RU2801212C1

RU2801212C1 - Method of applying heat shielding coating on the outer surface of a welded load-bearing housing

Info

Publication number: RU2801212C1
Application number: RU2022119664A
Authority: RU
Inventors: Станислав Анатольевич Койтов; Александр Сергеевич Карсаков; Сергей Владимирович Меньщиков; Антон Евгеньевич Приходько; Павел Андреевич Писклов; Артем Анатольевич Трофимов
Original assignee: Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство обороны Российской Федерации
Filing date: 2022-07-18
Publication date: 2023-08-03

Abstract

FIELD: aviation and rocket technology.

SUBSTANCE: invention is related in particular to methods for applying a heat shielding coating to the outer surface of housing products, i.e. housings of solid rocket engines of hypersonic aircraft, and can be used to obtain monolithic structures of airframe elements protected from aerodynamic heating and high-speed flows, consisting of welded a power case made of steel of different grades and an ablative heat shielding coating (HSC) based on fiberglass. The method of applying a heat shielding coating on the outer surface of a welded load-bearing body includes manufacturing a workpiece in form of a cover from a heat resistant non-metallic woven material, the dimensions of the inner surface of which correspond to the dimensions of the outer surface of the body, manual impregnation of the cover workpiece with a binder and putting the cover on the housing of the product, followed by molding and polymerization, while the intermediate sublayer of a heat shielding coating is formed directly on the housing by means of excessive external pressure through a flexible membrane, followed, after polymerization, by turning the sublayer and gluing the main coating element (a heat shielding shell made using RTM technology) onto the housing with a sublayer using an adhesive composition to form monolithic design "welded housing - sublayer - shell of heat shielding coating" with uniformity of thermal erosion properties over the entire area of the housing.

EFFECT: invention provides compensation for differences in thermal expansion of dissimilar materials in a monolithic structure.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к авиационной и ракетной технике, в частности к способам нанесения теплозащитного покрытия на наружную поверхность корпусных изделий, а именно корпусов твердотопливных ракетных двигателей гиперзвуковых летательных аппаратов, и может быть использовано для получения защищенных от аэродинамического нагрева и высокоскоростных потоков монолитных конструкций элементов планера, состоящих из сварного силового корпуса из стали разных марок и абляционного теплозащитного покрытия (ТЗП) на основе стеклопластика.The invention relates to aviation and rocket technology, in particular to methods for applying a heat-shielding coating to the outer surface of hull products, namely, hulls of solid-propellant rocket engines of hypersonic aircraft, and can be used to obtain monolithic structures of airframe elements protected from aerodynamic heating and high-speed flows, consisting from a welded power body made of steel of different grades and an ablative heat-shielding coating (HRC) based on fiberglass.

Качество и эффективность теплозащитного покрытия из армированного стеклопластика помимо теплофизических характеристик материала обеспечивается постоянством технологических параметров - по соотношению содержания связующего и армирующего наполнителя, плотностью и пористостью по всей площади и толщине стеклопластика.The quality and efficiency of a heat-shielding coating made of reinforced fiberglass, in addition to the thermophysical characteristics of the material, is ensured by the constancy of technological parameters - in terms of the ratio of the content of the binder and the reinforcing filler, density and porosity over the entire area and thickness of the fiberglass.

Особенностью конструкции сварных силовых корпусов является наличие тонкостенных обечаек, изготавливаемых гибкой из листа с последующей сваркой стыкуемых кромок и также сварным соединением с элементами типа фланцев, шпангоутов. Возникающие при этом механические и термические напряжения обуславливают возникновение дефектов геометрии обечаек, в дальнейшем отражаемых на внешней поверхности теплозащитного покрытия, и ухудшения аэродинамических характеристик высокоскоростного летательного аппарата.A feature of the design of welded power cases is the presence of thin-walled shells made of flexible sheet with subsequent welding of the joined edges and also a welded joint with elements such as flanges, frames. The resulting mechanical and thermal stresses cause the appearance of defects in the geometry of the shells, which are subsequently reflected on the outer surface of the heat-shielding coating, and the deterioration of the aerodynamic characteristics of a high-speed aircraft.

