обтекатель

Формула изобретения

1. Обтекатель, содержащий трехслойную оболочку с наружными и внутренними слоями из композиционных материалов и промежуточным слоем из полимерного материала и энергопоглощающий слой, отличающийся тем, что энергопоглощающий слой выполнен в виде концентрических слоев из перекрещивающихся спиралей сухих арамидных жгутов или нитей с линейной плотностью соответственно 500 - 1000 текс и 25 - 100 текс и слоев сухой синтетической ткани из арамидных нитей с линейной плотностью 40 - 100 текс и размещен между наружными слоями из композиционных материалов и промежуточным слоем из полимерного материала типа пенополиуретана при расположении первого сухого слоя синтетической ткани из арамидных нитей на промежуточном слое из полимерного материала типа пенополиуретана, со стороны наружных слоев из композиционных материалов энергопоглощающий слой изолирован пленочным термопластичным материалом толщиной 0,06 - 0,1 мм, внутренние слои оболочки выполнены кольцевыми спиралями арамидных жгутов линейной плотностью 500 - 1000 текс, оплетенных органическими или арамидными нитями линейной плотностью 13 - 100 текс, с размещенным между ними слоем из перекрещивающихся спиралей арамидных жгутов или нитей линейной плотностью 60 - 1000 текс, наружные слои оболочки выполнены из перекрещивающихся спиралей жгутов из угольных волокон, линейной плотностью 350 - 450 текс, причем перекрещивающиеся спирали арамидных жгутов или нитей энергопоглощающего слоя, внутренних слоев оболочки и перекрещивающиеся спирали жгутов из угольных волокон наружных слоев оболочки расположены под углами к ее оси со стороны наибольшего диаметра в пределах 10 - 36^o, в качестве связующего композиционные материалы наружных и внутренних слоев оболочки содержат связующее типа эпоксидианового при объемном соотношении жгутов или нитей наружных и внутренних слоев оболочки со связующим от 1 : 0,45 до 1 : 0,54.

2. Обтекатель по п.1, отличающийся тем, что энергопоглощающий слой выполнен утоняющимся по толщине в направлении возрастания диаметра оболочки.

3. Обтекатель по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что энергопоглощающий слой выполнен в объемном соотношении перекрещивающихся спиралей сухих арамидных жгутов или нитей и сухих слоев синтетической ткани из арамидных нитей от 1 : 1 до 1 : 1 : 0,1.

4. Обтекатель по любому из пп.1 - 3, отличающийся тем, что в энергопоглощающем слое сухие слои синтетической ткани из арамидных нитей размещены между перекрещивающимися спиралями сухих арамидных жгутов или нитей.

5. Обтекатель по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что сухие слои синтетической ткани из арамидных нитей в энергопоглощающем слое выполнены в виде кольцевого пояска и размещены в локальной кольцевой зоне оболочки.

6. Обтекатель по любому из пп.1 - 5, отличающийся тем, что в качестве промежуточного слоя из полимерного материала типа пенополиуретана оболочка содержит пенополиуретан марки ППУ-308Н, в качестве эпоксидианового связующего композиционных материалов наружных и внутренних слоев - эпоксидиановое связующее типа ЭДТ-10, в качестве изоляционного пленочного термопластичного материала - пленочный материал из сополимера этилена с винилацетатом.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к обтекателям, выполненным в виде оболочек из слоев композиционных материалов разнородной структуры и различной ориентацией нитей в смежных слоях, с наружной поверхностью переменной кривизны.

К обтекателям предъявляются повышенные требования по прочности, надежности и устойчивости в условиях воздействия внешних нагрузок, особенно ударных, характеризующихся динамикой и определенным спектром распределения их интенсивности в зависимости от энергетического состояния носителей такой энергии, каковыми являются, например летящие камни, тепловое воздействие и другие факторы. Отсутствие таких реально существующих оболочек подчеркивает важность их создания.

Известны оболочки из композиционных материалов, содержащие соответствующие их профилю, повторяющиеся по толщине станки, слои систем перекрещивающихся спиральных и кольцевых лент из однонаправленных нитей, скрепленных полимерным связующим (Д.В.Ростао, Грове К.С. "Намотка стеклонитью".- М.: Машиностроение, 1969, с. 105 - 220). Указанные оболочки являются эффективными для восприятия растягивающихся нагрузок от внутреннего избыточного давления. В них еще не разрешена проблема полного упругого воздействия нитей и связующего.

