陶瓷基双层天线罩简化模型隔热试验与仿真

薛宇轩 宋磊 何西波 肖乃风 胡由宏

陶瓷基双层天线罩简化模型隔热试验与仿真

薛宇轩1宋磊2何西波1肖乃风1胡由宏1

（1 北京强度环境研究所，北京100076；2 中国运载火箭技术研究院，北京100076）

对某纤维增强陶瓷基复合材料双层天线罩结构开展隔热性能分析，将双层天线罩结构简化为三层平板模型，采用石英灯辐射加热方法分别对双层天线罩结构及其简化模型开展隔热试验，对比试验结果并分析差异原因，进一步采用计算方法对简化模型进行隔热性能仿真评估，对比分析热对流效应对内部温度场产生的影响，为纤维增强陶瓷基复合材料双层天线罩的隔热性能分析及结构优化设计提供指导。

纤维增强；陶瓷基复合材料；双层天线罩；隔热试验；仿真

0 引言

导弹天线罩是位于导弹最前端用于保护导引头天线的防热与承载结构壳体，主要功能包括维持弹头气动外形并承受导弹飞行过程中的恶劣热、力载荷环境。要求具备良好的耐烧蚀性能、防隔热性能、高温承载性能以及复杂环境下的透波性能[1]。伴随导弹射程与速度的不断提升，导弹天线罩在飞行过程中面临的热、力载荷环境愈发恶劣，对天线罩材料及结构形式均提出了更加严格的要求。经过半个多世纪的发展，导弹天线罩材料经历发展路线为：纤维增强塑料→陶瓷材料（氧化铝陶瓷，微晶玻璃，石英陶瓷，氮化物陶瓷）→陶瓷基复合材料[2]。近年来，纤维增强陶瓷基复合材料以其优良的抗烧蚀性能、耐热性能、高温力学性能及一体化成型技术很好的满足了高超声速飞行器天线罩的设计使用要求[3]。有关纤维增强陶瓷基复合材料的使用性能及其在导弹天线罩中的应用，国内外已经取得了一定的进展。雷景轩[4]对石英纤维增强石英陶瓷基复合材料从制备方法、纤维结构、处理工艺到发展方向等相关内容的研究进展进行了较为系统的整理总结。李斌[5]对氮化物陶瓷基复合材料天线罩的耐烧蚀、透波性能等展开了研究。周永鑫等[6]针对石英纤维增强复合材料天线罩开展了模拟烧蚀边界的热力耦合试验方法研究以及仿真计算分析。吴大方等[7-8]对高超飞行器轻质防热材料在高温环境下的隔热性能进行研究。随着导弹天线罩新型材料不断发展，导弹天线罩结构形式也在不断优化。导弹飞行速度的不断攀升，导弹的飞行热载荷环境急剧上升，传统单层天线罩结构的防隔热性能已难以满足天线罩内部雷达导引头的耐温使用要求，导弹天线罩开始向多夹层、内外罩等新型结构形式发展。柴峻[9]针对临近空间高超声速飞行器典型多层隔热结构进行了传热计算，分析了不同材料层（C/SiC陶瓷基复合材料、氧化铝纤维隔热毡、钛合金板、硅胶层）厚度变化对结构隔热性能的影响规律，以及使用耐高温复合材料作为结构层时的多层隔热结构的减重情况。孙磊[10]采用数值模拟方法对复合材料泡沫夹层结构天线罩开展传热分析，对比了复合材料泡沫夹层结构和单层结构的传热特性差异。虽然上述有关导弹天线罩新材料、新结构形式的研究已经取得了一定的进展，然而针对纤维增强陶瓷基复合材料双层天线罩结构隔热性能的研究依然相对较少。鉴于未来纤维增强陶瓷基复合材料将会成为快速、远射程、机动变轨导弹天线罩的主流应用材料，有效评估纤维增强陶瓷基复合材料双层天线罩的隔热性能对未来导弹的发展至关重要。本文对某型纤维增强陶瓷基复合材料内、外双层天线罩结构进行简化，将天线罩外罩、内罩以及导引头天线阵面分别简化为三层平板结构。采用石英灯辐射加热方法分别对双层天线罩结构及其简化模型开展隔热性能试验，对比试验数据并分析结果差异，进而采用两种不同的计算方法对简化模型在相同温度边界条件下的隔热性能开展仿真模拟，定量分析了热对流效应对结构内部温度场的影响，为纤维增强陶瓷基复合材料双层天线罩的隔热性能分析及结构优化设计提供指导。