Известен «Способ нанесения теплозащитного покрытия на наружную поверхность корпусных изделий» (патент RU 2639417 МПК F02K 9/34, опубл. 21.12.2017 Бюл. №36), включающий изготовление заготовки в виде чехла, размеры внутренней поверхности которого соответствуют размерам наружной поверхности корпуса, нанесение путем надевания чехла на изделие, пропитку чехла связующим и уплотнение ТЗП с последующей полимеризацией. Чехол изготавливают бесшовным длиной, превышающей длину изделия на величину технологического припуска. Торцы чехла закрепляют и фиксируют по всему периметру в зажимных кольцах. Зажимные кольца раздвигают до придания формы оболочки с последующей их фиксацией и центрированием с осью корпусного изделия. Затем кольцо с чехлом, обращенное к торцу изделия, протягивают по наружной поверхности корпуса до полного надевания чехла на изделие.Known "Method of applying a heat-shielding coating on the outer surface of case products" (patent RU 2639417 IPC F02K 9/34, publ. December 21, 2017 Bull. No. 36), including the manufacture of a workpiece in the form of a cover, the dimensions of the inner surface of which correspond to the dimensions of the outer surface of the case, application by putting on a cover on the product, impregnation of the cover with a binder and compaction of the HRC followed by polymerization. The cover is made with a seamless length exceeding the length of the product by the value of the technological allowance. The ends of the cover are fixed and fixed around the entire perimeter in clamping rings. The clamping rings are moved apart until the shell is shaped, followed by their fixation and centering with the axis of the body product. Then the ring with the cover, facing the end of the product, is pulled along the outer surface of the body until the cover is completely put on the product.

Изобретение позволяет повысить технологичность нанесения ТЗП на наружную поверхность крупногабаритных корпусных изделий.EFFECT: invention makes it possible to increase the manufacturability of applying HRC on the outer surface of large-sized case products.

Однако, в известном способе не учитываются дефекты, образующиеся при сварке силового корпуса, такие как усадка, деформация, коробление, что отражается на геометрии наружной поверхности теплозащитного покрытия.However, the known method does not take into account the defects formed during welding of the load-bearing body, such as shrinkage, deformation, warping, which is reflected in the geometry of the outer surface of the heat-shielding coating.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому изобретению относится способ нанесения наружного теплозащитного покрытия на металлическую поверхность силового корпуса (Трофимов А.А., Гейнрих Н.И. Технология нанесения теплозащитного покрытия на малоразмерные конические модели для испытаний в высокотемпературной аэродинамической трубе // Вестник ЮУрГУ. Серия «Машиностроение» №31, вып. 18. 2011, с. 76-80). Известный способ, принятый за прототип, заключается в ручной пропитке связующим чехла-заготовки, надевании на силовой корпус и формовании ТЗП непосредственно на металлическом силовом корпусе в жесткой формообразующей матрице под вакуумом с одновременным приклеиванием.The closest in technical essence and the achieved result to the claimed invention is a method of applying an external heat-shielding coating on the metal surface of the power body (Trofimov A.A., Heinrikh N.I. Technology for applying a heat-shielding coating on small-sized conical models for testing in a high-temperature wind tunnel // Bulletin of SUSU, series “Engineering” No. 31, issue 18. 2011, pp. 76-80). The known method, adopted as a prototype, consists in manual impregnation of the cover-blank with a binder, putting it on the power case and molding the HRC directly on the metal power case in a rigid shaping matrix under vacuum with simultaneous gluing.

