[1]Заявляемое техническое решение относится к авиационной и ракетной технике и может быть использовано при выполнении теплозащитных покрытий на аэродинамических поверхностях (а.п.) и других несущих конструкциях гиперзвуковых летательных аппаратов (ГЛА).
[2]Известен способ (см. книгу «Доспехи для «Бурана». Материалы и технологии «ВИАМ» для МКС «Энергия-Буран». Под общ. ред. академика РАН Каблова Е.Н. - М.: Фонд «Наука и жизнь», 2013, с. 18-19, с. 21-23, л. 4 иллюстраций между с. 48 и с. 49») выполнения теплозащитного покрытия на воздушно-космических самолетах (ВКС) «Шаттл» и «Буран», заключающийся в разбивке теплозащитного покрытия на плитки и их закреплении на поверхности планера ВКС путем приклейки к демпфирующим подложкам из специального фетра, которые перед этим приклеиваются к металлической поверхности планера. Таким способом решалась проблема существенной разницы коэффициентов температурного расширения металла и материала плиток. Размеры и форма плиток выбирались так, чтобы при нагреве (и соответственно расширении) они не разрушили друг друга, а при охлаждении между ними не появлялись бы слишком широкие зазоры. Плитки располагались примыкающими друг к другу рядами шириной в одну плитку.
[3]Описанный выше способ принят авторами за ближайший аналог.
[4]Ближайший аналог имеет следующие недостатки:
[5]- большое количество типоразмеров плиток;
[6]- большое количество плиток, выражающееся пятизначным числом;
[7]- широкое применение квадратных плиток вместо прямоугольных, что эффективно только для определенных значений углов между передней кромкой и бортовой хордой а.п. (объяснение см. ниже).
[8]Указанные недостатки привели к тому, что впервые в отечественной практике использовали компьютерное проектирование такого огромного количества разнообразных деталей. Вероятно, иной подход был бы попросту невозможен, ведь только на плитки пришлось бы выпустить более сорока тысяч чертежей.
[9]Техническая задача, которая решается в предлагаемом техническом решении: оптимальная разбивка теплозащитного покрытия аэродинамической поверхности ГЛА на плитки, в результате которой мы получаем минимальное количество типоразмеров плиток и минимальное количество плиток, что существенно упрощает технологию изготовления и сборки и уменьшает затраты на производство.
[10]Для а.п. ГЛА, угол «α» между передней кромкой и бортовой хордой меньше или равен 45°. Для того, чтобы «замостить» плитками площадь между передней кромкой и бортовой хордой необходимо иметь в наборе трапециевидные и прямоугольные (или как частный случай квадратные) плитки. Тогда, если ряды плиток расположены, например, перпендикулярно бортовой хорде, то трапециевидные плитки будут располагаться вдоль передней кромки.
[11]Для достижения оптимального результата по критерию «минимальное число типоразмеров плиток и минимальное число плиток», необходимо стремиться к одному типоразмеру трапециевидных плиток и ограниченному числу типоразмеров прямоугольных плиток.
[12]Для этого, при выборе высот плиток необходимо учитывать величину угла «α» и задавать высоты прямоугольных плиток кратными величине
[14]где с - разность между большей и меньшей параллельными сторонами трапециевидной плитки;
[16]α - угол между передней кромкой и бортовой хордой а.п. (α≤45°).
[17]В этом случае можно сформировать два или три типоразмера прямоугольных плиток с высотами кратными «с», а для получения трапециевидных плиток одного типоразмера необходимо для меньшей из параллельных сторон трапециевидных плиток взять величину «р» или «р+с» или «p+2⋅с»,
[18]где «р» - величина, равная остатку от деления нацело высоты ряда плиток на величину «с».
[19]При этом, плитки одного ряда смещают по отношению к плиткам соседнего ряда на величину «с» или «с/2». Это необходимо для уменьшения воздействия набегающего потока на а.п.
[20]Рассмотрим условие оптимальной разбивки на квадратные плитки, исходя из того же условия кратности высот плиток величине с=a⋅tgα.
[21]В случае квадратной плитки, ширина плитки «а» равна высоте плитки n⋅с,
[22]где n - целое число из ряда 1, 2, 3, 4, 5, …….
[23]Итак, а=n⋅с=n а⋅tgα; tgα=1/n.
[24]Из последнего выражения получаем при:
[28]n=4, α=14,036° и т.д.
[29]Следовательно, для определенных дискретных значений угла α разбивка на квадратные плитки эффективна и приводит к оптимальному результату (см. примеры на фиг. 7 и фиг. 8).
