[1]Изобретение относится к ракетной технике, а точнее к конструкции и технологии изготовления антенных обтекателей ракет из кварцевой керамики, работающих в сложных климатических условиях, высоких силовых и тепловых нагрузках.
[2]Известно, что кварцевая керамика является одним из перспективных материалов для изготовления антенных обтекателей высокоскоростных ракет благодаря таким свойствам материала, как высокая термостойкость, низкая теплопроводность, малая величина и стабильность диэлектрических характеристик (ε и tgδ) в широком интервале температур и частот (J.D. Walton. Radome engineering Hardbook. NewYork, 1970 г.; Ю.Е. Пивинский, Е.И. Суздальцев. Кварцевая керамика и огнеупоры, 2008, т. 1). Низкая прочность и открытая пористость материала требуют специальных мер по устранению этого недостатка в случае применения его для изготовления антенных обтекателей ракет, работающих в сложных климатических условиях и значительных силовых и вибрационных нагрузках.
[3]В патенте РФ №2090956, кл. HO1Q 1/42, бюл. №26, 20.09.1997 г. предложена конструкция антенного обтекателя ракеты, где с целью повышения динамической и статической прочности обтекателя керамическая оболочка из кварцевой керамики прикреплена к переходному кольцу металлического шпангоута при помощи слоя герметика, а само кольцо выполнено из инварового сплава с КТР, близким к значению КТР керамической оболочки. Предложенная конструкция нашла широкое применение, но она не решает всех вопросов по несущей способности тонкостенного обтекателя, герметичности обтекателя из пористых материалов и др.
[4]Известна конструкция антенного обтекателя из пористой кварцевой керамики по патенту РФ №2256262, кл. HO1Q 1/42, бюл. №19, 10.07.2005 г., согласно которому с целью упрочнения и герметизации керамической оболочки с открытой пористостью 10-12% ее пропитывают органополимером, например олигомером МФСС-8 с молекулярным весом 2900 на глубину 1-2 мм с внутренней и наружной поверхности и полимеризуют при температуре 325°C.
[5]Недостатком конструкции и технологии ее изготовления является необходимость повторной радиодоводки оболочки после завершения процесса пропитки, герметизации с двух сторон.
[6]Наиболее близким техническим решением (прототип) является конструкция и способ изготовления антенного обтекателя из кварцевой керамики согласно патенту РФ №2267837, кл. HO1Q 1/42, бюл. №01, 10.01.2006 г. Антенный обтекатель ракеты по прототипу представляет собой полуволновую конструкцию из пористой кварцевой керамики с кольцевыми трапециевидными проточками по внутренней поверхности для достижения требуемых РТХ оболочки, которая потом пропитывается кремнийорганическим олигомером ТМФТ на глубину до 0,05 рабочей длины волны антенны и полимеризуется при t=220±10°C, а на внешнюю поверхность нанесли влагозащитное покрытие толщиной 50-80 мкм из слоев эпоксидной грунтовки ЭП-0101 и фторопластовой эмали ФП-566 с последующей полимеризацией.
[7]Небольшая глубина пропитки по внутренней поверхности и предусмотренные для снижения угловых ошибок трапециевидные проточки, а также нанесение на внешней поверхности сравнительно тонкого (50-80 мкм) влагозащитного покрытия обеспечивают получение высоких РТХ и особенно на этапе автономного полета после уноса покрытия. Такая конструкция обтекателя и способ его изготовления нашли широкое применение для высокоскоростных ракет. Но при более длительном нагреве на небольших высотах требуется сохранение органического компонента обтекателя, так как условия по герметизации и влагозащите обтекателя остаются. Кроме того, в связи с увеличением времени прогрева керамической оболочки возникает проблема теплозащиты зоны стыковки керамической оболочки с металлическим шпангоутом. Не снижаются и радиотехнические требования.
[8]Задачей изобретения является повышение радиотехнических, прочностных и теплозащитных характеристик керамической оболочки антенного обтекателя и способа его получения, успешно работающего в нижних слоях атмосферы при повышенной влажности.
