短时高温工作的透波隔热天线罩设计

    李燄

    

    

    

    摘要：针对高超音速导弹上使用的短时高温工作天线，文章改进了透波隔热罩结构设计，通过选用透波隔热材料，采用更合理的热防护结构，实现了天线罩小型化设计，在满足热防护和电性能的同时，有效缩减了天线罩尺寸和重量。

    关键词：高超音速导弹；短时间高温；天線罩；热防护结构

    1 高超音速导弹研究背景

    随着技术的发展，战术导弹向高速、高精度、高机动性等方向发展，速度越来越快，各类先进战术导弹的飞行速度己达4Ma以上，新一代导弹再入速度可达十几到几十个马赫。高超音速导弹在大气层中飞行时，存在严重的气动力和气动加热现象，尤其再入段时弹体表面温度可达1000℃以上。高温天线罩是高超导弹的重要组成部分，是保护天线本体不受严酷环境影响、正常工作的屏障。高温天线罩须具备良好的综合性能，具有耐高温、耐烧蚀、优异的力学性能和电气性能等，天线罩设计技术也成为高温天线设计的研宄重点之一。

    高温天线罩的研宄主要集中于两方面，一方面是材料研宄，主要包括天线罩外壳材料和高温隔热材料，外壳材料主要用以承受环境载荷，关键性能是耐高温、透波和承载能力，其发展经历了从纤维增强塑料，到陶瓷材料，再到陶瓷基复合材料的过程，目前以各种增强陶瓷基复合材料为主；隔热材料主要用于隔热，关键性能是隔热和透波能力，目前以气凝胶类材料和纤维编织类材料为主。另一方面是天线罩结构研究，目前高温天线罩大都为多层隔热透波结构，特点是将不同性能的材料组合在一起，使天线罩具有良好的综合性能，常用有A型、B型、C型夹层结构，以及近些年发展起来的两层天线罩结构。

    作为天线的保护部件，高速导弹天线透波隔热天线罩需具备多方面综合性能，结构设计的重点和难点通常是在保证强度和电气性能前提下的隔热和轻量化设计。在某型高速弹载接收天线研制中，文章针对该天线工作时间短、环境温度高的特点，利用一维传热理论，对热防护结构进行改进，设计了减薄内层的热防护结构，合理选择了外壳和隔热层材料，并通过系统仿真、实物测试等方式，验证了该透波隔热天线罩结构的合理性和可行性。

    2 某天线隔热透波罩的设计

    某型高速弹载接收天线的天线体电气形式如图1所示，为带振子的平板微带天线，基本布局为在金属底板上安装一个微带板，微带板上带片状金属振子，微带和振子共同构成天线辐射体，辐射体总高约3mm，通过安装在底面的高频插座实现馈电。

    天线自带隔热透波天线罩，天线罩与弹体共形并安装在弹体窗口上；在高温工作阶段，外表面将承受持续约60s的高速气动力和加热作用，气动加热将使外表面温度在短时间内达到1000℃。

    为提高天线体自身耐热能力，微带板采用Tf-2微带基板制造，可以在250℃高温下正常工作；为避免受高温热冲击时，由于金属的热膨胀线性系数与非金属材料相差过大造成的应力冲击，螺钉及插座内导体均用低膨胀合金制造，与非金属材料热匹配良好。

    为了降低天线体工作时的实际温度，保证辐射体处于正常工作温度内，必须采用隔热透波天线罩，设计热防护结构。

    2.1 天线罩整体结构改进

    2.1.1 常用高温天线罩结构形式

    目前，通常高温天线罩热防护结构均为夹层形式，常见的结构有A，B，C3类。A型夹层结构由低介电常数、低导热率、低密度的中间芯层（如泡沫常或蜂窝状隔热结构材料）和两层致密的表面薄层（耐高温蒙皮）组成；B夹层结构则相反，是由两层低介电常数、低密度的表面层和致密厚实的芯层组成；C夹层结构（5层）则由2层低介电常数、低导热率的中间芯层和3层致密的表面薄层组成，可看作两个A夹层结构的组合。其中最常用的是A型和C型结构。近些年，随着新材料发展，两层型结构（外蒙皮加较厚的隔热内层）也应用较多，它可以看作A夹层结构减去了内蒙皮的一种形式。

