王德細 楊曉明

摘 要： 本文對某型號導(dǎo)彈天線罩的組成、材料選擇、壁厚設(shè)計、傳輸效率、瞄準誤差斜率等主要參數(shù)進行了總體論述，同時分析了天線罩設(shè)計的關(guān)鍵點，達到某型號天線罩設(shè)計要求，對天線罩的總體設(shè)計有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞： 天線罩；分析；設(shè)計

1 引言

導(dǎo)彈天線罩（以下簡稱：天線罩）的發(fā)展與航天事業(yè)以及導(dǎo)彈本身的發(fā)展相關(guān)，美國最早于1941年研發(fā)出了有機玻璃半球形天線罩。50年代初，波音公司開始了玻璃纖維天線罩的研制，形為卵形，采用纏繞成型，電氣設(shè)計采用半波壁結(jié)構(gòu)。50年代中期，美國研發(fā)了三氧化二鋁陶瓷、微晶玻璃材料制成的天線罩，如麻雀Ⅲ天線罩。60年代，美國研制了新的熱防護材料，取得了泥漿澆注熔石英材料的新成果，這種材料介電損耗低，具有低的熱膨脹系數(shù)和高的抗熱沖擊性能，適合于高速飛行的導(dǎo)彈，該材料研制成功后，美國、意大利等國的天線罩均采用這種材料，如美國的愛國者導(dǎo)彈、意大利的阿斯特派導(dǎo)彈。

2 天線罩功能與組成

天線罩的功能是承受氣動載荷、溫度載荷和過載并保證雷達導(dǎo)引頭的直波、回波能高效通過。因此，天線罩的功率傳輸系數(shù)、瞄準線誤差及瞄準線誤差斜率等性能參數(shù)的優(yōu)劣將直接影響雷達導(dǎo)引頭的功能，從而影響導(dǎo)彈的作用距離、脫靶量和穩(wěn)定性。天線罩主要由罩體、連接環(huán)組件和高性能膠粘劑組成。

3 罩體材料選擇

罩體材料的選擇是天線罩設(shè)計的關(guān)鍵之一，罩體必須具備良好的電氣性能和良好的機械性能并滿足武器系統(tǒng)的工作環(huán)境要求。因此，罩體材料的選擇主要有以下幾個條件：

a）電磁波通過罩體的傳輸損耗盡量小且方向圖畸變??；

b）具有良好的機械性能；

c）能夠滿足熱、過載、雨蝕等環(huán)境要求；

d）工藝性良好。

3.1 介電性能

天線罩的瞄準誤差、傳輸特性等參數(shù)與材料的介電性能相關(guān)。介電性能又受材料的主晶相介電常數(shù)和氣孔率影響，通過控制陶瓷材料的氣孔率來控制介電常數(shù)，氣孔率與介電常數(shù)的關(guān)系如公式（1）所示。

（1）

式中ε0——氣孔率為0時材料的介電常數(shù)；

p——氣孔率；

ε——氣孔率為時的介電常數(shù)。

天線罩材料的介電常數(shù)隨著氣孔率提高而下降，與此同時材料的密度也會隨著氣孔率的提高會下降，盡管電氣性能得到提高，但會導(dǎo)致材料的力學(xué)性能和防熱、抗燒蝕性能下降，一般氣孔率不會超過10%。

3.2 機械性能

天線罩承受著氣動力，為保證天線罩的結(jié)構(gòu)特性，天線罩材料必須具有足夠的抗彎強度及適當?shù)膹椥阅Ａ?。陶瓷基?fù)合材料的機械性能一般用抗彎強度來表征，陶瓷基復(fù)合材料的抗彎強度與相的分布、晶粒的大小、氣孔率、雜質(zhì)以及表面和內(nèi)部的缺陷有關(guān)。氣孔率對陶瓷材料強度的關(guān)系見公式（2）所示。

