某彈載天線隔熱設(shè)計(jì)仿真及試驗(yàn)驗(yàn)證

尤 浩

(中國(guó)電子科技集團(tuán)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(jìng)爭(zhēng)的加劇，各國(guó)對(duì)導(dǎo)彈的研究也越來(lái)越重視。導(dǎo)彈功能多、效率高、威力大的突出特點(diǎn)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(diǎn)。導(dǎo)彈在高速飛行過(guò)程中，在空氣的粘性阻滯作用下，空氣動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，并對(duì)彈體表面進(jìn)行劇烈加熱，產(chǎn)生氣動(dòng)熱。氣動(dòng)熱已成為導(dǎo)彈發(fā)展中最為關(guān)鍵的問(wèn)題之一[1-2]。

彈載天線是導(dǎo)彈上接收信號(hào)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(hù)天線的作用；同時(shí)，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(hù)能力、力學(xué)性能和透波率，其熱、力的防護(hù)性能成為彈載天線設(shè)計(jì)研究的重點(diǎn)內(nèi)容之一[3-4]。

某彈載天線是某高超音速導(dǎo)彈的重要接收設(shè)備。在對(duì)天線進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，開展天線罩的隔熱仿真分析，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案，避免由于設(shè)計(jì)不合理而導(dǎo)致的重復(fù)設(shè)計(jì)。在后期，對(duì)該天線的隔熱性能進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，確保其在外部嚴(yán)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(duì)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(jìn)行傳導(dǎo)，發(fā)生熱傳導(dǎo)的唯一條件是存在溫度差；熱對(duì)流是指通過(guò)物質(zhì)流動(dòng)進(jìn)行熱量傳遞，通常在液體和氣體中進(jìn)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(jìn)行。

本文對(duì)某彈載天線進(jìn)行隔熱設(shè)計(jì)，其主要傳熱途徑為熱傳導(dǎo)。為了計(jì)算天線罩的溫度場(chǎng)，需要建立導(dǎo)熱微分方程[5-6]。

在天線罩內(nèi)取一表面積為S1、體積為V1的微元體，則通過(guò)微元體表面進(jìn)入其內(nèi)部的熱量Q1為：

(1)

上式通過(guò)高斯公式可化為：

(2)

式中：λ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(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量為Q，則單位時(shí)間內(nèi)微元體產(chǎn)生的熱量Q2為：

(3)

微元體溫度升高所需要的熱量Q3為：

(4)

式中：c為天線罩比熱容；ρ為天線罩密度。

由能量守恒可知：

Q1+Q2=Q3

(5)

代入上述各式并整理，有：

(6)

由于微元體是任意選取的，所以上式成立需滿足以下條件：

(7)

假設(shè)天線罩為各向同性材料，有：

div(λgrad(T))=λdiv(grad(T))=λ2T

(8)

(9)

天線罩本身不發(fā)熱，即Q=0，有：

(10)

2 某彈載天線隔熱設(shè)計(jì)

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(dòng)加熱400 ℃以上的外部環(huán)境要求。該天線為無(wú)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(shí)現(xiàn)電氣性能。天線罩安裝在金屬底板上，天線通過(guò)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(duì)天線罩進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，天線罩厚度成為設(shè)計(jì)關(guān)鍵，厚度關(guān)系到結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、隔熱效果和透波率。厚度越大結(jié)構(gòu)強(qiáng)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(jì)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(jì)出合理的天線罩尺寸。

圖2 天線罩設(shè)計(jì)

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(jì)4 mm厚的天線罩。4 mm厚的天線罩強(qiáng)度足夠，對(duì)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(wú)限長(zhǎng)的薄板上進(jìn)行熱分析，取薄板厚度為4 mm，對(duì)其進(jìn)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(guò)仿真計(jì)算，得到邊界1和邊界3上的溫度隨時(shí)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(shí)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(shí)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(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證天線在高溫下的性能，對(duì)天線隔熱性能進(jìn)行驗(yàn)證。通過(guò)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(cè)量?jī)x檢測(cè)天線表面溫度，使用相關(guān)測(cè)試設(shè)備監(jiān)測(cè)試驗(yàn)天線的工作性能，觀察天線在破壞性高溫燃燒作用下的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)和工作數(shù)據(jù)。試驗(yàn)場(chǎng)景如圖7所示。

圖7 試驗(yàn)場(chǎng)景

所用的測(cè)試設(shè)備如表2所示。

表2 測(cè)試設(shè)備

測(cè)試步驟如下：

(1) 根據(jù)總體要求，初級(jí)試驗(yàn)溫度為400 ℃。

(2) 對(duì)天線加熱至400 ℃，并持續(xù)加熱160 s，加熱過(guò)程中通過(guò)測(cè)試設(shè)備監(jiān)測(cè)天線的工作狀態(tài)。

(3) 若天線在400 ℃時(shí)工作正常，則對(duì)天線進(jìn)行400 ℃的高溫加熱，穩(wěn)定160 s，監(jiān)測(cè)天線的工作性能，若天線一直可以工作，進(jìn)入步驟(3)；否則，說(shuō)明設(shè)計(jì)不合理，需要重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，試驗(yàn)結(jié)束。

(4) 測(cè)試過(guò)程中記錄實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)及天線性能變化情況。

(5) 對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)報(bào)告。

試驗(yàn)開始時(shí)，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(shí)，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(cè)試時(shí)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(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)，驗(yàn)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(xiàng)指標(biāo)滿足要求，同時(shí)證實(shí)了仿真的準(zhǔn)確性。該天線在后期的靶試試驗(yàn)中可以正常工作，也證明了設(shè)計(jì)的可靠性。