商遠(yuǎn)波， 王 敏， 劉元云， 姚鳳薇

（1．上海無線電設(shè)備研究所，上海200090；2．上海市航空航天器電磁環(huán)境效應(yīng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200438）

0 引言

在高超音速條件下飛行的天線罩，急劇的氣動(dòng)加熱改變了天線罩本身的電性能［1］。天線罩熱透波分析主要研究高溫條件下材料的電磁波傳輸特性，即電介質(zhì)材料的熱電特性、材料介電性能的變化，最終獲取材料對(duì)天線罩電性能的影響［2］。

結(jié)合有限元方法計(jì)算的熱場(chǎng)分布，借助介電常數(shù)和損耗角正切隨溫度的變化關(guān)系，給出了天線罩在高溫環(huán)境下的介電常數(shù)和損耗角正切在各瞬態(tài)的分布，為高溫環(huán)境下天線罩的電氣性能分析創(chuàng)造條件。

1 天線罩結(jié)構(gòu)形式

天線罩罩體材料為石英陶瓷，連接環(huán)通常選用熱膨脹系數(shù)與陶瓷天線罩體接近的金屬材料，連接環(huán)與罩體的連接通常選用膠接方式。如圖1所示，罩體與連接環(huán)采用圓錐配合，之間有膠層作為緩沖區(qū)，防止連接環(huán)熱膨脹與罩體發(fā)生硬接觸。

圖1 天線罩結(jié)構(gòu)示意圖

某型號(hào)天線罩由于其飛行時(shí)間長(zhǎng)，天線罩表面溫度非常高，這導(dǎo)致了天線罩整體溫度的急劇升高，而溫度的升高導(dǎo)致了天線罩介電常數(shù)和損耗角正切的變化，給天線罩的透波性能帶來了較大影響。因此，計(jì)算出天線罩在飛行的每一時(shí)刻的溫度分布，結(jié)合溫度變化得到天線罩材料性能分布，進(jìn)而分析對(duì)天線罩功率傳輸?shù)挠绊懀?］，為天線罩的透波性能修正設(shè)計(jì)帶來較大幫助。

2 導(dǎo)彈天線罩在熱載荷下的仿真計(jì)算

本文采用ANSYS軟件對(duì)某型號(hào)導(dǎo)彈天線罩在飛行環(huán)境下，熱載荷對(duì)天線罩的影響進(jìn)行有限元計(jì)算與分析。ANSYS軟件提供了對(duì)各種物理場(chǎng)的分析，是目前世界上唯一能夠融結(jié)構(gòu)、熱、電磁、流體、聲學(xué)等于一體進(jìn)行有限元分析的軟件。根據(jù)給出的天線罩載荷計(jì)算數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)天線罩頭部溫度最高情況，按照彈道上每隔一定時(shí)間給出天線罩頭部各點(diǎn)的溫度分布進(jìn)行天線罩計(jì)算。

（1）有限元模型

有限元模型建模主要包括天線罩各構(gòu)件的三維實(shí)體模型的建立、三維實(shí)體單元的選取、網(wǎng)格的劃分等步驟。圖2為天線罩罩體、膠層和連接環(huán)的有限元模型。

（2）有限元仿真與分析

圖2 天線罩罩體、膠層和連接環(huán)有限元模型

首先，根據(jù)彈道參數(shù)，計(jì)算導(dǎo)彈自主飛行不同時(shí)刻下天線罩外壁若干點(diǎn)的溫度，得到天線罩的熱載荷。然后，將這些載荷數(shù)據(jù)進(jìn)行插值擬合后加載到天線罩的外壁，如圖3所示。

圖3 載荷及位移邊界條件處理

考慮到罩體內(nèi)表面與空氣接觸以及罩內(nèi)空氣導(dǎo)熱系數(shù)較小等因素，因此計(jì)算過程中忽略天線罩內(nèi)空氣所吸收的熱量，按絕熱邊界條件處理，這種簡(jiǎn)化方式對(duì)計(jì)算結(jié)果影響較小，符合實(shí)際情況。

根據(jù)氣動(dòng)加熱最嚴(yán)重的某彈道條件，計(jì)算并提供導(dǎo)彈800 s自主飛行時(shí)間段內(nèi)不同時(shí)刻天線罩沿軸向不同位置的外壁溫度，再進(jìn)行插值得出模型邊界上各點(diǎn)的溫度值變化情況，如圖4所示。

圖4 天線罩外壁加載溫度曲線

通過理論計(jì)算得到天線罩在自主飛行時(shí)間內(nèi)天線罩溫度分布，距尖點(diǎn)0．145 m到0．645 m的截面溫度分布，如圖4所示。

從圖5中可以發(fā)現(xiàn)，天線罩相應(yīng)位置的溫度值與罩體外壁承載的溫度值相關(guān)。天線罩溫度從外到內(nèi)傳遞，在380 s左右達(dá)到最大溫度值，與熱載荷輸入曲線一致。