[9]Поставленная задача решается тем, что антенный обтекатель ракеты из кварцевой керамики, включающий радиопрозрачную оболочку из пористой кварцевой керамики, упрочненную и герметизированную органополимером и соединенную с металлическим шпангоутом из инварового сплава при помощи герметика, отличается тем, что оболочка представляет собой резонансную конструкцию с утолщением стенки в зоне крепления шпангоута на 15-45% по сравнению с радиопрозрачной зоной с целью повышения прочностных и теплозащитных свойств оболочки и увеличением осевой толщины носка внутрь оболочки до (0,3-1,0) λ - рабочей длины волны антенны для улучшения РТХ обтекателя, выполненного из кварцевой керамики плотностью 1,97-2,01 г/см3, прочностью при изгибе не ниже 50 МПа после упрочнения и герметизации по внутренней и наружной поверхности органополимером на общую толщину (глубину) не более 0,1 λ.
[10]Способ изготовления антенного обтекателя ракеты из кварцевой керамики, включающий формование керамической заготовки методом шликерного литья в гипсовой форме, сушку, обжиг и механическую обработку алмазным инструментом до заданных размеров, герметизацию и упрочнение органополимером, соединение оболочки с металлическим шпангоутом из инварового сплава при помощи герметика, отличается тем, что формование керамической оболочки осуществляют из водного шликера кварцевого стекла с содержанием SiO2 не менее 99,9% при влажности 13-16% полидисперсного зернового состава с размером частиц в пределах 0,1-500 мкм, а спекание производят по режимам, исключающим образование в материале кристобалита до плотности 1,97-2,01 г/см3, после чего производят механическую обработку изделия алмазным инструментом до заданных размеров и толщины стенки с утолщением в зоне шпангоута и носка, а также нанесение и пропитку пористой оболочки органополимером, например ТМФТ, МФСС-8, по внутренней поверхности и фторопластовыми или кремнийорганическими эмалями по наружной поверхности до общей толщины не более 0,1 λ.
[11]Отличительные признаки предложенного технического решения и пути решения поставленной задачи
[12]1. С целью улучшения радиотехнических, прочностных и теплозащитных характеристик тонкой керамической оболочки в ее конструкции предусмотрено увеличение толщины стенки в зоне крепления шпангоута на 15-45%, изменена конструкция носовой части оболочки - увеличена высота носка по оси оболочки до (0,3-1,0)λ, что обычно составляет 15-30 мм.
[13]2. Для получения качественных оболочек обтекателей из кварцевой керамики оптимизирована технология получения и свойства:
[14]- в качестве исходного сырья использовано кварцевое стекло без следов кристобалита с высоким содержанием SiO2 (не менее 99,9%);
[15]- влажность водного шликера 13-16% с полидисперсным зерновым составом частиц в пределах 0,1-500 мкм, что обеспечило хорошие реологические свойства шликера для формования сравнительно тонкостенных изделий;
[16]- формование керамической заготовки осуществляется с применением формовых устройств по патенту РФ №2452618, кл. В28В 1/26, бюл. №16, 10.06.2012 г., позволяющих получать качественные керамические отливки, в том числе и разнотолщинные;
[17]- спекание (обжиг) керамических заготовок производят по режимам, обеспечивающим получение материала с достаточно высокой плотностью 1,97-2,01 г/см3 и исключающим образование кристаллических фаз SiO2 в материале изделий (режим обжига подбирается экспериментально для каждого поставщика стекла).
[18]3. Ограничена и оптимизирована глубина (толщина) пропитки и нанесения органополимера для упрочнения и герметизации пористой керамической оболочки до толщины 0,1 λ излучения, обеспечивающей достижение прочности при изгибе не менее 50 МПа и стабильные, требуемые радиотехнические характеристики обтекателя.
[19]На фиг. 1 изображен общий вид предлагаемого антенного обтекателя ракеты, состоящий из керамической оболочки (1), упрочненной по внутренней поверхности органополимером (4) и соединенной с металлическим шпангоутом (2) герметиком (3), и влагозащитного покрытия (5).
[20]На фиг. 2 показан характер угловой ошибки в диапазоне прокачки антенны ±15° для антенного обтекателя представленной конструкцией (а) и обтекателя обычной одномерной стенки (б). Пунктиром на фиг. 1 изображены внутренние обводы керамической оболочки (1) по прототипу в зонах носка и металлического шпангоута. За счет изменения конструкции носка - увеличения осевой толщины носка внутрь оболочки, удалось значительно уменьшить величину угловой ошибки обтекателя. Улучшаются и другие РТХ обтекателя - крутизна угловой ошибки, радиопрозрачность. Пропорционально увеличению толщины стенки оболочки в зоне шпангоута возрастают прочностные характеристики обтекателя, повышается теплозащита инварового шпангоута и надежность работы всего узла.
[21]Пример выполнения способа изготовления изделий.