    国内外都对高温天线罩的结构进行了大量研究和应用，如美国的哈姆导弹天线罩成功地运用了A型夹层结构，内层为蜂窝材料；美国HughesAircraft公司Leggett等研制出了C型夹层结构天线罩，总厚度9mm，具有良好的透波性能；国内办法强研宄了ZrP207/Si02/ZrP207体系A型夹层结构平板试样的宽频透波性能；方伟也曾经在弹载天线研制中采用过两层型结构的高温天线罩，取得了良好的隔热透波效果。

    2.1.2 本天线罩结构改进的分析

    结合本天线工作的特点，分析以上各种热防护结构就会发现：本天线体尺寸小，工作环境为短时高温状态，以上各种常用结构防护能力虽好，却均显得尺寸太大、重量太重，天线罩厚度将远大于天线体本身。因此，有必要对现有的隔热透波结构进行改进。

    现有的各型天线罩结构，虽然具体形式各不相同，但起主要隔热作用的都是隔热材料层，利用材料具有低导热系数特点，隔断外界高温对天线内部的影响；但对本天线的而言，由于高温工作时间短，按非稳态传热理论，天线内的温度梯度将非常大，且并不完全由材料自身的导热系数决定，利用这一理论，可以大幅度减少天线罩厚度。

    按非稳态导热理论，对处于高温流体中的固体，在导热初始阶段，天线内部的温度梯度主要由毕渥数价（内部单位面积热阻和表面对流热阻之比）决定，价越大，天线内部温度梯度越大，当价>0.1时，天线内部就将出现明显的温度梯度，也即天线内热阻越大，短时间内温度阶梯越大。在短时间内决定辐射体温度的因素中，除天线罩材料本身的热阻外，各层材料之间的接触热阻，也是不可忽略的。

    由于本天线高度尺寸远比长宽尺寸小，初步可行性分析中将其简化为一维导热，只考虑天线厚度方向的导热特性，以辐射体为主要研究对象。为简化估算，热阻只估算到量级（由于毕渥数是比较出的无量纲值，进行可行性分析精度己足够同时，将天线罩简化为仅一层陶瓷罩，并在天线罩与福射体之间，留出一层较薄的空气层，则需分析的热阻包括以下6处，如图3所不。

    外（天线罩外层与空气之间的对流热阻）；（天线罩内热阻）；及（天线罩与内部空气介质之间的对流热阻）；及（内部空气本身的热阻及（内部空气与辐射体之间的对流热阻）；仍（福射体内部热阻）。

    将天线视为一个整体，则等效毕渥数简化表达式为：

    根据分析和工程经验，取各热阻的数量级如下：

    量级（依飞行速度及大气状态不同有所差异）；

    量级（对增强陶瓷复合材料）；

    及，及：介于量级（与材料及表面状态相关）；

    及：按及估算，介于量级；

    （delt：空气厚度，lamd：空气导热系数，丄有效接触面积）

    及：取及二級，约为HT3K/W量级；辐射体厚度；材料导热系数）

    从以上分析可看出，即便在只考虑一层陶瓷天线罩情况下，估算价仍将远大于0.1，这表示短时间内，在天线厚度方向，天线内部的温度梯度较大，随厚度变化温度将快速降低，辐射体的实际温度可以控制在允许范围内。

    2.1.3 改进后的天线罩结构形式

    以上分析也表明，对本天线这样的短时间高温工作天线而言，除材料本身的隔热能力外，各层之间接触热阻以及空气层热阻可起到重要作用，适当增加接触热阻和空气层，能降低工作期间天线辐射体温度，并不需要过厚的隔熱层。

