某型號導(dǎo)彈天線罩主要參數(shù)分析與設(shè)計(jì)

王德細(xì) 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(jì)、傳輸效率、瞄準(zhǔn)誤差斜率等主要參數(shù)進(jìn)行了總體論述，同時(shí)分析了天線罩設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)，達(dá)到某型號天線罩設(shè)計(jì)要求，對天線罩的總體設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞： 天線罩；分析；設(shè)計(jì)

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(jī)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(jì)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(hù)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(dòng)載荷、溫度載荷和過載并保證雷達(dá)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(zhǔn)線誤差及瞄準(zhǔn)線誤差斜率等性能參數(shù)的優(yōu)劣將直接影響雷達(dá)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(jì)的關(guān)鍵之一，罩體必須具備良好的電氣性能和良好的機(jī)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(gè)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(jī)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(zhǔn)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——?dú)饪茁蕿?時(shí)材料的介電常數(shù)；

p——?dú)饪茁剩?/p>

ε——?dú)饪茁蕿闀r(shí)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(shí)材料的密度也會(huì)隨著氣孔率的提高會(huì)下降，盡管電氣性能得到提高，但會(huì)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(huì)超過10%。

3.2 機(jī)械性能

天線罩承受著氣動(dòng)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(qiáng)度及適當(dāng)?shù)膹椥阅Ａ?。陶瓷基?fù)合材料的機(jī)械性能一般用抗彎強(qiáng)度來表征，陶瓷基復(fù)合材料的抗彎強(qiáng)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(qiáng)度的關(guān)系見公式（2）所示。

（2）

式中，σ——?dú)饪茁蕿閜時(shí)的強(qiáng)度；

σ0——?dú)饪茁蕿?時(shí)的強(qiáng)度；

p——?dú)饪茁剩?/p>

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(qiáng)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(qiáng)度，具有耐高溫特性和高強(qiáng)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(diǎn)，又有氧化鋁陶瓷高強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)，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(qiáng)陶瓷基復(fù)合材料機(jī)械性能及電氣性能都比較優(yōu)越，具有強(qiáng)度大、韌性好、可靠性高的突出優(yōu)點(diǎn)，但是其工藝成型不是非常成熟，經(jīng)濟(jì)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(qiáng)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(jì)

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(yuǎn)遠(yuǎn)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(qiáng)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(gè)A型夾層結(jié)構(gòu)組成，加在一起共五層，結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(qiáng)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(fù)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(jìn)行入射角的估算，通過公式推理可以得出入射角θ的計(jì)算公式，具體見公式3，從而計(jì)算入射角的大致估算范圍及坐標(biāo)交點(diǎn)。

（3）

式中：D——圓心到該條入射線的垂直距離；

R——為該入射點(diǎn)處相對應(yīng)的圓弧半徑；

θ——為入射角。

圖1 入射角計(jì)算示意圖

4.3 罩壁厚度分析

天線罩的電氣設(shè)計(jì)，在于設(shè)計(jì)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(dá)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(bǔ)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(gè)合理的壁厚分布，使天線罩達(dá)到理想的電氣性能。對于實(shí)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(jìn)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(jì)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(jì)時(shí)應(yīng)兼顧各項(xiàng)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(jì)算天線罩的壁厚不能使天線罩的電氣性能達(dá)到理想狀態(tài)。必須對天線罩的壁厚進(jìn)行反復(fù)修整，直到達(dá)到電氣性能要求為止。

4.4 瞄準(zhǔn)誤差斜率估算分析

天線罩瞄準(zhǔn)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(dòng)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(zhǔn)線誤差斜率的大小，可用下式估計(jì)：

（5）

式中：

F—天線罩的長細(xì)比；

ds—天線的直徑；

ε—天線罩材料的介電常數(shù)；

B—設(shè)計(jì)頻率帶寬；

λ—工作波長；

Km—由設(shè)計(jì)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(zhǔn)線誤差斜率的期望值。

在實(shí)際狀態(tài)下，天線罩罩壁多次反射會(huì)對天線罩性能造成影響，所以設(shè)計(jì)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(zhǔn)線誤差及斜率還要通過適當(dāng)修整天線罩的法向壁厚才能達(dá)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(biāo)。我們必須根據(jù)電性能要求對天線罩的內(nèi)廓面進(jìn)行必要的修模，實(shí)現(xiàn)天線罩設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)的功率作為基準(zhǔn)，在進(jìn)行測試帶天線罩情況下的導(dǎo)引頭天線功率，進(jìn)行比較分析，計(jì)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(jì)

綜上所述，根據(jù)某型號導(dǎo)彈天線罩的總體設(shè)計(jì)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(jì)如下：

a）功率傳輸系數(shù)：≥0.85；

b）壁厚：6±0.1（根據(jù)實(shí)測天線數(shù)據(jù)，進(jìn)行內(nèi)廓面修模。）；

c）瞄準(zhǔn)誤差絕對值：不大于5'；

d）瞄準(zhǔn)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(dòng)條件）。

5 連接環(huán)組件與罩體膠接分析設(shè)計(jì)

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(gè)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(jì)與罩體膠接過程中，要充分考慮以下幾個(gè)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(huì)考慮耐高溫性，考慮高溫狀態(tài)下，膠粘劑的剪切強(qiáng)度，在考慮高溫性的同時(shí)，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(huì)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(huì)對因熱膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力進(jìn)行有效的緩沖。

5.2 連接環(huán)組件與罩體膠接設(shè)計(jì)

根據(jù)國內(nèi)外連接環(huán)組件的設(shè)計(jì)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(biāo)，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(jìn)行連接環(huán)設(shè)計(jì)，具體設(shè)計(jì)指標(biāo)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(qiáng)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(jì)過程，并針對材料的選擇、壁厚、功率傳輸效率、瞄準(zhǔn)誤差及誤差斜率等主要參數(shù)進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)，并對產(chǎn)品裝配過程進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)。對天線罩設(shè)計(jì)有一定知道意義。

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