RU2797817C1

RU2797817C1 - Method for manufacturing a heat-resistant radio-transparent power composite housing

Info

Publication number: RU2797817C1
Application number: RU2022114503A
Authority: RU
Inventors: Фарид Хабибуллович Абдрахманов; Владимир Николаевич Мельников; Станислав Анатольевич Койтов; Артем Анатольевич Трофимов; Дмитрий Владимирович Лейман; Олег Павлович Щетников
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации
Filing date: 2022-05-27
Publication date: 2023-06-08

Abstract

FIELD: aviation and rocket engineering.

SUBSTANCE: used for the manufacture of radio-transparent power composite housings for high-speed products of rocket and space techniques. The method for manufacturing a heat-resistant radio-transparent power composite housing is as follows: the pressure vessel, together with a stiffening rib, is molded using RTM process from a composite, which is a thermoplastic based on an epoxy binder and a reinforcing filler made of silica fiber construction, the outer fiberglass shell based on a heat-resistant organosilicon binder is separately molded using RTM process, this shell is connected to the pressure vessel using heat-resistant epoxy glue to form a monolithic and sealed pressure vessel that maintains stable dielectric characteristics with a dielectric constant of not more than 2.96 and a loss-angle tangent of not more than 3.32×10^-3 at thermal exposure temperature up to 800°C and resistant to high-velocity heat flow with velocity head up to 10⁵ kg×m^-2 and temperature on the outer surface up to 2000°C.

EFFECT: creation of a sealed radio-transparent power composite housing, protected from high-temperature heat flow and providing stable dielectric characteristics.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к авиационной и ракетной технике и может быть использовано для изготовления радиопрозрачных силовых композитных корпусов высокоскоростных изделий ракетной и космической техники.The invention relates to aviation and rocket technology and can be used for the manufacture of radio-transparent power composite housings for high-speed products of rocket and space technology.

Известные способы изготовления радиопрозрачных силовых композитных корпусов имеют следующие недостатки.Known methods for manufacturing radiotransparent power composite cases have the following disadvantages.

В патенте RU №2112652 «Многослойный корпус» (МПК B29D 9/00, F16L 9/12, В32В 5/28, опубл. 10.06.1998) предлагается способ изготовления изделий (в том числе корпусов), армированных композитными волокнами: многослойный корпус содержит несколько слоев из смеси связующего и волокнистого наполнителя, взятых в различных соотношениях. Внутренний слой содержит углеродную ткань, а наружный - стекловолокнистый наполнитель и промежуточный слой. Внутренний слой образован намоткой слоев углеткани, пропитанной фенолформальдегидным связующим, промежуточный выполнен из термопластичного полимера, а наружный слой содержит стекловолокно, пропитанное эпоксидной смолой дианового типа, причем корпус дополнительно снабжен защитными слоями из термопластичных полимеров, слоями терморегуляции и тепло- и электроизоляции.Patent RU No. 2112652 "Multilayer body" (MPK B29D 9/00, F16L 9/12, B32B 5/28, publ. 06/10/1998) proposes a method for manufacturing products (including cases) reinforced with composite fibers: several layers of a mixture of binder and fibrous filler, taken in various proportions. The inner layer contains a carbon fabric, and the outer layer contains a fiberglass filler and an intermediate layer. The inner layer is formed by winding layers of carbon fabric impregnated with a phenol-formaldehyde binder, the intermediate layer is made of a thermoplastic polymer, and the outer layer contains glass fiber impregnated with a diana-type epoxy resin, and the body is additionally provided with protective layers of thermoplastic polymers, layers of thermoregulation and heat and electrical insulation.

Недостатком данного способа является применение углепластика в силовой конструкции, что, ввиду его высокой электропроводности, препятствует передаче и приему сигнала на электротехническое оборудование, находящееся внутри корпуса в процессе эксплуатации, кроме того, работоспособность изготовленной силовой конструкции сохраняется при температурах не выше 110°С.The disadvantage of this method is the use of carbon fiber in the load-bearing structure, which, due to its high electrical conductivity, prevents the transmission and reception of a signal to electrical equipment located inside the housing during operation, in addition, the performance of the manufactured load-bearing structure is maintained at temperatures not higher than 110 ° C.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ из патента RU №2586227 «Силовая оболочка радиопрозрачного корпуса высокого давления из стеклобазальтопластика для устройств электромагнитного каротажа скважин» (МПК F17C 1/16, опубл. 10.06.2016 Бюл. №16), принимаем его в качестве прототипа.The closest in technical essence and the achieved result is the method from patent RU No. 2586227 "Power shell of a radio-transparent high-pressure housing made of glass-basalt plastic for electromagnetic well logging devices" (MPK F17C 1/16, publ. 10.06.2016 Bull. No. 16), we accept it as a prototype.