[30]Таким образом, техническая задача достигается способом, заключающимся в разбивке теплозащитного покрытия на плитки и их закреплении на силовом каркасе аэродинамической поверхности, при этом плитки установлены примыкающими друг к другу рядами шириной в одну плитку и высотой от передней кромки до бортовой хорды аэродинамической поверхности, ряды расположены перпендикулярно либо бортовой хорде, либо передней кромке, в каждом ряду размещены примыкающие друг к другу прямоугольные плитки и, замыкающая ряд, трапециевидная плитка, а высоты прямоугольных плиток выполнены кратными величине с=a⋅tgα,
[31]где с - разность между большей и меньшей параллельными сторонами трапециевидной плитки;
[33]α - угол между передней кромкой и бортовой хордой аэродинамической поверхности, α меньше или равен 45°,
[34]при этом меньшая из параллельных сторон трапециевидной плитки выполнена равной величине р или р+с или р+2⋅c,
[35]где р - величина, равная остатку от деления нацело высоты ряда плиток на величину «с»,
[36]а плитки одного ряда расположены со смещением по отношению к плиткам соседнего ряда на величину «с» или «с/2».
[37]Предложенное техническое решение поясняется чертежами.
[38]На фиг. 1 показаны два отрезка прямых, расположенных в одной плоскости под углом α друг к другу (α≤45°). На некотором расстоянии от края первого отрезка построены с равным шагом «а» и перпендикулярно этому отрезку ряд параллельных прямых до пересечения со вторым отрезком. В качестве первого отрезка может выступать бортовая хорда а.п., второго отрезка - торец кромки передней, а плоскость двух отрезков в этом случае образует плоскость хорд а.п. ГЛА.
[39]На фиг. 2 видно, что из точек пересечения прямых со вторым отрезком построены прямые, перпендикулярные исходным параллельным прямым. Образовавшиеся при этом ячейки в виде прямоугольных треугольников имеют катеты «а» и «с=а⋅tgα». Далее, с шагом «с» построен еще ряд параллельных прямых. При этом ближайшая к первому отрезку прямая будет находиться от него на расстоянии р≤с, образуя ячейки со сторонами 
и «р».
[40]На фиг. 3 показано, что треугольные ячейки объединены с ячейками со сторонами и «р», тем самым со стороны передней кромки получены трапециевидные ячейки со сторонами «р» и «р+с».
[41]На фиг. 4 видно, что трапециевидные ячейки объединены с примыкающими к ним ячейками со сторонами «с» и , поэтому стороны трапециевидных ячеек теперь равны «р+с» и «p+2⋅с». Это прибавление выполняют, если величины «р» и «р+с» малы по сравнению с «а».
[42]На фиг. 5 показан вариант объединения ячеек со сторонами «с» и -«а». В итоге получены четыре типоразмера плиток, заполняющих всю площадь аэродинамической поверхности:
[43]- поз. 1 -трапециевидная плитка;
[44]- поз. 2 - прямоугольная плитка со сторонами «а» и «2⋅c»;
[45]- поз. 3 - прямоугольная плитка со сторонами «а» и «3⋅c»;
[46]- поз. 4 - прямоугольная плитка со сторонами «а» и «4⋅c».
[47]При этом видно, что плитки одного ряда смещены по отношению к плиткам соседнего ряда на величину «с». Это необходимо для уменьшения воздействия набегающего потока на а.п.
[48]На фиг. 6 показан такой же вариант объединения ячеек со сторонами «с» и , т.е. получены те же четыре типоразмера плиток, заполняющих всю площадь аэродинамической поверхности:
[49]- поз. 1 - трапециевидная плитка;
[50]- поз. 2 - прямоугольная плитка со сторонами «а» и «2⋅c»;
[51]- поз. 3 - прямоугольная плитка со сторонами «а» и «3⋅c»;
[52]- поз. 4 - прямоугольная плитка со сторонами «а» и «4⋅c».
[53]Но плитки поз. 2, поз. 3, поз. 4 расположены в другом сочетании, что позволило уменьшить общее число плиток. С этой точки зрения на фиг. 6 показана более оптимальная разбивка на плитки.
[54]На фиг. 7 приведен пример разбивки на квадратные плитки при угле α, равном 18,435°, для которого разбивка на квадратные плитки эффективна.
[55]На фиг. 8 приведен пример разбивки на квадратные плитки при угле α, равном 26,565°, для которого разбивка на квадратные плитки эффективна.
[56]Предложенный способ выполнения теплозащитного покрытия а.п. ГЛА был реализован в конструкции, которая успешно прошла лабораторно-стендовые и летно-конструкторские испытания.
[57]Использование предлагаемого технического решения позволит получить минимальное количество типоразмеров плиток и минимальное количество плиток, а это упростит технологию изготовления и сборки плиток и уменьшит затраты на их производство.
