某彈載天線隔熱設計仿真及試驗驗證

尤 浩

(中國電子科技集團公司第二十研究所，陜西 西安 710068)

0 引 言

隨著現代武器裝備競爭的加劇，各國對導彈的研究也越來越重視。導彈功能多、效率高、威力大的突出特點使其成為極具代表性的高科技武器之一。而各類高超音速導彈又是各類導彈中研究的重點。導彈在高速飛行過程中，在空氣的粘性阻滯作用下，空氣動能轉化為熱能，并對彈體表面進行劇烈加熱，產生氣動熱。氣動熱已成為導彈發展中最為關鍵的問題之一[1-2]。

彈載天線是導彈上接收信號的重要設備，天線罩作為天線的重要組成部分，承擔著透波和保護天線的作用；同時，天線罩也是導彈彈體結構的一部分，承擔著隔熱、導流和承載等多種功能。因此，彈載天線的天線罩要具備良好的熱防護能力、力學性能和透波率，其熱、力的防護性能成為彈載天線設計研究的重點內容之一[3-4]。

某彈載天線是某高超音速導彈的重要接收設備。在對天線進行設計時，開展天線罩的隔熱仿真分析，以驗證設計方案，避免由于設計不合理而導致的重復設計。在后期，對該天線的隔熱性能進行試驗驗證，確保其在外部嚴苛環境下可以正常工作。

1 熱傳導微分方程

熱量傳遞有3種基本方式：熱傳導、熱對流和熱輻射。熱傳導是指熱量沿著物體從高溫部分傳遞到低溫部分，可以是同一物體內部傳導，也可以是不同物體之間進行傳導，發生熱傳導的唯一條件是存在溫度差；熱對流是指通過物質流動進行熱量傳遞，通常在液體和氣體中進行；熱輻射是熱量由物體沿直線向外射出，熱輻射不需要任何介質，可以在真空中進行。

本文對某彈載天線進行隔熱設計，其主要傳熱途徑為熱傳導。為了計算天線罩的溫度場，需要建立導熱微分方程[5-6]。

在天線罩內取一表面積為S1、體積為V1的微元體，則通過微元體表面進入其內部的熱量Q1為：

(1)

上式通過高斯公式可化為：

(2)

式中：λ為所選微元體的導熱系數。

若內部熱源在單位體積、單位時間內產生的熱量為Q，則單位時間內微元體產生的熱量Q2為：

(3)

微元體溫度升高所需要的熱量Q3為：

(4)

式中：c為天線罩比熱容；ρ為天線罩密度。

由能量守恒可知：

Q1+Q2=Q3

(5)

代入上述各式并整理，有：

(6)

由于微元體是任意選取的，所以上式成立需滿足以下條件：

(7)

假設天線罩為各向同性材料，有：

div(λgrad(T))=λdiv(grad(T))=λ2T

(8)

(9)

天線罩本身不發熱，即Q=0，有：

(10)

2 某彈載天線隔熱設計

某彈載天線自帶天線罩，且與彈體共型安裝，面臨持續160 s氣動加熱400 ℃以上的外部環境要求。該天線為無源微帶天線，天線體安裝在金屬底板上，金屬底板底部出線實現電氣性能。天線罩安裝在金屬底板上，天線通過天線罩安裝到彈體上。天線外形結構如圖1 所示。

圖1 天線外形結構

在對天線罩進行設計時，天線罩厚度成為設計關鍵，厚度關系到結構強度、隔熱效果和透波率。厚度越大結構強度越高，隔熱效果也越好；但透波越差，影響天線接收性能。另外，受設計空間限制，天線罩的允許空間有限，如圖2所示。因此，只有綜合考慮上述因素，才能設計出合理的天線罩尺寸。

圖2 天線罩設計

考慮到外界溫度較高，材料的隔熱性能與其厚度相關，結合天線厚度要求，設計4 mm厚的天線罩。4 mm厚的天線罩強度足夠，對天線透波的影響有限。天線罩外形如圖3 所示。

圖3 天線罩外形

3 隔熱仿真分析

天線罩采用改性聚酰亞胺/石英玻璃布復合材料，是耐熱性能良好的聚酰亞胺高分子復合材料之一，該材料的主要熱學性能如表1所示。

表1 改性聚酰亞胺/石英玻璃布復合材料的主要熱學參數

建立理想模型，在無限長的薄板上進行熱分析，取薄板厚度為4 mm，對其進行網格劃分，如圖4所示。

圖4 網格劃分

定義初始溫度為室溫293 K，在邊界1處施加溫度載荷，給定溫度693 K(400 ℃)，其余邊界不加載溫度載荷，經過仿真計算，得到邊界1和邊界3上的溫度隨時間的變化關系(如圖5所示)，160 s末的溫度分布如圖6 所示。

圖5 溫度隨時間變化曲線

圖6 160 s后溫度分布

由圖5看出，在邊界3上，溫度隨時間的增高而增高，在160 s末，天線罩內部的溫度為425 K(148 ℃)，而單元天線的工作溫度范圍是-55 ℃～150 ℃，可以保證正常工作。

4 試驗驗證

為驗證天線在高溫下的性能，對天線隔熱性能進行驗證。通過高溫噴槍設備產生高溫火焰直接作用于天線表面，并使用熱電偶式溫度測量儀檢測天線表面溫度，使用相關測試設備監測試驗天線的工作性能，觀察天線在破壞性高溫燃燒作用下的實時工作狀態和工作數據。試驗場景如圖7所示。

圖7 試驗場景

所用的測試設備如表2所示。

表2 測試設備

測試步驟如下：

(1) 根據總體要求，初級試驗溫度為400 ℃。

(2) 對天線加熱至400 ℃，并持續加熱160 s，加熱過程中通過測試設備監測天線的工作狀態。

(3) 若天線在400 ℃時工作正常，則對天線進行400 ℃的高溫加熱，穩定160 s，監測天線的工作性能，若天線一直可以工作，進入步驟(3)；否則，說明設計不合理，需要重新進行設計，試驗結束。

(4) 測試過程中記錄實時溫度數據及天線性能變化情況。

(5) 對試驗進行總結報告。

試驗開始時，20 s溫度上升至400 ℃，天線性能有所下降，但仍可滿足指標要求；在90 s時，天線罩表面起明火，表面發黑，但性能指標未變；在90～160 s的測試時間內，天線性能略有下降，但仍可滿足指標要求。

5 結束語

通過試驗，驗證了該彈載天線在持續160 s的400 ℃高溫下仍然可以正常工作，各項指標滿足要求，同時證實了仿真的準確性。該天線在后期的靶試試驗中可以正常工作，也證明了設計的可靠性。