Описывается способ изготовления силовой оболочки радиопрозрачного композитного корпуса высокого давления из стеклобазальтопластика для электронной аппаратуры и ее защиты от влияния агрессивных факторов среды, циклических динамических осевых нагрузок, изгибающих моментов и высокого внешнего давления. Силовая оболочка изготавливается косослойно-продольно-поперечной намоткой стеклобазальтоволокна на оправку, при этом поперечная укладка, т.е. по кольцу по отношению к оси оправки, выполнена базальтовым волокном, пропитанным компаундом на основе эпоксидной смолы, а продольная укладка, т.е. параллельно оси оправки, выполнена стеклонитью, которая оплетает базальтовое волокно. В результате получается радиопрозрачный корпус с силовой оболочкой из стеклобазальтопластика, обеспечивающей высокие упругопрочностные свойства и стабильность диэлектрических свойств в ходе исследований.A method is described for manufacturing a load-bearing shell of a radio-transparent high-pressure composite housing made of glass-basalt-plastic for electronic equipment and protecting it from the influence of aggressive environmental factors, cyclic dynamic axial loads, bending moments and high external pressure. The load-bearing shell is made by cross-layer-longitudinally-transverse winding of glass basalt fiber on a mandrel, while transverse laying, i.e. along the ring with respect to the axis of the mandrel, is made of basalt fiber impregnated with an epoxy resin compound, and the longitudinal laying, i.e. parallel to the axis of the mandrel, made of glass fiber, which braids the basalt fiber. As a result, a radio-transparent body with a load-bearing shell made of glass-basalt-plastic is obtained, which provides high elastic-strength properties and stability of dielectric properties during research.

Однако, известный способ из прототипа позволяет обеспечить стабильность диэлектрических характеристик только при температурах до 120°С, кроме того, недостатком данного способа является значительная структурная неоднородность поверхности, вследствие чего при воздействии набегающего потока с высоким скоростным напором и высокой температурой, характерным для высокоскоростных изделий, в результате термической эрозии будет происходить неравномерный унос материала с поверхности и неравномерное по поверхности изменение радиотехнических характеристик материала, что недопустимо для приемо-передающего радиотехнического оборудования летательного аппарата.However, the known method from the prototype makes it possible to ensure the stability of the dielectric characteristics only at temperatures up to 120 ° C, in addition, the disadvantage of this method is the significant structural inhomogeneity of the surface, as a result of which, when exposed to an oncoming flow with high velocity head and high temperature, characteristic of high-speed products, as a result of thermal erosion, there will be an uneven removal of material from the surface and an uneven change in the radio technical characteristics of the material over the surface, which is unacceptable for the radio transceiver equipment of the aircraft.

Техническая задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в создании герметичного радиопрозрачного силового композитного корпуса, защищенного от высокоскоростного теплового потока и обеспечивающего стабильные диэлектрические характеристики в диапазоне температур от 20 до 800°С, что достигается совокупным применением внутреннего силового корпуса с наружной термоэрозионностойкой радиопрозрачной оболочкой на основе кремнийорганического связующего.The technical problem to be solved by the claimed invention is to create a sealed radio-transparent power composite housing, protected from high-speed heat flow and providing stable dielectric characteristics in the temperature range from 20 to 800 ° C, which is achieved by the combined use of an internal power housing with an external thermal erosion-resistant radio-transparent a shell based on an organosilicon binder.

Сущность заявляемого способа заключается в следующем.The essence of the proposed method is as follows.

