某高超音速导弹用新型天线透波隔热装置设计

方 伟,李

(中国西南电子技术研究所,成都 610036)

1 引 言

随着现代战争竞争加剧,各类先进导弹飞行马赫数越来越高,其中战术导弹的飞行速度在4 Ma以上,地地中程导弹的再入速度已达到8～12 Ma,而新一代战术导弹再入速度更是达到几十马赫[1]。高超音速导弹(速度大于等于4 Ma)已成为21世纪各国重点研究对象之一。高超音速导弹在大气层中飞行,存在严重的气动加热现象,再入阶段的气动加热环境更加恶劣,其表面温度达1 000℃以上,甚至更高。装载的制导用信号接收天线与自带的透波天线罩装置组装成为一体,安装在导弹天线窗口上,天线罩装置既是导弹制导或控制系统天线信号传输通道的重要组成部分,又是导弹弹体结构的一部分,同时承担着导流、防热、透波和承载等多种功能[2]。该装置必须具备良好热防护能力、抗冲击振动力学性能和良好的电气性能,天线罩设计也就成为高超音速导弹用天线设计制造的研究重点,其热防护能力更是成为结构设计重点关注的内容之一。

高超音速导弹天线的天线罩研制大家特别关注的重点在材料研发和应用,国内外众多科研单位人员参与了高超音速导弹用天线罩材料研究[3]。美国在20世纪50年代前开始使用三氧化二铝陶瓷用于“麻雀Ⅲ”防空导弹,50年代起陆续研制出泥浆浇熔石英天线罩,具有良好的介电性能和低膨胀性能,仍是我国目前常用的天线罩材料。但其脆性和抗雨蚀性能限制了其进一步使用。70年代起石英纤维增强泥浆浇熔石英材料加聚四氟乙烯结构的有机材料、玻璃纤维增强聚酰亚胺等材料均开始得到广泛应用。这些材料的研究和推广,为我国导弹用产品天线研制提供了有益的借鉴基础。当然,热防护结构研究也是大家关注的重点之一。

常用的热防护结构基本形式主要有吸热式热防护结构、辐射式热防护结构、烧蚀式热防护结构等几种。按作用划分又可分为被动式、半被动式和主动式几种[3-5]。作为微波通信系统重要组成部分,接收天线的透波隔热装置设计要求在满足严重气动加热环境下正常工作的同时,还必须具有稳定的高温透波性能。我们利用常用的热防护技术,综合应用辐射式结构和烧蚀式结构的特点,通过天线罩材料和隔热材料的选择、隔热装置结构设计、天线透波隔热装置热防护性能仿真和测试,证明该天线设计方案的工程可实现性。

2 某天线透波隔热装置设计

某工程研制的接收天线,天线自带天线罩,并与弹体共形安装在弹体天线窗口上,面临持续2 500 s气动加热650℃以上的使用环境要求。该接收天线为组合式平板微带天线,在金属底板上安装两个微带板作为辐射体,两块微带板分别与安装在底板背面的插座相连实现电气馈电。天线体形式如图1所示。

图1 天线体示意图Fig.1 Sketch map of the antenna

底板采用可伐合金4J29制造,两个微带板均采用Tf-2微带基板制造,用螺钉实现机械连接。由于金属的热膨胀线性系数普遍大于使用的非金属材料,螺钉及插座内导体均用可伐合金4J29制造。为了降低天线体的温度,特别是保证微带板及馈线点的正常使用温度(小于等于250℃)要求,必须采用天线罩加隔热层结构,形成类似于辐射防热结构的天线透波隔热装置。天线及其隔热装置如图2所示。

图2 天线隔热装置示意图Fig.2 Sketch map of the thermo-protection structure

考虑天线在弹体上共形安装,在使用过程中,天线顶面将直接承受气动加热,其四周也受到天线与弹体安装缝隙填充材料及天线本身罩传导热量的作用。天线体周围包裹的隔热层将保证天线体温度维持在正常工作范围。天线罩既要满足良好的透波性能,还要满足导弹气动外形、耐气动加热和结构强度等方面的要求,而隔热层主要是保证电气透波性能的前提下实现天线体到天线罩间的大温度梯度。天线透波隔热装置的设计,重点工作就是材料的选择及相关尺寸匹配设计。

2.1 天线罩罩体材料选择

天线罩材料选择,必须考虑耐高温特性的同时还应满足以下基本要求[6]。

(1)具有优良的介电性能(透波性能)

天线罩材料一般要求具有低的介电常数和损耗角正切,同时还应在温度明显变化(常温及气动加热后的高温)时,其介电常数及损耗角正切不能有明显变化。介电常数偏大对应的单层半波壁结构天线罩的壁厚就较薄,会影响天线罩的强度性能,而且天线罩壁厚的加工精度误差对透波性能影响严重。材料的损耗角正切越大,电磁波能量在透过天线罩过程中损耗的能量就越多。

(2)抗热冲击性能好

气动加热导致的天线罩表面温度与飞行速度的平方成正比,高超音速导弹再入段飞行时在天线罩罩壁上产生的热变化率可达(540～820)℃/s,瞬时的急剧温升会在沿天线罩轴线方向和罩壁的法线方向形成多个温度梯度,从而产生很大的热应力。天线罩材料必须具有很低的线胀系数和优良的抗热冲击的能力。

