彈載遙測天線抗高過載研究

彌豆鵬,陳 樺,胡 杰,2,何偉棟

(1.西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,陜西 西安 710021;2.中國兵器工業(yè)試驗(yàn)測試研究院,陜西 華陰 714200)

天線是通信系統(tǒng)的重要組成部分,其主要作用是發(fā)射和接收電磁波。彈載天線是指炮彈上安裝的天線,主要作用是把炮彈待測設(shè)備的參數(shù)以無線電波的形式輻射到空中,配合其他的無線電設(shè)備來實(shí)現(xiàn)炮彈系統(tǒng)和其他通信系統(tǒng)信息交換的作用[1]。在炮射環(huán)境中,影響天線功能的主要問題是彈體在膛內(nèi)的高過載。實(shí)彈過載環(huán)境分析表明:發(fā)射的過載環(huán)境由高頻加速度波和低頻加速度波疊加而成,發(fā)射的最大過載加速度峰值在上萬g左右[2]。如155 mm榴彈炮發(fā)射最大過載達(dá)到104g以上,沖擊峰值持續(xù)時(shí)間幾毫秒[3]。查閱文獻(xiàn)可知,采用共形天線,可以解決一般彈載天線的抗高過載問題[4],且可以與彈體表面保持一致,在提高彈體氣動(dòng)性能的同時(shí)不影響天線本身的性能[5];對安裝位置進(jìn)行選擇時(shí),梁毅[6]通過分析認(rèn)為火藥瞬間燃燒,火炮底部溫度較高,所以彈體上的彈載天線不可能放在炮彈尾部。

近年來彈載天線的研究是一個(gè)熱點(diǎn),怎樣選擇和設(shè)計(jì)彈載天線是大多數(shù)學(xué)者研究的重點(diǎn),但是對設(shè)計(jì)好的天線在復(fù)雜環(huán)境實(shí)際應(yīng)用的研究卻很少。本文結(jié)合實(shí)際需求,在彈體上設(shè)計(jì)了一種新的天線安裝結(jié)構(gòu)和固定方式。該結(jié)構(gòu)根據(jù)彈身在彈體上加工出一個(gè)天線安裝沉臺(tái),天線用膠黏劑和螺釘固定。然后選擇合適的具有抗高過載能力的天線,并對其在炮射環(huán)境下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及固定方式進(jìn)行仿真驗(yàn)證,證明該結(jié)構(gòu)可適用于新型炮彈的遙測測試試驗(yàn)。

1 彈載天線的選擇

微帶天線是一種常用的彈載天線[7],具有低剖面,尺寸小,與載體共形,輻射面垂直彈軸放置抗過載能力強(qiáng),容易實(shí)現(xiàn)圓極化等優(yōu)點(diǎn)。

本文的微帶共形天線根據(jù)其特定的電氣指標(biāo)設(shè)計(jì)為5單元天線陣,該天線結(jié)構(gòu)由貼片層、介質(zhì)層和接地層組成。由于彈體表面為柱形,故設(shè)計(jì)為柱面共形微帶天線,采用并聯(lián)饋電形式,全向天線陣對各陣元進(jìn)行等幅同相饋電。該微帶共形天線厚1 mm,全長355 mm,寬30 mm,設(shè)計(jì)的外形圖如圖1所示。

2 安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

炮彈發(fā)射的瞬間,炮管底部點(diǎn)火,膛內(nèi)的溫度最高可達(dá)到2 597.3 K[8],火炮底部溫度更高,故在設(shè)計(jì)時(shí)將天線的安裝位置放置在彈體前段。天線裝于彈體的外表面,在發(fā)射過程中易受到膛內(nèi)高溫高壓環(huán)境影響而失效,因此,一般在天線上包裹一層絕緣介質(zhì)并貼于彈體表面[9]。這種安裝方法有3個(gè)缺點(diǎn):①包裹的介質(zhì)會(huì)對天線發(fā)射電磁波產(chǎn)生影響;②裝于彈體外表面的天線對彈體氣動(dòng)性能產(chǎn)生影響;③凸出彈身的天線受到彈體的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)而對天線性能產(chǎn)生影響。為防止外泄燃?xì)鉄g天線,保障天線在炮彈飛行過程的可靠性,進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)在遙測艙部設(shè)計(jì)寬30 mm,直徑為113 mm的安裝沉臺(tái),安裝完畢后,留有2 mm深的空氣凹臺(tái),局部示意圖如圖2所示。

