Повышение качества производства радиопрозрачных стеклокерамических обтекателей для летательных аппаратов

Введение

Радиопрозрачный стеклокерамический обтекатель является важнейшим элементом конструкции летательного аппарата (ЛА), который значительно влияет на его аэродинамические характеристики и точность наведения на цель. Этот компонент должен соответствовать установленным требованиям для ЛА, включая минимальную массу при сохранении высокой прочности и надежности.

Обтекатели систем управления ЛА должны обладать широким набором радиотехнических свойств, таких как минимизация искажений и ослабления мощности электромагнитного излучения в заданном диапазоне частот. Кроме того, они выполняют защитную функцию, обеспечивая стабильную работу аппаратуры в условиях воздействия различных эксплуатационных факторов.

1. Условия эксплуатации и требования к головным обтекателям

Постоянное увеличение скорости и маневренности летательных аппаратов приводит к возрастанию аэродинамических нагрузок на их элементы и повышению температур на поверхности. Эти параметры варьируются в зависимости от класса аппарата, высоты и скорости полета, достигая значений более 10 МПа и 3000°С.

Радиопрозрачный стеклокерамический обтекатель, защищающий антенну головки самонаведения от аэродинамического давления и перегрева, является важным компонентом современных ракет и высокоскоростных самолетов. Его влияние на пеленгующую моноимпульсную антенну существенно. Из-за такого обтекателя ошибки направления головки самонаведения могут быть значительно больше, чем ошибки свободной антенны, что способно снизить дальность действия на 20–50%. Угловой градиент ошибок в системе «антенна-обтекатель» оказывает серьезное влияние на контур самонаведения, создавая нестабильность из-за изменения параметров паразитной обратной связи при управлении поверхностями аппарата. Таким образом, радиолокационная система наведения накладывает строгие требования на обтекатель, который должен обеспечивать радиопрозрачность и минимально искажать электромагнитное поле в заданном рабочем диапазоне частот [1, с. 6-12].

Проблема сохранения стабильных радиотехнических характеристик обтекателей в различных частотных диапазонах усложняется постоянным расширением спектра систем наведения. Во время полета обтекатели подвергаются интенсивным воздействиям окружающей среды, уровень которых зависит от скорости летательного аппарата. Например, с 1945 по 1955 годы максимальные скорости достигали 2 М, с 1955 по 1970 годы увеличились до 3-6 М, а в период с 1979 по 1985 годы – до 7-8 М. Сегодня скорость некоторых летательных аппаратов превышает 10 М. Основные характеристики обтекателей зависят от их предназначения и условий эксплуатации. Разнообразие скоростей и высот полета требует стабильной работы системы «обтекатель-антенна» как при низких, так и при высоких температурах. Таблица отражает требования к летательным аппаратам различных классов, показывая, что на обтекатели воздействуют значительные тепловые потоки и аэродинамические силы [2].

Таблица

Эксплуатационные воздействия и радиотехнические требования к антенным обтекателям ЛА

Для поддержания заданной температуры газовой среды в носовом отсеке летательного аппарата, окружающей радиотехническое оборудование, материалы радиопрозрачных стеклокерамических обтекателей должны обладать выдающимися теплоизоляционными характеристиками. Это включает низкую теплопроводность, высокую прочность и устойчивость к экстремальным температурам.

Перевозка летательных аппаратов воздушного базирования (классов «В-В» и «В-П») на внешней подвеске самолета приводит к значительному износу обтекателей из-за воздействия пыли и дождя во время взлетов и посадок. Такое воздействие может изменять структуру стеклокерамики за счет истончения материала и накопления влаги в порах, что негативно влияет на радиотехнические свойства. Резкое охлаждение также может привести к разрушению обтекателя.

Материалы для стеклокерамических обтекателей должны выдерживать динамические, вибрационные, а также статические нагрузки на сжатие, растяжение, изгиб и скручивание. Они обязаны сохранять целостность при резких температурных перепадах, включая как небольшие изменения, так и резкие скачки температуры за короткое время. Дополнительно материалы должны быть устойчивы к воздействию высокоинтенсивного инфракрасного, акустического, ионизирующего и других видов излучения, обеспечивая надежность работы в условиях автономного полета [3, с. 14-17].