(3)具有高的结构性能

为了承受高速飞行纵向过载和横向过载产生的剪力、弯矩和轴向力,天线罩材料强度要高,且具有一定的刚性。材料还必须有足够的强度、表面硬度和断裂韧性承受超音速飞行过程中的雨滴和沙粒产生的冲击力,即应具备足够的抗雨蚀和抗沙蚀能力。

(4)可制造和加工性

材料可制造性和可加工性好,天线罩成型后,罩壁各个部位应均匀。

国内外广大科研工作者进行了大量的研究,总结得出要满足以上特性要求,有机材料包括各种纤维增强树脂基复合材料,由于有机材料耐热性能差,高温下容易热分解形成自由碳,无法满足超高速导弹用天线罩防热和透波要求。而无机非金属材料主要指耐高温陶瓷材料,因其具有工作温度高、抗烧蚀、性能稳定、不吸水、强度高等优点,已成为高超音速导弹用天线罩的首选材料[7-8]。备选材料有三氧化二铝陶瓷材料、石英陶瓷(SCFS)材料和石英纤维增强氮化物陶瓷复合材料,其中,三氧化二铝陶瓷材料强度高,抗腐蚀和耐水性好,但线膨胀系数大、抗热振性能差、介电常数高且不稳定,加工壁厚精度要求高;石英陶瓷材料线膨胀系数低、机械强度高、抗腐蚀好、介电性能好,但室温强度低、易吸潮、抗雨蚀能力差,使用时必须进行专门处理。设计时选用了石英纤维增强氮化物陶瓷复合材料,该材料具有英陶瓷材料的优点,同时具备良好的耐雨蚀性能和更好的弯曲强度(800℃弯曲强度大于等于90MPa)、韧性好(800℃弹性模量大于等于12 GPa)等优点。

2.2 高温透波隔热材料选择

该线中的隔热材料,特别是天线辐射微带板正对天线罩间的隔热材料,是信号传输链路中的一个环节,具有与上述天线罩相同的材料电气性能要求。仅仅由于不是天线主要承力部件,也不直接面对导弹飞行过程中的气动环境,在结构刚强度性能方面有所降低,但必须要有较低的热导率,阻止热量通过导热传导至内部结构。

选择的石英纤维增强二氧化硅气凝胶复合材料,具有满足上述特性要求的一种透波隔热材料,其室温下的热导率不大于0.02 W/m.K,介电常数不大于2.0,损耗正切不大于0.004,密度小(小于等于0.3 g/m3),综合性能良好。通过对该材料进行电性能测试,证明常温下该材料在工作频段对天线电气性能(轴比、增益方向图、驻波比)影响较小,满足使用要求。

3 试验测试及测试结果分析

高超音速飞行器的气动加热及结构热试验,面临着飞行器的流场复杂、气动加热问题严重、试验研究设备造价昂贵等方面的困难,特别是温度高、噪声大,在实验室实现这些极端严酷的综合条件模拟几乎不可能。根据试验目的,气动加热试验可分为两个层面的需求,第一是根据飞行器的飞行轨迹具体参数(飞行高度、飞行攻角、飞行速度和飞行器的几何外形参数),确定飞行器表面的热环境或热流密度;第二是在给定的热环境条件下,进行热防护系统温度场的测试,用于验证结构热分析数值计算的可靠性,为飞行器热防护系统提供设计依据。作为天线产品设计,主要是第二层面的需求。虽然以辐射热的方式模拟空气与飞行器表面相对运动所发生的强迫对流换热,从换热机理上讲有本质区别,但是从研究结构特性的试验目的出发,采用可控热源辐射热加热的试验方法,直接模拟气动加热热流密度,可以通过模拟结构表面的热量传递模式,建立起两者之间的等效关系[9]。

在对研制的样机进行实际测试时,采用可控热流红外热源辐射加热,控制天线罩表面温度值为650℃,并沿天线辐射板法线方向不同深度布置温度传感器,采集瞬态加热过程中各点的温度变化情况。其传感器布置及试验测试场景如图3和图4所示。

图3 传感器布置Fig.3 Arrangement plan of thermo-sensors

图4 试验场景Fig.4Test scene

各测试点温度随时间变化如图5所示。

图5 温度变化曲线Fig.5 The curve of temperature change

试验测试表明,在红外加热的情况下,天线表面温度很快达到650℃温度稳定,持续2 500 s左右时,天线体及馈线温度仍小于150℃。试验结果证明,由天线罩及隔热层材料构成的透波隔热装置,有效地防止热量传导至天线体,能保证反射体、天线馈电装置的正常使用环境,降低了天线体及馈线连接设计困难,达到了原天线设计目标。

4 结束语

高超音速导弹用天线的防热结构设计,除需满足耐高温的环境要求外,还必须满足信号传输的低损耗及性能稳定性等方面的电气性能要求。在首次开展该类天线研制时,我们通过天线防热装置的初步设计,并在不考虑天线罩外表面材料烧蚀对产品防热特性的影响和对天线罩外表面气动加热状况变化影响的条件下,根据天线外表面持续高温温度下天线内部各点随时间变化情况,确定天线罩材料及隔热材料满足天线热防护要求,为后续天线全面满足工程样机研制要求奠定了一定基础。制备天线罩表面工艺涂覆技术、材料高温透波特性稳定性测试及抗力学环境等设计技术将成为后续攻关的焦点。

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