圖2 安裝結(jié)構(gòu)局部示意圖

2.1 結(jié)構(gòu)熱力學(xué)分析

炮彈發(fā)射過程中,沉臺(tái)中的空氣會(huì)隨著彈體快速轉(zhuǎn)動(dòng)和向前運(yùn)動(dòng)而變?yōu)閯傮w。據(jù)此可知,當(dāng)外泄的燃?xì)鉀_入膛內(nèi)時(shí)會(huì)先接觸沉臺(tái)內(nèi)包裹天線的空氣,并與之進(jìn)行熱交換。朱磊等[10]的研究表明火炮身管可散失16.45%的熱量。以此為基礎(chǔ),根據(jù)流體與固體表面之間的換熱原理對膛內(nèi)彈丸中部的熱交換進(jìn)行分析。

1)傳導(dǎo)模型的選取。

為了保證分析的可靠性,選擇最高溫處(通常為膛線起始部)的截面進(jìn)行分析,采用一維瞬態(tài)熱傳導(dǎo)模型作為計(jì)算模型。建模之前,根據(jù)建模理論計(jì)算了以下2個(gè)參量:

①彈體直徑D與空氣厚度H的比值K。

K=D/H

(1)

帶入?yún)?shù)得K=60>50,由此可確定天線表面空氣的圓筒結(jié)構(gòu)在建模分析時(shí)可近似看作一個(gè)無限大平板[11]。

②畢渥數(shù)Bi[11]。Bi是一個(gè)反映物體內(nèi)部導(dǎo)熱熱阻與表面對流傳熱熱阻相對大小的無因次準(zhǔn)則數(shù),又稱特征數(shù),即

Bi=rh/rλ=δh/λ

(2)

式中:δ為熱傳導(dǎo)的深度,h為對流換熱率,λ為熱導(dǎo)率。帶入?yún)?shù)可得Bi=2.17>0,由此可確認(rèn)此模型為一個(gè)有限厚度的無限大平板。

據(jù)此可根據(jù)經(jīng)典有限厚物體的一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱模型進(jìn)行建模。

2)初始條件的選取。

裝入膛內(nèi)的彈丸初始溫度θ1均勻且等于環(huán)境溫度,根據(jù)實(shí)際情況選取θ1=27 ℃;火藥氣體外泄的溫度θf選取能夠查到的最高值,即θf=2 700 ℃;根據(jù)該口徑彈丸的測試數(shù)據(jù),發(fā)射3 ms達(dá)到最大膛壓,可推斷該時(shí)刻彈丸已全部擠入膛線,燃?xì)馔庑箷r(shí)間最多不超過3 ms,故設(shè)定膛內(nèi)火藥燃?xì)馔庑箷r(shí)間t=3 ms。

3)邊界條件的選取。

采用第三類邊界條件,即火藥燃?xì)馀c內(nèi)膛壁之間以強(qiáng)迫對流方式進(jìn)行換熱,作為射擊時(shí)內(nèi)邊界條件。該條件較為符合實(shí)際情況,相關(guān)技術(shù)論文中也多采用此邊界條件。

4)模型計(jì)算。

按照經(jīng)典理論算法,先計(jì)算出傅里葉數(shù)Fo,計(jì)算公式如下:

Fo=λτ0/(ρcS2)

(3)

式中:λ為熱導(dǎo)率,ρ為密度,c為比熱容,δ為導(dǎo)熱深度,τ0為傳導(dǎo)時(shí)間。將空氣的上述指標(biāo)帶入式(3)可得:Fo=0.006 7。根據(jù)Fo<0.2,在瞬態(tài)溫度變化的初始階段,各點(diǎn)溫度變化的速率不同。

由于Fo<0.2,故模型中無量綱θm/θ0的值是隨著Fo的增大而減小的,其中,θm為平板模型中心的過余溫度,θ0為初始時(shí)刻任一點(diǎn)的過余溫度。為方便計(jì)算,采用工程簡化算法,假定Fo=0.2,求得Bi=2.17,根據(jù)諾模圖[12]得到θm/θ0的值接近0.9,將其帶入溫度公式:

θn=θf+(θ1-θf)(θm/θ0)

(4)

可得θn約為300 ℃,θn為靠近天線表面的空氣溫度,該值不會(huì)對天線產(chǎn)生影響,天線不會(huì)出現(xiàn)高溫及燒蝕。

2.2 緊固件力學(xué)性能分析

發(fā)射過程中彈體受彈軸方向的力,發(fā)射天線纏繞在彈體表面,由24個(gè)8.8級(jí)強(qiáng)度的M3螺釘和黏接劑固定。由于工程上將8.8級(jí)M3的螺釘視為脆性材料,在靜載荷條件下,其許用切應(yīng)力[τ]=(0.8～1)[σ],其中,[σ]為許用正應(yīng)力。查表得,M3的螺釘許用正應(yīng)力為800 MPa,其最小抗剪切強(qiáng)度為0.8×800 MPa=640 MPa。在彈軸方向的受力分析如下:由經(jīng)典力學(xué)可得天線受到的軸向力為3 500 N,每個(gè)螺釘受到的平均剪切強(qiáng)度約為29 MPa,遠(yuǎn)小于螺釘?shù)淖钚】辜羟袕?qiáng)度。

