RU2189673C1

RU2189673C1 - Antenna fairing

Info

Publication number: RU2189673C1
Application number: RU2001126024/09A
Authority: RU
Inventors: В.В. Платонов; М.Ю. Русин
Priority date: 2001-09-24
Filing date: 2001-09-24
Publication date: 2002-09-20

Abstract

FIELD: aviation, rocket engineering. SUBSTANCE: invention deals predominantly with antenna failings of high-velocity rockets of various classes. Metal frame is joined to ceramic cap over conjugated conical surfaces with the use of elastic heat-resistant adhesive-sealing agent. It has lesser rigidity in radial direction than ceramic cap due to making row of longitudinal non-through grooves uniformly distributed over outer surface which width and depth as well as their number are determined by value of power and heat loads acting on fairing. Metal frame is jointed to coupling flange over its outer surface and is limited against axial displacement by collar made on end of frame and located in annular groove of coupling flange, on one side, and by thrust ring permanently joined to coupling flange, on the other side. EFFECT: prolonged service life, increased strength of metal- ceramics joint subjected to action of power and heat loads on fairing. 3 dwg

Description

Изобретение относится к области авиационной и ракетной техники, преимущественно к антенным обтекателям скоростных ракет различных классов. The invention relates to the field of aviation and rocket technology, mainly to antenna fairings of high-speed rockets of various classes.

Техническим результатом использования изобретения является увеличение продолжительности регламентируемого полета за счет предотвращения теплового распора металлическим шпангоутом керамического колпака обтекателя. The technical result of the use of the invention is to increase the duration of a regulated flight by preventing heat spread by the metal frame of the ceramic cowl cover.

Конструкция антенного обтекателя содержит керамический колпак с выполненным на внутренней поверхности посадочным конусом, ответный металлический шпангоут и стыковочный фланец. The design of the antenna cowl contains a ceramic cap with a landing cone made on the inner surface, a reciprocal metal frame and a connecting flange.

На наружной поверхности металлического шпангоута предусмотрен ряд равномерно распределенных по окружности продольных несквозных пазов шириной, превышающей их глубину. On the outer surface of the metal frame, a series of longitudinally non-through grooves are evenly distributed around the circumference with a width exceeding their depth.

Металлический шпангоут соединен о керамическим колпаком по сопрягаемым коническим поверхностям эластичным термостойким клеем, а с другой стороны сопрягается со стыковочным фланцем по своей наружной поверхности и ограничивается от осевого смещения с одной стороны буртиком, выполненным на конце металлического шпангоута и размещенным в ответной кольцевой проточке стыковочного фланца, а с другой стороны ограничен упорным кольцом, неподвижно связанным со стыковочным фланцем. The metal frame is connected to the ceramic cap on mating conical surfaces by elastic heat-resistant adhesive, and on the other hand it is mated to the docking flange on its outer surface and is limited from axial displacement on one side by a shoulder made on the end of the metal frame and placed in the reciprocal ring groove of the docking flange, and on the other hand is limited by a thrust ring fixedly connected to the docking flange.

Известен антенный обтекатель (патент США 4520364, МПК Н 01 Q 1/42, 1985г. ), содержащий колпак из керамической оболочки, шпангоут, переходную секцию с изолирующей прокладкой и стыковочное кольцо, причем керамическая оболочка соединяется со шпангоутом по коническим сопрягаемым поверхностям термостойким клеем. A known antenna cowl (US patent 4520364, IPC H 01 Q 1/42, 1985) containing a cap made of a ceramic shell, a frame, a transition section with an insulating gasket and a docking ring, the ceramic shell being connected to the frame by conical mating surfaces with heat-resistant adhesive.

Шпангоут в рассматриваемой конструкции выполнен из композиционного материала, состоящего из углепластика с наполнителем из теплостойкой резины, обеспечивающего компенсацию теплового расширения разнородных материалов. Соединение подобного шпангоута с металлическим стыковочным кольцом осуществляется через переходную секцию посредством множества крепежных элементов-заклепок. Величина переходной секции и количество крепежных элементов являются зависимыми факторами от величины воспринимаемой нагрузки. The frame in this design is made of a composite material consisting of carbon fiber with a filler made of heat-resistant rubber, providing compensation for the thermal expansion of dissimilar materials. The connection of such a frame with a metal docking ring is carried out through the transition section through a variety of fasteners, rivets. The size of the transition section and the number of fasteners are dependent factors on the magnitude of the perceived load.

