某高超音速導(dǎo)彈用新型天線透波隔熱裝置設(shè)計

方 偉,李

(中國西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

1 引 言

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭競爭加劇,各類先進導(dǎo)彈飛行馬赫數(shù)越來越高,其中戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的飛行速度在4 Ma以上,地地中程導(dǎo)彈的再入速度已達到8～12 Ma,而新一代戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈再入速度更是達到幾十馬赫[1]。高超音速導(dǎo)彈(速度大于等于4 Ma)已成為21世紀(jì)各國重點研究對象之一。高超音速導(dǎo)彈在大氣層中飛行,存在嚴重的氣動加熱現(xiàn)象,再入階段的氣動加熱環(huán)境更加惡劣,其表面溫度達1 000℃以上,甚至更高。裝載的制導(dǎo)用信號接收天線與自帶的透波天線罩裝置組裝成為一體,安裝在導(dǎo)彈天線窗口上,天線罩裝置既是導(dǎo)彈制導(dǎo)或控制系統(tǒng)天線信號傳輸通道的重要組成部分,又是導(dǎo)彈彈體結(jié)構(gòu)的一部分,同時承擔(dān)著導(dǎo)流、防熱、透波和承載等多種功能[2]。該裝置必須具備良好熱防護能力、抗沖擊振動力學(xué)性能和良好的電氣性能,天線罩設(shè)計也就成為高超音速導(dǎo)彈用天線設(shè)計制造的研究重點,其熱防護能力更是成為結(jié)構(gòu)設(shè)計重點關(guān)注的內(nèi)容之一。

高超音速導(dǎo)彈天線的天線罩研制大家特別關(guān)注的重點在材料研發(fā)和應(yīng)用,國內(nèi)外眾多科研單位人員參與了高超音速導(dǎo)彈用天線罩材料研究[3]。美國在20世紀(jì)50年代前開始使用三氧化二鋁陶瓷用于“麻雀Ⅲ”防空導(dǎo)彈,50年代起陸續(xù)研制出泥漿澆熔石英天線罩,具有良好的介電性能和低膨脹性能,仍是我國目前常用的天線罩材料。但其脆性和抗雨蝕性能限制了其進一步使用。70年代起石英纖維增強泥漿澆熔石英材料加聚四氟乙烯結(jié)構(gòu)的有機材料、玻璃纖維增強聚酰亞胺等材料均開始得到廣泛應(yīng)用。這些材料的研究和推廣,為我國導(dǎo)彈用產(chǎn)品天線研制提供了有益的借鑒基礎(chǔ)。當(dāng)然,熱防護結(jié)構(gòu)研究也是大家關(guān)注的重點之一。

常用的熱防護結(jié)構(gòu)基本形式主要有吸熱式熱防護結(jié)構(gòu)、輻射式熱防護結(jié)構(gòu)、燒蝕式熱防護結(jié)構(gòu)等幾種。按作用劃分又可分為被動式、半被動式和主動式幾種[3-5]。作為微波通信系統(tǒng)重要組成部分,接收天線的透波隔熱裝置設(shè)計要求在滿足嚴重氣動加熱環(huán)境下正常工作的同時,還必須具有穩(wěn)定的高溫透波性能。我們利用常用的熱防護技術(shù),綜合應(yīng)用輻射式結(jié)構(gòu)和燒蝕式結(jié)構(gòu)的特點,通過天線罩材料和隔熱材料的選擇、隔熱裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計、天線透波隔熱裝置熱防護性能仿真和測試,證明該天線設(shè)計方案的工程可實現(xiàn)性。

2 某天線透波隔熱裝置設(shè)計

某工程研制的接收天線,天線自帶天線罩,并與彈體共形安裝在彈體天線窗口上,面臨持續(xù)2 500 s氣動加熱650℃以上的使用環(huán)境要求。該接收天線為組合式平板微帶天線,在金屬底板上安裝兩個微帶板作為輻射體,兩塊微帶板分別與安裝在底板背面的插座相連實現(xiàn)電氣饋電。天線體形式如圖1所示。