彈丸高轉(zhuǎn)速為天線固定結(jié)構(gòu)引入2個(gè)主要的力:高速旋轉(zhuǎn)帶來的正拉力和剪切力。對固定天線的螺絲進(jìn)行受力分析。圖3給出了天線安裝結(jié)構(gòu),由圖3可知,天線在固定框內(nèi)的螺絲數(shù)、安裝位置及天線結(jié)構(gòu)都相同,故對天線按照圖3中方框所示進(jìn)行區(qū)域劃分,分區(qū)域進(jìn)行分析。

選取圖3中間框部分4個(gè)角處的螺釘(黃色區(qū)域)進(jìn)行分析,如圖4所示,每個(gè)螺釘只能承擔(dān)1/4圓面積的拉力,即該處螺釘?shù)淖畲罂估κ窃撀葆斪畲罂估Φ?/4;安裝在側(cè)邊中部區(qū)域的螺釘(紫色和粉色區(qū)域),其最大抗拉力是該螺釘最大抗拉力的1/2,安裝在中間的螺釘(綠色區(qū)域),其最大抗拉力是該螺釘自身的最大抗拉力。由此可得,該區(qū)域內(nèi)的有效螺釘數(shù)k=(1/4)×4+(1/2)×5+1×1=4.5。

圖3 天線安裝結(jié)構(gòu)圖

圖4 遙測發(fā)射天線區(qū)域分析示意圖

將該區(qū)域看作質(zhì)點(diǎn),其所受的離心力可通過公式FΔ=mω2r計(jì)算,其中,m為電路板與螺釘?shù)馁|(zhì)量之和,即:m=mb+msk=mb+4.5ms?？傻胢=2.65×10-3kg,FΔ=527 N。因此,螺釘所受的正拉力為Ft=FΔ/k=527/4.5 N≈117 N,該值小于螺釘?shù)募羟辛?能夠滿足要求。

3 仿真分析

本文研究對象為某120 mm迫彈和天線,基于ANSYS動(dòng)力響應(yīng)分析系統(tǒng),對彈體和天線進(jìn)行瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析。瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析是確定隨時(shí)間變化載荷作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng),輸入為隨時(shí)間變化的載荷,輸出為隨時(shí)間變化的位移和其他的導(dǎo)出量(如應(yīng)力和應(yīng)變等)。

3.1 模型前處理

本文計(jì)算分析的目的是得到高速運(yùn)動(dòng)過程中天線所受應(yīng)力大小及天線與彈體粘接面的受力情況。根據(jù)2.2節(jié)對螺釘?shù)氖芰Ψ治?螺釘?shù)膹?qiáng)度滿足該環(huán)境下的固定要求,故可簡化模型對其進(jìn)行刪除處理。彈體材料為30CrMnSi,在整個(gè)運(yùn)動(dòng)過程中變形很小,受力情況可不予考慮,故彈體材料模型選用剛體模型。彈體和天線模型均采用SOLID單元,為保證運(yùn)算過程中網(wǎng)格不發(fā)生畸變,天線及彈體與天線的粘接部分采用較密的六面體網(wǎng)格,網(wǎng)格如圖5所示。

圖5 模型網(wǎng)格劃分

3.2 材料特性

彈體材料為30CrMnSi,其密度為7 850 kg/m3。天線材料選擇為電路板基材(厚度為1mm),密度為300 kg/m3。材料特性如表1所示。

表1 材料特性

3.3 邊界條件

天線和彈體之間用黏接劑粘接,接觸采用面面自動(dòng)接觸的綁定失效模式:

圖6 過載曲線

*CONTACT-AUTOMATIC-SURFACE-TO-SURFACE-TIEBREAK。由迫彈在炮膛內(nèi)的運(yùn)動(dòng)分析可知,炮膛內(nèi)的氣體壓力推動(dòng)迫彈擠進(jìn)膛線內(nèi),彈體切面沿膛線受到旋轉(zhuǎn)力和彈軸方向的推力。該類型口徑迫彈的實(shí)測發(fā)射過載曲線和轉(zhuǎn)速曲線如圖6和圖7所示,圖中,n為軸向過載,n=a/g。最大加速度為8.3×104m/s2,將其作為邊界條件加載至彈體上分析計(jì)算。

圖7 轉(zhuǎn)速曲線

3.4 結(jié)果分析

Ansys求解完成后,進(jìn)入Ls-prepost后處理軟件查看結(jié)果,得到天線部分的主要4個(gè)不同時(shí)間段的應(yīng)力云圖,如圖8所示。

