемый для геликоидной намотки, т.е. намотки ленты под углом к образующей, теплозащитного покрытия корпуса боеголовки W-62 головной части Mk-12 ракеты «Минитмен-3», см., например, W. Garsia, J. Herts. Composite Material Application to the Mk-12A RV Midbay Substructure. General Dynamics Corp., Final Report AMMRC TR 79-51, 1979.

Существенным недостатком этого препрега является то, что лента выполнена путем склеивания кусков внахлест с шириной перекрытия 10…38 мм. В клеевом соединении связующий состав при длительном хранении полимеризуется, вследствие чего соединение теряет эластичность и вызывает осложнения при намотке. Кроме того, клеевое соединение с широким нахлестом приводит к неоднородности намотанного покрытия по плотности армирующих волокон и наполнению связующим.

Частично эти недостатки устранены в ленточном препреге, примененном для изготовления теплозащитного покрытия TWCP (Tape-Wrapped Carbon Phenolic) боеголовки Mk-78 ракеты «Минитмен-3». Подробно этот препрег описан в работе Дж. Криворука, Т. Брамлет. «Влияние вызванных абляцией моментов крена на характеристики движения возвращаемых аппаратов». - «Ракетная техника и космонавтика», т. 16, 1978, №3 и принят в качестве прототипа. Ленточный препрег изготавливался из углеродной ткани, пропитанной фенольным связующим. Ткань раскраивалась по косой линии под углом 45°, что обеспечивало различную растяжимость (деформируемость) ленты по ширине, а куски лент сшивались между собой. Полученный ленточный препрег наматывался на коническую оправку под углом 20° к ее поверхности. После намотки и отверждения кровельное покрытие подвергалось механической обработке и скреплялось с силовой оболочкой корпуса. Недостаток этого ленточного препрега состоит в том, что изготовленная из него теплозащита обладает недостаточной абляционной и термоизоляционной стойкостью при воздействии тепловых потоков в атмосфере, что связано с выгоранием связующего между слоями ленты и образованием повышенной шероховатости обтекаемой поверхности. При изготовлении препрега характерно то, что для углеродной ленты прошивка (или прострачивание) кусков лент из-за хрупкости углеродных волокон приводит к нарушению упорядоченной ориентации армирующих волокон покрытия в зоне стыка. А увеличение ширины нахлеста нарушает однородность плотности армирующих волокон и объемного наполнения связующим. Кроме того, в том и другом случае намотка ведется однослойной ленты.

Целью изобретения является разработка ленточного препрега, лишенного указанных недостатков и обеспечивающего изготовление теплозащитного покрытия с более высоким качеством за счет повышения термостойкости и термоизоляционных свойств покрытия и с более высокой производительностью за счет ускорения процесса изготовления теплозащиты.

Указанная цель достигается тем, что препрег выполнен в виде многослойной ленты, каждый слой которого состоит из кусков лент. Куски лент расположены и скреплены встык, уложены в несколько слоев со смещением стыков в слоях относительно друг друга и скреплены между собой, тем самым обеспечивается однородность плотности армирующих волокон и объемного наполнения связующим. Стык между кусками выполнен зигзагообразным, слои ленты скреплены между собой точечно, а точки скрепления расположены зигзагообразно относительно продольной оси ленты, что обеспечивает сохранение упорядоченной ориентации армирующих волокон покрытия в районе стыков кусков лент. Фенольная смола, которой пропитаны куски ленты, содержит многостенные углеродные нанотрубки с массовой долей 0,5…5%, что обеспечивает ее армирование.

На приведенном чертеже изображен предложенный ленточный препрег. В нем куски 1 лент соединены между собой встык. Стык 2 между кусками закрепляется накладкой 3 пленочного связующего. Полученные ленты укладываются слоями и точечно скрепляются в точках 4. Армирующие волокна 5 лент расположены под углом к направлению ленты (например, под углом 45°).