Аэродинамические и конструктивные требования ограничивают величины этих параметров и неизбежно снижают воспринимаемую силовую нагрузку соединения металл - композиционный материал. В силу этого оптимальная реализация рассматриваемой конструкции возможна только для режимов эксплуатации с невысоким уровнем силовых нагрузок. Aerodynamic and structural requirements limit the values of these parameters and inevitably reduce the perceived power load of the metal-composite material. Because of this, the optimal implementation of the design in question is possible only for operating modes with a low level of power loads.

Наиболее близким устройством по совокупности признаков, выбранном в качестве прототипа, является антенный обтекатель по патенту РФ 2090956, МПК 6 Н 01 Q 1/42 от 19.04.94г. The closest device to the set of features selected as a prototype is the antenna cowl according to the patent of the Russian Federation 2090956, IPC 6 H 01 Q 1/42 from 04/19/94.

Рассматриваемый антенный обтекатель включает керамический колпак, переходной шпангоут из инвара, склеенный клеем-герметиком по внутренней конической расточке в керамическом колпаке, и теплозащитное кольцо из стеклопластика. Свободный конец шпангоута входит в кольцевую вильчатую проточку в стыковочном шпангоуте с предусмотренным зазором и фиксируется радиально расположенными стержнями, установленными также с зазором. The antenna cowl under consideration includes a ceramic cap, an Invar transitional frame glued with glue-sealant on the inner conical bore in the ceramic cap, and a fiberglass heat shield. The free end of the frame enters the annular forked groove in the docking frame with a gap provided and is fixed by radially spaced rods, also installed with a gap.

Имеющееся в конструкции теплозащитное кольцо предназначено для снижения общего уровня аэродинамического прогрева, а разница тепловых расширений переходного и стыковочного шпангоутов компенсируется за счет предусмотренных зазоров. При этом разница между тепловым расширением керамического колпака и переходного шпангоута из инвара компенсируется за счет эластичного клеевого соединения между ними. The heat-shielding ring available in the design is designed to reduce the overall level of aerodynamic heating, and the difference in thermal expansions of the transitional and docking frames is compensated by the provided gaps. In this case, the difference between the thermal expansion of the ceramic cap and the transition frame from Invar is compensated by the elastic adhesive connection between them.

Данная конструкция применима для использования при малой длительности эксплуатации и сравнительно невысоком уровне силовых нагрузок. This design is applicable for use with a short duration of operation and a relatively low level of power loads.

Причинами, препятствующими достижению более высоких технических характеристик, являются нижеперечисленные факторы. The reasons that impede the achievement of higher technical characteristics are the following factors.

Компенсирующая способность эластичного клеевого соединения между керамическим колпаком и металлическим шпангоутом из инвара является ограниченной ввиду быстрого роста коэффициента термического расширения инвара при температурах свыше 100^oC и малой толщины клеевого слоя клея-герметика, которая определяется параметрами прочности клеевого соединения на сдвиг.The compensating ability of the elastic adhesive joint between the ceramic cap and the Invar metal frame is limited due to the rapid growth of the Invar thermal expansion coefficient at temperatures above 100 ^° C and the small thickness of the adhesive layer of the adhesive-sealant, which is determined by the shear strength of the adhesive joint.

Повышение тормокомпенсационной способности за счет увеличения толщины слоя клея-герметика недопустимо ввиду неизбежного снижения несущей способности клеевого соединения. An increase in the brake compensating ability due to an increase in the thickness of the adhesive-sealant layer is unacceptable due to the inevitable decrease in the bearing capacity of the adhesive joint.

Компенсация теплового расширения между переходным и стыковочным шпангоутами за счет зазоров между ними также обладает аналогичными противоречиями. Для большей компенсации при увеличении длительности эксплуатации необходимо увеличивать величину зазоров, а это вызывает снижение несущей способности обтекателя. Compensation of thermal expansion between the transitional and docking frames due to the gaps between them also has similar contradictions. For greater compensation with an increase in the duration of operation, it is necessary to increase the size of the gaps, and this causes a decrease in the bearing capacity of the fairing.

Эффективность теплозащитного кольца, предназначенного для снижения прогрева, ввиду его малой толщины при увеличении длительности эксплуатации становится незначительной. Увеличение толщины теплозащитного кольца для повышения теплозащиты ограничено из-за малой строительной высоты конструкции, т. е. разницы между наружным и внутренним диаметрами, которая регламентирована рядом аэродинамических, радиотехнических и конструктивных требований. The effectiveness of the heat-protective ring, designed to reduce heating, due to its small thickness with an increase in the duration of operation, becomes insignificant. The increase in the thickness of the heat-insulating ring to increase thermal protection is limited due to the small construction height of the structure, i.e., the difference between the outer and inner diameters, which is regulated by a number of aerodynamic, radio-technical, and structural requirements.

