氮化硅材料在空空導(dǎo)彈天線罩上的應(yīng)用研究*

夏明凱，劉 誼，侯 瑞，2，劉建杰

（1中國空空導(dǎo)彈研究院，河南洛陽 471009;2航空制導(dǎo)武器航空科技重點實驗室，河南洛陽 471009）

0 引言

導(dǎo)彈天線罩是安裝在導(dǎo)彈雷達導(dǎo)引頭外面起保護作用的頭罩。隨著空空導(dǎo)彈飛行速度的提高，導(dǎo)彈天線罩需要承受的氣動力和氣動熱更加嚴酷。導(dǎo)彈天線罩更加惡劣的工作環(huán)境對天線罩材料提出了更加苛刻的要求。傳統(tǒng)的石英陶瓷天線罩材料，已經(jīng)無法滿足毫米波薄壁天線罩的設(shè)計強度要求，然而低密度氮化硅材料具有介電常數(shù)的可設(shè)計性，在保證低介電常數(shù)要求的同時具有足夠的彎曲強度，具備了在高超聲速導(dǎo)彈天線罩上使用的潛力，但其具有較高的熱導(dǎo)率和熱膨脹系數(shù)，這是其在空空導(dǎo)彈上使用的一個短板。然而在文中將通過結(jié)構(gòu)設(shè)計來消除其對整體天線罩性能的影響。

1 氮化硅材料天線罩的研究狀況

1.1 國外研究狀況

氮化硅材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能，抗雨蝕、抗熱沖擊性能優(yōu)良，并且其介電常數(shù)和介質(zhì)損耗具有可設(shè)計性，在高馬赫數(shù)導(dǎo)彈天線罩上具有很大的應(yīng)用空間，國外較早就認識到這是一種很有潛力的材料，故對其做出了較多的研究。目前，氮化硅成型技術(shù)有冷壓成型、冷等靜壓成型、凝膠注模成型、注射成型、壓濾成型、熱壓成型燒結(jié)和熱等靜壓成型等。燒結(jié)工藝有反應(yīng)燒結(jié)工藝、熱壓燒結(jié)工藝、常壓燒結(jié)工藝、氣壓燒結(jié)工藝、熱等靜壓工藝和氣氛保護燒結(jié)工藝等［1］。

常用的有氣氛壓力燒結(jié)、冷等靜壓成型、反應(yīng)燒結(jié)和熱壓燒結(jié)等工藝手段。其中美國早在20世紀80年代就開發(fā)出了“可控密度氮化硅”的制備技術(shù)［2］，并通過反應(yīng)燒結(jié)法制備出了多倍頻程的寬帶天線罩［3］。美國RAYTHEON公司于1986年利用反應(yīng)燒結(jié)法成功制備出兩個長細比為2∶4的具有馮卡門曲線外形的氮化硅天線罩［4］。2009年一份美國專利中提到制備出一種芯層為低密度氮化硅材料，外層為高密度氮化硅材料的寬帶天線罩。其中外層高密度氮化硅通過RBSN（reaction bonded silicon nitride）方法制備。天線罩尖端和根部的密度高于其它區(qū)域，通過局部增大密度的方法提高了天線罩的抗雨蝕和抵抗氣動力的能力。

1.2 國內(nèi)研究狀況

國內(nèi)對氮化硅天線罩的研究起步較晚，但也取得了不俗的成就。2003年天津大學(xué)郭文利等人［5］利用國產(chǎn)的納米氮化硅粉為原料，采用澆注模成型工藝+高純氮氣保護氣氛燒結(jié)工藝在1 510℃條件下燒結(jié)出納米多孔氮化硅材料。2009年山東工業(yè)陶瓷設(shè)計研究院制備出了雙層氮化硅天線罩頭錐，并對其進行了燒蝕透波試驗考核。芯層采用冷等靜壓成型工藝+氣氛壓力燒結(jié)工藝制備。表層材料的制備分別嘗試了化學(xué)氣相沉積法和料漿噴涂燒結(jié)法。采用料漿噴涂燒結(jié)法能夠?qū)崿F(xiàn)多層寬帶天線罩頭錐的制備。

國內(nèi)制備出的氮化硅天線罩頭錐均為單一密度、單層結(jié)構(gòu)，且介電常數(shù)穩(wěn)定性稍差。其中天津大學(xué)和山東工業(yè)陶瓷研究院根據(jù)某單位提出的要求均制備出了具有馮卡門曲線外形的低密度低介電常數(shù)的單層氮化硅天線罩頭錐。但其介電常數(shù)的穩(wěn)定性稍差，限制了其批量生產(chǎn)。由于氮化硅材料為多孔材料，國內(nèi)采用的防潮措施仍然為傳統(tǒng)的噴涂涂料的方法。低密度氮化硅孔隙較大造成涂料噴涂后的滲漏，對天線罩的透波都有影響。國內(nèi)還沒有關(guān)于變密度氮化硅天線罩頭錐的報導(dǎo)。