В оболочке (патент РФ N 2097197, МПК B 29 L 23/00, F 16 L 9/12, B 32 B 7/12, 1997) нити выполнены в виде структуры "оболочка-ядро", в ядре которых содержатся высокомодульные нити, а в "оболочке" - полностью отвержденное термореактивное эпоксисодержащее связующее. В качестве матрицы таких нитей предложено термопластичное или упругоэластичное связующее. Однако и эти оболочки мало эффективны для восприятия внешних малых нагрузок.

Известны обтекатели в виде многослойных оболочек из композиционных материалов, способны воспринимать внешние ударные нагрузки (свидетельство РФ на полезную модель N 3660, H 01 Q 1/42, 1997). Указанные обтекатели способны воспринимать внешние ударные нагрузки до уровня энергий средней интенсивности.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа, является обтекатель по авт. св. РФ на полезную модель N 3659, H 01 Q 1/42, 16.02.97, содержащий трехслойную оболочку с наружными и внутренними слоями из композиционных материалов и промежуточным слоем из полимерного материала и энергопоглощающий слой.

Основной задачей разработки является создание обтекателя, способного воспринимать внешние ударные нагрузки с уровнями энергий повышенной интенсивности.

Техническим результатом, который может быть получен от использования обтекателя, является повышение стойкости его к воздействию внешних ударных нагрузок с уровнями энергий высокой интенсивности, повышение прочности, надежности и устойчивости, эффективности работы его многослойной оболочки.

Основная задача решена и технический результат достигнут за счет изменения конструкции оболочки обтекателя, изменения структуры и материала энергопоглощающего слоя, выполнения его из органических нитей, изменения места размещения энергопоглощающего слоя в оболочке, выбора материалов для наружных и внутренних слоев, выбора полимерного связующего, определения объемного соотношения жгутов, нитей и полимерного связующего, выбора углов укладки жгутов, нитей в оболочке, оценки и выбора их линейной плотности.

Для этого в обтекателе, содержащем трехслойную оболочку с наружными и внутренними слоями из композиционных материалов и промежуточным слоем из полимерного материала и энергопоглощающий слой, энергопоглощающий слой выполнен в виде комбинации концентрических слоев из перекрещивающихся спиралей сухих арамидных жгутов или нитей линейной плотностью соответственно 500 - 1000 текс и 25 - 100 текс и сухих слоев синтетической ткани из арамидных нитей линейной плотностью 40 - 100 текс и размещен между наружными слоями из композиционных материалов и промежуточным слоем из полимерного материала типа пенополиуретана при расположении первого слоя сухой синтетической ткани из арамидных нитей линейной плотностью 40 - 100 текс на промежуточном слое из полимерного материала типа пенополиуретана. Со стороны наружных слоев из композиционных материалов энергопоглощающий слой изолирован пленочным термопластичным материалом толщиной 0,06 - 0,1 мм, внутренние слои оболочки образованы кольцевыми спиралями арамидных жгутов линейной плотностью 500 - 1000 текс, оплетеных органическими или арамидными нитями линейной плотностью 13 - 100 текс, с размещенным между ними слоем из перекрещивающихся спиралей арамидных жгутов или нитей линейной плотностью 60 - 1000 текс. Наружные слои оболочки выполнены из перекрещивающихся спиралей жгутов из угольных волокон линейной плотностью 350 - 450 текс, причем перекрещивающиеся спирали арамидных жгутов или нитей энергопоглощающего слоя, внутренних слоев оболочки и перекрещивающиеся спирали жгутов из угольных волокон наружных слоев оболочки расположены под углами к ее оси со стороны наибольшего диаметра в пределах 10 - 36^o. В качестве связующего композиционных материалов наружных и внутренних слоев оболочка содержит связующее типа эпоксидианового при объемном соотношении жгутов или нитей наружных и внутренних слоев и связующего от 1: 0,45 до 1: 0,54. Энергопоглощающий слой может быть выполнен утоняющимся по толщине в направлении возрастания диаметра оболочки, в объемном соотношении перекрещивающихся спиралей сухих арамидных жгутов или нитей и слоев сухой синтетической ткани из арамидных нитей от 1:1 до 1:0,1. В энергопоглощающем слое слои сухой синтетической ткани из арамидных нитей могут быть размещены между перекрещивающимися спиралями сухих арамидных жгутов или нитей. Слои сухой синтетической ткани из арамидных нитей в энергопоглощающем слое могут быть выполнены в виде кольцевого пояска и размещены в локальной кольцевой зоне оболочки. В качестве промежуточного полимерного слоя из полимерного материала типа полиуретана оболочка содержит пенополиуретан марки ППУ-308Н, в качестве эпоксидианового связующего композиционных материалов наружных и внутренних слоев - эпоксидиановое связующее типа ЭДТ-10, в качестве изоляционного пленочного термопластичного материала - пленочный материал из сополимера этилена с винилацетатом.