[22]Технология изготовления антенных обтекателей по предложенному техническому решению включает следующие этапы.
[23]1. Из кварцевого стекла с содержанием SiO2 не менее 99,9% готовили водный шликер путем мокрого помола боя стекла при содержании воды в пределах 13-16% до размера зерна 0,1-500 мкм. Верхний размер частиц твердой фазы суспензии ограничивали процеживанием через сетку с ячейкой 500 мкм. Содержание воды в шликере оптимизировалось исходя из обеспечения хороших литейных свойств, необходимых для литья сравнительно тонкостенных оболочек (вязкость в пределах 40-75 с по В3-246, сопло 4 мм). Контроль зернового состава осуществляли рассевом на ситах и методом седиментации.
[24]2. Изделия формовали наиболее простым и доступным способом - методом водного шликерного литья в гипсовых формах. В полость между гипсовой формой и пассивным сердечником, рабочие поверхности которых выполнены по профилю формуемых заготовок, заливали шликер и выдерживали для полного набора керамической заготовки. Контроль завершения набора осуществляли УЗ-датчиком. Для формования разнотолщинных оболочек использовали формовые комплекты, изложенные в патенте РФ №2452618, кл. В28В 1/26, бюл. №16, 10.06.2012 г.
[25]3. Высушенные заготовки обжигали в электрических печах с силитовыми нагревателями и вращающимся подом типа ТСБ 71 или (в зависимости от требований по однородности материала в оболочке) печах фирмы Nabertherm N1150/Н и N1500/H по температурно-временным режимам, обеспечивающим получение материала с плотностью 1,97-2,01 г/см3 и отсутствие следов кристобалита.
[26]4. Затем производили механическую обработку изделий и образцов для контроля свойств конкретной оболочки. Изделия обрабатывали алмазным инструментом (круги отрезные и шлифовальные, зенкеры, фрезы) на токарных станках типа 1М63, РТ6603 с копировальными устройствами или на специальных станках, например СА600 (800) с ЧПУ. Оптимизированы технологические параметры резания для изделий из кварцевой керамики плотностью 1,97-2,01 г/см3, основным из которых является глубина введения инструмента, которая должна быть не более 2 мм. С увеличением глубины резания плотная кварцевая керамика более склонна к разрушению, образованию трещин. Толщину стенки изделия контролировали на специальной установке с индикаторами часового типа, а профиль оболочки - на координатно-измерительной машине FaroArt.
[27]5. После сушки и контроля, заготовки поступали на пропитку по внутренней поверхности ацетоновыми растворами кремнийорганических олигомеров ТМФТ ТУ 6-02-933-74 или МФСС-8 ТУ 6-02-1352-87 плотностью 0,95-0,98 г/см3. Глубина пропитки 0,5-2 мм регулируется временем нахождения изделия в пропиточной установке ОТА424, которое для такого класса изделий принятой плотности (пористости) материала находится в пределах 15-30 с. Затем оболочку сушат, термообрабатывают по режиму полимеризации используемого органополимера и производят полное измерение радиотехнических характеристик (коэффициент прохождения, угловые ошибки и градиент угловых ошибок). При необходимости, производится радиодоводка путем плавного профилирования наружной поверхности оболочки алмазным инструментом или алмазной шкуркой.
[28]6. Последним этапом изготовления оболочки обтекателя из кварцевой керамики является нанесение влагозащитного покрытия, например, состоящего из одного слоя эпоксидной грунтовки ЭП-0101 и 1-2 слоев фторопластовой эмали ФП-566. Тонкий и равномерно нанесенный по всей оболочке слой покрытия заметно не ухудшает РТХ оболочки, а при необходимости корректировки предложенное покрытие легко снимается или наращивается, так как температура полимеризации эмали невысокая (до 100°C).
[29]Сборка оболочки с металлическим инваровым шпангоутом производилась по известной технологии путем приклейки шпангоута к посадочной зоне оболочки, включая этапы обезжиривания поверхностей, склейки нефрасом, приготовление герметика Виксинт У-2-28 непосредственно перед его применением, нанесение герметика шпателем на зоны склейки оболочки и шпангоута. Стыковка оболочки со шпангоутом и вулканизация герметика производятся на стапеле при температуре от 17 до 30°C не менее 24 часов.
[30]Предложенная конструкция антенного обтекателя и технология его изготовления обеспечивают получение антенных обтекателей ракет из кварцевой керамики, работающих в плотных слоях атмосферы и сложных климатических условиях.
