方 偉,李

(中國(guó)西南電子技術(shù)研究所,成都 610036)

1 引 言

隨著現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)競(jìng)爭(zhēng)加劇,各類先進(jìn)導(dǎo)彈飛行馬赫數(shù)越來(lái)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(dá)到8～12 Ma,而新一代戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈再入速度更是達(dá)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(guó)重點(diǎn)研究對(duì)象之一。高超音速導(dǎo)彈在大氣層中飛行,存在嚴(yán)重的氣動(dòng)加熱現(xiàn)象,再入階段的氣動(dòng)加熱環(huán)境更加惡劣,其表面溫度達(dá)1 000℃以上,甚至更高。裝載的制導(dǎo)用信號(hào)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(hào)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(shí)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(hù)能力、抗沖擊振動(dòng)力學(xué)性能和良好的電氣性能,天線罩設(shè)計(jì)也就成為高超音速導(dǎo)彈用天線設(shè)計(jì)制造的研究重點(diǎn),其熱防護(hù)能力更是成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)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(diǎn)在材料研發(fā)和應(yīng)用,國(guó)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(guó)在20世紀(jì)50年代前開(kāi)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(guó)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(jìn)一步使用。70年代起石英纖維增強(qiáng)泥漿澆熔石英材料加聚四氟乙烯結(jié)構(gòu)的有機(jī)材料、玻璃纖維增強(qiáng)聚酰亞胺等材料均開(kāi)始得到廣泛應(yīng)用。這些材料的研究和推廣,為我國(guó)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(hù)結(jié)構(gòu)研究也是大家關(guān)注的重點(diǎn)之一。

常用的熱防護(hù)結(jié)構(gòu)基本形式主要有吸熱式熱防護(hù)結(jié)構(gòu)、輻射式熱防護(hù)結(jié)構(gòu)、燒蝕式熱防護(hù)結(jié)構(gòu)等幾種。按作用劃分又可分為被動(dòng)式、半被動(dòng)式和主動(dòng)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(jì)要求在滿足嚴(yán)重氣動(dòng)加熱環(huán)境下正常工作的同時(shí),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(hù)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(diǎn),通過(guò)天線罩材料和隔熱材料的選擇、隔熱裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、天線透波隔熱裝置熱防護(hù)性能仿真和測(cè)試,證明該天線設(shè)計(jì)方案的工程可實(shí)現(xiàn)性。

2 某天線透波隔熱裝置設(shè)計(jì)

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(dòng)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(gè)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(shí)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(gè)微帶板均采用Tf-2微帶基板制造,用螺釘實(shí)現(xiàn)機(jī)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(diǎn)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(guò)程中,天線頂面將直接承受氣動(dòng)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(dòng)外形、耐氣動(dòng)加熱和結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(shí)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(jì),重點(diǎn)工作就是材料的選擇及相關(guān)尺寸匹配設(shè)計(jì)。

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(shí)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(shí)還應(yīng)在溫度明顯變化(常溫及氣動(dòng)加熱后的高溫)時(shí),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(duì)應(yīng)的單層半波壁結(jié)構(gòu)天線罩的壁厚就較薄,會(huì)影響天線罩的強(qiáng)度性能,而且天線罩壁厚的加工精度誤差對(duì)透波性能影響嚴(yán)重。材料的損耗角正切越大,電磁波能量在透過(guò)天線罩過(guò)程中損耗的能量就越多。

(2)抗熱沖擊性能好

氣動(dòng)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(shí)在天線罩罩壁上產(chǎn)生的熱變化率可達(dá)(540～820)℃/s,瞬時(shí)的急劇溫升會(huì)在沿天線罩軸線方向和罩壁的法線方向形成多個(gè)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(guò)載和橫向過(guò)載產(chǎn)生的剪力、彎矩和軸向力,天線罩材料強(qiáng)度要高,且具有一定的剛性。材料還必須有足夠的強(qiáng)度、表面硬度和斷裂韌性承受超音速飛行過(guò)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(gè)部位應(yīng)均勻。