1. Изготовление методом RTM-технологии силового корпуса с ребром жесткости для обеспечения необходимых физико-механических характеристик, а также для установки крепежных элементов и шпангоута для стыковки с другими корпусами из композита, представляющего собой реактопласт на основе эпоксидного связующего и упрочняющего наполнителя из кремнеземной ткани объемного плетения.1. Manufacturing by RTM technology of a load-bearing hull with a stiffener to provide the necessary physical and mechanical characteristics, as well as to install fasteners and a frame for docking with other hulls from a composite, which is a thermoplastic based on an epoxy binder and a reinforcing filler made of bulk silica fabric weaving.

2. Изготовление наружной оболочки методом RTM-технологии из стеклопластика на основе термостойкого кремнийорганического связующего, обеспечивающего защиту от высокоскоростного теплового потока и стабильность диэлектрических характеристик обтекателя с диэлектрической проницаемостью не более 2,96 и тангенсом угла диэлектрических потерь не более 3,32×10^-3 в диапазоне температур от 20 до 800°С.2. Manufacture of the outer shell by RTM technology from fiberglass based on a heat-resistant organosilicon binder, which provides protection against high-speed heat flow and stability of the dielectric characteristics of the fairing with a dielectric constant of not more than 2.96 and a dielectric loss tangent of not more than 3.32 × 10 ^-3 in the temperature range from 20 to 800°C.

3. Склеивание оболочки и силового корпуса термостойким эпоксидным клеем для обеспечения монолитности и герметичности обтекателя, что повышает устойчивость к воздействию высокоскоростного теплового потока (при скоростном напоре до 10⁵ кг×м^-2 и температуре на наружной поверхности до 2000°С).3. Gluing the shell and power body with heat-resistant epoxy glue to ensure the solidity and tightness of the fairing, which increases resistance to high-speed heat flow (with a velocity head of up to ¹⁰⁵ kg×m ^-2 and a temperature on the outer surface of up to 2000°C).

Заявляемое изобретение «Способ изготовления термостойкого радиопрозрачного силового композитного корпуса» поясняется чертежом на фиг. 1, где 1 - это наружная оболочка из стеклопластика на основе термостойкого кремнийорганического связующего, 2 - соединение на основе эпоксидного термостойкого клея, 3 - силовой корпус из стеклопластика на основе эпоксидного связующего с интегрированным ребром жесткости 4.The claimed invention "Method of manufacturing a heat-resistant radio-transparent power composite case" is illustrated by the drawing in Fig. 1, where 1 is an outer shell made of fiberglass based on a heat-resistant silicone binder, 2 is a connection based on an epoxy heat-resistant adhesive, 3 is a power body made of fiberglass based on an epoxy binder with an integrated stiffener 4.

Для обеспечения необходимых физико-механических характеристик, а также для установки крепежных элементов и шпангоута для стыковки с другими корпусами предлагается изготавливать силовой корпус из композита ТЗМКТ-8, представляющий собой реактопласт на основе эпоксидного связующего ЭДТ-10 и упрочняющего наполнителя из кремнеземной ткани объемного плетения.To ensure the necessary physical and mechanical characteristics, as well as to install fasteners and a frame for docking with other hulls, it is proposed to manufacture a power hull from a composite TZMKT-8, which is a thermoplastic based on an epoxy binder EDT-10 and a reinforcing filler from a volumetric weaving silica fabric.

Для обеспечения защиты от высокоскоростного теплового потока и стабильности диэлектрических характеристик корпуса в диапазоне температур от 20 до 800°С предлагается изготавливать наружную оболочку методом RTM-технологии из стеклопластика СК-101 на основе термостойкого кремнийорганического связующего.To provide protection against high-speed heat flow and stability of the dielectric characteristics of the body in the temperature range from 20 to 800°C, it is proposed to manufacture the outer shell using the RTM technology from SK-101 fiberglass based on a heat-resistant organosilicon binder.

Для обеспечения монолитности и герметичности обтекателя предлагается склеивать оболочку и силовой корпус термостойким эпоксидным клеем ВК-9.To ensure the solidity and tightness of the fairing, it is proposed to glue the shell and power housing with heat-resistant epoxy glue VK-9.

