某彈載天線隔熱設(shè)計仿真及試驗驗證

尤 浩

(中國電子科技集團公司第二十研究所,陜西 西安 710068)

0 引言

隨著現(xiàn)代武器裝備競爭的加劇,各國對導(dǎo)彈的研究也越來越重視。導(dǎo)彈功能多、效率高、威力大的突出特點使其成為極具代表性的高科技武器之一。而各類高超音速導(dǎo)彈又是各類導(dǎo)彈中研究的重點。導(dǎo)彈在高速飛行過程中,在空氣的粘性阻滯作用下,空氣動能轉(zhuǎn)化為熱能,并對彈體表面進行劇烈加熱,產(chǎn)生氣動熱。氣動熱已成為導(dǎo)彈發(fā)展中最為關(guān)鍵的問題之一。

彈載天線是導(dǎo)彈上接收信號的重要設(shè)備,天線罩作為天線的重要組成部分,承擔(dān)著透波和保護天線的作用;同時,天線罩也是導(dǎo)彈彈體結(jié)構(gòu)的一部分,承擔(dān)著隔熱、導(dǎo)流和承載等多種功能。因此,彈載天線的天線罩要具備良好的熱防護能力、力學(xué)性能和透波率,其熱、力的防護性能成為彈載天線設(shè)計研究的重點內(nèi)容之一。

某彈載天線是某高超音速導(dǎo)彈的重要接收設(shè)備。在對天線進行設(shè)計時,開展天線罩的隔熱仿真分析,以驗證設(shè)計方案,避免由于設(shè)計不合理而導(dǎo)致的重復(fù)設(shè)計。在后期,對該天線的隔熱性能進行試驗驗證,確保其在外部嚴苛環(huán)境下可以正常工作。

1 熱傳導(dǎo)微分方程

熱量傳遞有3種基本方式:熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射。熱傳導(dǎo)是指熱量沿著物體從高溫部分傳遞到低溫部分,可以是同一物體內(nèi)部傳導(dǎo),也可以是不同物體之間進行傳導(dǎo),發(fā)生熱傳導(dǎo)的唯一條件是存在溫度差;熱對流是指通過物質(zhì)流動進行熱量傳遞,通常在液體和氣體中進行;熱輻射是熱量由物體沿直線向外射出,熱輻射不需要任何介質(zhì),可以在真空中進行。

本文對某彈載天線進行隔熱設(shè)計,其主要傳熱途徑為熱傳導(dǎo)。為了計算天線罩的溫度場,需要建立導(dǎo)熱微分方程。

在天線罩內(nèi)取一表面積為、體積為的微元體,則通過微元體表面進入其內(nèi)部的熱量為:

上式通過高斯公式可化為:

式中:為所選微元體的導(dǎo)熱系數(shù)。

若內(nèi)部熱源在單位體積、單位時間內(nèi)產(chǎn)生的熱量為,則單位時間內(nèi)微元體產(chǎn)生的熱量為:

微元體溫度升高所需要的熱量為:

式中:為天線罩比熱容;為天線罩密度。

由能量守恒可知:

代入上述各式并整理,有:

由于微元體是任意選取的,所以上式成立需滿足以下條件:

假設(shè)天線罩為各向同性材料,有:

天線罩本身不發(fā)熱,即=0,有:

2 某彈載天線隔熱設(shè)計

某彈載天線自帶天線罩,且與彈體共型安裝,面臨持續(xù)160 s氣動加熱400℃以上的外部環(huán)境要求。該天線為無源微帶天線,天線體安裝在金屬底板上,金屬底板底部出線實現(xiàn)電氣性能。天線罩安裝在金屬底板上,天線通過天線罩安裝到彈體上。天線外形結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 天線外形結(jié)構(gòu)

在對天線罩進行設(shè)計時,天線罩厚度成為設(shè)計關(guān)鍵,厚度關(guān)系到結(jié)構(gòu)強度、隔熱效果和透波率。厚度越大結(jié)構(gòu)強度越高,隔熱效果也越好;但透波越差,影響天線接收性能。另外,受設(shè)計空間限制,天線罩的允許空間有限,如圖2所示。因此,只有綜合考慮上述因素,才能設(shè)計出合理的天線罩尺寸。

圖2 天線罩設(shè)計

考慮到外界溫度較高,材料的隔熱性能與其厚度相關(guān),結(jié)合天線厚度要求,設(shè)計4 mm 厚的天線罩。4 mm 厚的天線罩強度足夠,對天線透波的影響有限。天線罩外形如圖3所示。

圖3 天線罩外形

3 隔熱仿真分析

天線罩采用改性聚酰亞胺/石英玻璃布復(fù)合材料,是耐熱性能良好的聚酰亞胺高分子復(fù)合材料之一,該材料的主要熱學(xué)性能如表1所示。

表1 改性聚酰亞胺/石英玻璃布復(fù)合材料的主要熱學(xué)參數(shù)

建立理想模型,在無限長的薄板上進行熱分析,取薄板厚度為4 mm,對其進行網(wǎng)格劃分,如圖4所示。

圖4 網(wǎng)格劃分

定義初始溫度為室溫293 K,在邊界1處施加溫度載荷,給定溫度693 K(400℃),其余邊界不加載溫度載荷,經(jīng)過仿真計算,得到邊界1和邊界3上的溫度隨時間的變化關(guān)系(如圖5所示),160 s末的溫度分布如圖6所示。

圖5 溫度隨時間變化曲線

圖6 160 s后溫度分布

由圖5看出,在邊界3上,溫度隨時間的增高而增高,在160 s 末,天線罩內(nèi)部的溫度為425 K(148℃),而單元天線的工作溫度范圍是-55℃～150℃,可以保證正常工作。

4 試驗驗證

為驗證天線在高溫下的性能,對天線隔熱性能進行驗證。通過高溫噴槍設(shè)備產(chǎn)生高溫火焰直接作用于天線表面,并使用熱電偶式溫度測量儀檢測天線表面溫度,使用相關(guān)測試設(shè)備監(jiān)測試驗天線的工作性能,觀察天線在破壞性高溫燃燒作用下的實時工作狀態(tài)和工作數(shù)據(jù)。試驗場景如圖7所示。

圖7 試驗場景

所用的測試設(shè)備如表2所示。

表2 測試設(shè)備

測試步驟如下:

(1) 根據(jù)總體要求,初級試驗溫度為400℃。

(2) 對天線加熱至400℃,并持續(xù)加熱160 s,加熱過程中通過測試設(shè)備監(jiān)測天線的工作狀態(tài)。

(3) 若天線在400℃時工作正常,則對天線進行400℃的高溫加熱,穩(wěn)定160 s,監(jiān)測天線的工作性能,若天線一直可以工作,進入步驟(3);否則,說明設(shè)計不合理,需要重新進行設(shè)計,試驗結(jié)束。

(4) 測試過程中記錄實時溫度數(shù)據(jù)及天線性能變化情況。

(5) 對試驗進行總結(jié)報告。

試驗開始時,20 s溫度上升至400℃,天線性能有所下降,但仍可滿足指標(biāo)要求;在90 s時,天線罩表面起明火,表面發(fā)黑,但性能指標(biāo)未變;在90～160 s的測試時間內(nèi),天線性能略有下降,但仍可滿足指標(biāo)要求。

5 結(jié)束語

通過試驗,驗證了該彈載天線在持續(xù)160 s的400℃高溫下仍然可以正常工作,各項指標(biāo)滿足要求,同時證實了仿真的準確性。該天線在后期的靶試試驗中可以正常工作,也證明了設(shè)計的可靠性。