某機(jī)載電子吊艙天線罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

葉 明朱恒義

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十一研究所,上海 201802)

0 引言

天線罩是集氣動(dòng)外形、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、電氣性能等要求于一體的功能結(jié)構(gòu)件,其主要作用是改善飛行器的氣動(dòng)外形,保護(hù)內(nèi)部天線系統(tǒng)免受外部環(huán)境的影響,保護(hù)天線表面和位置的精度。天線罩結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)內(nèi)容包括氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)和電氣性能設(shè)計(jì)等。氣動(dòng)外形一般由氣動(dòng)仿真或吹風(fēng)試驗(yàn)來決定,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度直接決定天線罩的設(shè)計(jì)成敗,透波性以及電氣性能的優(yōu)劣決定產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。故設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)天線罩進(jìn)行全方位考慮,對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度以及相應(yīng)的電氣性能進(jìn)行分析和校核。

本文選取機(jī)載電子吊艙前向天線罩進(jìn)行研究。該吊艙掛載于某型戰(zhàn)斗機(jī)上,其最大掛飛高度18 000 m,最大掛飛速度2 Ma,最大掛飛過載8.5 g。此天線罩具有大尺寸、不規(guī)則體和高性能的特點(diǎn),對(duì)結(jié)構(gòu)和電性能要求高,有耐環(huán)境要求,氣動(dòng)外形有嚴(yán)格要求,這對(duì)天線罩的制造提出了一系列挑戰(zhàn),如在飛機(jī)超音速飛行條件下保證天線罩的強(qiáng)度和剛度等。

1 詳細(xì)設(shè)計(jì)

1.1 外形設(shè)計(jì)

天線罩的設(shè)計(jì)要求是連接截面尺寸約350 mm×370 mm,長度310 mm,最大壁厚6.5 mm,滿足超音速飛行條件下,罩體最大變形量不超過1 mm。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求,天線罩設(shè)計(jì)為復(fù)合材料A-夾層結(jié)構(gòu),見圖1,形狀為圓錐狀,連接段曲線=0.7,通過PTC Creo軟件,擬合出天線罩外形,并代入飛機(jī)飛行包線進(jìn)行氣動(dòng)仿真,外形見圖2。

圖1 天線罩邊緣典型截面結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 天線罩外形示意圖

1.2 材料說明

天線罩材料需要同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)性能、電性能設(shè)計(jì)要求,以及具備良好的工藝可操作性。其中材料的介電性能直接影響著天線罩的電性能。針對(duì)天線罩耐溫性能要求,需要選擇低損耗材料體系。同時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮到環(huán)境、溫度、濕度等因素對(duì)復(fù)合材料的影響。

蒙皮材料均采用氰酸脂石英布預(yù)浸料DC721/QWB110/38,夾芯材料采用Nomex 芳綸紙蜂窩AXN-2.7-72,實(shí)心加強(qiáng)區(qū)采用氰酸脂石英布預(yù)浸料DC721/SW220 D/40,蒙皮和蜂窩之間粘結(jié)采用J-245C膠膜,透波區(qū)和實(shí)芯區(qū)之間過渡區(qū)蜂窩采用J-245 D 發(fā)泡膠加強(qiáng),蒙皮材料密度為1.8 g/cm,蜂窩芯材料密度為0.08 g/cm,材料力學(xué)性能見表1,電性能見表2,該材料體系能滿足-70℃～150℃的工作環(huán)境溫度要求。表1中,分別為徑向和緯向彈性模量,、、分別為、、向剪切模量,、分別為徑向拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度,、分別為緯向拉伸強(qiáng)度和壓縮強(qiáng)度,、、分別為、、向剪切強(qiáng)度。

表1 材料力學(xué)性能

表2 材料電性能

天線罩電訊性能和結(jié)構(gòu)性能要求高,針對(duì)該天線罩,必須進(jìn)行詳細(xì)的電性能和結(jié)構(gòu)性能分析論證,從而達(dá)到結(jié)構(gòu)性能和電性能的最佳協(xié)調(diào)統(tǒng)一。

