李燄

摘要：針對(duì)高超音速導(dǎo)彈上使用的短時(shí)高溫工作天線，文章改進(jìn)了透波隔熱罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)選用透波隔熱材料，采用更合理的熱防護(hù)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了天線罩小型化設(shè)計(jì)，在滿足熱防護(hù)和電性能的同時(shí)，有效縮減了天線罩尺寸和重量。

關(guān)鍵詞：高超音速導(dǎo)彈；短時(shí)間高溫；天線罩；熱防護(hù)結(jié)構(gòu)

1 高超音速導(dǎo)彈研究背景

隨著技術(shù)的發(fā)展，戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈向高速、高精度、高機(jī)動(dòng)性等方向發(fā)展，速度越來(lái)越快，各類先進(jìn)戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈的飛行速度己達(dá)4Ma以上，新一代導(dǎo)彈再入速度可達(dá)十幾到幾十個(gè)馬赫。高超音速導(dǎo)彈在大氣層中飛行時(shí)，存在嚴(yán)重的氣動(dòng)力和氣動(dòng)加熱現(xiàn)象，尤其再入段時(shí)彈體表面溫度可達(dá)1000℃以上。高溫天線罩是高超導(dǎo)彈的重要組成部分，是保護(hù)天線本體不受?chē)?yán)酷環(huán)境影響、正常工作的屏障。高溫天線罩須具備良好的綜合性能，具有耐高溫、耐燒蝕、優(yōu)異的力學(xué)性能和電氣性能等，天線罩設(shè)計(jì)技術(shù)也成為高溫天線設(shè)計(jì)的研宄重點(diǎn)之一。

高溫天線罩的研宄主要集中于兩方面，一方面是材料研宄，主要包括天線罩外殼材料和高溫隔熱材料，外殼材料主要用以承受環(huán)境載荷，關(guān)鍵性能是耐高溫、透波和承載能力，其發(fā)展經(jīng)歷了從纖維增強(qiáng)塑料，到陶瓷材料，再到陶瓷基復(fù)合材料的過(guò)程，目前以各種增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料為主；隔熱材料主要用于隔熱，關(guān)鍵性能是隔熱和透波能力，目前以氣凝膠類材料和纖維編織類材料為主。另一方面是天線罩結(jié)構(gòu)研究，目前高溫天線罩大都為多層隔熱透波結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)是將不同性能的材料組合在一起，使天線罩具有良好的綜合性能，常用有A型、B型、C型夾層結(jié)構(gòu)，以及近些年發(fā)展起來(lái)的兩層天線罩結(jié)構(gòu)。

作為天線的保護(hù)部件，高速導(dǎo)彈天線透波隔熱天線罩需具備多方面綜合性能，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)通常是在保證強(qiáng)度和電氣性能前提下的隔熱和輕量化設(shè)計(jì)。在某型高速?gòu)椵d接收天線研制中，文章針對(duì)該天線工作時(shí)間短、環(huán)境溫度高的特點(diǎn)，利用一維傳熱理論，對(duì)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了減薄內(nèi)層的熱防護(hù)結(jié)構(gòu)，合理選擇了外殼和隔熱層材料，并通過(guò)系統(tǒng)仿真、實(shí)物測(cè)試等方式，驗(yàn)證了該透波隔熱天線罩結(jié)構(gòu)的合理性和可行性。

2 某天線隔熱透波罩的設(shè)計(jì)

某型高速?gòu)椵d接收天線的天線體電氣形式如圖1所示，為帶振子的平板微帶天線，基本布局為在金屬底板上安裝一個(gè)微帶板，微帶板上帶片狀金屬振子，微帶和振子共同構(gòu)成天線輻射體，輻射體總高約3mm，通過(guò)安裝在底面的高頻插座實(shí)現(xiàn)饋電。

天線自帶隔熱透波天線罩，天線罩與彈體共形并安裝在彈體窗口上；在高溫工作階段，外表面將承受持續(xù)約60s的高速氣動(dòng)力和加熱作用，氣動(dòng)加熱將使外表面溫度在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到1000℃。

為提高天線體自身耐熱能力，微帶板采用Tf-2微帶基板制造，可以在250℃高溫下正常工作；為避免受高溫?zé)釠_擊時(shí)，由于金屬的熱膨脹線性系數(shù)與非金屬材料相差過(guò)大造成的應(yīng)力沖擊，螺釘及插座內(nèi)導(dǎo)體均用低膨脹合金制造，與非金屬材料熱匹配良好。