    设计天线罩结构形式如图4所示，为改进型的两层型天线罩，外层为承载层，承受高温工作阶段的力学和热学载荷；内层为减薄的隔热层，在内层与辐射体之间保留薄空气层，以增加内部热阻，提高在短时间内天线内部温度阶梯。本天线实际热防护结构如图5所示。

    2.2 天线罩外层材料选择

    天线罩外层需承载环境载荷，需要具备良好的耐高温性能、透波性能、抗热冲击性能和结构强度，其设计和材料选择原则类似常规的两层型结构天线罩，宜采用增强陶瓷基复合材料。目前主要有A1203基复合材料、石英陶瓷基复合材料和增强氮化物陶瓷复合材料等。一般情况下，石英纤维增强氮化物陶瓷复合材料具有良好的耐热能力、低介电常数、高强度和耐雨蚀等优点，综合性能相对最佳，通常是外层的优选材料；但对于本天线，由于外侧加温迅速且温度高达1000℃，石英纤维增强氮化物陶瓷表面会发生烧蚀现象，导致透波性能发生突变；实物试验也证明了这一点，石英纤维增强氮化物陶瓷高温烧蚀试验结果如图6所示，表面烧蚀明显。因此，本天线罩外壳采用了A1203基复合材料，利用其高温下性能稳定好的优点，避免了高温下电性能的变化。

    2.3 天线罩内层设计

    天线罩内层无需直接承受气动环境作用，材料在刚强度方面要求不高，但需有低的热导率，阻止热量传导至内部。本天线罩内层材料选择原则也与常规两层型天线罩相同，不同之处在于本天线罩内层也有增加接触热阻的作用，并不需要太厚。设计中采用了石英纤维增强二氧化硅气凝胶复合材料，室温下的热导率不大于0.02W/nrK，介电常数不大于2.0，损耗正切不大于0.004，综合性能良好。本天线罩内层厚度仅为1mm，远低于常规两层结构的天线罩内层。

    3 仿真与试验验证

    为验证改进型的透波隔热罩的有效性，对设计方案进行了数值仿真分析；对样机进行了模拟高温试验；对天线产品进行了全面环境试验和实弹试飞等验证工作。

    图7为天线方案仿真结果，图中曲线为天线辐射体上表面温度曲线，可以看出，在60s时间内，温度并未达到250℃，满足使用要求。

    对天线样机进行了模拟高温试验，试验中，将天线四周绝热包裹，仅露出天线罩正面以模拟安装状态；采用石英红外射灯阵列模拟气动加热，控制表面温度为1〇〇〇℃，高温测试持续70s。试验期间测试天线电流无明显变化；高温试验完成后，天线开盖检查内部辐射体及焊点无变形、无熔融痕迹、无明显变色；试验完成后测试天线性能无变化。图8为样机进行模拟高温试验场景。

    天线产品实物如图9所示，天线罩总厚度（含空气层）仅为4mm，远低于原有结构形式的天线罩。该天线一次性通过了各项环境试验和实装飞行试验，并己经使用多年，没有出现过功能性故障，充分验证了改进型隔热透波天线罩的有效性和可靠性。

    4 结语

    高超音速导弹用天线罩，除需满足耐高温和耐力学环境要求，还必须满足电气性能及高温稳定性等方面的要求。在工程实践中，针对短时高温工作的天线特点，我们对此类高温天线罩结构进行了改进，改进后的天线罩具有以下特点：两层结构，但内层减薄；保留空气层。

    此改进结构可大幅度减小天线罩尺寸重量，降低成本，基本思想是在短时间内利用各层自身热阻和接触热阻，在天线内形成温度梯度。迄今，该结构己经应用在多个类似的高温天线产品中。经过多年验证，结果证明了其有效性和可靠性。并在实践中继续改进，出现了多种变型，如仅保留天线罩外层陶瓷和空气层的单层形式和内层由两个薄层构成3层形式。随着类似工程需求的增加，此结构形式可继续扩大应用，并进一步发展出更加优良的结构形式。

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