（2）

式中，σ——氣孔率為p時的強度；

σ0——氣孔率為0時的強度；

p——氣孔率；

n——常數(shù)。

3.3 陶瓷基復(fù)合材料數(shù)據(jù)對比分析

現(xiàn)代防空導(dǎo)彈常用材料主要有4大類，氧化鋁陶瓷、石英陶瓷基復(fù)合材料、低介電氮化硅復(fù)合材料及纖維增強陶瓷基復(fù)合材料。石英陶瓷材料具有低介電常數(shù)、低損耗角正切和低的膨脹系數(shù)，介電常數(shù)穩(wěn)定，工藝簡單成熟；一般適用于5馬赫以下的型號；氧化鋁陶瓷的抗熱沖擊性能差，介電常數(shù)隨溫度變化，主要用于3馬赫以下的型號；低介電氮化硅陶瓷具有較高的原子結(jié)合強度，具有耐高溫特性和高強度特性，作為天線罩材料既有石英陶瓷優(yōu)良的電性能優(yōu)點，又有氧化鋁陶瓷高強度的優(yōu)點，但其工藝比較復(fù)雜，成本是石英陶瓷材料的2倍，可以用于5～8馬赫的型號；纖維增強陶瓷基復(fù)合材料機械性能及電氣性能都比較優(yōu)越，具有強度大、韌性好、可靠性高的突出優(yōu)點，但是其工藝成型不是非常成熟，經(jīng)濟成本較高，主要用于大馬赫導(dǎo)彈。綜上分析，將某型號導(dǎo)彈天線罩選為石英陶瓷天線罩，對天線罩罩體的材料性能要求如下：

a）石英陶瓷罩體密度：1.8～1.95 g/cm3；

b）彎曲強度：不小于55 MPa；

c）彈性模量：不小于30GPa；

d）導(dǎo)熱系數(shù)：不大于1.2W/m·k；

e）外形輪廓度：不大于0.15mm；

f）重量：4.0±0.2kg。

4 罩體主要電性能參數(shù)分析設(shè)計

4.1 罩體壁面的主要結(jié)構(gòu)形式

罩體壁面結(jié)構(gòu)形式一般可分為：均勻單層、A型夾層、B型夾層、C型夾層、多層結(jié)構(gòu)。

（1）均勻單層結(jié)構(gòu)

單層結(jié)構(gòu)有兩種，一種為壁厚遠遠小于介質(zhì)波長，稱為薄壁結(jié)構(gòu)；另一種壁厚為介質(zhì)波長一半的整數(shù)倍，稱為半波壁厚結(jié)構(gòu)。

（2）A型夾層結(jié)構(gòu)

A型夾層結(jié)構(gòu)是由兩層比較致密的薄的表面層和低介電常數(shù)、低損耗角正切、低密度的中間層組成，這種結(jié)構(gòu)形式具有較高的強度和質(zhì)量比。

（3）B型夾層結(jié)構(gòu)

B型夾層結(jié)構(gòu)與A型夾層結(jié)構(gòu)相反，表面層采用介電常數(shù)低的介質(zhì)材料，而中間芯層采用較致密的高介電常數(shù)材料，為保證匹配，中間層介電常數(shù)為外層介電常數(shù)的均方值。

（4）C型夾層結(jié)構(gòu)

C型夾層結(jié)構(gòu)由兩個A型夾層結(jié)構(gòu)組成，加在一起共五層，結(jié)構(gòu)強度有所改善，且有較好的寬頻帶特性。

（5）含金屬物的介質(zhì)層結(jié)構(gòu)

含金屬物的介質(zhì)層結(jié)構(gòu)的介質(zhì)中的金屬物呈球粒狀或薄帶狀對稱分布，調(diào)節(jié)金屬物的形狀及分布可以有效地改善介質(zhì)層導(dǎo)納特性。

（6）金屬骨架結(jié)構(gòu)