圖1 天線體示意圖Fig.1 Sketch map of the antenna

底板采用可伐合金4J29制造,兩個微帶板均采用Tf-2微帶基板制造,用螺釘實現(xiàn)機械連接。由于金屬的熱膨脹線性系數(shù)普遍大于使用的非金屬材料,螺釘及插座內(nèi)導(dǎo)體均用可伐合金4J29制造。為了降低天線體的溫度,特別是保證微帶板及饋線點的正常使用溫度(小于等于250℃)要求,必須采用天線罩加隔熱層結(jié)構(gòu),形成類似于輻射防熱結(jié)構(gòu)的天線透波隔熱裝置。天線及其隔熱裝置如圖2所示。

圖2 天線隔熱裝置示意圖Fig.2 Sketch map of the thermo-protection structure

考慮天線在彈體上共形安裝,在使用過程中,天線頂面將直接承受氣動加熱,其四周也受到天線與彈體安裝縫隙填充材料及天線本身罩傳導(dǎo)熱量的作用。天線體周圍包裹的隔熱層將保證天線體溫度維持在正常工作范圍。天線罩既要滿足良好的透波性能,還要滿足導(dǎo)彈氣動外形、耐氣動加熱和結(jié)構(gòu)強度等方面的要求,而隔熱層主要是保證電氣透波性能的前提下實現(xiàn)天線體到天線罩間的大溫度梯度。天線透波隔熱裝置的設(shè)計,重點工作就是材料的選擇及相關(guān)尺寸匹配設(shè)計。

2.1 天線罩罩體材料選擇

天線罩材料選擇,必須考慮耐高溫特性的同時還應(yīng)滿足以下基本要求[6]。

(1)具有優(yōu)良的介電性能(透波性能)

天線罩材料一般要求具有低的介電常數(shù)和損耗角正切,同時還應(yīng)在溫度明顯變化(常溫及氣動加熱后的高溫)時,其介電常數(shù)及損耗角正切不能有明顯變化。介電常數(shù)偏大對應(yīng)的單層半波壁結(jié)構(gòu)天線罩的壁厚就較薄,會影響天線罩的強度性能,而且天線罩壁厚的加工精度誤差對透波性能影響嚴重。材料的損耗角正切越大,電磁波能量在透過天線罩過程中損耗的能量就越多。

(2)抗熱沖擊性能好

氣動加熱導(dǎo)致的天線罩表面溫度與飛行速度的平方成正比,高超音速導(dǎo)彈再入段飛行時在天線罩罩壁上產(chǎn)生的熱變化率可達(540～820)℃/s,瞬時的急劇溫升會在沿天線罩軸線方向和罩壁的法線方向形成多個溫度梯度,從而產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力。天線罩材料必須具有很低的線脹系數(shù)和優(yōu)良的抗熱沖擊的能力。

(3)具有高的結(jié)構(gòu)性能

為了承受高速飛行縱向過載和橫向過載產(chǎn)生的剪力、彎矩和軸向力,天線罩材料強度要高,且具有一定的剛性。材料還必須有足夠的強度、表面硬度和斷裂韌性承受超音速飛行過程中的雨滴和沙粒產(chǎn)生的沖擊力,即應(yīng)具備足夠的抗雨蝕和抗沙蝕能力。

(4)可制造和加工性

材料可制造性和可加工性好,天線罩成型后,罩壁各個部位應(yīng)均勻。

國內(nèi)外廣大科研工作者進行了大量的研究,總結(jié)得出要滿足以上特性要求,有機材料包括各種纖維增強樹脂基復(fù)合材料,由于有機材料耐熱性能差,高溫下容易熱分解形成自由碳,無法滿足超高速導(dǎo)彈用天線罩防熱和透波要求。而無機非金屬材料主要指耐高溫陶瓷材料,因其具有工作溫度高、抗燒蝕、性能穩(wěn)定、不吸水、強度高等優(yōu)點,已成為高超音速導(dǎo)彈用天線罩的首選材料[7-8]。備選材料有三氧化二鋁陶瓷材料、石英陶瓷(SCFS)材料和石英纖維增強氮化物陶瓷復(fù)合材料,其中,三氧化二鋁陶瓷材料強度高,抗腐蝕和耐水性好,但線膨脹系數(shù)大、抗熱振性能差、介電常數(shù)高且不穩(wěn)定,加工壁厚精度要求高;石英陶瓷材料線膨脹系數(shù)低、機械強度高、抗腐蝕好、介電性能好,但室溫強度低、易吸潮、抗雨蝕能力差,使用時必須進行專門處理。設(shè)計時選用了石英纖維增強氮化物陶瓷復(fù)合材料,該材料具有英陶瓷材料的優(yōu)點,同時具備良好的耐雨蝕性能和更好的彎曲強度(800℃彎曲強度大于等于90MPa)、韌性好(800℃彈性模量大于等于12 GPa)等優(yōu)點。

