某弹载天线隔热设计仿真及试验验证

尤 浩

(中国电子科技集团公司第二十研究所,陕西 西安 710068)

0 引言

随着现代武器装备竞争的加剧,各国对导弹的研究也越来越重视。导弹功能多、效率高、威力大的突出特点使其成为极具代表性的高科技武器之一。而各类高超音速导弹又是各类导弹中研究的重点。导弹在高速飞行过程中,在空气的粘性阻滞作用下,空气动能转化为热能,并对弹体表面进行剧烈加热,产生气动热。气动热已成为导弹发展中最为关键的问题之一。

弹载天线是导弹上接收信号的重要设备,天线罩作为天线的重要组成部分,承担着透波和保护天线的作用;同时,天线罩也是导弹弹体结构的一部分,承担着隔热、导流和承载等多种功能。因此,弹载天线的天线罩要具备良好的热防护能力、力学性能和透波率,其热、力的防护性能成为弹载天线设计研究的重点内容之一。

某弹载天线是某高超音速导弹的重要接收设备。在对天线进行设计时,开展天线罩的隔热仿真分析,以验证设计方案,避免由于设计不合理而导致的重复设计。在后期,对该天线的隔热性能进行试验验证,确保其在外部严苛环境下可以正常工作。

1 热传导微分方程

热量传递有3种基本方式:热传导、热对流和热辐射。热传导是指热量沿着物体从高温部分传递到低温部分,可以是同一物体内部传导,也可以是不同物体之间进行传导,发生热传导的唯一条件是存在温度差;热对流是指通过物质流动进行热量传递,通常在液体和气体中进行;热辐射是热量由物体沿直线向外射出,热辐射不需要任何介质,可以在真空中进行。

本文对某弹载天线进行隔热设计,其主要传热途径为热传导。为了计算天线罩的温度场,需要建立导热微分方程。

在天线罩内取一表面积为、体积为的微元体,则通过微元体表面进入其内部的热量为:

上式通过高斯公式可化为:

式中:为所选微元体的导热系数。

若内部热源在单位体积、单位时间内产生的热量为,则单位时间内微元体产生的热量为:

微元体温度升高所需要的热量为:

式中:为天线罩比热容;为天线罩密度。

由能量守恒可知:

代入上述各式并整理,有:

由于微元体是任意选取的,所以上式成立需满足以下条件:

假设天线罩为各向同性材料,有:

天线罩本身不发热,即=0,有:

2 某弹载天线隔热设计

某弹载天线自带天线罩,且与弹体共型安装,面临持续160 s气动加热400℃以上的外部环境要求。该天线为无源微带天线,天线体安装在金属底板上,金属底板底部出线实现电气性能。天线罩安装在金属底板上,天线通过天线罩安装到弹体上。天线外形结构如图1所示。

图1 天线外形结构

在对天线罩进行设计时,天线罩厚度成为设计关键,厚度关系到结构强度、隔热效果和透波率。厚度越大结构强度越高,隔热效果也越好;但透波越差,影响天线接收性能。另外,受设计空间限制,天线罩的允许空间有限,如图2所示。因此,只有综合考虑上述因素,才能设计出合理的天线罩尺寸。

图2 天线罩设计

考虑到外界温度较高,材料的隔热性能与其厚度相关,结合天线厚度要求,设计4 mm 厚的天线罩。4 mm 厚的天线罩强度足够,对天线透波的影响有限。天线罩外形如图3所示。

图3 天线罩外形

3 隔热仿真分析

天线罩采用改性聚酰亚胺/石英玻璃布复合材料,是耐热性能良好的聚酰亚胺高分子复合材料之一,该材料的主要热学性能如表1所示。

表1 改性聚酰亚胺/石英玻璃布复合材料的主要热学参数

建立理想模型,在无限长的薄板上进行热分析,取薄板厚度为4 mm,对其进行网格划分,如图4所示。

图4 网格划分

定义初始温度为室温293 K,在边界1处施加温度载荷,给定温度693 K(400℃),其余边界不加载温度载荷,经过仿真计算,得到边界1和边界3上的温度随时间的变化关系(如图5所示),160 s末的温度分布如图6所示。

图5 温度随时间变化曲线

图6 160 s后温度分布

由图5看出,在边界3上,温度随时间的增高而增高,在160 s 末,天线罩内部的温度为425 K(148℃),而单元天线的工作温度范围是-55℃～150℃,可以保证正常工作。

4 试验验证

为验证天线在高温下的性能,对天线隔热性能进行验证。通过高温喷枪设备产生高温火焰直接作用于天线表面,并使用热电偶式温度测量仪检测天线表面温度,使用相关测试设备监测试验天线的工作性能,观察天线在破坏性高温燃烧作用下的实时工作状态和工作数据。试验场景如图7所示。

图7 试验场景

所用的测试设备如表2所示。

表2 测试设备

测试步骤如下:

(1) 根据总体要求,初级试验温度为400℃。

(2) 对天线加热至400℃,并持续加热160 s,加热过程中通过测试设备监测天线的工作状态。

(3) 若天线在400℃时工作正常,则对天线进行400℃的高温加热,稳定160 s,监测天线的工作性能,若天线一直可以工作,进入步骤(3);否则,说明设计不合理,需要重新进行设计,试验结束。

(4) 测试过程中记录实时温度数据及天线性能变化情况。

(5) 对试验进行总结报告。

试验开始时,20 s温度上升至400℃,天线性能有所下降,但仍可满足指标要求;在90 s时,天线罩表面起明火,表面发黑,但性能指标未变;在90～160 s的测试时间内,天线性能略有下降,但仍可满足指标要求。

5 结束语

通过试验,验证了该弹载天线在持续160 s的400℃高温下仍然可以正常工作,各项指标满足要求,同时证实了仿真的准确性。该天线在后期的靶试试验中可以正常工作,也证明了设计的可靠性。