國(guó)內(nèi)外廣大科研工作者進(jìn)行了大量的研究,總結(jié)得出要滿足以上特性要求,有機(jī)材料包括各種纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料,由于有機(jī)材料耐熱性能差,高溫下容易熱分解形成自由碳,無(wú)法滿足超高速導(dǎo)彈用天線罩防熱和透波要求。而無(wú)機(jī)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(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn),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(qiáng)氮化物陶瓷復(fù)合材料,其中,三氧化二鋁陶瓷材料強(qiáng)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(jī)械強(qiáng)度高、抗腐蝕好、介電性能好,但室溫強(qiáng)度低、易吸潮、抗雨蝕能力差,使用時(shí)必須進(jìn)行專門處理。設(shè)計(jì)時(shí)選用了石英纖維增強(qiáng)氮化物陶瓷復(fù)合材料,該材料具有英陶瓷材料的優(yōu)點(diǎn),同時(shí)具備良好的耐雨蝕性能和更好的彎曲強(qiáng)度(800℃彎曲強(qiáng)度大于等于90MPa)、韌性好(800℃彈性模量大于等于12 GPa)等優(yōu)點(diǎn)。

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(duì)天線罩間的隔熱材料,是信號(hào)傳輸鏈路中的一個(gè)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(duì)導(dǎo)彈飛行過(guò)程中的氣動(dòng)環(huán)境,在結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)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(guò)導(dǎo)熱傳導(dǎo)至內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

選擇的石英纖維增強(qiáng)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(guò)對(duì)該材料進(jìn)行電性能測(cè)試,證明常溫下該材料在工作頻段對(duì)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(yàn)測(cè)試及測(cè)試結(jié)果分析

高超音速飛行器的氣動(dòng)加熱及結(jié)構(gòu)熱試驗(yàn),面臨著飛行器的流場(chǎng)復(fù)雜、氣動(dòng)加熱問(wèn)題嚴(yán)重、試驗(yàn)研究設(shè)備造價(jià)昂貴等方面的困難,特別是溫度高、噪聲大,在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)這些極端嚴(yán)酷的綜合條件模擬幾乎不可能。根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康?氣動(dòng)加熱試驗(yàn)可分為兩個(gè)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(jìn)行熱防護(hù)系統(tǒng)溫度場(chǎng)的測(cè)試,用于驗(yàn)證結(jié)構(gòu)熱分析數(shù)值計(jì)算的可靠性,為飛行器熱防護(hù)系統(tǒng)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。作為天線產(chǎn)品設(shè)計(jì),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(duì)運(yùn)動(dòng)所發(fā)生的強(qiáng)迫對(duì)流換熱,從換熱機(jī)理上講有本質(zhì)區(qū)別,但是從研究結(jié)構(gòu)特性的試驗(yàn)?zāi)康某霭l(fā),采用可控?zé)嵩摧椛錈峒訜岬脑囼?yàn)方法,直接模擬氣動(dòng)加熱熱流密度,可以通過(guò)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(duì)研制的樣機(jī)進(jìn)行實(shí)際測(cè)試時(shí),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(guò)程中各點(diǎn)的溫度變化情況。其傳感器布置及試驗(yàn)測(cè)試場(chǎng)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(yàn)場(chǎng)景Fig.4Test scene

各測(cè)試點(diǎn)溫度隨時(shí)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(yàn)測(cè)試表明,在紅外加熱的情況下,天線表面溫度很快達(dá)到650℃溫度穩(wěn)定,持續(xù)2 500 s左右時(shí),天線體及饋線溫度仍小于150℃。試驗(yàn)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(jì)困難,達(dá)到了原天線設(shè)計(jì)目標(biāo)。

4 結(jié)束語(yǔ)

高超音速導(dǎo)彈用天線的防熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),除需滿足耐高溫的環(huán)境要求外,還必須滿足信號(hào)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(kāi)展該類天線研制時(shí),我們通過(guò)天線防熱裝置的初步設(shè)計(jì),并在不考慮天線罩外表面材料燒蝕對(duì)產(chǎn)品防熱特性的影響和對(duì)天線罩外表面氣動(dòng)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(diǎn)隨時(shí)間變化情況,確定天線罩材料及隔熱材料滿足天線熱防護(hù)要求,為后續(xù)天線全面滿足工程樣機(jī)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(cè)試及抗力學(xué)環(huán)境等設(shè)計(jì)技術(shù)將成為后續(xù)攻關(guān)的焦點(diǎn)。

[1] 李斌,張長(zhǎng)瑞,曹峰,等.高超音速導(dǎo)彈天線罩設(shè)計(jì)與制備中的關(guān)鍵問(wèn)題分析[J].科技導(dǎo)報(bào),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(jìn)展[J].航空材料學(xué)報(bào),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(dòng)加熱與熱防護(hù)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(jì)[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(shù)海,潘偉,等.高速導(dǎo)彈天線罩用無(wú)機(jī)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(qiáng),陳斐,閆法強(qiáng),等.新型高溫陶瓷天線罩材料的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),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(yàn)[J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào),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)