某型号导弹天线罩主要参数分析与设计

王德细 杨晓明

摘 要： 本文对某型号导弹天线罩的组成、材料选择、壁厚设计、传输效率、瞄准误差斜率等主要参数进行了总体论述，同时分析了天线罩设计的关键点，达到某型号天线罩设计要求，对天线罩的总体设计有一定的指导意义。

关键词： 天线罩；分析；设计

1 引言

导弹天线罩（以下简称：天线罩）的发展与航天事业以及导弹本身的发展相关，美国最早于1941年研发出了有机玻璃半球形天线罩。50年代初，波音公司开始了玻璃纤维天线罩的研制，形为卵形，采用缠绕成型，电气设计采用半波壁结构。50年代中期，美国研发了三氧化二铝陶瓷、微晶玻璃材料制成的天线罩，如麻雀Ⅲ天线罩。60年代，美国研制了新的热防护材料，取得了泥浆浇注熔石英材料的新成果，这种材料介电损耗低，具有低的热膨胀系数和高的抗热冲击性能，适合于高速飞行的导弹，该材料研制成功后，美国、意大利等国的天线罩均采用这种材料，如美国的爱国者导弹、意大利的阿斯特派导弹。

2 天线罩功能与组成

天线罩的功能是承受气动载荷、温度载荷和过载并保证雷达导引头的直波、回波能高效通过。因此，天线罩的功率传输系数、瞄准线误差及瞄准线误差斜率等性能参数的优劣将直接影响雷达导引头的功能，从而影响导弹的作用距离、脱靶量和稳定性。天线罩主要由罩体、连接环组件和高性能胶粘剂组成。

3 罩体材料选择

罩体材料的选择是天线罩设计的关键之一，罩体必须具备良好的电气性能和良好的机械性能并满足武器系统的工作环境要求。因此，罩体材料的选择主要有以下几个条件：

a）电磁波通过罩体的传输损耗尽量小且方向图畸变小；

b）具有良好的机械性能；

c）能够满足热、过载、雨蚀等环境要求；

d）工艺性良好。

3.1 介电性能

天线罩的瞄准误差、传输特性等参数与材料的介电性能相关。介电性能又受材料的主晶相介电常数和气孔率影响，通过控制陶瓷材料的气孔率来控制介电常数，气孔率与介电常数的关系如公式（1）所示。

（1）

式中ε0——气孔率为0时材料的介电常数；

p——气孔率；

ε——气孔率为时的介电常数。

天线罩材料的介电常数随着气孔率提高而下降，与此同时材料的密度也会随着气孔率的提高会下降，尽管电气性能得到提高，但会导致材料的力学性能和防热、抗烧蚀性能下降，一般气孔率不会超过10%。

3.2 机械性能

天线罩承受着气动力，为保证天线罩的结构特性，天线罩材料必须具有足够的抗弯强度及适当的弹性模量。陶瓷基复合材料的机械性能一般用抗弯强度来表征，陶瓷基复合材料的抗弯强度与相的分布、晶粒的大小、气孔率、杂质以及表面和内部的缺陷有关。气孔率对陶瓷材料强度的关系见公式（2）所示。

（2）

式中，σ——气孔率为p时的强度；

σ0——气孔率为0时的强度；

p——气孔率；

n——常数。

3.3 陶瓷基复合材料数据对比分析

现代防空导弹常用材料主要有4大类，氧化铝陶瓷、石英陶瓷基复合材料、低介电氮化硅复合材料及纤维增强陶瓷基复合材料。石英陶瓷材料具有低介电常数、低损耗角正切和低的膨胀系数，介电常数稳定，工艺简单成熟；一般适用于5马赫以下的型号；氧化铝陶瓷的抗热冲击性能差，介电常数随温度变化，主要用于3马赫以下的型号；低介电氮化硅陶瓷具有较高的原子结合强度，具有耐高温特性和高强度特性，作为天线罩材料既有石英陶瓷优良的电性能优点，又有氧化铝陶瓷高强度的优点，但其工艺比较复杂，成本是石英陶瓷材料的2倍，可以用于5～8马赫的型号；纤维增强陶瓷基复合材料机械性能及电气性能都比较优越，具有强度大、韧性好、可靠性高的突出优点，但是其工艺成型不是非常成熟，经济成本较高，主要用于大马赫导弹。综上分析，将某型号导弹天线罩选为石英陶瓷天线罩，对天线罩罩体的材料性能要求如下：