Технический результат использования изобретения состоит в следующем. В полете при движении летательного аппарата с гиперзвуковой скоростью при воздействии на теплозащиту высокотемпературных потоков выгорание связующего между слоями ленты устраняется или снижается, особенно в местах стыка кусков ленты. Применение фигурного среза при соединении кусков лент встык позволяет устранить возможность возникновения сквозного прогара теплозащиты, тенденция к образованию которого характерна для намоточных ТЗП в местах стыка кусков лент из-за нарушения однородности структуры теплозащиты. Применение точечного скрепления слоев лент обеспечивает (не нарушает) растяжимость препрега в тангенциальном направлении и позволяет за счет точечной полимеризации связующего сохранить однородность армирующих волокон и связующего в покрытии. Точки скрепления располагают зигзагообразно относительно оси полуфабриката с шагом 1…2 его ширины. Сохранению однородности плотности армирующих волокон и объемного наполнения связующим также способствует скрепление кусков лент встык с помощью пленочного связующего, которое в процессе полимеризации растворяется и не оказывает существенного влияния на процентное содержание наполнителя. Размеры накладки из пленочного связующего определяются его адгезионной способностью и местными растягивающими усилиями, возникающими при намотке препрега. По оценкам, длина накладки пленочного связующего составляет 1…1,5 ширины ленты. Армирование фенольной смолы, которой пропитаны куски ленты, многостенными углеродными нанотрубками приводит к снижению шероховатости обтекаемой поверхности и тем самым к уменьшению уноса массы теплозащиты. Согласно экспериментальным исследованиям, изложенным в работе J.S. Tate, S. Gaikwad, N. Theodoropoulou, E. Trevino, and J.H. Koo. Carbon Phenolic Nanocomposites as Advanced Thermal Protection Material in Aerospace Applications. Texas State University-San Marcos, San Marcos, TX 78666-4616, USA. Journal of Composites, volume 2013 (2013), article ID 403656, 9 pages. May 2013, (http://dx.doi.org/10.1155/2013/403656), включение в фенольную смолу многостенных нанотрубок с массовой долей 2% приводит к снижению уноса массы с 26% до 23% и уменьшению линейной усадки материала в 2,13 раза по сравнению с контрольным образцом (без включения многостенных нанотрубок), для которого линейная усадка составляет 0,83 мм.

Таким образом, технический результат изобретения заключается в повышении качества изготовления теплозащитного покрытия за счет оптимизации структуры и конструктивно-технологической схемы изготовления ленточного препрега с повышенной термоэрозионной стойкостью в сочетании с улучшенными теплоизоляционными свойствами и возможности выполнения покрытия с меньшей толщиной, а также в повышении производительности при изготовлении покрытия за счет одновременной намотки ленты, уложенной в несколько слоев. По сравнению с промышленной разработкой, которая принята в качестве прототипа, использование настоящего изобретения позволяет выполнить теплозащитное покрытие с более высоким качеством за счет улучшения абляционных и термоизоляционных свойств покрытия путем соединения кусков лент встык без нахлестов и армирования связующей фенольной смолы. Более высокая (в 1,5…2 раза) производительность достигается за счет выполнения препрега многослойным.

Claims (2)

1. Ленточный препрег для изготовления теплозащитного покрытия силовой оболочки корпуса летательного аппарата, совершающего вход в атмосферу с гиперзвуковой скоростью, содержащий скрепленные между собой куски растяжимой в тангенциальном направлении и пропитанной фенольным связующим ленты, отличающийся тем, что препрег выполнен в виде многослойной ленты, в каждом слое которой куски образующих ее лент скреплены между собой встык со смещением этих стыков, расположенных в соседних слоях, относительно друг друга, при этом слои ленты скреплены между собой в точках, расположенных зигзагообразно вдоль продольной оси ленты.

2. Ленточный препрег по п. 1, отличающийся тем, что стык между кусками выполнен в виде фигурного среза, а фенольное связующее содержит многостенные углеродные нанотрубки с их массовой долей 0,5…5%.