Введение
Радиопрозрачный стеклокерамический обтекатель является ключевым элементом конструкции летательного аппарата (ЛА), существенно влияющим на его аэродинамические характеристики и точность наведения на цель. Он должен соответствовать стандартным требованиям, предъявляемым к ЛА, таким как минимальная масса при обеспечении высокой прочности и надежности. Обтекатели систем управления ЛА должны обладать комплексом радиотехнических свойств, включая минимальные искажения и ослабление мощности электромагнитного потока для радиоволн заданного спектра частот. Также они выполняют защитные функции, обеспечивая работоспособность аппаратуры при воздействии различных эксплуатационных факторов.
1. Условия эксплуатации и требования к головным обтекателям
Постоянное увеличение скорости и маневренности летательных аппаратов ведет к росту аэродинамических нагрузок на их компоненты и повышению температур на поверхности. Диапазоны изменения этих параметров для различных классов аппаратов определяются в зависимости от высоты и скорости полета, достигая значений, превышающих 10 МПа и 3000°С.
Радиопрозрачный стеклокерамический обтекатель, предназначенный для защиты антенны головки самонаведения от аэродинамического давления воздуха и перегрева, представляет собой важный и неотъемлемый элемент конструкции современных ракет и высокоскоростных самолетов. Его влияние на пеленгующую моноимпульсную антенну велико. Ошибки направления головки самонаведения с таким обтекателем могут значительно превышать собственные ошибки свободной моноимпульсной антенны, что может привести к снижению дальности действия на 20–50%. Угловой градиент ошибок направления в системе «антенна-обтекатель» сильно влияет на работу контура самонаведения из-за постоянно меняющихся параметров и знаков паразитной обратной связи в управлении поверхностями летательного аппарата. Поэтому наличие радиолокационной системы наведения в контуре управления ЛА предъявляет строгие 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 усложняется 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 годы увеличились до 2 М, с 1955 по 1970 годы – до 3-6 М, с 1979 по 1985 годы – 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
| Класс ЛА | Тепловой поток, МВт/м2 | Аэродинамический напор, МПа | Скорость нагрева, К/с | Максимальная температура поверхности, К | Время автономного полёта, с | Радиопрозрачность, % |
| В–В | 0,210 | 0,5 | 100 | 1300 | 40…60 | 85 |
| ЗУР | 2,100 | 2,5 | 200 | 1600 | 50…70 | 80 |
| П–В | 4,200 | 5.0 | 400 | >3300 | 40…60 | 85 |
| В–П | 1,300 | 1,5 | 100 | 1300…1800 | 300…400 | 80 |
| БСРД | 21…42 | 5,0 | 500 | >3300 | 10…20 | 70 |
| МБР | 210 | >10,0 | 700 | >3300 | 10…30 | 70 |
Для поддержания определенной температуры газовой среды в носовом отсеке летательного аппарата, окружающей радиотехническую аппаратуру, материалы радиопрозрачных стеклокерамических обтекателей должны обладать превосходными 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 обтекателей во время взлетов и посадок. Это может значительно изменить структуру стеклокерамических 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 стеклокерамических обтекателей летательных аппаратов в условиях совместного полета, подвергаются динамическим, вибрационным и стационарным сжимающим, растягивающим, изгибающим и скручивающим нагрузкам. Они должны выдерживать резкие температурные перепады, включая как небольшие изменения, так и значительные скачки температуры в течение короткого времени. Кроме того, 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 стеклокерамического обтекателя, что ведет к изменению его радиотехнических и теплопрочностных характеристик. Поэтому при проектировании обтекателя необходимо учитывать это явление путем тщательного выбора материалов и прогнозирования изменения их свойств в процессе полета.
При анализе всего комплекса требований, предъявляемых к современным радиопрозрачным стеклокерамическим обтекателям высокоскоростных летательных аппаратов, можно выделить иерархический характер их потребительских свойств (требований). Эти свойства обеспечиваются материалом, технологией изготовления и конструкцией обтекателя.
2. Методы вероятностного прогнозирования качества изготовления обтекателей
Керамическая технология производства изделий из стеклокерамики может подвергаться возникновению специфических дефектов, таких как микротрещины и другие несплошности, на этапах формования, обжига и механической обработки, а также неравномерности физико-технических свойств материала по высоте оболочки. Это обуславливает необходимость комплексной системы контроля и испытаний для выявления дефектов и причин их возникновения. Эффективная работа такой системы возможна лишь при использовании методов вероятностного прогнозирования и статистических методов анализа.
Качество процесса производства определяется качеством этапа разработки и реальными усилиями по улучшению качества и эффективности производства. В этом контексте Статистический Контроль Производства (Statistical Process Control - SPC) играет важную роль, позволяя выявлять источники изменчивости процесса и отслеживать их для минимизации влияния на качество [7].
Проблема повышения качества радиопрозрачных стеклокерамических обтекателей (РПО) требует ответов на ряд вопросов, включая определение качества, его оценку, сравнение и управление им. Для этого необходимо достигать и поддерживать уровень качества РПО, обеспечивать уверенность в достижении намеченного качества и обеспечивать уверенность потребителя в качестве поставляемых изделий.
Важным инструментом для решения этих проблем являются статистические методы. Опыт передовых стран показывает, что применение статистических методов управления качеством (SPC) позволяет достигать высокого качества продукции. Эти методы не только контролируют качество готовой продукции, но и оценивают текущее состояние технологического процесса, что позволяет своевременно корректировать его и обеспечивать стабильность качества.
Внедрение статистических методов в производство радиопрозрачных стеклокерамических обтекателей особенно актуально, учитывая широкую номенклатуру выпускаемых изделий и необходимость быстрой перестройки технологического процесса для выпуска различных типов обтекателей.
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.
Керамическая технология производства изделий из стеклокерамики предполагает возможность зарождения специфических дефектов в виде микротрещин и других несплошностей в материале на этапах формования, обжига и механической обработки и неравномерности физико-технических свойств материала по высоте оболочки, что определяет необходимость комплексной системы контроля и испытаний для своевременного выявления дефектов и причин их возникновения. Эффективная работа комплексной системы возможна только при использовании методов вероятностного прогнозирования и статистических методов анализа.
Разработка математической модели вероятностного прогнозирования ожидаемого выхода и себестоимости годной продукции, изготавливаемой в последовательной многооперационной ТС, является актуальной задачей управления качеством в условиях мелкосерийного производства РПО.
