Файл: Каплун, В. А. Обтекатели антенн СВЧ (радиотехнический расчет и проектирование).pdf

б) увеличение эрозиостойкости обтекателей в условиях полета на больших скоростях через атмосферные осадки;

в) исследование электризации обтекателей и разработка способов снятия электростатического заряда.

Хотя все эти вопросы и не являются предметом подробного рассмот­ рения в настоящей книге, однако представляется целесообразным крат­ кое их освещение, так как, во-первых, они дают представление о слож­ ности задачи, стоящей перед конструктором обтекателей, и, во-вторых, наряду с радиотехническими требованиями оказывают непосредствен­ ное влияние на конструкцию обтекателей.

Аэродинамический нагрев

При сверхзвуковых скоростях полета очень важным становится вопрос нагрева обтекателей. Аэродинамический нагрев тела, как из­ вестно, происходит под влиянием трения, вследствие вязкости воздуха и шероховатости поверхности тела. Наибольшему нагреву подвергают­ ся точки нулевой скорости, т. е. точки, в которых имеет место полное торможение движущегося воздуха. У обтекателей, расположенных в носовой части объекта, такой точкой является вершина. Нагрев по­ верхности за вершиной составляет ~ 85% нагрева в точке нулевой скорости.

Вместе с нагревом происходит обратный процесс — излучение теп­ ла поверхностью.

На рис. 1.5 приведены зависимости температуры поверхности объек­ та (с конической вершиной с углом 30°) от скорости и высоты полета.

Видно, что при скорости|ЗМ на высоте 10 000 м с учетом излучения температура поверхности ^120° С. При оценке температуры диэлектри­ ческой поверхности (обтекателя) потери на излучение будут отличать­ ся от потерь на излучение для металлических поверхностей. Диэлектри­ ки — плохие проводники тепла и температура их нагрева будет ориен­ тировочно той, которая определяется с помощью кривых (рис. 1.5) без учета излучения.

Более точный подсчет температур — сложная задача, требующая учета коэффициентов теплопроводности, теплоемкости, теплопередачи

10

На рис. 1.7 показана зависимость а от толщины для однослойной (h—0) и двухслойной стенок из стеклокерамики при скорости нагрева внешней поверхности—400° С в секунду и максимальной температуре — 1400° С.

Знание скорости нагрева стенки обтекателя позволяет также су­ дить о надежности работы антенной системы и предусматривать меры защиты антенного отсека от чрезмерного повышения температуры.

Например, кривые рис. 1.8 показывают, что стеклотекстолитовые обтекатели при изменении скоростей полета от 0,75М до 3М прогре­ ваются за 20 мин, после чего в антенном отсеке устанавливается тем­ пература -220° С, вследствие чего требуется принудительное охлаж­ дение антенной системы.

Все эти особенности необходимо иметь в виду при конструирова­ нии современных обтекателей.

Вопросы эрозиостойкости

Эрозия обтекателей имеет место при полетах с большими скоростя­ ми сквозь полосу осадков; под воздействием ударов капель дождя (или града, снега) происходит постепенное разрушение и унос материала обтекателя, приводящий к полному его разрушению. Обтекатели из текстолита или полимерных материалов разрушаются небольшим дождем при скоростях, больших 3М, уже в течение нескольких минут [4]. Систематические эксперименты показали, что величина эрозии пропорциональна интенсивности дождя, а также существенно зависит

них получить чрезвычайно сложно, так как никакие механические испытания не дают соответствующей информации по этому вопросу, а непосредственные испытания обтекателей (или материалов) в дож­ девой зоне в реальном полете из-за опасности условий исключаются. Поэтому создаются специальные установки для воспроизведения усло­ вий работы обтекателей в зоне дождя на земле. На них можно воспро­ изводить удары дождевых капель при заданных условиях, повторяя или изменяя по желанию размер капель, скорость и частоту их ударов и воздействие аэродинамических усилий.