金屬骨架結(jié)構(gòu)采用增強塑料板或布以各種結(jié)構(gòu)形式覆蓋在梁架上，用結(jié)構(gòu)梁架承載負荷，地面天線罩多采用此種結(jié)構(gòu)形式，多呈球形或半球形。

4.2 入射角分析

天線的入射角即天線孔徑射線與天線罩壁表面法線之間的夾角，如圖1所示為天線掃描角為α?xí)r的入射角θ。通過確定的天線罩的外形母線方程。根據(jù)公式（3）可以進行入射角的估算，通過公式推理可以得出入射角θ的計算公式，具體見公式3，從而計算入射角的大致估算范圍及坐標交點。

（3）

式中：D——圓心到該條入射線的垂直距離；

R——為該入射點處相對應(yīng)的圓弧半徑；

θ——為入射角。

圖1 入射角計算示意圖

4.3 罩壁厚度分析

天線罩的電氣設(shè)計，在于設(shè)計天線罩罩壁的最佳截面即天線罩的壁厚。這樣的最佳截面，達到在不同入射角的情況下，使天線孔徑面上的插入相位差和反射波得到補償，通過上述對入射角的估算分析，優(yōu)化天線罩在電性能工作區(qū)的厚度。在各種條件相對確定的情況下，確定一個合理的壁厚分布，使天線罩達到理想的電氣性能。對于實芯單層半波壁厚結(jié)構(gòu)形式天線罩來說，其壁厚估算按公式（4）進行：

（4）

其中：d—天線罩法向壁厚；

λ—工作波長；

ε—材料介電常數(shù)；

θ—入射角；

n—半波長整數(shù)倍，此處按n=1參與設(shè)計估算。

根據(jù)公式（3）估算出入射角范圍，根據(jù)入射角估算得到的天線罩壁厚范圍，天線罩材料的電氣性能和其力學(xué)性能、熱性能成反比。設(shè)計時應(yīng)兼顧各項性能；但對超音速天線罩來說，入射角的變化范圍很大，簡單地用公式（4）來計算天線罩的壁厚不能使天線罩的電氣性能達到理想狀態(tài)。必須對天線罩的壁厚進行反復(fù)修整，直到達到電氣性能要求為止。

4.4 瞄準誤差斜率估算分析

天線罩瞄準線誤差及其斜率是天線罩主要的電氣性能參數(shù)。它與天線罩壁材料的性能，氣動外形，天線罩內(nèi)天線類型及其相對位置和工作頻率及帶寬有關(guān)。在各種因素決定的情況下，天線罩的瞄準線誤差斜率的大小，可用下式估計：

（5）

式中：

F—天線罩的長細比；

ds—天線的直徑；

ε—天線罩材料的介電常數(shù)；

B—設(shè)計頻率帶寬；

λ—工作波長；

Km—由設(shè)計和加工工藝決定的品質(zhì)因素，一般取5或6；

RT—天線罩瞄準線誤差斜率的期望值。

在實際狀態(tài)下，天線罩罩壁多次反射會對天線罩性能造成影響，所以設(shè)計的天線罩罩壁的厚度往往不是最佳的。因此，天線罩最佳的瞄準線誤差及斜率還要通過適當修整天線罩的法向壁厚才能達到最佳要求。

4.5 內(nèi)廓面修模

現(xiàn)階段，工程上主要通過調(diào)整天線罩罩壁截面厚度，獲取最佳截面來改善電磁波的傳輸、幅相特性，從而提高天線罩的電氣性能指標。我們必須根據(jù)電性能要求對天線罩的內(nèi)廓面進行必要的修模，實現(xiàn)天線罩設(shè)計時的最佳截面。

4.6 功率傳輸效率分析

功率的傳輸效率為，在不帶天線罩情況下測試導(dǎo)引頭天線的功率，將此時的功率作為基準，在進行測試帶天線罩情況下的導(dǎo)引頭天線功率，進行比較分析，計算出，不帶天線罩天線與帶天線罩之間的關(guān)系，確定傳輸效率。