1 双层天线罩结构及其简化模型

以某纤维增强陶瓷基复合材料双层天线罩为研究对象，天线罩结构由外罩、内罩、连接环组成，结构示意图如图1所示。外罩、内罩材料均为石英纤维增强陶瓷基复合材料，导引头主体结构天线阵面为金属材料。为了便于进行隔热分析计算，对天线罩与导引头装配模型进行简化。将天线罩外罩、内罩及导引头天线阵面简化为相同材料、相同厚度的平板结构，三层平板由外向内依次代表天线罩外罩、内罩及导引头天线阵面。外、中、内三层平板之间的距离按照天线罩外罩与内罩、内罩与天线阵面之间的最小直线距离进行简化设计。为模拟天线罩导引头舱热密封边界条件，在三块平板四周设计框架进行包覆以实现热密闭空间，框架材料亦为石英纤维增强陶瓷基复合材料。平板简化模型示意图如图2所示，组装后的平板简化模型如图3所示。为保证热载荷边界条件状态一致，平板简化模型受热面与真实双层天线罩结构外罩外表面均涂黑以确保相同表面热辐射吸收率。此外简化模型中层、内层平板表面状态与真实双层天线罩结构内罩、天线阵面表面状态均保持一致。

图1 双层天线罩示意图（非真实结构）

图2 平板简化模型示意图

图3 组装后的平板简化模型

2 天线罩及其简化模型隔热试验

2.1 热载荷模拟

以天线罩外表面温度—时间历程作为热载荷条件，采用石英灯辐射加热方法，模拟飞行过程中天线罩承受的热载荷环境。对于双层天线罩全罩结构，为了真实模拟罩体外表面沿母线方向由后端向前端气动加热逐渐严酷的状态，结合飞行状态热载荷环境，沿罩体高度方向分为三层石英灯阵，按照三种不同的温度条件施加热载荷，模拟外罩外表面气动加热。每层石英灯阵沿天线罩环向均匀对称分布，施加环向均匀热场，石英灯辐射加热范围如图4所示。需要说明的是，尽管天线罩端头驻点区域温度最高，但驻点位置处外罩厚度较大（非薄壁结构）且远离内罩及导引头天线阵面，该区域升温对整个罩体结构内部热场影响较为微弱，因此石英灯加热区域未覆盖驻点。天线罩外表面由前端至后端温度条件如图5所示，全罩隔热试验热载荷控制如图6所示。对于简化模型，选取最靠近内罩的外罩所在截面的外壁面温度作为平板简化模型的温度条件，采用平面石英灯阵列对与之平行放置的平板简化模型受热面施加热载荷，保证外表面处于均匀热场范围。简化模型隔热试验热载荷控制如图7所示，峰值温度处的最大相对偏差量为2.6%，具体见表1。

图4 全罩隔热试验加热区域示意图

图5 全罩隔热试验热载荷条件

图6 全罩隔热试验加热控制

表1 全罩隔热试验各加热区峰值温度最大相对偏差

2.2 结果对比分析

全罩隔热试验中，测量天线罩外罩内壁、内罩内外壁、雷达天线阵面等不同区域典型位置的温度响应。热载荷沿天线罩高度方向变化，且不同高度处天线罩外罩与内罩、内罩与天线阵面间的距离存在较大差异，上述情况导致天线罩内、外罩沿母线方向的温度分布以及天线阵表面不同位置的温度分布出现梯度。鉴于此，全罩隔热试验中选取内、外罩最小间距所在截面附近位置的温度，与平板简化模型隔热试验外层板内表面、中层板内外表面、内层板的温度测量数据进行对比，结果见图8及表2。

通过试验结果可知，同全罩隔热试验外罩内壁、内罩内外壁、导引头天线阵面等各处温度相比，平板简化模型隔热试验中相同位置的温度均低于双层天线罩真实结构。导致简化模型温度偏低的可能原因主要有以下几点

1）平板简化模型各层之间规则的立方体空腔与真实双层天线罩结构内部的三维空腔存在较大差异；

2）平板简化模型由外向内沿厚度方向为近似的一维热传导+平面热对流模型，与真实双层天线罩结构内部沿厚度及母线两个方向的二维热传导+三维空腔热对流模型存在较大差异。

图7 简化模型隔热试验加热控制

图8 天线罩及其简化模型隔热试验数据

表2 天线罩及其简化模型隔热试验峰值温度偏差对比

3 简化模型隔热仿真分析

为了进一步定量分析空腔热对流效应对内部温度场产生的影响，对平板简化模型开展隔热仿真分析。按照与隔热试验相同的温度边界条件对简化模型受热面施加热载荷，同时考虑外层板与中层板、中层板与内层板之间的热辐射+热对流耦合效应，计算各层板的温度。在此基础上，采用相同的计算模型，在仅考虑三层平板彼此之间热辐射效应的情况下，计算各层板的温度。提取相同时刻上述两种不同计算方法获得的温度场，如图9所示。可以看出，单纯采用热辐射计算方法获得的温度场分布仅沿一维厚度方向出现梯度，而考虑热对流效应后，两处空腔及中层板、内层板的温度场呈现二维分布。提取热辐射+热对流、仅热辐射两种不同计算方法各层板的温度仿真结果，与隔热试验结果进行对比可见如表3。