2 氮化硅天線罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計及其仿真計算

2.1 氮化硅天線罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1.1 氮化硅與石英陶瓷的材料參數(shù)

國內(nèi)某單位制備出的氮化硅材料的物理和力學(xué)性能與傳統(tǒng)的石英陶瓷材料比較如表1所示。

表1 氮化硅與石英陶瓷的物理和力學(xué)性能

與傳統(tǒng)的石英陶瓷材料相比，氮化硅材料的優(yōu)勢在于彎曲強度高，滿足高超聲速導(dǎo)彈天線罩飛行條件下的氣動載荷強度要求。其劣勢也很明顯，導(dǎo)熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)高出石英陶瓷材料數(shù)倍。這就需要在天線罩設(shè)計中充分考慮氮化硅材料的參數(shù)特征。

2.1.2 氮化硅天線罩結(jié)構(gòu)設(shè)計的原則

天線罩一般由雨蝕頭、頭錐（含涂層）、連接環(huán)和隔熱層組成。其結(jié)構(gòu)尺寸由氣動外形、彈徑大小、天線口徑、天線罩頭錐壁厚及氣動載荷條件等多種因素綜合確定?？紤]到天線罩和天線相對位置關(guān)系對天線罩透過率、瞄準誤差和瞄準誤差斜率等的影響，在保證天線罩頭錐與天線在導(dǎo)彈飛行過程中不發(fā)生干涉的情況下，使天線陣面距離天線罩尖端的距離保持最短。天線罩介質(zhì)頭錐長度的選擇需要兼顧頭錐根部厚度要求和頭錐根部應(yīng)力要求。

天線罩介質(zhì)頭錐尖端壁厚的設(shè)計在考慮其透波特性的同時還需要考慮導(dǎo)彈在其飛行過程中的防雨蝕能力。雨蝕作用會引起天線罩頭錐尖端壁厚減薄造成電性能下降，產(chǎn)生的裂紋會造成結(jié)構(gòu)強度下降。此外，氮化硅材料的熱膨脹系數(shù)為石英陶瓷材料的6倍，導(dǎo)彈飛行前期氮化硅頭錐尖端的溫度梯度產(chǎn)生的熱應(yīng)力是不容忽視的，需要選擇合適的壁厚。天線罩介質(zhì)頭錐主透波區(qū)壁厚的設(shè)計主要采用半波壁結(jié)構(gòu)和全波壁結(jié)構(gòu)兩種設(shè)計方法。在半波壁結(jié)構(gòu)滿足電性能指標要求和結(jié)構(gòu)強度要求的情況下，一般不采用全波壁結(jié)構(gòu)設(shè)計。限于國內(nèi)的介質(zhì)頭錐工藝水平，一般未采用多層結(jié)構(gòu)設(shè)計。

導(dǎo)彈天線罩介質(zhì)頭錐與連接環(huán)的連接方式主要有外連接和內(nèi)連接兩種方式。在高馬赫數(shù)導(dǎo)彈天線罩的設(shè)計中多采用內(nèi)連接結(jié)構(gòu)形式。天線罩介質(zhì)頭錐根部厚度由多種因素決定。首先，在保證天線和天線罩不干涉的情況下，天線口徑和彈徑尺寸決定其最大厚度。其次，介質(zhì)頭錐根部的厚度增大能夠有效降低根部應(yīng)力和頭錐與連接環(huán)膠粘劑的工作溫度。但是，根部厚度過厚會引起較大的熱應(yīng)力，故需要經(jīng)過仿真計算選擇合適的根部厚度。氮化硅介質(zhì)頭錐具有較大的導(dǎo)熱系數(shù)和熱膨脹系數(shù)，需要選擇耐高溫的粘接劑來進行介質(zhì)頭錐和連接環(huán)的粘接，并適度增大根部厚度來降低粘接劑的溫度，保證具有足夠的工作強度。但是，增大根部厚度又會帶來較大的溫度梯度產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力，需要經(jīng)過多次仿真計算選擇合適的厚度。

遵循以上設(shè)計原則設(shè)計出天線罩的初步結(jié)構(gòu)形式，通過其彈道條件確定氣動力和氣動熱載荷條件，以此作為輸入條件使用有限元軟件PATRAN/NASTRAN對其進行仿真計算，然后修正結(jié)構(gòu)尺寸，經(jīng)過多次仿真得出合理的天線罩結(jié)構(gòu)形式。

