短時高溫工作的透波隔熱天線罩設計

李燄

摘要：針對高超音速導彈上使用的短時高溫工作天線，文章改進了透波隔熱罩結構設計，通過選用透波隔熱材料，采用更合理的熱防護結構，實現(xiàn)了天線罩小型化設計，在滿足熱防護和電性能的同時，有效縮減了天線罩尺寸和重量。

關鍵詞：高超音速導彈；短時間高溫；天線罩；熱防護結構

1 高超音速導彈研究背景

隨著技術的發(fā)展，戰(zhàn)術導彈向高速、高精度、高機動性等方向發(fā)展，速度越來越快，各類先進戰(zhàn)術導彈的飛行速度己達4Ma以上，新一代導彈再入速度可達十幾到幾十個馬赫。高超音速導彈在大氣層中飛行時，存在嚴重的氣動力和氣動加熱現(xiàn)象，尤其再入段時彈體表面溫度可達1000℃以上。高溫天線罩是高超導彈的重要組成部分，是保護天線本體不受嚴酷環(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)異的力學性能和電氣性能等，天線罩設計技術也成為高溫天線設計的研宄重點之一。

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)歷了從纖維增強塑料，到陶瓷材料，再到陶瓷基復合材料的過程，目前以各種增強陶瓷基復合材料為主；隔熱材料主要用于隔熱，關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構研究，目前高溫天線罩大都為多層隔熱透波結構，特點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型夾層結構，以及近些年發(fā)展起來的兩層天線罩結構。

作為天線的保護部件，高速導彈天線透波隔熱天線罩需具備多方面綜合性能，結構設計的重點和難點通常是在保證強度和電氣性能前提下的隔熱和輕量化設計。在某型高速彈載接收天線研制中，文章針對該天線工作時間短、環(huán)境溫度高的特點，利用一維傳熱理論，對熱防護結構進行改進，設計了減薄內層的熱防護結構，合理選擇了外殼和隔熱層材料，并通過系統(tǒng)仿真、實物測試等方式，驗證了該透波隔熱天線罩結構的合理性和可行性。

2 某天線隔熱透波罩的設計

某型高速彈載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微帶板，微帶板上帶片狀金屬振子，微帶和振子共同構成天線輻射體，輻射體總高約3mm，通過安裝在底面的高頻插座實現(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的高速氣動力和加熱作用，氣動加熱將使外表面溫度在短時間內達到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；為避免受高溫熱沖擊時，由于金屬的熱膨脹線性系數(shù)與非金屬材料相差過大造成的應力沖擊，螺釘及插座內導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的實際溫度，保證輻射體處于正常工作溫度內，必須采用隔熱透波天線罩，設計熱防護結構。

2.1 天線罩整體結構改進

2.1.1 常用高溫天線罩結構形式

目前，通常高溫天線罩熱防護結構均為夾層形式，常見的結構有A，B，C3類。A型夾層結構由低介電常數(shù)、低導熱率、低密度的中間芯層（如泡沫常或蜂窩狀隔熱結構材料）和兩層致密的表面薄層（耐高溫蒙皮）組成；B夾層結構則相反，是由兩層低介電常數(shù)、低密度的表面層和致密厚實的芯層組成；C夾層結構（5層）則由2層低介電常數(shù)、低導熱率的中間芯層和3層致密的表面薄層組成，可看作兩個A夾層結構的組合。其中最常用的是A型和C型結構。近些年，隨著新材料發(fā)展，兩層型結構（外蒙皮加較厚的隔熱內層）也應用較多，它可以看作A夾層結構減去了內蒙皮的一種形式。

國內外都對高溫天線罩的結構進行了大量研究和應用，如美國的哈姆導彈天線罩成功地運用了A型夾層結構，內層為蜂窩材料；美國HughesAircraft公司Leggett等研制出了C型夾層結構天線罩，總厚度9mm，具有良好的透波性能；國內辦法強研宄了ZrP207/Si02/ZrP207體系A型夾層結構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兩層型結構的高溫天線罩，取得了良好的隔熱透波效果。

2.1.2 本天線罩結構改進的分析

結合本天線工作的特點，分析以上各種熱防護結構就會發(fā)現(xiàn)：本天線體尺寸小，工作環(huán)境為短時高溫狀態(tài)，以上各種常用結構防護能力雖好，卻均顯得尺寸太大、重量太重，天線罩厚度將遠大于天線體本身。因此，有必要對現(xiàn)有的隔熱透波結構進行改進。

現(xiàn)有的各型天線罩結構，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，利用材料具有低導熱系數(shù)特點，隔斷外界高溫對天線內部的影響；但對本天線的而言，由于高溫工作時間短，按非穩(wěn)態(tài)傳熱理論，天線內的溫度梯度將非常大，且并不完全由材料自身的導熱系數(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)導熱理論，對處于高溫流體中的固體，在導熱初始階段，天線內部的溫度梯度主要由畢渥數(shù)價（內部單位面積熱阻和表面對流熱阻之比）決定，價越大，天線內部溫度梯度越大，當價>0.1時，天線內部就將出現(xiàn)明顯的溫度梯度，也即天線內熱阻越大，短時間內溫度階梯越大。在短時間內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比長寬尺寸小，初步可行性分析中將其簡化為一維導熱，只考慮天線厚度方向的導熱特性，以輻射體為主要研究對象。為簡化估算，熱阻只估算到量級（由于畢渥數(shù)是比較出的無量綱值，進行可行性分析精度己足夠同時，將天線罩簡化為僅一層陶瓷罩，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流熱阻）；（天線罩內熱阻）；及（天線罩與內部空氣介質之間的對流熱阻）；及（內部空氣本身的熱阻及（內部空氣與輻射體之間的對流熱阻）；仍（福射體內部熱阻）。

