Технологические особенности изготовления радиопрозрачных стеклокерамических обтекателей летательных аппаратов

Головной антенный обтекатель представляет собой ключевой элемент конструкции летательного аппарата (ЛА), который значительно влияет на аэродинамические характеристики и точность наведения на цель. Ему предъявляются стандартные требования, характерные для ЛА, такие как минимальная масса при обеспечении достаточной прочности и надежности. Обтекатели систем управления ЛА должны обладать комплексом радиотехнических свойств, включая отсутствие искажений и ослабления мощности электромагнитного потока для радиоволн заданного спектра частот. Они также выполняют защитные функции, обеспечивая работоспособность аппаратуры при воздействии эксплуатационных факторов.

1. Условия эксплуатации и требования к головным обтекателям

Постоянное увеличение скорости и маневренности летательных аппаратов приводит к повышению аэродинамических нагрузок на их компоненты и увеличению температур на поверхности. Диапазоны изменения этих параметров для различных классов определяются в зависимости от высоты и скорости полёта, достигая значений, превышающих 10 МПа и 3000°С.

Радиопрозрачный обтекатель, предназначенный для защиты антенны головки самонаведения от аэродинамического давления воздуха и перегрева, представляет собой ключевой и неотъемлемый элемент головной части современных ракет и многих высокоскоростных самолетов. Его воздействие на пеленгующую моноимпульсную антенну велико. Ошибки направления головки самонаведения с таким обтекателем существенно превосходят собственные ошибки свободной моноимпульсной антенны, что может привести к снижению дальности действия на 20–50%. Угловой градиент ошибок направления в системе «антенна-обтекатель» сильно воздействует на работу контура самонаведения из-за постоянно меняющихся параметров и знаков паразитной обратной связи в управлении управляющими поверхностями летательного аппарата. Поэтому наличие радиолокационной системы наведения в контуре управления ЛА предъявляет свои требования к обтекателю, который должен быть радиопрозрачным и минимально искажать электромагнитное поле в заданном спектре рабочих частот [1, с. 6-12].

Проблема обеспечения устойчивости радиотехнических характеристик обтекателей в различных частотных диапазонах систем наведения становится более сложной из-за постоянного расширения этого диапазона. В процессе полета летательные аппараты подвергают обтекатели наиболее интенсивному воздействию окружающей среды, причем интенсивность зависит от скорости полета. Скорости летательных аппаратов с 1945 по 1955 год увеличились до 2 М, с 1955 по 1970 год – до 3...6 М, с 1979 по 1985 год – до 7...8 М. В настоящее время для некоторых летательных аппаратов скорости достигают 10 М и выше. Основные характеристики обтекателей определяются целями использования и условиями эксплуатации летательных аппаратов. Широкий диапазон скоростей и высот полета обуславливает необходимость обеспечения стабильной работы системы «обтекатель-антенна» как при низких, так и при высоких температурах. В таблице представлены некоторые требования к летательным аппаратам различных классов, из чего видно, что на обтекатель оказывают воздействие значительные тепловые потоки и аэродинамические силы [2].

Таблица

Эксплуатационные воздействия и радиотехнические требования к антенным обтекателям ЛА

Для поддержания определенной температуры газовой среды в носовом отсеке летательного аппарата, окружающей радиотехническую аппаратуру, материалы обтекателей должны обладать отличными теплоизоляционными характеристиками, включая низкую теплопроводность, высокую прочность и термостойкость в широком диапазоне температур.

Перевозка летательных аппаратов воздушного базирования (классов «В – В» и «В – П») на внешней подвеске самолета приводит к интенсивной пылевой и дождевой эрозии головных обтекателей во время взлетов и посадок. Это может значительно изменить структуру антенных обтекателей из-за изменения толщины и накопления влаги в порах, что отрицательно сказывается на их радиотехнических характеристиках. При резком охлаждении также возможно разрушение обтекателя.