Целью настоящего изобретения является повышение технических характеристик - увеличение длительности эксплуатации и повышение прочности при силовых и тепловых воздействиях на обтекатель. The aim of the present invention is to increase technical characteristics - increase the duration of operation and increase the strength under power and thermal effects on the fairing.

Указанный технический результат достигается тем, что в заявляемом устройстве, включающем керамический колпак с выполненным на внутренней поверхности посадочным конусом, ответный металлический шпангоут, соединенный с керамическим колпаком по сопрягаемым поверхностям слоем эластичного термостойкого клея, стыковочный фланец и уплотнительное кольцо, ответный металлический шпангоут выполнен с продольными неcквозными пазами на наружной поверхности шириной, превышающей их глубину, при этом ответный металлический шпангоут сочленен со стыковочным фланцем по своей наружной поверхности и ограничен от осевого перемещения с одной стороны буртиком, выполненным на торце металлического шпангоута и размещенным в кольцевой проточке стыковочного фланца, а другой стороны - упорным кольцом, неподвижно соединенным со стыковочным фланцем. The specified technical result is achieved by the fact that in the inventive device, which includes a ceramic cap with a seating cone made on the inner surface, a response metal frame connected to the ceramic cap by mating surfaces with a layer of elastic heat-resistant adhesive, a connecting flange and a sealing ring, the response metal frame is made with longitudinal through the grooves on the outer surface with a width exceeding their depth, while the reciprocal metal frame is articulated with forging flange on its outer surface and is restricted from axial movement on the one hand a shoulder formed on the end face of the metal frame and placed in an annular groove connection flange and the other side - the thrust ring, is fixedly connected to the docking flange.

Аэродинамический разогрев металлического шпангоута не приводит к разрушению керамического колпака из-за меньшей жесткости шпангоута в радиальном направлении в сравнении с керамическим колпаком за счет выполненных на наружной поверхности продольных несквозных пазов. В силу этого тепловое расширение шпангоута вызывает его упругопластическую деформацию, которая снижает возникающие температурные напряжения до безопасных для керамики значений. Aerodynamic heating of the metal frame does not lead to the destruction of the ceramic cap due to the lower stiffness of the frame in the radial direction in comparison with the ceramic cap due to longitudinal grooves made on the outer surface. Due to this, the thermal expansion of the frame causes its elastoplastic deformation, which reduces the resulting temperature stresses to values safe for ceramics.

Кроме этого, шпангоут и стыковочный фланец не связаны жестко в радиальном направлении, а ограничены только от осевого смещения друг относительно друга за счет буртика на торце шпангоута и упорного кольца. Это обеспечивает необходимое упругопластическое деформирование шпангоута и в то же время сохраняет прочность связи шпангоута и стыковочного фланца при неосесимметричном действии нагрузки. In addition, the frame and the connecting flange are not rigidly connected in the radial direction, but are limited only from axial displacement relative to each other due to the shoulder at the end of the frame and the thrust ring. This provides the necessary elastoplastic deformation of the frame and at the same time maintains the bond strength of the frame and the connecting flange under non-axisymmetric loading.

Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, идентичными всем существенным признакам заявленного изобретения. The analysis of the prior art, including a search by patent and scientific and technical sources of information and identification of sources containing information about analogues, allowed us to establish that the applicant did not find an analogue characterized by features identical to all the essential features of the claimed invention.

Выделение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности признаков аналога позволяет определит совокупность существенных признаков, обеспечивающих достижение технического результата в заявленном устройстве и изложенных в формуле. The selection from the list of identified analogues of the prototype as the closest in the totality of the features of the analogue allows you to determine the set of essential features that ensure the achievement of a technical result in the claimed device and set forth in the formula.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна". Therefore, the claimed invention meets the condition of "novelty."

Заявителем проведен анализ известных технических решений и сравнение их с отличительными признаками заявляемого устройства. Заявленное изобретение не вытекает явным образом из известного уровня техники, который позволил бы достигнуть вышеназванный технический результат - компенсацию тепловых расширений разнородных материалов на более длинном температурном интервале. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень". The applicant has analyzed well-known technical solutions and compared them with the hallmarks of the claimed device. The claimed invention does not follow explicitly from the prior art, which would allow to achieve the above technical result - compensation of thermal expansions of dissimilar materials over a longer temperature range. Therefore, the claimed invention meets the condition of "inventive step".

