一種雷達導引頭的隔熱設計方法

茍能亮

（中國電子科技集團公司第十研究所，成都 610036）

引言

雷達導引頭由于受到平臺系統空間的限制，導致彈體內部傳熱路徑短，組件之間間隔距離短，因此彈表面上的熱量非常容易傳導至內部組件上[1]。特別是整個自主飛行過程中均在大氣層中的導引頭，氣動加熱非常劇烈，彈表面外部溫度可以超過1 000 ℃，再加上內部大功率集成封裝模塊帶來更大的熱流密度，可能致使模塊內部的元器件由于高溫而失效，影響整個導彈的性能[2]。目前解決雷達導引頭的熱設計有以下幾種方案：

1）降低導引頭初始溫度，增加初始溫度到額定溫度的增長空間[1]；

2）將熱量傳導至外部，如增加液冷或利用高導熱材料[3,4]；

3）將熱量儲存在內部，如在高熱耗器件附近增加相變儲能材料（PcM）[5,6]；

4）增加隔熱層，阻擋外部高熱進入彈體內[7,8]；

5）優化結構設計，促使結構剛強度、熱控及功能一體化設計[9]。

導引頭隔熱設計是整機熱設計非常重要的組成之一，將對雷達導引頭的性能產生至關重要的影響[10]。方偉[11]設計了一種氮化物陶瓷透波材料和二氧化硅氣凝膠的復合隔熱方案，滿足高超音速導彈的設計需要。李東輝[12]建立高溫多層隔熱傳熱的計算模型，研究了反射屏對多層結構隔熱性能的影響。徐世南[13,14]設計了一種滿足承載、熱防護、熱電轉換一體化要求的超聲速導彈多功能結構，同時使用NSGA-II算法，提高了熱防護效率，減輕結構重量。陳虓[15]研究了不同排列結構的空心球金屬材料的導熱系數、彈性模量等性能，并設計了超音速導彈的頭罩，分析得到該頭罩具有良好的力學性能和隔熱性能

本文以增加隔熱層和優化結構設計為切入點，以某導引頭為研究對象，探討了彈載雷達隔熱設計，并給出了一種行之有效的隔熱解決方案。

1 導引頭結構

導引頭主要由雷達主機、彈架、隔熱層、蓋板、螺套、調整環、螺釘等組成。彈架與前段的天線罩、后段的戰斗部連接，形成整個導彈。導引頭外形圖如圖1。

圖1 導引頭外形圖

雷達主機整體沿彈體軸向裝入彈架內，用螺套、調整環和螺釘將其緊固，彈架內粘貼隔熱材料，外部安裝兩個U型蓋板使導引頭具有性能優良的氣動外形。導引頭結構示意圖如圖2。

圖2 導引頭結構示意圖

2 隔熱設計

在理想的熱傳導中國，單位時間內通過單位截面積所傳導的熱量，正比于當地垂直于截面方向上的溫度變化率[16]。

式中：

Φ—傳遞的熱量；

A—接觸面積；

k—導熱系數；

t—溫度；

x—單位法向向量。

單層傳熱：

多層傳熱：

式中：

tw1—熱壁面的溫度；

tw(n+1)—冷壁面的溫度；

δi—壁厚；

ki—導熱系數；

Ai—壁間接觸面積；

n—多層壁層數，

由式（3）可得到，導熱系數越小，傳熱介質層數越多，接觸面積越小，傳熱量越少，可以根據這幾項因素設計導引頭的隔熱方案。

2.1 設計雙層隔熱層（圖3）

圖3 雙隔熱層示意圖

彈體內由于空間狹小，內部傳熱路徑短，沒有多余的空間增加液冷設備和風冷設備進行散熱，因此最行之有效的熱防護措施是在彈架與終端設備之間增加隔熱層。隔熱層選用的是玄武巖織物，內嵌二氧化硅氣凝膠，該種氣凝膠具有耐高溫、低密度、耐腐蝕、無毒害等優點，在航空航天產品上應用已經比較成熟[17]。

導引頭對自身的小型化和輕量化有極為苛刻的要求[18]，過多的使用隔熱材料勢必會增加導引頭的重量和裝配難度，這就要求在導引頭內部設置合理的空氣層。

本方案中U型蓋板與彈架之間形成空腔；彈架內壁粘接由玄武巖氣凝膠構成的隔熱材料，這層空腔與蓋板、彈架、隔熱材料一起形成了多層的隔熱層，能夠有效的阻隔外部高熱的傳導和熱對流。

2.2 設計半圓定位裝配法

由于雷達成像的要求，雷達主機與彈架之間需要進行高精度的同軸裝配[19]。通過在彈架內部設計接觸凸臺，以凸臺環抱的方式與雷達主機連接，使雷達主機與彈架之間的接觸由傳統形式的面接觸改為點接觸，可以極大地減少熱橋的傳熱面積。一半凸臺與雷達主機接觸為高精度定位面；另一半凸臺為緊固面，其凸臺高度比定位面的稍低，與安裝進入彈架后雷達主機在之間存在間隙。