При высокой точности геометрии наружной поверхности, из-за изменения толщины стеклопластика на участках деформации сварного силового корпуса недостатком данного способа является невозможность получения постоянных технологических параметров по всей площади наружного ТЗП и, как следствие, неравномерность критически важного параметра - термоэррозионной стойкости, обусловленной неравномерным содержанием тугоплавкого наполнителя и аблирующей матрицы.With a high accuracy of the geometry of the outer surface, due to a change in the thickness of the fiberglass in the areas of deformation of the welded load-bearing body, the disadvantage of this method is the impossibility of obtaining constant technological parameters over the entire area of the outer HRC and, as a result, the unevenness of the critically important parameter - thermal erosion resistance, due to the uneven content of refractory filler and ablative matrix.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в обеспечении правильной геометрии теплозащитного покрытия из армированного стеклопластика с обеспечением однородности по термоэрозионной стойкости за счет сохранения постоянных технологических параметров.The problem to be solved by the claimed invention is to ensure the correct geometry of the heat-shielding coating of reinforced fiberglass with uniformity in thermal erosion resistance by maintaining constant technological parameters.

Сущность предлагаемого способа нанесения теплозащитного покрытия на наружную поверхность сварного силового корпуса заключается в следующем:The essence of the proposed method for applying a heat-shielding coating on the outer surface of a welded load-bearing body is as follows:

изготавливают заготовку в виде чехла из тугоплавкого неметаллического тканого материала, размеры внутренней поверхности которого соответствуют размерам наружной поверхности корпуса, надевают чехол на корпус изделия и производят ручную пропитку связующим заготовки чехла, затем непосредственно на корпусе осуществляют формование путем избыточного давления на внешнюю гибкую мембрану и полимеризацию, после полимеризации производят токарную обработку образовавшегося подслоя, обработанную наружную поверхность подслоя и оболочку ТЗП, предварительно изготовленную методом RTM-технологии, соединяют через клеевое соединение и осуществляют формование для образования монолитной конструкции сварной корпус-подслой-оболочка ТЗП, обеспечивающей однородность термоэрозионных свойств по всей площади корпуса. Таким образом, заявляемый способ позволяет обеспечить:a blank is made in the form of a cover from a refractory non-metallic woven material, the dimensions of the inner surface of which correspond to the dimensions of the outer surface of the body, the cover is put on the body of the product and manual impregnation of the cover workpiece with a binder is carried out, then directly on the body, molding is carried out by means of excessive pressure on the outer flexible membrane and polymerization, after polymerization, the resulting sublayer is turned, the machined outer surface of the sublayer and the TRC shell, pre-fabricated by the RTM technology, are connected through an adhesive joint and molded to form a welded body-sublayer-shell of the TRC to form a monolithic structure, ensuring uniformity of thermal erosion properties over the entire area of the case . Thus, the proposed method allows to provide:

1. Устранение деформационных дефектов сварных силовых корпусов путем нанесения подслоя с последующей токарной обработкой до восстановления геометрически правильной поверхности с требуемой точностью.1. Elimination of deformation defects of welded power cases by applying a sublayer with subsequent turning until a geometrically correct surface is restored with the required accuracy.

2. Сохранение постоянства термоэрозионной стойкости ТЗП по площади покрытия за счет постоянства технологических параметров в равнотолщинном покрытии.2. Preservation of the constancy of the thermal erosion resistance of the HRC over the coating area due to the constancy of technological parameters in an equal-thickness coating.

Полученное заявляемым способом теплозащитное покрытие представлено на фиг. 1:The heat-shielding coating obtained by the claimed method is shown in Fig. 1:

1 - теплозащитное покрытие; 2 - эластичный подслой на основе каучука ПЭФ-3А; 3-6 - сварной силовой корпус (3. - сталь 1,4 - зона термического влияния, 5 - сварной шов; 6 - сталь 2); 7 - чертежная поверхность силового корпуса; 8 - фактическая деформированная поверхность сварного силового корпуса; 9 - поверхность обработки подслоя (склеивания).1 - heat-shielding coating; 2 - elastic sublayer based on PEF-3A rubber; 3-6 - welded power housing (3. - steel 1.4 - heat affected zone, 5 - weld; 6 - steel 2); 7 - drawing surface of the power housing; 8 - actual deformed surface of the welded load-bearing body; 9 - processing surface of the sublayer (gluing).