a）石英陶瓷罩体密度：1.8～1.95 g/cm3；

b）弯曲强度：不小于55 MPa；

c）弹性模量：不小于30GPa；

d）导热系数：不大于1.2W/m·k；

e）外形轮廓度：不大于0.15mm；

f）重量：4.0±0.2kg。

4 罩体主要电性能参数分析设计

4.1 罩体壁面的主要结构形式

罩体壁面结构形式一般可分为：均匀单层、A型夹层、B型夹层、C型夹层、多层结构。

（1）均匀单层结构

单层结构有两种，一种为壁厚远远小于介质波长，称为薄壁结构；另一种壁厚为介质波长一半的整数倍，称为半波壁厚结构。

（2）A型夹层结构

A型夹层结构是由两层比较致密的薄的表面层和低介电常数、低损耗角正切、低密度的中间层组成，这种结构形式具有较高的强度和质量比。

（3）B型夹层结构

B型夹层结构与A型夹层结构相反，表面层采用介电常数低的介质材料，而中间芯层采用较致密的高介电常数材料，为保证匹配，中间层介电常数为外层介电常数的均方值。

（4）C型夹层结构

C型夹层结构由两个A型夹层结构组成，加在一起共五层，结构强度有所改善，且有较好的宽频带特性。

（5）含金属物的介质层结构

含金屬物的介质层结构的介质中的金属物呈球粒状或薄带状对称分布，调节金属物的形状及分布可以有效地改善介质层导纳特性。

（6）金属骨架结构

金属骨架结构采用增强塑料板或布以各种结构形式覆盖在梁架上，用结构梁架承载负荷，地面天线罩多采用此种结构形式，多呈球形或半球形。

4.2 入射角分析

天线的入射角即天线孔径射线与天线罩壁表面法线之间的夹角，如图1所示为天线扫描角为α时的入射角θ。通过确定的天线罩的外形母线方程。根据公式（3）可以进行入射角的估算，通过公式推理可以得出入射角θ的计算公式，具体见公式3，从而计算入射角的大致估算范围及坐标交点。

（3）

式中：D——圆心到该条入射线的垂直距离；

R——为该入射点处相对应的圆弧半径；

θ——为入射角。

图1 入射角计算示意图

4.3 罩壁厚度分析

天线罩的电气设计，在于设计天线罩罩壁的最佳截面即天线罩的壁厚。这样的最佳截面，达到在不同入射角的情况下，使天线孔径面上的插入相位差和反射波得到补偿，通过上述对入射角的估算分析，优化天线罩在电性能工作区的厚度。在各种条件相对确定的情况下，确定一个合理的壁厚分布，使天线罩达到理想的电气性能。对于实芯单层半波壁厚结构形式天线罩来说，其壁厚估算按公式（4）进行：

（4）

其中：d—天线罩法向壁厚；

λ—工作波长；

ε—材料介电常数；

θ—入射角；

n—半波长整数倍，此处按n=1参与设计估算。

根据公式（3）估算出入射角范围，根据入射角估算得到的天线罩壁厚范围，天线罩材料的电气性能和其力学性能、热性能成反比。设计时应兼顾各项性能；但对超音速天线罩来说，入射角的变化范围很大，简单地用公式（4）来计算天线罩的壁厚不能使天线罩的电气性能达到理想状态。必须对天线罩的壁厚进行反复修整，直到达到电气性能要求为止。

4.4 瞄准误差斜率估算分析

天线罩瞄准线误差及其斜率是天线罩主要的电气性能参数。它与天线罩壁材料的性能，气动外形，天线罩内天线类型及其相对位置和工作频率及带宽有关。在各种因素决定的情况下，天线罩的瞄准线误差斜率的大小，可用下式估计：