半圓定位法示意圖如圖4。在安裝時，先用雷達主機去貼合彈架內的高精度定位面，將螺套沿著彈架凸臺的螺紋孔擰入雷達主機對應的淺圓槽內，螺套的端面與槽內的底面貼緊。螺套為外周面帶螺紋，內部有通孔的圓柱體，端面有一字槽，方便螺絲刀進行擰緊。再用螺釘穿過調整環和螺套，擰緊到雷達主機淺圓槽的螺釘孔內，形成螺套鎖緊+螺釘鎖緊的雙鎖緊結構。再用螺釘從緊固面凸臺穿過，將雷達主機的安裝位置固定，然后按照對角線安裝的順序把螺釘從所有凸臺穿過，徹底將雷達主機緊固（雙螺紋鎖緊機構如圖5所示），在確保高精度安裝的同時，極大地減小熱橋面積，同時避免了非對稱裝配過程中的安裝應力。

圖4 半圓定位法

圖5 雙螺紋鎖緊機構

3 仿真計算

整個設備熱量傳遞遵循物理守恒定律，即質量、動量和能量守恒定律，其守恒控制方程如下[9]：

質量守恒方程：

X方向動量守恒方程：

Y方向動量守恒方程：

Z方向動量守恒方程：

能量守恒方程：

式中：

ρ—材料密度；

u、v、w—X、Y、Z方向上的速度矢量；

P—壓力；

T—溫度。

導引頭環境初始溫度55 ℃，外部氣動環境溫度為一條升至450 ℃的對數曲線，總體工作時長300 s；彈架、U型蓋板、螺套、調整環、螺釘的材料均為鈦合金ZTA15，內部天線、雷達主機等內部材料均為鋁合金5A06，隔熱罩為玄武巖氣凝膠（材料及性能如表1）。

表1 選用材料及性能

建立導引頭仿真模型，充分考慮導引頭內部空氣的影響[20]，導入FLOTHERM中仿真計算，得到結果如圖6。

圖6 導引頭截面溫度云圖

根據仿真結果可以得到，在導引頭整個工作時間中，溫度由外向內傳遞。外壁最高，可達450 ℃，空氣隔熱層溫度為230 ℃左右，彈架壁厚為200 ℃左右，再到氣凝膠隔熱層為100 ℃左右，氣凝膠隔熱層和空氣有效的阻擋熱量向內傳遞。熱量最終傳導至內部雷達主機，溫度為75 ℃左右，初始溫度55 ℃，在工作時間溫度上升25 ℃，滿足整機的使用要求，由此可見導引頭整機的隔熱效果優異。

4 熱防護試驗

根據熱環境試驗條件，在導引頭內部各關鍵點布置熱電偶監測溫度，并安裝上天線罩，通過在導引頭周圍設置石英燈輻射加熱，完成整機的熱防護試驗（如圖7）。

圖7 熱防護試驗

測試點選取垂直彈軸的截面內，不同隔熱層上的點，各點位說明如表2、圖8～10。

圖8 測溫點的位置

表2 測溫點位置

根據仿真和試驗結果，定義隔熱效率，反應在導引頭工作時間300 s結束后，彈體表面熱量傳導至內部雷達主機的情況，即A、c點之間的溫差與A點上升的溫度增量之比：

圖9 測溫點仿真曲線

圖10 測溫點試驗曲線

各測試點試驗溫度值見表3、表4。

表3 各測試點仿真溫度

表4 各測試點試驗溫度

這三個測溫點中：A點的仿真結果溫度與試驗結果溫度幾乎一致，是因為450 ℃作為輸入溫度，在仿真和試驗過程中都作為控制條件。B點和c點的仿真結果溫度均略高于試驗溫度，但數據差值在6 %以內，說明仿真結果能夠比較準確的體現真實情況。

A點在0～120 s時，溫度急速上升120～300 s上升速率較為平緩；B點在前200 s內溫度上升速率比較均勻，200 s之后溫度上升速率變得相對平緩；c點在整個導引頭工作時間內，溫度上升速率均比較均勻。整體的隔熱層對熱量傳遞速度有明顯的減緩。

玄武巖氣凝膠的導熱系數比空氣底30 %（見表1）。熱量從A點傳導至B點，隔熱層為U型蓋板和空氣，溫度下降了237.4 ℃；從B點傳導至c點，隔熱層為彈架壁厚和氣凝膠隔熱層，溫度下降了133.2 ℃；內部雷達主機的溫度由初始的55 ℃度上升到79.5 ℃，溫度增加24.5 ℃，滿足大部分器件和材料的使用要求。在導引頭工作的300 s時間內，整個隔熱層隔離的溫度差達到370.6 ℃，整體的隔熱效率達到90 %以上，有效的保護了內部設備的元器件不被高溫炙烤而失效。

5 結論

1）通過設計氣凝膠-空氣雙隔熱層，實現大幅提高整機的熱阻；設計以環抱雷達主機的半圓定位裝配法，在實現高精度同軸安裝的同時減小雷達主機與彈架之間的接觸面積。

2）通過數模仿真計算和實物樣機測試兩種方式進行驗證，得到的結果顯示在導引頭工作時間300 s內，隔熱溫度超過370 ℃，隔熱效率達到93 %，充分證明這種隔熱設計方法的可行性和有效性。

3）本隔熱設計方法將對小空間高模塊密度設備的隔熱設計起到一定的借鑒作用。