為了降低天線體工作時(shí)的實(shí)際溫度，保證輻射體處于正常工作溫度內(nèi)，必須采用隔熱透波天線罩，設(shè)計(jì)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)。

2.1 天線罩整體結(jié)構(gòu)改進(jìn)

2.1.1 常用高溫天線罩結(jié)構(gòu)形式

目前，通常高溫天線罩熱防護(hù)結(jié)構(gòu)均為夾層形式，常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)有A，B，C3類。A型夾層結(jié)構(gòu)由低介電常數(shù)、低導(dǎo)熱率、低密度的中間芯層（如泡沫?；蚍涓C狀隔熱結(jié)構(gòu)材料）和兩層致密的表面薄層（耐高溫蒙皮）組成；B夾層結(jié)構(gòu)則相反，是由兩層低介電常數(shù)、低密度的表面層和致密厚實(shí)的芯層組成；C夾層結(jié)構(gòu)（5層）則由2層低介電常數(shù)、低導(dǎo)熱率的中間芯層和3層致密的表面薄層組成，可看作兩個(gè)A夾層結(jié)構(gòu)的組合。其中最常用的是A型和C型結(jié)構(gòu)。近些年，隨著新材料發(fā)展，兩層型結(jié)構(gòu)（外蒙皮加較厚的隔熱內(nèi)層）也應(yīng)用較多，它可以看作A夾層結(jié)構(gòu)減去了內(nèi)蒙皮的一種形式。

國(guó)內(nèi)外都對(duì)高溫天線罩的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了大量研究和應(yīng)用，如美國(guó)的哈姆導(dǎo)彈天線罩成功地運(yùn)用了A型夾層結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為蜂窩材料；美國(guó)HughesAircraft公司Leggett等研制出了C型夾層結(jié)構(gòu)天線罩，總厚度9mm，具有良好的透波性能；國(guó)內(nèi)辦法強(qiáng)研宄了ZrP207/Si02/ZrP207體系A(chǔ)型夾層結(jié)構(gòu)平板試樣的寬頻透波性能；方偉也曾經(jīng)在彈載天線研制中采用過(guò)兩層型結(jié)構(gòu)的高溫天線罩，取得了良好的隔熱透波效果。

2.1.2 本天線罩結(jié)構(gòu)改進(jìn)的分析

結(jié)合本天線工作的特點(diǎn)，分析以上各種熱防護(hù)結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)現(xiàn)：本天線體尺寸小，工作環(huán)境為短時(shí)高溫狀態(tài)，以上各種常用結(jié)構(gòu)防護(hù)能力雖好，卻均顯得尺寸太大、重量太重，天線罩厚度將遠(yuǎn)大于天線體本身。因此，有必要對(duì)現(xiàn)有的隔熱透波結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

現(xiàn)有的各型天線罩結(jié)構(gòu)，雖然具體形式各不相同，但起主要隔熱作用的都是隔熱材料層，利用材料具有低導(dǎo)熱系數(shù)特點(diǎn)，隔斷外界高溫對(duì)天線內(nèi)部的影響；但對(duì)本天線的而言，由于高溫工作時(shí)間短，按非穩(wěn)態(tài)傳熱理論，天線內(nèi)的溫度梯度將非常大，且并不完全由材料自身的導(dǎo)熱系數(shù)決定，利用這一理論，可以大幅度減少天線罩厚度。

按非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱理論，對(duì)處于高溫流體中的固體，在導(dǎo)熱初始階段，天線內(nèi)部的溫度梯度主要由畢渥數(shù)價(jià)（內(nèi)部單位面積熱阻和表面對(duì)流熱阻之比）決定，價(jià)越大，天線內(nèi)部溫度梯度越大，當(dāng)價(jià)>0.1時(shí)，天線內(nèi)部就將出現(xiàn)明顯的溫度梯度，也即天線內(nèi)熱阻越大，短時(shí)間內(nèi)溫度階梯越大。在短時(shí)間內(nèi)決定輻射體溫度的因素中，除天線罩材料本身的熱阻外，各層材料之間的接觸熱阻，也是不可忽略的。