圖5 距天線罩尖點(diǎn)位置的截面溫度分布

3 天線罩材料的損耗角正切與溫度的關(guān)系

高溫高速條件下，由于溫度的升高，大部分材料的損耗角正切都會(huì)發(fā)生變化。一般在由室溫向高溫變化的過程中，損耗角正切有增大的趨勢(shì)，這將對(duì)天線罩的電氣性能造成較大的影響，在有些情況下當(dāng)損耗tg（δ）隨溫度的變化率（每100℃）大于某一值時(shí)，天線罩將無法正常工作。本文通過試驗(yàn)得到了石英陶瓷材料的損耗角正切在某一頻率隨溫度的變化曲線，如圖6所示。

圖6 損耗角正切隨溫度變化曲線

由此曲線可知，在溫度較低的情況下，損耗角正切隨溫度的變化較為緩慢，隨著溫度的不斷升高，損耗正切的變化越來越快，這使得設(shè)計(jì)高溫環(huán)境下工作的天線罩時(shí)必須考慮溫度的變化對(duì)損耗角正切的影響。

4 天線罩材料的介電常數(shù)與溫度的關(guān)系

在高溫環(huán)境下，材料的介電常數(shù)也將發(fā)生變化。對(duì)于一般常用的材料，其介電常數(shù)隨溫度的升高而增加。在尋的制導(dǎo)系統(tǒng)中，天線罩的電氣特性十分敏感地依賴材料的介電性能。本文通過試驗(yàn)得到了石英陶瓷材料的介電常數(shù)在某一頻率隨溫度的變化曲線，如圖7所示。

圖7 介電常數(shù)隨溫度變化曲線

由圖7可以看出，在溫度低于1 000℃時(shí)，介電常數(shù)隨溫度的變化是不太明顯的；隨著溫度的進(jìn)一步升高，介電常數(shù)的變化率越來越大，這將嚴(yán)重影響著高溫環(huán)境條件下天線罩的電氣性能；當(dāng)達(dá)到一定溫度時(shí)，有可能使天線罩無法正常工作。所以，在設(shè)計(jì)高溫環(huán)境條件下工作的天線罩時(shí)，應(yīng)首先考慮到高溫條件對(duì)天線罩材料介電常數(shù)εr的影響，從而采取有效措施去補(bǔ)償溫度的急劇變化對(duì)天線罩電氣性能的影響。

5 天線罩熱透波性能分析

通過天線罩在飛行階段的溫度變化及溫度對(duì)石英陶瓷材料介電性能的影響，本文給出了距天線罩尖點(diǎn)145 mm到645 mm的截面損耗角正切和介電常數(shù)分布，如圖8和圖9所示。

從圖8可以看出，天線罩在飛行時(shí)間內(nèi)，罩體受高溫環(huán)境的影響，損耗角正切發(fā)生了較大變化，如距天線罩尖點(diǎn)0．145 m的截面損耗角正切最大值在0．006，距天線罩尖點(diǎn)0．245 m的截面損耗角正切最大值在0．007，距天線罩尖點(diǎn)0．345 m的截面損耗角正切最大值在0．0085，距天線罩尖點(diǎn)0．445 m的截面損耗角正切最大值在0．009，距天線罩尖點(diǎn)0．545 m的截面損耗角正切最大值在0．01，距天線罩尖點(diǎn)0．645 m的截面損耗角正切最大值在0．008。損耗角正切的變化對(duì)天線罩的電氣性能產(chǎn)生較大的影響，需要在設(shè)計(jì)時(shí)予以考慮。

圖8 天線罩相應(yīng)位置的損耗角正切分布

圖9 天線罩相應(yīng)位置的介電常數(shù)分布

從圖9可以看出，天線罩在飛行時(shí)間內(nèi)，罩體受高溫環(huán)境的影響，介電常數(shù)發(fā)生了較大變化，如距天線罩尖點(diǎn)0．145 m的截面介電常數(shù)最大值在3．63，距天線罩尖點(diǎn)0．245 m的截面介電常數(shù)最大值在3．65，距天線罩尖點(diǎn)0．345 m的截面介電常數(shù)最大值在3．68，距天線罩尖點(diǎn)0．445 m的截面介電常數(shù)最大值在3．73，距天線罩尖點(diǎn)0．545 m的截面介電常數(shù)最大值在3．75，距天線罩尖點(diǎn)0．645 m的截面介電常數(shù)最大值在3．7。介電常數(shù)的變化對(duì)天線罩的電氣性能產(chǎn)生較大的影響，需要在設(shè)計(jì)時(shí)予以考慮。

4 結(jié)論

通過分析天線罩承受熱載荷后的溫度變化以及溫度變化對(duì)損耗角正切和介電常數(shù)的影響，可以看出天線罩由于飛行時(shí)間長(zhǎng)，內(nèi)壁溫度非常高，

已經(jīng)影響到天線罩內(nèi)部其它機(jī)電系統(tǒng)的工作環(huán)境，應(yīng)增加熱防護(hù)措施；損耗角正切相對(duì)于介電常數(shù)隨溫度的變化比較明顯；相對(duì)于后端，天線罩前端的損耗角正切和介電常數(shù)變化更為明顯。

［1］ 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，2001，22（1）：1－6．

［2］ 張恒慶．溫度變化對(duì)天線罩傳輸功率的影響［J］．制導(dǎo)與引信，2002，23（3）：45－48．

［3］ 張恒慶．超高音速導(dǎo)彈天線罩電性能評(píng)價(jià)［J］．制導(dǎo)與引信，2005，26（1）：37－42．