Материалы, используемые для обтекателей летательных аппаратов в условиях совместного полета, подвергаются динамическим, вибрационным и стационарным сжимающим, растягивающим, изгибающим и скручивающим нагрузкам. Они должны быть способными выдерживать резкие температурные перепады, включая как небольшие изменения, так и значительные скачки температуры в течение короткого времени. Кроме того, в некоторых случаях материалы обтекателей могут подвергаться высокоинтенсивным инфракрасным, акустическим, ионизирующим и другим видам излучений, при этом сохраняя свои рабочие свойства для обеспечения автономного полета [3, с. 14-17].

При сверхзвуковых скоростях полета возникают термоциклические нагрузки, которые в сочетании с рассмотренными ранее факторами создают дополнительные переменные напряжения в материалах конструкций летательных аппаратов. В связи с этим особенно важными становятся влагозащитные и антиэрозионные покрытия, параметры которых требуется тщательно согласовывать, учитывая их диэлектрические характеристики, теплопроводность, термостойкость и коэффициент температурного линейного расширения.

В процессе полета летательного аппарата на гиперзвуковых скоростях происходит интенсивная тепловая эрозия обтекателя, что ведет к изменению его радиотехнических и теплопрочностных характеристик. Поэтому при проектировании обтекателя необходимо учитывать это явление с помощью тщательного выбора материалов и прогнозирования изменения их свойств в процессе полета.

При анализе всего комплекса требований, предъявляемых к современным антенным обтекателям высокоскоростных летательных аппаратов, можно выделить иерархический характер их потребительских свойств (требований). Эти свойства в первую очередь обеспечиваются материалом, технологией изготовления и конструкцией обтекателя.

2. Анализ конструкционных материалов, используемых в головных обтекателях летательных аппаратов

Достижение более высоких тактико-технических характеристик летательных аппаратов, особенно в контексте широкополосности и аэродинамических нагрузок, предъявляет повышенные требования к обтекателям. При скоростях полета от 8 до 10 М анализ теплонапряженного состояния конструкции подчеркивает необходимость поиска новых решений для обеспечения работоспособности обтекателя.

Головной обтекатель современного летательного аппарата является универсальным устройством, предназначенным для обеспечения теплозащиты, поддержания несущей способности конструкции при аэродинамических воздействиях и нормального функционирования системы наведения на цель. Одним из основных вызовов при проектировании обтекателей является выбор материала и конструктивной схемы, которые, с одной стороны, должны гарантировать эффективную работу системы наведения для выполнения основных задач летательного аппарата, а с другой стороны, материалы должны быть доступными, технологичными и обладать минимальной плотностью [4, с. 12-14].

В современных летательных аппаратах применяются головные обтекатели, которые изготовлены на основе стеклопластиков, керамических материалов, ситаллов и углепластиков. Из этого перечня радиопрозрачными материалами являются только первые три группы [5].

В период с 1950 по 1956 года, когда скорости ракет находились в диапазоне от 2 до 5 Мах, обтекатели радиоантенн изготавливались из стеклопластиков. Однако основным ограничителем в применении стеклопластиков при высоких температурах была их недостаточная термостойкость, вызывающая термоокислительную деструкцию органических полимеров.

Даже самые термостойкие полимеры, такие как кремнийорганические и полиамидные, начинают деструкцию при температурах в диапазоне 300-400°С и не обеспечивают долгосрочную работу стеклопластиков при умеренных температурах. Замена матрицы в полимерных стеклопластиках на неорганическую позволяет повысить температурную стойкость стеклопластиков. В качестве материалов матрицы для неорганических стеклопластиков могут быть использованы соединения с высокой температурной устойчивостью (плавления), такие как оксиды (SiO2, CaO, MgO, Al2O3), соли в виде силикатов, фосфатов, алюминатов, а также смешанные системы в виде цементов.

С начала 70-х годов относительная доля обтекателей из стеклопластиков резко сократилась, уступая свое место керамическим материалам. Керамические конструкционные материалы, такие как ситаллы, оксидная керамика, кварцевая керамика и стеклокерамика, стали наиболее распространенными. Широкое использование керамических материалов обусловлено их высокими температурами плавления, прочностью при сжатии, сохраняющейся при высоких температурах, и устойчивостью к окислению [6, с. 45-54].