На фиг.1 представлен общий вид антенного обтекателя. На фиг.2 изображено поперечное сечение антенного обтекателя в месте соединения керамического колпака со шпангоутом. На фиг.3 представлен местный продольный разрез узла соединения керамического колпака с керамическими деталями. Figure 1 presents a General view of the antenna fairing. Figure 2 shows the cross section of the antenna fairing at the junction of the ceramic cap with the frame. Figure 3 presents a local longitudinal section of the junction of the ceramic cap with ceramic parts.

Антенный обтекатель включает керамический колпак 1, соединенный слоем эластичного клея-герметика 2 с металлическим шпангоутом из инвара 3, на наружной поверхности которого равномерно по окружности выполнены продольные несквозные пазы 4. Шпангоут сочленяется со стыковочным фланцем из стали 5 по своей наружной поверхности, при этом буртик 6, выполненный на торце шпангоута, размещается в кольцевой проточке стыковочного фланца. Упорное стальное кольцо 7 крепится винтами 8 к стыковочному фланцу и фиксирует шпангоут от двухстороннего осевого смещения. Для стыковки с корпусом летательного аппарата предусмотрены шпильки 9. Необходимая герметичность обтекателя обеспечивается слоями клея-герметика 10, 11 и уплотнительным кольцом 12. The antenna cowl includes a ceramic cap 1, connected by a layer of elastic adhesive-sealant 2 with a metal frame from Invar 3, on the outer surface of which longitudinally through grooves are made uniformly around the circumference 4. The frame is articulated with a docking flange made of steel 5 along its outer surface, while the shoulder 6, made at the end of the frame, is placed in the annular groove of the docking flange. The persistent steel ring 7 is fastened with screws 8 to the docking flange and fixes the frame from bilateral axial displacement. For docking with the aircraft body, studs 9 are provided. The required tightness of the fairing is provided by layers of adhesive sealant 10, 11 and a sealing ring 12.

Ширина выполняемых на наружной поверхности шпангоута пазов в 5÷20 раз больше их глубины. Соотношение размеров пазов, а также их количество определяется величиной действующих на обтекатель силовых и тепловых нагрузок. В описываемой конструкции в качестве материала шпангоута возможно применение таких материалов, как титан и сталь, имеющих значительные различия по коэффициенту термического расширения с керамикой. The width of the grooves performed on the outer surface of the frame is 5 ÷ 20 times greater than their depth. The ratio of the size of the grooves, as well as their number, is determined by the magnitude of the force and heat loads acting on the fairing. In the described construction, materials such as titanium and steel, having significant differences in the coefficient of thermal expansion with ceramics, can be used as the frame material.

Заявляемая конструкция обеспечивает работоспособность обтекателя при более длительных режимах эксплуатации и более высоких температурах аэродинамического разогрева, достигающих предельных значений температуры работоспособности клея-герметика, составляющей 350÷400^oС, что вдвое превышает продельный температурный уровень работоспособности прототипа.The inventive design ensures the performance of the fairing for longer operating conditions and higher temperatures of aerodynamic heating, reaching the limiting values of the operating temperature of the adhesive-sealant, comprising 350 ÷ 400 ^o C, which is twice the longitudinal temperature level of operability of the prototype.

На основании этого следует заключить, что заявляемое изобретение соответствует условию промышленной применимости. Based on this, it should be concluded that the claimed invention meets the condition of industrial applicability.

Источники информации
1. Патент США 4520364, МПК Н 01 Q 1/42, 1985 г.Sources of information
1. US patent 4520364, IPC H 01 Q 1/42, 1985

2. Патент РФ 2090956, МПК 6 H 01 Q 1/42, 1994 г. - прототип. 2. RF patent 2090956, IPC 6 H 01 Q 1/42, 1994 - prototype.

Claims

An antenna cowl comprising a ceramic cap with a seating cone made on the inner surface, a reciprocal metal frame connected to the ceramic cap by mating conical surfaces with a layer of flexible heat-resistant adhesive, a connecting flange and a sealing ring, characterized in that the outer surface of the metal frame is uniformly made around the circumference longitudinal non-through grooves with a width exceeding their depth, while the metal frame is articulated with the connecting flange its outer surface and is restricted from axial movement on the one hand a shoulder formed on the end face of the metal frame and placed in an annular groove of the flange connection, on the other hand - the retaining ring fixedly connected to the docking flange.