1.3 結(jié)構(gòu)性能分析

根據(jù)飛機(jī)掛吊艙后氣動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果,使用載荷包絡(luò)線法篩選并確定了15個(gè)嚴(yán)重載荷工況,然后列出15個(gè)工況內(nèi)最嚴(yán)重的3個(gè)工況,天線罩集中氣動(dòng)載荷計(jì)算結(jié)果見表3,天線罩航向單位長度載荷分布見表4,因天線罩航向方向?yàn)橹魇芰Ψ较?故僅列出航向單位長度載荷分布。選取綜合下來最危險(xiǎn)的工況CASE8,再利用MSC Patran軟件進(jìn)行力學(xué)仿真,變形云圖見圖3。

圖3 天線罩最大變形云圖(CASE8)

表3 天線罩集中氣動(dòng)載荷計(jì)算結(jié)果

表4 天線罩航向單位長度載荷分布(單位:N/m)

由圖3可知,天線罩最大變形量為0.873 mm,小于設(shè)計(jì)要求1 mm。

1.4 電性能分析

天線罩內(nèi)天線頻段為2～18 GHz,應(yīng)用專用的電性能仿真設(shè)計(jì)軟件,對(duì)天線罩透波區(qū)域內(nèi)的透波性能進(jìn)行了仿真計(jì)算,選取部分典型頻段及典型點(diǎn)進(jìn)行仿真,透波性能計(jì)算結(jié)果見圖4～圖6,統(tǒng)計(jì)見表5。

圖4 法向透波仿真結(jié)果

圖5 45°透波仿真結(jié)果

圖6 45°插入相位仿真結(jié)果

表5 天線罩電性能仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 靜力試驗(yàn)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求,對(duì)天線罩進(jìn)行靜力試驗(yàn),在天線罩頂部(內(nèi)部)安裝位移傳感器,在頂部和邊框布置應(yīng)變片。將天線罩與連接件連接,再將連接件與剛性過渡件連接。

制作1個(gè)剛性砂箱,在砂箱底部鋪一定厚度的細(xì)砂。將天線罩垂直放置于砂箱中,用細(xì)砂填滿砂箱。完成上述準(zhǔn)備工作后,通過安裝于剛性過渡件上的杠桿加載系統(tǒng)進(jìn)行加載試驗(yàn)。試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖見圖7,現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置見圖8。

圖7 天線罩試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

圖8 靜力試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)圖

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析,天線罩實(shí)測(cè)的應(yīng)變和位移數(shù)據(jù)絕對(duì)值隨載荷線性增大,載荷釋放后應(yīng)變和位移基本歸零,表明試驗(yàn)后天線罩未出現(xiàn)明顯的塑性變形。天線罩載荷加置100%時(shí),測(cè)得變形量為0.69 mm,小于實(shí)際允許變形量,符合設(shè)計(jì)要求。

2.2 振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)

天線罩隨艙體進(jìn)行振動(dòng)、沖擊試驗(yàn),根據(jù)GJB150A 要求,在具備資格的第三方試驗(yàn)室進(jìn)行試驗(yàn),試驗(yàn)裝置見圖9。

圖9 振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)圖

振動(dòng)、沖擊試驗(yàn)完成后,經(jīng)檢查,天線罩無裂紋,無變形,未發(fā)生破壞,試驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)符合要求。

2.3 電性能測(cè)試

電性能實(shí)際測(cè)試結(jié)果見表6,結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。

表6 電性能實(shí)際測(cè)試結(jié)果

3 結(jié)束語

該天線罩設(shè)計(jì)時(shí)兼顧了力學(xué)性能和電性能要求,通過一系列的優(yōu)化仿真,設(shè)計(jì)出符合要求的天線罩,最終經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的合理性。該產(chǎn)品對(duì)同類別的天線罩設(shè)計(jì)提供了參考,具有較好的指導(dǎo)意義。