Заявляемый способ нанесения теплозащитного покрытия на наружную поверхность сварного силового корпуса осуществляют следующим образом:The inventive method of applying a heat-shielding coating on the outer surface of the welded power housing is carried out as follows:

- непосредственно на корпусе изготавливают подслой путем избыточного давления на гибкую мембрану - на предварительно очищенную наружную поверхность металлического корпуса вручную наносится материал 51-2156 (ТУ 2513-112-00152075-2008) с высоким относительным линейным удлинением (относительное удлинение при разрыве до 8%). Поверх надевается чехол из кремнеземной ткани, пропитанный с двух сторон материалом 51-2156. Затем производят отверждение при температуре 80°С в течение 24 ч.- a sublayer is made directly on the body by means of excess pressure on a flexible membrane - material 51-2156 (TU 2513-112-00152075-2008) with a high relative linear elongation (relative elongation at break up to 8%) is manually applied to the previously cleaned outer surface of the metal case . A cover made of silica fabric is put on top, impregnated on both sides with material 51-2156. Then curing is carried out at a temperature of 80°C for 24 hours.

- производят токарную обработку подслоя для получения требуемой формы, размеров и шероховатости поверхности;- perform turning of the sublayer to obtain the desired shape, size and surface roughness;

- изготавливают оболочку ТЗП методом RTM технологии из композита ТЗМКТ-9, представляющего собой реактопласт на основе эпоксидного связующего ЭДТ-10 и упрочняющего наполнителя из кварцевой ткани объемного плетения.- a TRP shell is made by the RTM technology from the TZMKT-9 composite, which is a thermoset based on the EDT-10 epoxy binder and a reinforcing filler made of volumetric weaving quartz fabric.

- производят приклеивание оболочки ТЗП на обработанную поверхность подслоя при помощи материала 51-2150 (ТУ 2513-108-00152075-2008).- the HRP shell is glued onto the treated surface of the sublayer using material 51-2150 (TU 2513-108-00152075-2008).

Таким образом, заявляемый «Способ нанесения теплозащитного покрытия на наружную поверхность сварного силового корпуса» обладает новизной и промышленной применимостью, его использование позволяет компенсировать различие в тепловом расширении разнородных материалов в монолитной конструкции за счет применения подслоя из эластичного материала на основе уретанового каучука ПЭФ-3А, что снижает вероятность появления расслоений в монолитной конструкции сварной корпус - подслой - оболочка ТЗП до минимума в течение не менее 25 лет, кроме того, получаемая монолитная конструкция сварной корпус - подслой - оболочка ТЗП работоспособна в условиях аэродинамического теплового потока (краткосрочно до 2000°С) и обеспечивает однородность эрозионных свойств по всей площади корпуса.Thus, the claimed "Method of applying a heat-shielding coating on the outer surface of a welded power housing" is novel and industrially applicable, its use allows you to compensate for the difference in thermal expansion of dissimilar materials in a monolithic structure by using a sublayer of an elastic material based on PEF-3A urethane rubber, which reduces the likelihood of delamination in a monolithic structure welded body - sublayer - HRC shell to a minimum for at least 25 years, in addition, the resulting monolithic structure welded body - sublayer - HRC shell is operable under conditions of aerodynamic heat flow (short-term up to 2000 ° C) and ensures the uniformity of erosion properties over the entire area of the housing.

Claims

A method for applying a heat-shielding coating to the outer surface of a welded load-bearing body, including manufacturing a workpiece in the form of a cover from a refractory non-metallic woven material, the dimensions of the inner surface of which correspond to the dimensions of the outer surface of the body, manual impregnation of the cover workpiece with a binder and putting on the body of the product, followed by molding and polymerization, which differs by the fact that the formation of an intermediate layer of a heat-shielding coating - a sublayer, is carried out directly on the body by means of excess external pressure through a flexible membrane, followed by, after polymerization, turning the sublayer and gluing to the body with a sublayer of the main element of the coating - a heat-shielding shell made by RTM technology through adhesive composition, for the formation of a monolithic structure "welded body - sublayer - shell of a heat-shielding coating" with ensuring uniformity of thermal erosion properties over the entire area of \u200b\u200bthe body.