Применение стеклопластиковых композиционных материалов в высокоэффективных обтекателях. 

С быстрым развитием современных электронных информационных технологий, особенно с популяризацией истребителей пятого поколения, гиперзвуковых ракет и технологий связи миллиметрового диапазона 5G/6G, требования к прозрачности, прочности конструкции и атмосферостойкости обтекателей стали чрезвычайно высокими. Проектирование обтекателя включает в себя не только аэродинамику и строительную механику, но и пересечение множества дисциплин, включая электромагнетизм, термодинамику и производственные процессы. Благодаря своей уникальной электрической изоляции, превосходной механической прочности, низкой стоимости и хорошей технологичности стекловолокно стало основным несущим материалом в области изготовления обтекателей.

Стекловолокно – это неорганический неметаллический материал, получаемый из расплавленного стекла с помощью высокоскоростного процесса волочения. Его эффективность во многом зависит от его химического состава, в частности от соотношения диоксида кремния (SiO2), оксида алюминия (Al2O3), оксида бора (B2O3) и оксидов щелочных металлов. Исходя из их различных применений и эксплуатационных характеристик, промышленность разработала различные марки стекловолокна, каждое из которых обладает определенной тактической или технической ценностью при применении в обтекателях.

Соотношение прочности и жесткости

В аэрокосмической промышленности обтекатели должны выдерживать огромные аэродинамические нагрузки. Высокий модуль упругости стекловолокна S-glass (приблизительно 82,9 ГПа) придает компонентам повышенную жесткость, сводя к минимуму аэродинамические деформации при высокоскоростном полете. Чрезмерная деформация не только повлияет на аэродинамические характеристики самолета, но и изменит направление электромагнитного излучения антенны относительно обтекателя, что приведет к ошибкам наведения.

Прочность и ударопрочность

Обтекатель расположен в передней части самолета и является основной мишенью для ударов птиц, града и обломков. По сравнению с хрупкими материалами, такими как углеродное волокно, стекловолокно имеет более высокое удлинение при разрыве, что обеспечивает превосходную прочность и способность поглощать энергию. Исследования показали, что композитные материалы S-glass имеют меньшую площадь повреждения и более высокую остаточную прочность при ударе, что имеет большое значение для обеспечения безопасности полетов.

Устойчивость к воздействию окружающей среды и влагопоглощение

Устойчивость к воздействию окружающей среды является ключевым показателем срока службы обтекателя. Вода обладает очень высокой диэлектрической проницаемостью (около 80), и даже небольшое поглощение влаги значительно увеличивает диэлектрическую проницаемость и потери композиционного материала. Несмотря на то, что арамидные волокна обладают высокой прочностью, они обладают высокой гигроскопичностью, что значительно ограничивает их применение в высокопроизводительных обтекателях. В отличие от этого, стеклянные волокна обладают превосходной стойкостью к гидролизу. Комбинируя их с высокоэффективными смолами (такими как цианатные эфиры или эпоксидные смолы с низкой диэлектрической проницаемостью) и специальными поверхностными влагостойкими покрытиями, можно добиться стабильной работы в любых погодных условиях.

Анализ конкретных случаев применения стеклопластиковых обтекателей.

Аэрокосмическая промышленность: Электромагнитные иллюминаторы самолетов J-20 и Y-20

В конструкции современных истребителей-невидимок, таких как J-20, доля композитных материалов была значительно увеличена – примерно до 27%. Обтекатель в носовой части самолета должен соответствовать противоречивым требованиям скрытности (поглощение или отклонение определенных диапазонов электромагнитных волн) и обнаружения (обеспечение высокоточного проникновения собственных радиолокационных волн). Сочетание высокоэффективных стеклянных волокон (таких как S-glass) и кварцевых волокон в сочетании с технологией частотно-селективной обработки поверхности (FSS) делает обтекатель прозрачным в обычном рабочем диапазоне частот, при этом демонстрируя хорошие характеристики экранирования в диапазоне частот обнаружения вражеских радаров.
Для больших транспортных самолетов, таких как Y-20, обтекатель имеет огромные размеры, что требует чрезвычайно высокой электромагнитной совместимости на большой площади. В таких случаях E-glass и S-glass часто используются в качестве основных армирующих материалов, благодаря их хорошей технологичности для изготовления многослойных многослойных конструкций, обеспечивающих высокую надежность при длительных полетах.
Защита судов и береговой линии: устойчивость к коррозии и всепогодная эксплуатация.

Корабельные обтекатели подвержены сильной коррозии от солевых брызг, а также воздействию высоких температур и влажности. Стекловолокно C-glass, благодаря своей превосходной химической стабильности и кислотостойкости, часто используется для изготовления защитных покрытий в таких условиях. Кроме того, чтобы противостоять угрозе, исходящей от противорадиационных ракет, в некоторые современные корабельные обтекатели начинают встраиваться специальные функциональные волокна для повышения их живучести.

Наземные базовые станции и спутниковая связь

С популяризацией технологии 5G количество базовых станций миллиметрового диапазона растет в геометрической прогрессии. Для базовых станций на открытом воздухе обтекатель (крышка антенны) должен обладать чрезвычайно высокой экономичностью и отличной устойчивостью к атмосферным воздействиям. Компания E-glass, обладающая развитой цепочкой поставок и низкой стоимостью, доминирует в этой области. В то же время в обтекателях спутниковой связи (куполах Satcom) часто используется жесткий пластик, армированный стекловолокном, для защиты чувствительных параболических антенных систем от ошибок наведения, вызванных ветровыми нагрузками.

Применение стекловолокна в обтекателях – это элегантное сочетание механики материалов и физики электромагнитных волн. Выбор материалов, от экономичного и практичного электронного стекла до высокоэффективных волокон S-glass и кварца, всегда отвечает основной задаче радиолокационной системы. С развитием связи 5G/6G и аэрокосмического оружия и оборудования нового поколения высокоэффективные композитные материалы из стекловолокна, несомненно, продолжат играть незаменимую роль в условиях высоких частот, более жестких условий эксплуатации и более интеллектуальных сценариев применения.