a)热辐射+热对流计算方法b)仅热辐射计算方法

表3 计算温升与试验温升偏差对比

由表3和图10可看出：1）对于外层板内壁，两种计算方法结果基本一致且均低于试验结果，偏差为7%～8%。2）对于中层板内、外壁，试验结果低于两种计算结果，热辐射计算结果略高于热辐射+热对流计算结果。主要原因是中层板升温后，与内层铝板的温差加大，而外层板与中层板均处于较高温度水平，中层板与内层铝板对流换热带走的热量大于中层板与外层板换热吸收的热量，此时的热对流会降低中层板的温度。3）对于内层铝板，试验结果与热辐射+热对流计算结果基本一致且均高于热辐射计算结果，末温偏差超过30%。可见热对流效应对内部温度场产生的影响不容忽视，若仅考虑热辐射，导引头天线的温度计算结果将远低于实际状态。

4 结论

针对某纤维增强陶瓷基复合材料双层天线罩结构隔热性能展开研究，将双层天线罩简化为三层平板结构，采用石英灯辐射加热分别对双层天线罩结构及其简化模型开展隔热试验，分析结果差异。在此基础上，按照与简化模型隔热试验相同的热边界、热载荷条件，分别采用热辐射/热对流耦合、单纯热辐射两种计算方法对平板简化模型进行仿真计算，与试验结果进行对比，分析热对流效应对双层结构内部温度场的影响。分析结果表明：1）受不同形状空腔热对流效应的影响，简化模型隔热试验外罩内壁、内罩内外壁、导引头天线阵面等位置处的温度均低于真实双层天线罩结构隔热试验结果；2）对于平板简化模型，空腔热对流效应对内部温度场的分布影响显著，若不考虑热对流效应，中层板内壁温度、内层铝板温度将分别比实际状态低12.4%、35.0%；3）对于真实双层天线罩结构，三维空腔热对流效应对天线罩内部温度场产生的影响更加显著，有待通过仿真计算进一步深入分析。虽然通过简化模型对双层天线罩结构开展了隔热性能分析，但目前的研究尚未准确构建平板简化模型与真实双层天线罩结构的映射关系，也未能全面评估热边界条件、空腔对流换热效应等因素对二者隔热性能差异的影响到底有多大。未来将进一步针对上述不足开展深入研究，以期更加全面地对纤维增强陶瓷基复合材料双层天线罩结构的防隔热设计提供指导。

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[9] 孙磊. 天线罩传热特性及结构分析[D]. 哈尔滨工业大学, 2015.

Thermal Insulation Experiment and Simulation for Ceramic Matrix Double-deck Radome with its Simplified Model

XUE Yu-xuan1SONG Lei2HE Xi-bo1XIAO Nai-feng1HU You-hong1

（1 Beijing Institute of Structure and Environment Engineering ,Beijing 100076, China; 2 China Academy of Launch Vehicle Technology ,Beijing 100076, China）

This paper analysis the thermal insulation performance of fiber reinforced ceramic matrix composite double-deck radome. For the convenience of analysis, the double-deck radome was simplified to a three-layer plate model. By using radiation heating method of quartz lamp, thermal insulation experiment was carried out on the double-deck radome and its simplified model. The experiment results were compared and the reasons for the results differences were analyzed. What’s more, simulation evaluation of thermal insulation performance for simplified model was carried out and the effect of thermal convection on inner temperature distribution was analyzed. The research can be used for thermal insulation performance analysis and structural optimization design of fiber reinforced ceramic matrix composite double-deck radome.

Fiber reinforced; Ceramic matrix composite; Double-deck radome; Thermal insulation experiment; Simulation analys

V416.4

A

1006-3919(2021)05-0040-05

10.19447/j.cnki.11-1773/v.2021.05.007

2021-03-11；

2021-06-19

薛宇轩（1989—），男，硕士，工程师，研究方向：结构热试验技术；（100076）北京市9200信箱72分箱.