2.2 高溫透波隔熱材料選擇

該線中的隔熱材料,特別是天線輻射微帶板正對天線罩間的隔熱材料,是信號傳輸鏈路中的一個環(huán)節(jié),具有與上述天線罩相同的材料電氣性能要求。僅僅由于不是天線主要承力部件,也不直接面對導(dǎo)彈飛行過程中的氣動環(huán)境,在結(jié)構(gòu)剛強度性能方面有所降低,但必須要有較低的熱導(dǎo)率,阻止熱量通過導(dǎo)熱傳導(dǎo)至內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

選擇的石英纖維增強二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料,具有滿足上述特性要求的一種透波隔熱材料,其室溫下的熱導(dǎo)率不大于0.02 W/m.K,介電常數(shù)不大于2.0,損耗正切不大于0.004,密度小(小于等于0.3 g/m3),綜合性能良好。通過對該材料進行電性能測試,證明常溫下該材料在工作頻段對天線電氣性能(軸比、增益方向圖、駐波比)影響較小,滿足使用要求。

3 試驗測試及測試結(jié)果分析

高超音速飛行器的氣動加熱及結(jié)構(gòu)熱試驗,面臨著飛行器的流場復(fù)雜、氣動加熱問題嚴重、試驗研究設(shè)備造價昂貴等方面的困難,特別是溫度高、噪聲大,在實驗室實現(xiàn)這些極端嚴酷的綜合條件模擬幾乎不可能。根據(jù)試驗?zāi)康?氣動加熱試驗可分為兩個層面的需求,第一是根據(jù)飛行器的飛行軌跡具體參數(shù)(飛行高度、飛行攻角、飛行速度和飛行器的幾何外形參數(shù)),確定飛行器表面的熱環(huán)境或熱流密度;第二是在給定的熱環(huán)境條件下,進行熱防護系統(tǒng)溫度場的測試,用于驗證結(jié)構(gòu)熱分析數(shù)值計算的可靠性,為飛行器熱防護系統(tǒng)提供設(shè)計依據(jù)。作為天線產(chǎn)品設(shè)計,主要是第二層面的需求。雖然以輻射熱的方式模擬空氣與飛行器表面相對運動所發(fā)生的強迫對流換熱,從換熱機理上講有本質(zhì)區(qū)別,但是從研究結(jié)構(gòu)特性的試驗?zāi)康某霭l(fā),采用可控?zé)嵩摧椛錈峒訜岬脑囼灧椒?直接模擬氣動加熱熱流密度,可以通過模擬結(jié)構(gòu)表面的熱量傳遞模式,建立起兩者之間的等效關(guān)系[9]。

在對研制的樣機進行實際測試時,采用可控?zé)崃骷t外熱源輻射加熱,控制天線罩表面溫度值為650℃,并沿天線輻射板法線方向不同深度布置溫度傳感器,采集瞬態(tài)加熱過程中各點的溫度變化情況。其傳感器布置及試驗測試場景如圖3和圖4所示。

圖3 傳感器布置Fig.3 Arrangement plan of thermo-sensors

圖4 試驗場景Fig.4Test scene

各測試點溫度隨時間變化如圖5所示。

圖5 溫度變化曲線Fig.5 The curve of temperature change

試驗測試表明,在紅外加熱的情況下,天線表面溫度很快達到650℃溫度穩(wěn)定,持續(xù)2 500 s左右時,天線體及饋線溫度仍小于150℃。試驗結(jié)果證明,由天線罩及隔熱層材料構(gòu)成的透波隔熱裝置,有效地防止熱量傳導(dǎo)至天線體,能保證反射體、天線饋電裝置的正常使用環(huán)境,降低了天線體及饋線連接設(shè)計困難,達到了原天線設(shè)計目標(biāo)。

