張 飛,鄺浩欣,渠弘毅,劉 寧,劉秀春

(北京航天長征飛行器研究所, 北京 100076)

0 引言

目前,在很多飛行器中,熱天線的使用越來越多,按照天線在飛行器上安裝的形式來分,常見的有兩種形式:一種是天線外表面嵌入艙體表面;一種是天線安裝面在艙體外壁面,天線主體凸出艙體一定高度[1-5]。前一種安裝形式,天線的熱設(shè)計(jì)主要是選擇合適的防護(hù)蓋板材料,設(shè)計(jì)合理的蓋板壁厚尺寸,從而保證防護(hù)蓋板內(nèi)部天線的工作溫度,該種方式天線的防熱設(shè)計(jì)相對容易實(shí)現(xiàn),屬于傳統(tǒng)的熱天線設(shè)計(jì)思路。后一種安裝形式,天線的熱設(shè)計(jì)既要選用合適的防護(hù)蓋板材料以及天線材料,還要考慮氣動(dòng)加熱問題,對天線外形結(jié)構(gòu)、尺寸小型化控制要求更高、難度更大[6-7]。

1 凸出艙外小型熱天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

凸出艙外熱天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn):一是凸出艙外的天線高度盡可能低,迎風(fēng)面面積盡量小,從而減小飛行過程中氣動(dòng)阻力及氣動(dòng)加熱;二是凸出艙外的防熱擋塊材料駐點(diǎn)區(qū)溫度最高,其余表面溫度相對較低,既滿足防熱擋塊整體的抗燒蝕沖刷可靠性,又能減小防熱擋塊的體積、重量,實(shí)現(xiàn)輕小型化;三是天線本體材料和安裝標(biāo)準(zhǔn)件選用耐高溫金屬材料。

按照上述熱天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn)的思路,進(jìn)行“倒F”振子天線的設(shè)計(jì)分析。

1.1 “倒F”振子天線輻射單元特點(diǎn)與防熱設(shè)計(jì)分析

“倒F”振子天線輻射單元特點(diǎn)是尺寸小、重量輕且基材為純金屬材料。輻射單元示意圖見圖1。

圖1 “倒F”振子天線輻射單元型式示意圖

“倒F”振子天線輻射單元主體為不銹鋼材料,能夠承受的溫度較高(熔點(diǎn)1 535 ℃),但是饋電點(diǎn)處射頻連接器內(nèi)外導(dǎo)體絕緣材料為聚四氟乙烯,聚四氟乙烯在235 ℃左右會(huì)發(fā)生軟化,從而影響射頻連接器的阻抗匹配性能,因此必須控制饋電點(diǎn)處的溫度不高于210 ℃,才能確保天線的可靠,這是天線輻射單元熱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

按照上述分析的凸出艙外熱天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵點(diǎn),結(jié)合“倒F”振子天線型式特點(diǎn),設(shè)計(jì)了圖2所示熱天線。

圖2 熱天線結(jié)構(gòu)及組成圖

由圖2可以看出,“倒F”振子熱天線主要由防熱擋塊、輻射單元、防熱襯套、射頻連接器及金屬底板組成。其中熱設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)是控制饋電點(diǎn)溫度不高于210 ℃。熱設(shè)計(jì)的重點(diǎn)是防熱擋塊和防熱襯套材料的選擇、結(jié)構(gòu)型式、零部件間連接裝配及在艙壁上的安裝接口設(shè)計(jì),使其滿足凸出艙體外的熱天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)。

1.2.1 防熱材料選擇與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線防熱擋塊材料選擇既要考慮材料本身的耐熱溫度及受熱時(shí)的材料強(qiáng)度,還要考慮材料機(jī)械加工性能。耐熱溫度高(不大于1 200 ℃時(shí)材料強(qiáng)度高、變形小)、燒蝕不產(chǎn)生碳化且具有良好的機(jī)械加工性能的模壓高硅氧材料成為天線防熱擋塊材料的首選。

天線擋塊結(jié)構(gòu)型式設(shè)計(jì)時(shí),需要充分考慮氣動(dòng)阻力及由此產(chǎn)生的氣動(dòng)加熱問題。防熱擋塊的迎風(fēng)面設(shè)計(jì)為流線型,擋塊整體外形設(shè)計(jì)為圓滑過渡,不能有平面臺階過渡或局部凹陷,盡可能減小氣動(dòng)阻力、局部熱應(yīng)力集中。文中設(shè)計(jì)的防熱擋塊前端為拋物線過渡的圓錐曲面,可以減小飛行時(shí)的氣動(dòng)阻力。擋塊外側(cè)壁為平滑曲面過渡,實(shí)現(xiàn)擋塊整體外形的流線型設(shè)計(jì),減小局部熱應(yīng)力集中,同時(shí)防熱擋塊設(shè)計(jì)時(shí),考慮到輻射單元的高度,在滿足天線方向圖要求的前提下,防熱擋塊應(yīng)高于輻射單元的高度,保證輻射單元不會(huì)受到熱流的直接沖刷,同時(shí)防熱擋塊不能過高,避免造成防熱擋塊本身的溫度過高,因此,經(jīng)過仿真計(jì)算和分析,選擇防熱擋塊高于輻射單元5 mm,結(jié)構(gòu)型式如圖3所示。