4.7 罩體主要參數(shù)設(shè)計

綜上所述，根據(jù)某型號導(dǎo)彈天線罩的總體設(shè)計要求，確保天線在方位角：-60°～+60°，俯仰角：-60°～+60°，天線工作范圍內(nèi)天線罩的主要參數(shù)設(shè)計如下：

a）功率傳輸系數(shù)：≥0.85；

b）壁厚：6±0.1（根據(jù)實測天線數(shù)據(jù)，進行內(nèi)廓面修模。）；

c）瞄準誤差絕對值：不大于5'；

d）瞄準誤差斜率絕對值：不大于1.5（'）/（°）（間隔為2.5°）；

e）旁瓣電平增量：不大于1.5dB；

f）滿足天線罩工作頻段；

g）天線罩工作帶寬不小于500MHz；

h）最大天線口徑間隙：不小于3mm（考慮振動條件）。

5 連接環(huán)組件與罩體膠接分析設(shè)計

5.1 連接環(huán)組件與罩體膠接分析

天線罩由透波材料制成，透波材料為脆性材料，不能對其鉆孔開槽，為避免產(chǎn)生應(yīng)力集中，采用耐高溫膠粘劑來完成天線罩與連接環(huán)的粘接。雖然碳纖維連接環(huán)體與石英陶瓷罩體的線膨脹系數(shù)在一個量級，但是在高溫下仍然存在線膨脹差異，因此，在連接環(huán)體的設(shè)計與罩體膠接過程中，要充分考慮以下幾個問題：

a）連接環(huán)材料的膨脹系數(shù)；

b）膠粘劑的耐高溫性及固化后的韌性；

c）碳纖維連接環(huán)與罩體的膠接配合間隙；

膠粘劑的選擇往往都會考慮耐高溫性，考慮高溫狀態(tài)下，膠粘劑的剪切強度，在考慮高溫性的同時，也不能忽略固化后的狀態(tài)，若高溫固化后脆性較大，膠粘劑會成為連接環(huán)因熱膨脹對罩體產(chǎn)生應(yīng)力的橋梁，若高溫固化后脆性小，韌性較大，就會對因熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力進行有效的緩沖。

5.2 連接環(huán)組件與罩體膠接設(shè)計

根據(jù)國內(nèi)外連接環(huán)組件的設(shè)計情況來看，殷鋼的線膨脹系數(shù)與石英陶瓷材料的最相近，但殷鋼材料密度很大，重量超標，選擇線膨脹系數(shù)與石英陶瓷接近的碳纖維復(fù)合材料來進行連接環(huán)設(shè)計，具體設(shè)計指標如下：

a）碳纖維連接環(huán)密度：不大于1.5 g/cm3；

b）線膨脹系數(shù)：不大于3.0×10-6 /℃；

c）膠粘間隙：0.4mm～0.5mm（考慮膠層應(yīng)力緩沖）；

d）膠粘強度：不小于1MPa（高溫300℃）；

6 總結(jié)

本文主要論述了某型號導(dǎo)彈天線罩主要參數(shù)的分析及設(shè)計過程，并針對材料的選擇、壁厚、功率傳輸效率、瞄準誤差及誤差斜率等主要參數(shù)進行了分析與設(shè)計，并對產(chǎn)品裝配過程進行了分析設(shè)計。對天線罩設(shè)計有一定知道意義。

參考文獻

[1] 張謨杰.超音速導(dǎo)彈天線罩及其設(shè)計 [J]. 制導(dǎo)與引信，2000.2.

[2] 張志斌. 某型號天線罩的電氣結(jié)構(gòu)設(shè)計 [M]. 西安電子科技大學(xué)，2008.2.

[3] 彭望澤. 防空導(dǎo)彈天線罩 [M]. 北京：宇航出版社，1993.4.

[4] 戎華. 關(guān)于天線罩電性能數(shù)值建模與仿真問題探討 [J]. 遼寧大連：現(xiàn)代防御技術(shù)，2010.8.