Из таких установок можно упомянуть установку с рельсовой те­ лежкой, прогоняемой через искусственную дождевую зону [5] со сверх­ звуковой скоростью, установку с вращающимся ротором (окружные скорости —300—400 м/сек), специальные аэродинамические трубы [6]. Несмотря на то, что применение этих установок и обходится достаточно дорого, они позволяют получить надежные результаты и раз­ работать специальные противоэрозионные защитные меры. На рис. 1.9 показаны снимки обтекателя в процессе его испытаний на дождевую эрозию в аэродинамической трубе, на которых заметно последователь­ ное разрушение обтекателя.

В США созданы установки, в которых для имитации ударов дожде­

12

ляющие определять величину дробинок, расстояние до объекта испы­ таний и т. п. в зависимости от интенсивности дождя, скорости и дли­ тельности полета. Например, специальное ружье 12-го калибра (ци­ линдр с чоком), стреляющее по «цели» (по испытуемому обтекателю) с расстояния 3,66 м зарядом дроби весом 35,44 г (условный размер дро­ би 11, заряд пороха 14,58 г), воздействует на поверхность объекта так же, как полоса дож­ дя в 610 м с интенсивностью 12,25 мм!час и диаметром капель 1,5 мм при полете объекта со скоростью ~ 1400 км/час.

Разработанная таким« обра­ зом методика позволяет выявить наиболее уязвимые участки об­ текателей и эффективность за­ щитных мер. В частности, опре­ делено, что вершина обтекателя значительно больше подвержена эрозии, чем боковые поверхно­ сти, и поэтому должна защи­ щаться в первую очередь (спе­ циальным покрытием, металли­ ческим наконечником и т. п.). Интенсивность эрозии сущест­ венно зависит от состояния по­ верхности обтекателя и увели­ чивается из-за неровностей, пу­ зырьков и т. п. Общими мерами борьбы с эрозией является при­ менение материалов, обладаю­ щих большим сопротивлением к

разрушению (керамик, ситаллов), использование специальных упру­ гих покрытий (например, каучуковых пленок) и т. п.

Кроме эрозии за счет осадков существует также тепловая эрозия, проявляющаяся при сильном разогреве поверхности обтекателей. В этом случае среда даже со слабым сопротивлением такая, как раз­ реженный воздух, при обтекании нагретого тела уносит с его поверх­ ности частицы материала, приводя в конце концов тело к разрушению. Такого рода эрозия наблюдается у обтекателей и элементов корпуса космических объектов при вхождении их в верхние слои атмосферы. Меры борьбы с этим явлением — применение специальных жаростой­ ких материалов.

Электризация поверхности обтекателя

Корпус и диэлектрические части фюзеляжа объектов при полетах даже с небольшой скоростью подвержены электризации вследствие трения о частицы снега, дождя, крупинки льда. Потенциал фюзеляжа

13

при этом повышается, и может происходить саморазряд в окружающуюсреду. Самозаряд происходит достаточно быстро: в условиях осадков или облаков средней интенсивности потенциал корпуса объекта воз­ растает со скоростью ~ 50 000 в*в секунду. Возникновение короны на острых краях элементов корпуса начинается с потенциала 200 000 в, т. е. для образования короны достаточно нескольких секунд [7]. С дру­ гой стороны, падение потенциала корпуса за счет проводимости возду­ ха происходит сравнительно медленно — заряд утрачивается примерно за 400 сек. Известно [7], что наиболее сильно электризуются диэлектри­ ческие элементы корпуса (обтекателя), с которых на металлические части корпуса в отдельные моменты происходит разряд. Импульсный характер разряда резко увеличивает уровень помех, что ведет к нару­ шению работы различных радиоприборов. Это обстоятельство застав­ ляет принимать специальные меры для снятия статических зарядов с корпуса. Для разряда металлических частей используются специаль­ ные разрядники, через которые заряд стекает в окружающее простран­ ство без образования короны; для отвода заряда от диэлектрика могут использоваться полупроводящие покрытия, которые при правильном выборе их проводимости не будут заметно ухудшать радиопрозрачности обтекателей.