Отличительными особенностями предложенного технического решения являются следующие признаки: выполнение энергопоглощающего слоя в виде комбинации концентрических слоев из перекрещивающихся спиралей сухих арамидных жгутов или нитей плотностью 500 - 1000 текс и 25 - 100 текс и слоев сухой синтетической ткани из арамидных нитей линейной плотностью 40 - 100 текс, размещение энергопоглощающего слоя между наружными слоями из композиционного материала и промежуточным слоем из полимерного материала типа пенополиуретана, расположение первого слоя сухой синтетической ткани из арамидных нитей на промежуточном слое из полимерного материала типа пенополиуретана, изолирование энергопоглощающего слоя со стороны наружных слоев из композиционного материала пленочным термопластичным материалом толщиной 0,06 - 0,1 мм, образование внутренних слоев оболочки кольцевыми спиралями арамидных жгутов линейной плотностью 500 - 1000 текс, оплетенных органическими или арамидными нитями линейной плотностью 13 - 100 текс, размещение перекрещивающихся спиралей арамидных жгутов или нитей линейной плотностью 60 - 100 текс между внутренними слоями оболочки из кольцевых спиралей арамидных жгутов, оплетенных органическими или арамидными нитями, выполнение наружных слоев оболочки из перекрещивающихся спиралей жгутов из угольных волокон линейной плотностью 350 - 450 текс, расположение перекрещивающихся спиралей арамидных жгутов или нитей энергопоглощающего слоя, внутренних слоев оболочки и перекрещивающихся спиралей жгутов из угольных волокон наружных слоев оболочки под углами к ее оси со стороны наибольшего диаметра в пределах 10 - 36^o, содержание в качестве связующего композиционных материалов наружных и внутренних слоев связующего типа эпоксидианового, объемное соотношение жгутов или нитей наружных и внутренних слоев оболочки и связующего от 1:0,45 до 1:0,54, выполнение энергопоглощающего слоя утоняющимся по толщине в направлении возрастания диаметра оболочки, выполнение энергопоглощающего слоя в объемном соотношении перекрещивающихся спиралей сухих арамидных жгутов или нитей и слоев сухой синтетической ткани из арамидных нитей от 1:1 до 1:0,1, размещение слоев сухой синтетической ткани из арамидных нитей в энергопоглощающем слое между перекрещивающимися спиралями сухих арамидных жгутов или нитей, выполнение слоев сухой синтетической ткани из арамидных нитей в энергопоглощающем слое в виде кольцевого пояска, размещенного в локальной кольцевой зоне оболочки, использование в качестве полимерного слоя пенополиуретана марки ППУ-308Н, использование в качестве полимерного связующего эпоксидианового связующего типа ЭДТ-10, использование в качестве изоляционного пленочного термопластичного материала пленочного материала из сополимера этилена с винилацетатом.

Указанные отличительные признаки являются существенными, поскольку каждый из них в отдельности и совместно направлен на решение поставленной задачи и достижения нового технического результата. В предложенном обтекателе энергопоглощающий слой, выполненный с указанными особенностями, размещен между наружными слоями оболочки и полимерным слоем, выполненным из пенополиуретана, воспринимает ударные нагрузки вместе с ними, и так как пенополиуретановый слой является упругоподатливым, поглощает и одновременно рассеивает их с передачей части из них на внутренний слой, в котором окончательно рассеивается остаточная энергия удара. Наибольший эффект достигается в обтекателе, в котором наружные слои оболочки выполнены из перекрещивающихся спиралей жгутов из угольных волокон линейной плотностью 350 - 450 текс, энергопоглощающий слой размещен на пенополиуретановом слое и изолирован со стороны наружных слоев пленочным материалом, выполнен в комбинации перекрещивающихся спиралей сухих арамидных жгутов или нитей линейной плотностью соответственно 500 - 1000 текс и 25 - 100 текс и слоев сухой синтетической ткани из арамидных нитей линейной плотностью 40 - 100 текс при расположении слоя сухой синтетической ткани из арамидных нитей на промежуточном слое из пенополиуретана, что позволяет им взаимодействовать совместно с наружными и внутренними слоями при восприятии нагрузки, а также деформироваться со скольжением слоев друг относительно друга. Внутренние слои оболочки выполнены комбинированными для более эффективного восприятия и рассеивания остаточной энергии удара. Этому способствует расположение перекрещивающихся спиралей жгутов или нитей в энергопоглощающем слое, во внутренних слоях и наружных слоях оболочки со стороны наибольшего диаметра равными 10 - 36^o. Комплексное взаимодействие слоев достигается при введении слоев типа эпоксидианового марки ЭДТ-10. Использование арамидных жгутов или нитей диктуется или энергетической способностью воспринимать высокие ударные нагрузки, возможностью эффективной технологической переработки.