4 結(jié)束語

高超音速導(dǎo)彈用天線的防熱結(jié)構(gòu)設(shè)計,除需滿足耐高溫的環(huán)境要求外,還必須滿足信號傳輸?shù)牡蛽p耗及性能穩(wěn)定性等方面的電氣性能要求。在首次開展該類天線研制時,我們通過天線防熱裝置的初步設(shè)計,并在不考慮天線罩外表面材料燒蝕對產(chǎn)品防熱特性的影響和對天線罩外表面氣動加熱狀況變化影響的條件下,根據(jù)天線外表面持續(xù)高溫溫度下天線內(nèi)部各點隨時間變化情況,確定天線罩材料及隔熱材料滿足天線熱防護要求,為后續(xù)天線全面滿足工程樣機研制要求奠定了一定基礎(chǔ)。制備天線罩表面工藝涂覆技術(shù)、材料高溫透波特性穩(wěn)定性測試及抗力學(xué)環(huán)境等設(shè)計技術(shù)將成為后續(xù)攻關(guān)的焦點。

[1] 李斌,張長瑞,曹峰,等.高超音速導(dǎo)彈天線罩設(shè)計與制備中的關(guān)鍵問題分析[J].科技導(dǎo)報,2006,24(8):24-31.LI Bin,ZHANG Chang-rui,CAO Feng,et al.Key Issues in Designing and Preparing Hypersonic Missile Radomes[J].Science&Technology Review,2006,24(8):24-31.(in Chinese)

[2] 韓桂芳,陳照峰,張立同,等.高溫透波材料研究進展[J].航空材料學(xué)報,2003,8(1):57-61.HAN Gui-fang,CHEN Zhao-feng,ZHANG Li-tong,et al.Research progress in high temperature wave-transparent materials[J].Journal of Aeronautical Materials,2003,8(1):57-61.(in Chinese)

[3] 范緒箕.氣動加熱與熱防護系統(tǒng)[M].北京:科學(xué)出版社,2004.FAN Xu-ji.The aerodynamic heating and thermal protection system[M].Beijing:Science Press,2004.(in Chinese)

[4] 楊炳淵.超高速防空導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)防熱技術(shù)[J].上海航天,2002(4):41-45.YANG Bing-yuan.The Structure Thermo-Protection Technology for the Super-speeding Air-defense Missile[J].Aerospace Shanghai,2002(4):41-45.(in Chinese)

[5] 劉麗.天線罩用透波材料[M].北京:冶金工業(yè)出版社,2008.LIU Li.Radome material for antenna radome[M].Beijing:Metallurgical Industry Press,2008.(in Chinese)

[6] 張謨杰.超音速導(dǎo)彈天線罩及其設(shè)計[J].制導(dǎo)與引信,2000,21(1):1-6.ZHANG Mo-jie.High Velocity Missile Radome design[J].Guidance and Fuze,2000,21(1):1-6.(in Chinese)

[7] 高冬云,王樹海,潘偉,等.高速導(dǎo)彈天線罩用無機透波材料[J].現(xiàn)代技術(shù)陶瓷,2005(4):33-36.GAO Dong-yun,WANG Shu-hai,PAN Wei,et al.Wave-Transmitting Inorganic Material for High Velocity Missile Radome[J].Advanced Ceramics,2005(4):33-36.(in Chinese)

[8] 沈強,陳斐,閆法強,等.新型高溫陶瓷天線罩材料的研究進展[J].材料導(dǎo)報,2006,20(9):1-4.SHEN Qiang,CHEN Fei,YAN Fa-qiang,et al.Progress on New Type High Temperature Ceramic Missiles Radom Materials[J].Materials Review,2006,20(9):1-4.(in Chinese)

[9] 侯玉柱,鄭京良,董威.高超聲速飛行器瞬態(tài)熱試驗[J].航空動力學(xué)報,2010,25(2):343-347.HOU Yu-zhu,ZHENG Jing-liang,DONG Wei.Transient test of aerodynamic heating for hypersonic vehicle[J].Journal of Aerospace Power,2010,25(2):343-347.(in Chinese)