由于本天線高度尺寸遠(yuǎn)比長(zhǎng)寬尺寸小，初步可行性分析中將其簡(jiǎn)化為一維導(dǎo)熱，只考慮天線厚度方向的導(dǎo)熱特性，以輻射體為主要研究對(duì)象。為簡(jiǎn)化估算，熱阻只估算到量級(jí)（由于畢渥數(shù)是比較出的無(wú)量綱值，進(jìn)行可行性分析精度己足夠同時(shí)，將天線罩簡(jiǎn)化為僅一層陶瓷罩，并在天線罩與福射體之間，留出一層較薄的空氣層，則需分析的熱阻包括以下6處，如圖3所不。endprint

外（天線罩外層與空氣之間的對(duì)流熱阻）；（天線罩內(nèi)熱阻）；及（天線罩與內(nèi)部空氣介質(zhì)之間的對(duì)流熱阻）；及（內(nèi)部空氣本身的熱阻及（內(nèi)部空氣與輻射體之間的對(duì)流熱阻）；仍（福射體內(nèi)部熱阻）。

將天線視為一個(gè)整體，則等效畢渥數(shù)簡(jiǎn)化表達(dá)式為：

根據(jù)分析和工程經(jīng)驗(yàn)，取各熱阻的數(shù)量級(jí)如下：

量級(jí)（依飛行速度及大氣狀態(tài)不同有所差異）；

量級(jí)（對(duì)增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料）；

及，及：介于量級(jí)（與材料及表面狀態(tài)相關(guān)）；

及：按及估算，介于量級(jí)；

（delt：空氣厚度，lamd：空氣導(dǎo)熱系數(shù)，丄有效接觸面積）

及：取及二級(jí)，約為HT3K/W量級(jí)；輻射體厚度；材料導(dǎo)熱系數(shù)）

從以上分析可看出，即便在只考慮一層陶瓷天線罩情況下，估算價(jià)仍將遠(yuǎn)大于0.1，這表示短時(shí)間內(nèi)，在天線厚度方向，天線內(nèi)部的溫度梯度較大，隨厚度變化溫度將快速降低，輻射體的實(shí)際溫度可以控制在允許范圍內(nèi)。

2.1.3 改進(jìn)后的天線罩結(jié)構(gòu)形式

以上分析也表明，對(duì)本天線這樣的短時(shí)間高溫工作天線而言，除材料本身的隔熱能力外，各層之間接觸熱阻以及空氣層熱阻可起到重要作用，適當(dāng)增加接觸熱阻和空氣層，能降低工作期間天線輻射體溫度，并不需要過(guò)厚的隔熱層。

設(shè)計(jì)天線罩結(jié)構(gòu)形式如圖4所示，為改進(jìn)型的兩層型天線罩，外層為承載層，承受高溫工作階段的力學(xué)和熱學(xué)載荷；內(nèi)層為減薄的隔熱層，在內(nèi)層與輻射體之間保留薄空氣層，以增加內(nèi)部熱阻，提高在短時(shí)間內(nèi)天線內(nèi)部溫度階梯。本天線實(shí)際熱防護(hù)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.2 天線罩外層材料選擇

天線罩外層需承載環(huán)境載荷，需要具備良好的耐高溫性能、透波性能、抗熱沖擊性能和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，其設(shè)計(jì)和材料選擇原則類似常規(guī)的兩層型結(jié)構(gòu)天線罩，宜采用增強(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料。目前主要有A1203基復(fù)合材料、石英陶瓷基復(fù)合材料和增強(qiáng)氮化物陶瓷復(fù)合材料等。一般情況下，石英纖維增強(qiáng)氮化物陶瓷復(fù)合材料具有良好的耐熱能力、低介電常數(shù)、高強(qiáng)度和耐雨蝕等優(yōu)點(diǎn)，綜合性能相對(duì)最佳，通常是外層的優(yōu)選材料；但對(duì)于本天線，由于外側(cè)加溫迅速且溫度高達(dá)1000℃，石英纖維增強(qiáng)氮化物陶瓷表面會(huì)發(fā)生燒蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致透波性能發(fā)生突變；實(shí)物試驗(yàn)也證明了這一點(diǎn)，石英纖維增強(qiáng)氮化物陶瓷高溫?zé)g試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，表面燒蝕明顯。因此，本天線罩外殼采用了A1203基復(fù)合材料，利用其高溫下性能穩(wěn)定好的優(yōu)點(diǎn)，避免了高溫下電性能的變化。