將天線視為一個整體，則等效畢渥數(shù)簡化表達式為：

根據(jù)分析和工程經(jīng)驗，取各熱阻的數(shù)量級如下：

量級（依飛行速度及大氣狀態(tài)不同有所差異）；

量級（對增強陶瓷復合材料）；

及，及：介于量級（與材料及表面狀態(tài)相關）；

及：按及估算，介于量級；

（delt：空氣厚度，lamd：空氣導熱系數(shù)，丄有效接觸面積）

及：取及二級，約為HT3K/W量級；輻射體厚度；材料導熱系數(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，估算價仍將遠大于0.1，這表示短時間內，在天線厚度方向，天線內部的溫度梯度較大，隨厚度變化溫度將快速降低，輻射體的實際溫度可以控制在允許范圍內。

2.1.3 改進后的天線罩結構形式

以上分析也表明，對本天線這樣的短時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，并不需要過厚的隔熱層。

設計天線罩結構形式如圖4所示，為改進型的兩層型天線罩，外層為承載層，承受高溫工作階段的力學和熱學載荷；內層為減薄的隔熱層，在內層與輻射體之間保留薄空氣層，以增加內部熱阻，提高在短時間內天線內部溫度階梯。本天線實際熱防護結構如圖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、抗熱沖擊性能和結構強度，其設計和材料選擇原則類似常規(guī)的兩層型結構天線罩，宜采用增強陶瓷基復合材料。目前主要有A1203基復合材料、石英陶瓷基復合材料和增強氮化物陶瓷復合材料等。一般情況下，石英纖維增強氮化物陶瓷復合材料具有良好的耐熱能力、低介電常數(shù)、高強度和耐雨蝕等優(yōu)點，綜合性能相對最佳，通常是外層的優(yōu)選材料；但對于本天線，由于外側加溫迅速且溫度高達1000℃，石英纖維增強氮化物陶瓷表面會發(fā)生燒蝕現(xiàn)象，導致透波性能發(fā)生突變；實物試驗也證明了這一點，石英纖維增強氮化物陶瓷高溫燒蝕試驗結果如圖6所示，表面燒蝕明顯。因此，本天線罩外殼采用了A1203基復合材料，利用其高溫下性能穩(wěn)定好的優(yōu)點，避免了高溫下電性能的變化。

2.3 天線罩內層設計

天線罩內層無需直接承受氣動環(huán)境作用，材料在剛強度方面要求不高，但需有低的熱導率，阻止熱量傳導至內部。本天線罩內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層也有增加接觸熱阻的作用，并不需要太厚。設計中采用了石英纖維增強二氧化硅氣凝膠復合材料，室溫下的熱導率不大于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。本天線罩內層厚度僅為1mm，遠低于常規(guī)兩層結構的天線罩內層。

3 仿真與試驗驗證

為驗證改進型的透波隔熱罩的有效性，對設計方案進行了數(shù)值仿真分析；對樣機進行了模擬高溫試驗；對天線產品進行了全面環(huán)境試驗和實彈試飛等驗證工作。

圖7為天線方案仿真結果，圖中曲線為天線輻射體上表面溫度曲線，可以看出，在60s時間內，溫度并未達到250℃，滿足使用要求。

對天線樣機進行了模擬高溫試驗，試驗中，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加熱，控制表面溫度為1〇〇〇℃，高溫測試持續(xù)70s。試驗期間測試天線電流無明顯變化；高溫試驗完成后，天線開蓋檢查內部輻射體及焊點無變形、無熔融痕跡、無明顯變色；試驗完成后測試天線性能無變化。圖8為樣機進行模擬高溫試驗場景。

天線產品實物如圖9所示，天線罩總厚度（含空氣層）僅為4mm，遠低于原有結構形式的天線罩。該天線一次性通過了各項環(huán)境試驗和實裝飛行試驗，并己經(jīng)使用多年，沒有出現(xiàn)過功能性故障，充分驗證了改進型隔熱透波天線罩的有效性和可靠性。

4 結語

高超音速導彈用天線罩，除需滿足耐高溫和耐力學環(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。在工程實踐中，針對短時高溫工作的天線特點，我們對此類高溫天線罩結構進行了改進，改進后的天線罩具有以下特點：兩層結構，但內層減薄；保留空氣層。

此改進結構可大幅度減小天線罩尺寸重量，降低成本，基本思想是在短時間內利用各層自身熱阻和接觸熱阻，在天線內形成溫度梯度。迄今，該結構己經(jīng)應用在多個類似的高溫天線產品中。經(jīng)過多年驗證，結果證明了其有效性和可靠性。并在實踐中繼續(xù)改進，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層由兩個薄層構成3層形式。隨著類似工程需求的增加，此結構形式可繼續(xù)擴大應用，并進一步發(fā)展出更加優(yōu)良的結構形式。

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