2.2 氮化硅天線罩的仿真計算

2.2.1 有限元模型及其邊界條件

在PATRAN軟件中建立天線罩二維模型，劃分網(wǎng)格，通過旋轉(zhuǎn)生成三維實體模型。為保證計算精度，有限元模型中除氮化硅頭錐尖端局部有少量五面體單元之外，其余全部為八節(jié)點的六面體單元。對應(yīng)力分布比較關(guān)心的區(qū)域局部細化網(wǎng)格。對膠層區(qū)域劃分了三層網(wǎng)格，全模型共劃分6萬多個單元。有限元模型頭錐材料為低密度氮化硅，膠層為某耐高溫硅橡膠粘接劑，連接環(huán)為某低膨脹合金，隔熱層材料為多組分配合而成的某無機燒蝕材料。對有限元模型賦材料屬性，施加邊界條件和載荷條件后提交給NASTRAN進行計算。

載荷邊界條件由某型導(dǎo)彈彈道條件計算而得，包括氣動力和氣動熱載荷條件。氣動力載荷按照分布載荷的方式進行加載。氣動熱載荷的加載，首先使用根據(jù)彈道條件計算出的天線罩內(nèi)外壁上若干孤立的溫度點，通過插值的方式在PATRAN軟件的熱分析模塊中計算出整個天線罩結(jié)構(gòu)的溫度場，然后把計算出的溫度場作為熱載荷邊界條件加載到天線罩有限元模型中。位移邊界條件為在連接環(huán)端面處限制天線罩軸向位移，其垂直和水平方向的位移約束分布施加在天線罩端面上的垂直和水平節(jié)點上，這樣會導(dǎo)致天線罩端面垂直和水平節(jié)點處的應(yīng)力值偏大，依據(jù)圣維南原理可知，對整個結(jié)構(gòu)的計算精度影響不大。

2.2.2 仿真計算結(jié)果

將計算得到的溫度場耦合到PATRAN軟件的結(jié)構(gòu)分析模塊中去，再加入力載荷，得出靜熱載荷聯(lián)合作用下的氮化硅天線罩各分組件的應(yīng)力分布情況。如圖1～圖3所示。

圖1 氮化硅頭錐的最大主應(yīng)力分布云圖

圖2 膠層剪切應(yīng)力分布云圖

由圖1可知，氮化硅頭錐在靜熱載荷聯(lián)合作用下最大主應(yīng)力的值為20.6 MPa，出現(xiàn)的位置為頭錐壁厚由厚變薄的過渡區(qū)域。氮化硅材料的彎曲強度為123 MPa，根據(jù)經(jīng)驗取其拉伸強度為60 MPa，安全系數(shù)為2.9，滿足結(jié)構(gòu)強度要求。由圖2可知，某耐高溫硅橡膠粘接劑最大剪切應(yīng)力值為1.07 MPa，膠層出現(xiàn)的最大溫度值為280℃，而此時膠層的剪切強度仍然為2 MPa，膠層計算安全系數(shù)為1.87。由圖3可知，連接環(huán)在靜熱載荷聯(lián)合作用下的Von Mise應(yīng)力值為198 MPa，連接環(huán)的最大溫度值為276℃，而連接環(huán)材料在400℃時的極限強度為400 MPa，其計算安全系數(shù)為 2.02。

從仿真計算結(jié)果來看，氮化硅天線罩結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求。

圖3 連接環(huán)Von Mise應(yīng)力分布云圖

3 結(jié)論

氮化硅天線罩國內(nèi)研制水平與國外相比具有較大差距。氮化硅材料在高馬赫數(shù)導(dǎo)彈天線罩和寬帶天線罩上具有較大的應(yīng)用潛力。國外已經(jīng)制備出多層和變密度的氮化硅天線罩，而國內(nèi)工藝水平僅停留在單層和單一密度氮化硅天線罩上。文中通過選擇合理的粘接劑和連接環(huán)材料，然后進行仿真計算，設(shè)計出了滿足某型導(dǎo)彈飛行條件的單層和單一密度的氮化硅天線罩。隨著氮化硅材料工藝的日益成熟，有望取代傳統(tǒng)的石英陶瓷材料。

［1］胡偉，鄔浩，王萍萍，等.陶瓷天線罩材料的研制進展［J］.玻璃鋼，2010（3）:16－23.

［2］SIMPSON F H，VERZEMIEK J.Controled dentisy silicon nitridematerial［C］//Proceedings of the Sixteenth on Symposium Electromagnetic Windows，1982:81 －83.

［3］KOETJE E L，SIMPSON F H，et al.Broadband high temperature radome apparatus:US，4677443［P］.1987 － 6－30.

［4］宋銀鎖.高速戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈天線罩材料綜述［J］.航空兵器，2003（1）:42－44.

［5］郭文利，徐廷獻，李愛華.納米氮化硅制備天線罩材料介電性能的研究［J］.硅酸鹽學(xué)報，2003，31（7）:698－701.