Керамические и волокнистые материалы на основе кварцевого стекла считаются наиболее перспективными и в настоящее время являются единственными материалами для изготовления антенных обтекателей высокоскоростных ракет, таких как С-300 в России и Patriot в США. Эти материалы обладают уникальным комплексом свойств, таких как высокая стабильность диэлектрических характеристик в широком диапазоне температур и частот, исключительная устойчивость к термоударам и высокие теплозащитные характеристики. Кроме того, производство изделий из этих материалов технологично, базируется на отечественных не дефицитных сырьевых ресурсах, и материалы легко поддаются модификации для достижения нужных свойств [2].

Тем не менее, следует отметить, что большинство существующих материалов обладают ограниченными теплозащитными свойствами, в частности, они быстро прогреваются за 40–45 секунд. Это создает дополнительные трудности при проектировании, так как требуется обеспечить теплозащиту внутреннего объема обтекателя (аппаратуры) и разработать соединения с керамической оболочкой и металлическим шпангоутом с использованием клеевых и механических элементов.

Керамические материалы обладают серьезными недостатками, которые неизбежно проявляются при разработке обтекателей. Эти недостатки включают в себя низкую ударную вязкость и высокую механическую жёсткость. Низкая ударная вязкость приводит к ограниченной трещиностойкости, чувствительности к концентрациям напряжений и воздействиям локальных нагрузок, особенно ударных. Высокая механическая жёсткость создает трудности при механической обработке в процессе изготовления обтекателей.

Важность прочностных характеристик керамических материалов при механических воздействиях является ключевым фактором для их применимости в реальных конструкциях, особенно в условиях высоких температур. Однако значения прочности при термических нагрузках, особенно при резких температурных перепадах, также могут играть решающую роль в определении пригодности этих материалов для конкретных конструкций.

Проведенный анализ результатов показывает, что летательные аппараты с обтекателями из кварцевой керамики обладают наивысшими скоростями полета, за которыми следуют стеклокерамика и ситаллы (ОТМ-357, Пирокерам 9606, АС-418 и Рейкерам). В последние десятилетия проектирование и технологии производства обтекателей из ситаллов значительно продвинулись, решены многие материаловедческие проблемы, что позволило предложить новые конструкционные решения по сравнению со стеклопластиками.

На данный момент стеклокристаллические материалы являются наиболее перспективными для обтекателей летательных аппаратов воздушного базирования. Эти материалы широко применяются в ракетах класса «В – В», «В – П» и в некоторых типах зенитных ракет. Стеклокерамика для обтекателей ЛА представляет интерес, прежде всего, благодаря низкому влагопоглощению (не требует защитного лакокрасочного покрытия) и высокой стойкости к воздействию климатических факторов. Кроме того, она сохраняет теплопрочностные и диэлектрические свойства в широком диапазоне температур и обладает более высокими прочностными характеристиками по сравнению с кварцевой керамикой.

Вывод

Разработка обтекателей для ракетных систем с радиолокационной системой наведения представляет собой сложную задачу, требующую учета множества факторов. Обтекатель должен быть радиопрозрачным, минимизировать искажение электромагнитного поля в заданном спектре частот. В условиях полета обтекатель подвергается разнообразным воздействиям, таким как тепловые потоки, аэродинамические силы и различные нагрузки. Головные обтекатели также подвержены пылевой и дождевой эрозии в процессе взлетов и посадок.

Выбор материала для обтекателя является ключевой проблемой, требующей баланса между радиопрозрачностью, теплоизоляцией, прочностью и термостойкостью. Материалы должны выдерживать резкие температурные перепады, эрозию от гиперзвуковых потоков и другие воздействия. Кроме того, они должны быть технологичными и доступными для обеспечения нормального функционирования системы наведения. Это требует компромисса между высокими техническими требованиями и практической реализацией.