（5）

式中：

F—天线罩的长细比；

ds—天线的直径；

ε—天线罩材料的介电常数；

B—设计频率带宽；

λ—工作波长；

Km—由设计和加工工艺决定的品质因素，一般取5或6；

RT—天线罩瞄准线误差斜率的期望值。

在实际状态下，天线罩罩壁多次反射会对天线罩性能造成影响，所以设计的天线罩罩壁的厚度往往不是最佳的。因此，天线罩最佳的瞄准线误差及斜率还要通过适当修整天线罩的法向壁厚才能达到最佳要求。

4.5 内廓面修模

现阶段，工程上主要通过调整天线罩罩壁截面厚度，获取最佳截面来改善电磁波的传输、幅相特性，从而提高天线罩的电气性能指标。我们必须根据电性能要求对天线罩的内廓面进行必要的修模，实现天线罩设计时的最佳截面。

4.6 功率传输效率分析

功率的传输效率为，在不带天线罩情况下测试导引头天线的功率，将此时的功率作为基准，在进行测试带天线罩情况下的导引头天线功率，进行比较分析，计算出，不带天线罩天线与带天线罩之间的关系，确定传输效率。

4.7 罩体主要参数设计

综上所述，根据某型号导弹天线罩的总体设计要求，确保天线在方位角：-60°～+60°，俯仰角：-60°～+60°，天线工作范围内天线罩的主要参数设计如下：

a）功率传输系数：≥0.85；

b）壁厚：6±0.1（根据实测天线数据，进行内廓面修模。）；

c）瞄准误差绝对值：不大于5'；

d）瞄准误差斜率绝对值：不大于1.5（'）/（°）（间隔为2.5°）；

e）旁瓣电平增量：不大于1.5dB；

f）满足天线罩工作频段；

g）天线罩工作带宽不小于500MHz；

h）最大天线口径间隙：不小于3mm（考虑振动条件）。

5 连接环组件与罩体胶接分析设计

5.1 连接环组件与罩体胶接分析

天线罩由透波材料制成，透波材料为脆性材料，不能对其钻孔开槽，为避免产生应力集中，采用耐高温胶粘剂来完成天线罩与连接环的粘接。虽然碳纤维连接环体与石英陶瓷罩体的线膨胀系数在一个量级，但是在高温下仍然存在线膨胀差异，因此，在连接环体的设计与罩体胶接过程中，要充分考虑以下几个问题：

a）连接环材料的膨胀系数；

b）胶粘剂的耐高温性及固化后的韧性；

c）碳纤维连接环与罩体的胶接配合间隙；

胶粘剂的选择往往都会考虑耐高温性，考虑高温状态下，胶粘剂的剪切强度，在考虑高温性的同时，也不能忽略固化后的状态，若高温固化后脆性较大，胶粘剂会成为连接环因热膨胀对罩体产生应力的桥梁，若高温固化后脆性小，韧性较大，就会对因热膨胀产生的应力进行有效的缓冲。

5.2 连接环组件与罩体胶接设计

根据国内外连接环组件的设计情况来看，殷钢的线膨胀系数与石英陶瓷材料的最相近，但殷钢材料密度很大，重量超标，选择线膨胀系数与石英陶瓷接近的碳纤维复合材料来进行连接环设计，具体设计指标如下：

a）碳纤维连接环密度：不大于1.5 g/cm3；

b）线膨胀系数：不大于3.0×10-6 /℃；

c）胶粘间隙：0.4mm～0.5mm（考虑胶层应力缓冲）；

d）胶粘强度：不小于1MPa（高温300℃）；

6 总结

本文主要论述了某型号导弹天线罩主要参数的分析及设计过程，并针对材料的选择、壁厚、功率传输效率、瞄准误差及误差斜率等主要参数进行了分析与设计，并对产品装配过程进行了分析设计。对天线罩设计有一定知道意义。

参考文献

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