某機載電子吊艙天線罩結構設計

葉 明朱恒義

(中國電子科技集團公司第五十一研究所,上海 201802)

0 引言

天線罩是集氣動外形、結構強度、電氣性能等要求于一體的功能結構件,其主要作用是改善飛行器的氣動外形,保護內部天線系統免受外部環境的影響,保護天線表面和位置的精度。天線罩結構的設計內容包括氣動外形設計、結構強度設計和電氣性能設計等。氣動外形一般由氣動仿真或吹風試驗來決定,結構強度直接決定天線罩的設計成敗,透波性以及電氣性能的優劣決定產品的競爭力。故設計時需要對天線罩進行全方位考慮,對結構強度以及相應的電氣性能進行分析和校核。

本文選取機載電子吊艙前向天線罩進行研究。該吊艙掛載于某型戰斗機上,其最大掛飛高度18 000 m,最大掛飛速度2 Ma,最大掛飛過載8.5 g。此天線罩具有大尺寸、不規則體和高性能的特點,對結構和電性能要求高,有耐環境要求,氣動外形有嚴格要求,這對天線罩的制造提出了一系列挑戰,如在飛機超音速飛行條件下保證天線罩的強度和剛度等。

1 詳細設計

1.1 外形設計

天線罩的設計要求是連接截面尺寸約350 mm×370 mm,長度310 mm,最大壁厚6.5 mm,滿足超音速飛行條件下,罩體最大變形量不超過1 mm。

根據設計要求,天線罩設計為復合材料A-夾層結構,見圖1,形狀為圓錐狀,連接段曲線=0.7,通過PTC Creo軟件,擬合出天線罩外形,并代入飛機飛行包線進行氣動仿真,外形見圖2。

圖1 天線罩邊緣典型截面結構示意圖

圖2 天線罩外形示意圖

1.2 材料說明

天線罩材料需要同時滿足結構性能、電性能設計要求,以及具備良好的工藝可操作性。其中材料的介電性能直接影響著天線罩的電性能。針對天線罩耐溫性能要求,需要選擇低損耗材料體系。同時設計時需要考慮到環境、溫度、濕度等因素對復合材料的影響。

蒙皮材料均采用氰酸脂石英布預浸料DC721/QWB110/38,夾芯材料采用Nomex 芳綸紙蜂窩AXN-2.7-72,實心加強區采用氰酸脂石英布預浸料DC721/SW220 D/40,蒙皮和蜂窩之間粘結采用J-245C膠膜,透波區和實芯區之間過渡區蜂窩采用J-245 D 發泡膠加強,蒙皮材料密度為1.8 g/cm,蜂窩芯材料密度為0.08 g/cm,材料力學性能見表1,電性能見表2,該材料體系能滿足-70℃～150℃的工作環境溫度要求。表1中,分別為徑向和緯向彈性模量,、、分別為、、向剪切模量,、分別為徑向拉伸強度和壓縮強度,、分別為緯向拉伸強度和壓縮強度,、、分別為、、向剪切強度。

表1 材料力學性能

表2 材料電性能

天線罩電訊性能和結構性能要求高,針對該天線罩,必須進行詳細的電性能和結構性能分析論證,從而達到結構性能和電性能的最佳協調統一。

1.3 結構性能分析

根據飛機掛吊艙后氣動力學仿真結果,使用載荷包絡線法篩選并確定了15個嚴重載荷工況,然后列出15個工況內最嚴重的3個工況,天線罩集中氣動載荷計算結果見表3,天線罩航向單位長度載荷分布見表4,因天線罩航向方向為主受力方向,故僅列出航向單位長度載荷分布。選取綜合下來最危險的工況CASE8,再利用MSC Patran軟件進行力學仿真,變形云圖見圖3。

圖3 天線罩最大變形云圖(CASE8)

表3 天線罩集中氣動載荷計算結果

表4 天線罩航向單位長度載荷分布(單位:N/m)

由圖3可知,天線罩最大變形量為0.873 mm,小于設計要求1 mm。

1.4 電性能分析

天線罩內天線頻段為2～18 GHz,應用專用的電性能仿真設計軟件,對天線罩透波區域內的透波性能進行了仿真計算,選取部分典型頻段及典型點進行仿真,透波性能計算結果見圖4～圖6,統計見表5。

圖4 法向透波仿真結果

圖5 45°透波仿真結果

圖6 45°插入相位仿真結果

表5 天線罩電性能仿真結果統計表

2 試驗驗證

2.1 靜力試驗

根據設計要求,對天線罩進行靜力試驗,在天線罩頂部(內部)安裝位移傳感器,在頂部和邊框布置應變片。將天線罩與連接件連接,再將連接件與剛性過渡件連接。

制作1個剛性砂箱,在砂箱底部鋪一定厚度的細砂。將天線罩垂直放置于砂箱中,用細砂填滿砂箱。完成上述準備工作后,通過安裝于剛性過渡件上的杠桿加載系統進行加載試驗。試驗系統示意圖見圖7,現場試驗裝置見圖8。

圖7 天線罩試驗系統示意圖

圖8 靜力試驗現場試驗圖

根據試驗結果分析,天線罩實測的應變和位移數據絕對值隨載荷線性增大,載荷釋放后應變和位移基本歸零,表明試驗后天線罩未出現明顯的塑性變形。天線罩載荷加置100%時,測得變形量為0.69 mm,小于實際允許變形量,符合設計要求。

2.2 振動、沖擊試驗

天線罩隨艙體進行振動、沖擊試驗,根據GJB150A 要求,在具備資格的第三方試驗室進行試驗,試驗裝置見圖9。

圖9 振動、沖擊試驗現場圖

振動、沖擊試驗完成后,經檢查,天線罩無裂紋,無變形,未發生破壞,試驗結果表明設計符合要求。

2.3 電性能測試

電性能實際測試結果見表6,結果滿足設計要求。

表6 電性能實際測試結果

3 結束語

該天線罩設計時兼顧了力學性能和電性能要求,通過一系列的優化仿真,設計出符合要求的天線罩,最終經過試驗驗證了設計的合理性。該產品對同類別的天線罩設計提供了參考,具有較好的指導意義。