Высоким энергетическим потенциалом обладают арамидные жгуты и нити соответственно линейной плотностью 500 - 1000 текс и 25 - 100 текс. Арамидные нити линейной плотностью 40 - 100 текс наиболее технологичны при переработке в ткань для размещения в энергопоглощающем слое оболочки. Наружные слои оболочки, выполненные из жгутов из угольных волокон, могут выполнять дополнительно и другие функции, в частности обеспечивать тепловую защиту. Дополнительные признаки выполнения энергопоглощающего слоя дают возможность варьировать геометрическими параметрами оболочки обтекателя и его профилем при изготовлении в условиях промышленного производства оболочек. К таким признакам относятся соотношение сухих арамидных жгутов или нитей и слое сухой синтетической ткани в энергопоглощающем слое, чередование этих слоев, выполнение слоев сухой синтетической ткани в энергопоглощающем слое в виде кольцевого пояска и его размещение в локальной кольцевой зоне оболочки, т.е. там, где требуется повышенная надежность защиты от ударной нагрузки. Другие дополнительные существенные признаки, касающиеся конкретных марок материалов, позволяют воплотить основные существенные признаки технического решения в реально существующую оболочку обтекателя. Эффективность обтекателя, его конструктивное выполнение с точки зрения поставленной задачи и нового технического результата оценивались экспериментальным путем. Указанные объемные соотношения слоев, расположение жгутов или нитей в пределах указанных углов являются оптимальными. Исключение каких-либо существенных признаков, например, перенесение энергопоглощающего слоя на другой уровень расположения по толщине стенки обтекателя, не позволяет решить поставленную задачу и достичь новый технический результат, а именно обеспечение работы обтекателя с высокой надежностью при восприятии ударных нагрузок высоких энергий.

Указанные существенные признаки обтекателя являются новыми, так как их использование в известном уровне техники, аналогах и прототипе, не обнаружено, что позволяет характеризовать предложенное техническое решение соответствием критерию "новизна".

Единая совокупность новых существенных признаков с общими известными существенными признаками позволяет предложенным техническим решением решить поставленную задачу и достичь новый технический результат, что характеризует его существенными отличиями от известного уровня техники, аналогов и прототипа. Новое техническое решение является результатом опытно-экспериментальных работ и творческого вклада, получено без использования известных проектировочных решений или каких-либо рекомендаций в данной области техники, по совокупности указанных существенных признаков соответствует критерию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен общий вид обтекателя; на фиг. 2 - принципиальная структура стенки оболочки обтекателя в увеличенном масштабе; на фиг. 3 - принципиальная структура энергопоглощающего слоя; на фиг. 4 - вариант структуры энергопоглощающего слоя из перекрещивающихся спиралей сухих арамидных жгутов или нитей со слоями сухой синтетической ткани из арамидных нитей между ними; на фиг. 5 показано выполнение слоев сухой синтетической ткани в энергопоглощающем слое в виде кольцевого пояска; на фиг. 6 - схема деформирования оболочки обтекателя под воздействием ударной нагрузки.