圖8 天線各時(shí)刻的應(yīng)力云圖

根據(jù)求解結(jié)果可知,隨著時(shí)間的增加,天線結(jié)構(gòu)受到的軸向有效應(yīng)力也逐漸增加,在0.040 s時(shí)速度達(dá)到最大。最大速度時(shí)天線有效應(yīng)力達(dá)到46 MPa,同時(shí)對比材料特性中焊錫的拉伸強(qiáng)度65 MPa(天線結(jié)構(gòu)中拉伸強(qiáng)度最小的材料),可知天線受到的最大應(yīng)力小于材料強(qiáng)度,天線結(jié)構(gòu)在該環(huán)境中安全。

在彈體進(jìn)行軸向運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí),天線因黏接劑會(huì)受到彈體帶來的軸向力和剪切力的作用,由于黏接劑在接觸面涂抹均勻,故作用力在粘貼面上各點(diǎn)大小相同。如圖9所示,選擇天線與彈體粘貼面上某一點(diǎn),查看其在彈體運(yùn)動(dòng)過程中的受力情況,結(jié)果如圖10所示。

圖9 受力點(diǎn)選取位置

圖10 受力分析點(diǎn)在各個(gè)方向的受力狀況

分析該點(diǎn)的3個(gè)方向受力,可得到如下2個(gè)結(jié)論:

①彈丸在航向行進(jìn)的過程中,航向受力會(huì)隨著加速度的增大而增大,通過對比圖5和圖10(a)可知,在0.013 4 s時(shí),航向受力達(dá)到最大122 N。其中天線模型與彈體的粘接面積由計(jì)算可得為9 584.9 mm2,所以黏接劑受到的航向剪切應(yīng)力為0.013 MPa,遠(yuǎn)小于DG-4膠黏劑的剪切強(qiáng)度(≥10 MPa)。

②本模型中天線航向的有效粘接長度為27 mm,由圖10(b)可知,側(cè)向作用力在0.028 0 s時(shí)達(dá)到最大0.192 N,側(cè)向剝離強(qiáng)度為0.18 N/25 mm,遠(yuǎn)小于膠黏劑DG-4的剝離強(qiáng)度(≥49 N/25 mm)。

對天線進(jìn)行理論計(jì)算,天線質(zhì)量為1.44×10-3kg,炮射過程中彈丸最大加速度為8.3×104m/s2,求得天線在軸上加速度最大處航向受力為115.2 N。由仿真結(jié)果可知,天線在0.013 4 s時(shí)航向受力為122 N,該值與理論結(jié)果相近,仿真模型準(zhǔn)確度較高。

4 高轉(zhuǎn)速環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證

高轉(zhuǎn)速驗(yàn)證試驗(yàn)在高轉(zhuǎn)速試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行,試驗(yàn)過程中,將天線及其安裝胎體固定安裝在高轉(zhuǎn)速試驗(yàn)臺(tái)上,并且通電,天線及其安裝胎體隨轉(zhuǎn)臺(tái)沿軸做高速轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)試驗(yàn)臺(tái)控制系統(tǒng)顯示胎體轉(zhuǎn)速達(dá)到18 000 r/min后,保持該轉(zhuǎn)速2 min,再緩慢降低轉(zhuǎn)速至其停止。試驗(yàn)后,通過觀察被試天線的完整性和損毀性來確定天線自身結(jié)構(gòu)的可靠性以及天線安裝方式的可行性。對比旋轉(zhuǎn)期間加電測試和原測試結(jié)果的變化,可確定天線在高轉(zhuǎn)速環(huán)境下性能穩(wěn)定,天線靜態(tài)工作額定電壓為5 V,結(jié)果如表2所示。

表2 旋轉(zhuǎn)期間加電測試結(jié)果與原測試結(jié)果

通過分析以上結(jié)果可得,旋轉(zhuǎn)測試電壓和靜態(tài)測試電壓變化幅度很小,天線結(jié)構(gòu)可靠。

5 結(jié)論

針對彈載天線在火炮發(fā)射高沖擊環(huán)境下能否正常工作的問題,設(shè)計(jì)了緊固結(jié)構(gòu)和沉臺(tái)安裝結(jié)構(gòu),并對緊固件進(jìn)行理論計(jì)算;在此基礎(chǔ)上利用仿真軟件對模型整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析,結(jié)果一致性良好。結(jié)合熱力學(xué)傳熱原理,得出火藥燃?xì)鈱μ炀€不會(huì)造成燒蝕影響;最后對天線在高轉(zhuǎn)速環(huán)境下進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,結(jié)果證明天線結(jié)構(gòu)可靠,該結(jié)構(gòu)對靶場測試新型炮彈的試驗(yàn)有積極意義。