圖3 防熱擋塊結(jié)構(gòu)圖

分析防熱擋塊溫度場分布可知,紅色曲線所示的曲面位置為駐點(diǎn)區(qū)域,溫度最高,設(shè)計(jì)壁厚最厚,沿著拋物面中心向兩側(cè)溫度逐漸降低,從而設(shè)計(jì)壁厚逐漸減薄。

1.2.2 防熱擋塊與天線主體連接方式

從圖2和圖3可以看出,熱天線零件間的裝配連接設(shè)計(jì)難點(diǎn)主要是防熱擋塊與天線主體的連接。

考慮到蓋板為模壓高硅氧材料,采用在防熱擋塊底部鑲鋼絲螺套的方式實(shí)現(xiàn)與金屬地板之間的連接,并在防熱擋塊底部與金屬地板連接面之間涂高溫膩?zhàn)?形成了防熱擋塊與天線主體的螺紋裝配連接接口。

這樣天線主體就可以通過常規(guī)的螺釘連接實(shí)現(xiàn)與防熱擋塊的裝配。

2 防熱計(jì)算分析

2.1 熱環(huán)境計(jì)算

為了計(jì)算天線各部位的溫度場,首先將天線模型安裝在艙壁上,建立天線周圍熱環(huán)境條件,如圖4所示。

圖4 天線周圍熱環(huán)境仿真圖

從仿真結(jié)果可以看出,因防熱擋塊位于迎風(fēng)面的最前端,受熱流沖刷最嚴(yán)重,因此在防熱擋塊的前緣部位熱環(huán)境最惡劣,最大熱流約為0.5 MW/m2,受防熱擋塊的影響,在擋塊前緣的平臺區(qū)熱流也有一定的提高,最大熱流約為0.2 MW/m2,輻射單元的最大熱流約為0.13 MW/m2,防熱襯套的最大熱流峰值約為0.14 MW/m2,上述部位的最大焓值約為11.0 MJ/kg。

2.1 溫度場計(jì)算

根據(jù)天線各組成部分的材料組成,查材料手冊得到相應(yīng)材料的物性參數(shù)如表1所示。

表1 物性參數(shù)

根據(jù)天線本體和周圍的熱環(huán)境以及材料物性參數(shù),計(jì)算得到各部位的溫度為:防熱擋塊前緣最高溫度為1 010.5 ℃,擋塊前緣平臺區(qū)最高溫度為407.2 ℃,輻射單元最高溫度為300.5 ℃,防熱襯套表面最高溫度為362.6 ℃,經(jīng)仿真計(jì)算分析,天線本體材料選擇能夠滿足環(huán)境溫度要求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證文中設(shè)計(jì)的熱天線的氣動(dòng)性能及熱環(huán)境適應(yīng)性,加工實(shí)物模型進(jìn)行了電弧加熱風(fēng)洞試驗(yàn)考核。

試驗(yàn)前,在試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷牟煌瑓^(qū)域設(shè)置溫度傳感器如5所示,其中測點(diǎn)3為激光式傳感器測點(diǎn),其余測點(diǎn)為電阻式傳感器測點(diǎn),測量各區(qū)域的溫度,因天線饋電點(diǎn)位于防熱襯套內(nèi)部,溫度無法直接測量,金屬底板為良好的熱導(dǎo)體,同時(shí)溫度場施加時(shí)間較長,因此選擇金屬底板外表面靠近饋電點(diǎn)的位置進(jìn)行溫度檢測,同樣理論計(jì)算的饋電點(diǎn)位置的溫度和金屬底板靠近饋電點(diǎn)的位置溫度幾乎相同,因此選擇金屬底板外表面測點(diǎn)側(cè)面反應(yīng)天線饋電點(diǎn)的溫度。

為了更加充分的驗(yàn)證天線能夠適應(yīng)熱環(huán)境考核,在電弧風(fēng)洞試驗(yàn)過程中,通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對天線的駐波比進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測。

圖5 各測點(diǎn)溫度傳感器安裝示意圖

試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮陲L(fēng)洞試驗(yàn)中各測點(diǎn)的溫度實(shí)測值如表2所示。

表2 電弧加熱風(fēng)洞試驗(yàn)各測點(diǎn)溫度測試結(jié)果

表2中饋電點(diǎn)處振子的實(shí)測溫度為133～202 ℃,聚四氟乙烯發(fā)生軟化的溫度在235 ℃左右。試驗(yàn)?zāi)Ｐ惋L(fēng)洞試驗(yàn)前后對比示意圖如6所示。

通過表2及圖6所示的試驗(yàn)結(jié)果可以看出,文中設(shè)計(jì)的小型“倒F”熱天線結(jié)構(gòu)外形具有很好的氣動(dòng)性能及優(yōu)異的熱環(huán)境適應(yīng)性。

圖6 試驗(yàn)?zāi)Ｐ惋L(fēng)洞試驗(yàn)前后對比圖

4 結(jié)論

文中介紹的一種凸出飛行器艙體外表面安裝、外形新穎的小型化“倒F”熱天線設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),不僅滿足了輕小型(外形mm:80×50×30,重量150 g)及熱環(huán)境適應(yīng)性的飛行器要求,而且安裝簡單可靠,為熱天線設(shè)計(jì)提供了一種創(chuàng)新思路。