1.4.КОНСТРУКЦИЯ РАДИОПРОЗРАЧНОЙ ЧАСТИ ОБТЕКАТЕЛЕЙ

ИПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ

При выборе формы обтекателей обычно предпочтение отдается вы­ полнению требований аэродинамики в ущерб требований радиотехники. Это обстоятельство усложняет и без того сложную задачу конструктора,

враспоряжении которого остается возможным менять лишь структуру

иразмеры стенок обтекателей. Критерием пригодности выбранной

структуры является выполнение требований по радиопрозрачности и фазовым искажениям (одновременно или преимущественно одного из этих факторов) в рабочем секторе углов падения* и заданном диапазо­ не волн.

В обтекателях применяются диэлектрические стенки однослойные (монолитные) и многослойные, а также диэлектрические стенки (как однослойные, так и многослойные) с вмонтированными в них решетка­ ми металлических элементов, представляющих для проходящей элект­ ромагнитной волны реактивное сопротивление [8, 9] (рис. 1.10).

Однослойные стенки для обеспечения хорошей радиопрозрачности и фазовых характеристик прошедшей волны в заданном секторе углов падения могут быть по толщине полуволновыми или существенно мень­ ше длины волны; многослойные (трех-, пяти-, семислойные) — вы­ полняться с различным законом изменения плотности слоев: с плот­ ностью слоев, чередующейся или увеличивающейся от периферии к цент­

* Сектор углов падения определяется формой обтекателя, углами сканиро­ вания антенны и видом ее диаграммы направленности.

14

ру стенки. Решетки металлических элементов могут представлять для проходящей волны реактивное сопротивление индуктивного или ем­ костного характера в зависимости от формы и размеров элементов.

Выбор конструкций диэлектрических стенок диктуется диапазон­ ными требованиями, формой обтекателя (т. е. сектором углов падения, в котором диэлектрическая стенка должна обеспечивать получение нуж­ ных радиотехнических параметров), механическими и температурными нагрузками на обтекателе.

Вопросы производства обтекателей в данной книге не рассматри­ ваются, поэтому мы ограничимся лишь перечислением основных мате­ риалов и их свойств, знание которых необходимо для грамотного вы­ бора электродинамической схемы обтекателя.

Рис. 1.10. Конструкции стенок обтекателей:

/ — однослойная (монолитная); 2 — трехслойная (с внешними плотными слоями); 3 — пятнслойпая; 4 — семнслойная; 5 — трехслойная (с внутренним плотным слоем); 6 — с реактивной решеткой (однослойная и многослойные).

Прежде всего следует упомянуть конструкционные материалы, вы­ полненные на основе стекловолокна, — стеклопластики, обладающие хорошими механическими и радиотехническими свойствами [8].

Технологичность стеклопластиков, позволяющая формовать из них обтекатели самых различных конфигураций, делает их чрезвычайно выгодными в данном применении. В настоящее время стеклопластики— наиболее широко применяемые материалы для обтекателей. Для изго­ товления обтекателей из стеклопластиков используются различные методы: вакуумного формования на внешней и внутренней формах, прессования в замкнутой форме, намотки и т. п.

В качестве связующего вещества для стеклопластиков применяются различные смолы, от которых в большинстве случаев зависит тепло­ стойкость и активные потери этих материалов на СВЧ. Наиболее рас­ пространенными являются эпоксидные, полиэфирные, фенольные, кремнийорганические смолы, а также различные композиции из них. Некоторые стеклотекстолиты могут эксплуатироваться длительно 'при температурах до 300—350° С и кратковременно до температур 400— 500° С (до 2—3 мин). Тангенс угла активных потерь для большинства из этих материалов не более 0,03; диэлектрическая проницаемость в за­ висимости от связующего и методов изготовления колеблется от 3,2 до

4,7 — 5,0.

15