Обтекатель содержит трехслойную оболочку (фиг. 1) с наружным и внутренним слоями 1, 2 из композиционных материалов и промежуточным слоем 3 из полимерного материала и энергопоглощающий слой 4 из спиралей 5 из однонаправденных жгутов или нитей 6. Энергопоглощающий слой 4 размещен между наружными слоями 1 из композиционных материалов и промежуточным слоем 3 из полимерного материала типа полиуретана и выполнен в виде комбинации концентрических слоев 7 из перекрещивающихся спиралей 5 сухих арамидных жгутов или нитей 6 линейной плотностью 500 - 1000 текс и 25 - 100 текс соответственно и слоев 8 из сухой синтетической ткани из арамидных нитей 9 линейной плотностью 40 - 100 текс при расположении первого слоя 8 сухой синтетической ткани из арамидных нитей 9 на промежуточном слое 3 из полимерного материала типа пенополиуретана. Энергопоглощающий слой 4 со стороны наружных слоев 1 из композиционных материалов изолирован пленочным термопластичным материалом 10 толщиной 0,06 - 0,1 мм. Внутренние слои 2 оболочки (фиг. 2) выполнены из кольцевых спиралей 11 арамидных жгутов 12 линейной плотностью 500 - 1000 текс, оплетенных органическими или арамидными нитями 13 линейной плотностью 13 - 100 текс, с размещенным между ними слоем 14 из перекрещивающихся спиралей 15 арамидных жгутов или нитей 16 линейной плотностью 60 - 1000 текс. Перекрещивающиеся спирали 5 сухих арамидных жгутов или нитей 6 энергопоглощающего слоя 4, перекрещивающиеся спирали 15 арамидных жгутов или нитей 16 в слое 14 и перекрещивающиеся спирали 17 жгутов 18 из угольных волокон расположены под углами к оси оболочки со стороны наибольшего диаметра в пределах 10 - 36^o. Наружная оболочка 1 выполнена из перекрещивающихся спиралей 17 жгутов 18 из угольных волокон линейной плотностью 350 - 450 текс. В качестве связующего композиционные материалы наружных и внутренних слоев 1, 2 оболочки содержат связующее типа эпоксидианового при объемном соотношении жгутов или нитей 12, 13, 16, 18 со связующим от 1:0,45 до 1:0,54. Энергопоглощающий слой 4 может быть выполнен в объемном соотношении перекрещивающихся спиралей 5 сухих арамидных жгутов или нитей 6 и слоев 8 сухой синтетической ткани из арамидных нитей 9 от 1:1 до 1:0,1. В энергопоглощающем слое 4 синтетическая ткань из арамидных нитей 9 в виде сухих слоев 8 может быть размещена между перекрещивающимися спиралями 6 сухих арамидных жгутов или нитей 6. В энергопоглощающем слое 4 слои 8 из сухой синтетической ткани из арамидных нитей 9 могут быть выполнены в виде кольцевого пояска и размещены в локальной кольцевой зоне оболочки (фиг. 5). Энергопоглощающий слой 4 может быть выполнен утоняющимся по толщине в направлении возрастания диаметра оболочки.

Был изготовлен обтекатель, в котором в качестве промежуточного полимерного слоя был использован пенополиуретан марки ППУ-308Н, в качестве эпоксидианового связующего - связующее марки ЭДТ-10, в качестве изоляционного пленочного термопластичного материала использован пленочный материал из сополимера этилена с винилацетатом. В качестве армировки в слоях оболочки использовались следующие материалы. Жгут Армос-600 по ТУ-6-12-172-91, Жгут Жсвм-1000, нить СВМ-29,4 по ТУ 6-06-И117-84, ткань синтетическая 5361/11 по ТУ-17-04-08/3-466-95, нить Армос-100 по ТУ 6-12-31-665-89, Жгут УКН-5000 из угольных волокон по ГОСТ 28008-88, нить УКН-500 из угольных волокон по ТУ 6-06-И106-83.

Защитные свойства обтекателя, изготовленного с использованием нового технического решения, проявляются в следующем.

При воздействии на обтекатель летящего камня его кинетическая энергия в результате соударения передается на оболочку, композиционная структура которой всеми указанными слоями 1 - 4 (фиг. 6) упруго деформируется, частично разрушается, поглощает его энергию за счет диссипации и препятствует проникновению камня в полость 19. При встрече с такой преградой, какой является обтекатель, летящий камень может раздробиться сам, что значительно ослабляет его кинетическую энергию, может срикошетить в результате проявления мгновенных упругих деформаций оболочки обтекателя. Во всех случаях преодоления или соприкосновения с оболочкой такой конструкции обтекателя значительную долю энергии удара воспринимает на себя энергопоглощающий слой 4, его сухие арамидные жгуты или нити в сочетании со слоями сухой синтетической ткани из арамидных нитей способны передать нагрузки из локальной зоны воздействия на большую поверхность обтекателя и подключить к работе потенциальную энергию всех слоев оболочки без разрушения обтекателя, что обеспечивает его высокую надежность и эффективность использования для защиты от воздействия нагрузок высокой интенсивности.

Следует отметить, что могут быть различные варианты выполнения обтекателя в отношении формы, размеров и расположения отдельных элементов, если все это не выходит за пределы объема изобретения, изложенного в пунктах формулы.

Таким образом, новое техническое решение, предложенное для обтекателей, соответствуют и критерию "промышленная применимость", т.е. уровню изобретения.