2.3 天線罩內(nèi)層設(shè)計(jì)

天線罩內(nèi)層無(wú)需直接承受氣動(dòng)環(huán)境作用，材料在剛強(qiáng)度方面要求不高，但需有低的熱導(dǎo)率，阻止熱量傳導(dǎo)至內(nèi)部。本天線罩內(nèi)層材料選擇原則也與常規(guī)兩層型天線罩相同，不同之處在于本天線罩內(nèi)層也有增加接觸熱阻的作用，并不需要太厚。設(shè)計(jì)中采用了石英纖維增強(qiáng)二氧化硅氣凝膠復(fù)合材料，室溫下的熱導(dǎo)率不大于0.02W/nrK，介電常數(shù)不大于2.0，損耗正切不大于0.004，綜合性能良好。本天線罩內(nèi)層厚度僅為1mm，遠(yuǎn)低于常規(guī)兩層結(jié)構(gòu)的天線罩內(nèi)層。

3 仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證改進(jìn)型的透波隔熱罩的有效性，對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了數(shù)值仿真分析；對(duì)樣機(jī)進(jìn)行了模擬高溫試驗(yàn)；對(duì)天線產(chǎn)品進(jìn)行了全面環(huán)境試驗(yàn)和實(shí)彈試飛等驗(yàn)證工作。

圖7為天線方案仿真結(jié)果，圖中曲線為天線輻射體上表面溫度曲線，可以看出，在60s時(shí)間內(nèi)，溫度并未達(dá)到250℃，滿足使用要求。

對(duì)天線樣機(jī)進(jìn)行了模擬高溫試驗(yàn)，試驗(yàn)中，將天線四周絕熱包裹，僅露出天線罩正面以模擬安裝狀態(tài)；采用石英紅外射燈陣列模擬氣動(dòng)加熱，控制表面溫度為1〇〇〇℃，高溫測(cè)試持續(xù)70s。試驗(yàn)期間測(cè)試天線電流無(wú)明顯變化；高溫試驗(yàn)完成后，天線開(kāi)蓋檢查內(nèi)部輻射體及焊點(diǎn)無(wú)變形、無(wú)熔融痕跡、無(wú)明顯變色；試驗(yàn)完成后測(cè)試天線性能無(wú)變化。圖8為樣機(jī)進(jìn)行模擬高溫試驗(yàn)場(chǎng)景。

天線產(chǎn)品實(shí)物如圖9所示，天線罩總厚度（含空氣層）僅為4mm，遠(yuǎn)低于原有結(jié)構(gòu)形式的天線罩。該天線一次性通過(guò)了各項(xiàng)環(huán)境試驗(yàn)和實(shí)裝飛行試驗(yàn)，并己經(jīng)使用多年，沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)功能性故障，充分驗(yàn)證了改進(jìn)型隔熱透波天線罩的有效性和可靠性。

4 結(jié)語(yǔ)

高超音速導(dǎo)彈用天線罩，除需滿足耐高溫和耐力學(xué)環(huán)境要求，還必須滿足電氣性能及高溫穩(wěn)定性等方面的要求。在工程實(shí)踐中，針對(duì)短時(shí)高溫工作的天線特點(diǎn)，我們對(duì)此類高溫天線罩結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，改進(jìn)后的天線罩具有以下特點(diǎn)：兩層結(jié)構(gòu)，但內(nèi)層減薄；保留空氣層。

此改進(jìn)結(jié)構(gòu)可大幅度減小天線罩尺寸重量，降低成本，基本思想是在短時(shí)間內(nèi)利用各層自身熱阻和接觸熱阻，在天線內(nèi)形成溫度梯度。迄今，該結(jié)構(gòu)己經(jīng)應(yīng)用在多個(gè)類似的高溫天線產(chǎn)品中。經(jīng)過(guò)多年驗(yàn)證，結(jié)果證明了其有效性和可靠性。并在實(shí)踐中繼續(xù)改進(jìn)，出現(xiàn)了多種變型，如僅保留天線罩外層陶瓷和空氣層的單層形式和內(nèi)層由兩個(gè)薄層構(gòu)成3層形式。隨著類似工程需求的增加，此結(jié)構(gòu)形式可繼續(xù)擴(kuò)大應(yīng)用，并進(jìn)一步發(fā)展出更加優(yōu)良的結(jié)構(gòu)形式。

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