Заявляемый «Способ изготовления термостойкого радиопрозрачного силового композитного корпуса» осуществляют следующим образом. Размещают заготовку стеклонаполнителя в пазе пуансона пресс-формы, предназначенного для формования интегрированного ребра жесткости (4), затем размещают заготовку чехла из кремнеземной ткани объемного плетения на пуансоне пресс-формы с перекрытием заготовки интегрированного ребра жесткости и пропитывают эпоксидным связующим ЭДТ-10 при помощи RTM-технологии. Затем производят отверждение связующего при температуре от 155 до 165°С в течение не менее 4 часов, получая монолитный силовой корпус с интегрированным ребром жесткости (3) из материала ТЗМКТ-8. Одновременно заготовку из кварцевой ткани объемного плетения пропитывают связующим на основе кремнийорганической смолы К-101, после пропитки производят отверждение связующего при температуре от 190 до 210°С в течение не менее 7 часов, получая оболочку из материала СК-101 (1). Далее на предварительно подготовленную наружную поверхность силового корпуса из композита ТЗМКТ-8 наносится вручную тонким слоем эпоксидный клей ВК-9 (2) и надевается оболочка из стеклопластика СК-101. Для создания монолитной и герметичной конструкции (соединение корпуса с оболочкой) создают давление склеивания от 60 до 70 кг и производят термообработку при температуре от 60 до 70°С в течение не менее 60 мин. В дальнейшем производят механическую обработку до получения размеров, указанных в конструкторской документации.The claimed "Method of manufacturing a heat-resistant radio-transparent power composite case" is carried out as follows. The blank of the glass filler is placed in the groove of the mold punch intended for molding the integrated stiffener (4), then the blank of the sheath made of 3D weaving silica fabric is placed on the mold punch with overlapping of the blank of the integrated stiffener and impregnated with EDT-10 epoxy binder using RTM -technologies. Then, the binder is cured at a temperature of 155 to 165°C for at least 4 hours, obtaining a monolithic power body with an integrated stiffener (3) made of TZMKT-8 material. At the same time, a workpiece of quartz fabric of volumetric weaving is impregnated with a binder based on organosilicon resin K-101, after impregnation, the binder is cured at a temperature of from 190 to 210°C for at least 7 hours, obtaining a sheath of material SK-101 (1). Next, a thin layer of epoxy adhesive VK-9 (2) is manually applied to the pre-prepared outer surface of the power housing made of TZMKT-8 composite and a shell of SK-101 fiberglass is put on. To create a monolithic and hermetic structure (connection of the body to the shell), a bonding pressure of 60 to 70 kg is created and heat treatment is performed at a temperature of 60 to 70°C for at least 60 minutes. In the future, mechanical processing is carried out until the dimensions specified in the design documentation are obtained.

Таким образом, заявляемый «Способ изготовления термостойкого радиопрозрачного силового композитного корпуса» обладает следующими преимуществами: получение силового корпуса с ребром жесткости и наружной оболочкой, обеспечивающей защиту от высокоскоростного теплового потока и стабильность диэлектрических характеристик за счет стабильности диэлектрических характеристик наружной оболочки на основе термостойкого кремнийорганического связующего, с точными геометрическими размерами и высоким качеством поверхностей сопряжения в одном технологическом цикле.Thus, the claimed "Method of manufacturing a heat-resistant radio-transparent power composite case" has the following advantages: obtaining a power case with a stiffener and an outer shell that provides protection against high-speed heat flow and stability of dielectric characteristics due to the stability of the dielectric characteristics of the outer shell based on a heat-resistant organosilicon binder, with precise geometric dimensions and high quality mating surfaces in one technological cycle.

Claims

A method for manufacturing a heat-resistant radio-transparent power composite body, characterized in that the power body together with a stiffening rib is molded using RTM technology from a composite, which is a thermoplastic based on an epoxy binder and a reinforcing filler made of volumetric weaving silica fabric, is separately molded using RTM technology an outer shell made of fiberglass based on a heat-resistant organosilicon binder, which is connected to the power housing using heat-resistant epoxy glue to form a monolithic and sealed power housing that maintains stable dielectric characteristics with a dielectric constant of not more than 2.96 and a dielectric loss tangent of not more than 3.32 × 10 ^-3 at a thermal exposure temperature of up to 800°C and resistant to the effects of high-speed heat flux with a velocity head of up to 10 ⁵ kg×m ^-2 and a temperature on the outer surface of up to 2000°C.