На сверхзвуковых скоростях обтекатели подвергаются термоциклическим нагрузкам, которые создают дополнительные напряжения в конструкции аппарата. В связи с этим особую важность приобретают влагозащитные и антиэрозионные покрытия, параметры которых должны быть оптимально согласованы с учетом их диэлектрических характеристик, теплопроводности, термостойкости и коэффициента температурного линейного расширения.

На гиперзвуковых скоростях обтекатели испытывают интенсивную тепловую эрозию, что приводит к изменениям их радиотехнических и механических свойств. Поэтому при проектировании таких обтекателей необходимо учитывать влияние эрозии, выбирая материалы и прогнозируя их поведение в процессе эксплуатации.

Анализ требований, предъявляемых к радиопрозрачным стеклокерамическим обтекателям современных высокоскоростных летательных аппаратов, позволяет выделить их иерархический характер. Эти требования определяются свойствами материалов, технологией их изготовления и конструктивными особенностями обтекателя.

2. Методы вероятностного прогнозирования качества изготовления обтекателей

Производство изделий из стеклокерамики может сопровождаться возникновением дефектов, таких как микротрещины и другие несплошности, возникающие на этапах формования, обжига и механической обработки. Кроме того, возможны неравномерности физико-технических свойств материала по высоте оболочки. Это подчеркивает необходимость создания комплексной системы контроля и испытаний, способной выявлять дефекты и анализировать причины их возникновения. Эффективность такой системы обеспечивается использованием методов вероятностного прогнозирования и статистического анализа.

Качество производственного процесса напрямую зависит от качества разработки и усилий, направленных на его улучшение. В этом контексте важную роль играет Статистический Контроль Производства (Statistical Process Control, SPC), который позволяет выявлять источники изменчивости и минимизировать их влияние на конечный результат [7].

Повышение качества радиопрозрачных стеклокерамических обтекателей (РПО) требует решения ряда ключевых задач: определения уровня качества, его оценки, сравнения и управления. Для этого необходимо поддерживать заданный уровень качества, обеспечивать уверенность в его достижении и гарантировать удовлетворение потребностей потребителей.

Статистические методы выступают важным инструментом в достижении этих целей. Опыт ведущих стран демонстрирует, что применение статистических методов управления качеством (SPC) способствует созданию высококачественной продукции. Эти методы позволяют не только контролировать качество готовых изделий, но и оценивать состояние технологического процесса, что дает возможность оперативно корректировать его и поддерживать стабильность.

Внедрение статистических методов в производство РПО особенно актуально в условиях широкой номенклатуры продукции и необходимости оперативной адаптации технологического процесса под выпуск различных типов обтекателей.

Выводы

Разработка обтекателей для ракетных систем с радиолокационной системой наведения представляет собой сложный процесс, требующий учета множества факторов. Основные требования к обтекателю включают радиопрозрачность и минимизацию искажений электромагнитного поля в заданном частотном диапазоне. В условиях эксплуатации обтекатель подвергается воздействию тепловых потоков, аэродинамических сил и различных нагрузок, а также испытывает эрозию от пыли и дождя при взлетах и посадках.

Технология производства стеклокерамических обтекателей связана с риском появления специфических дефектов, таких как микротрещины и несплошности в материале, возникающие на этапах формования, обжига и механической обработки. Кроме того, возможно проявление неравномерностей физических и технических свойств материала по высоте оболочки. Это подчеркивает необходимость комплексной системы контроля и испытаний, которая позволит своевременно выявлять дефекты и определять их причины. Для обеспечения эффективности такой системы требуется использование методов вероятностного прогнозирования и статистического анализа.

Актуальной задачей управления качеством в условиях мелкосерийного производства радиопрозрачных обтекателей является разработка математической модели, позволяющей прогнозировать ожидаемый выход и себестоимость годной продукции, изготавливаемой в последовательной многооперационной технологической системе.