一种小型“倒F”热天线结构设计*

张 飞,邝浩欣,渠弘毅,刘 宁,刘秀春

(北京航天长征飞行器研究所, 北京 100076)

0 引言

目前,在很多飞行器中,热天线的使用越来越多,按照天线在飞行器上安装的形式来分,常见的有两种形式:一种是天线外表面嵌入舱体表面;一种是天线安装面在舱体外壁面,天线主体凸出舱体一定高度[1-5]。前一种安装形式,天线的热设计主要是选择合适的防护盖板材料,设计合理的盖板壁厚尺寸,从而保证防护盖板内部天线的工作温度,该种方式天线的防热设计相对容易实现,属于传统的热天线设计思路。后一种安装形式,天线的热设计既要选用合适的防护盖板材料以及天线材料,还要考虑气动加热问题,对天线外形结构、尺寸小型化控制要求更高、难度更大[6-7]。

1 凸出舱外小型热天线结构设计

凸出舱外热天线结构设计的关键点:一是凸出舱外的天线高度尽可能低,迎风面面积尽量小,从而减小飞行过程中气动阻力及气动加热;二是凸出舱外的防热挡块材料驻点区温度最高,其余表面温度相对较低,既满足防热挡块整体的抗烧蚀冲刷可靠性,又能减小防热挡块的体积、重量,实现轻小型化;三是天线本体材料和安装标准件选用耐高温金属材料。

按照上述热天线结构设计关键点的思路,进行“倒F”振子天线的设计分析。

1.1 “倒F”振子天线辐射单元特点与防热设计分析

“倒F”振子天线辐射单元特点是尺寸小、重量轻且基材为纯金属材料。辐射单元示意图见图1。

图1 “倒F”振子天线辐射单元型式示意图

“倒F”振子天线辐射单元主体为不锈钢材料,能够承受的温度较高(熔点1 535 ℃),但是馈电点处射频连接器内外导体绝缘材料为聚四氟乙烯,聚四氟乙烯在235 ℃左右会发生软化,从而影响射频连接器的阻抗匹配性能,因此必须控制馈电点处的温度不高于210 ℃,才能确保天线的可靠,这是天线辐射单元热设计的关键点。

1.2 结构设计与分析

按照上述分析的凸出舱外热天线结构设计关键点,结合“倒F”振子天线型式特点,设计了图2所示热天线。

图2 热天线结构及组成图

由图2可以看出,“倒F”振子热天线主要由防热挡块、辐射单元、防热衬套、射频连接器及金属底板组成。其中热设计的关键点是控制馈电点温度不高于210 ℃。热设计的重点是防热挡块和防热衬套材料的选择、结构型式、零部件间连接装配及在舱壁上的安装接口设计,使其满足凸出舱体外的热天线结构设计的关键点。

1.2.1 防热材料选择与结构设计

天线防热挡块材料选择既要考虑材料本身的耐热温度及受热时的材料强度,还要考虑材料机械加工性能。耐热温度高(不大于1 200 ℃时材料强度高、变形小)、烧蚀不产生碳化且具有良好的机械加工性能的模压高硅氧材料成为天线防热挡块材料的首选。

天线挡块结构型式设计时,需要充分考虑气动阻力及由此产生的气动加热问题。防热挡块的迎风面设计为流线型,挡块整体外形设计为圆滑过渡,不能有平面台阶过渡或局部凹陷,尽可能减小气动阻力、局部热应力集中。文中设计的防热挡块前端为抛物线过渡的圆锥曲面,可以减小飞行时的气动阻力。挡块外侧壁为平滑曲面过渡,实现挡块整体外形的流线型设计,减小局部热应力集中,同时防热挡块设计时,考虑到辐射单元的高度,在满足天线方向图要求的前提下,防热挡块应高于辐射单元的高度,保证辐射单元不会受到热流的直接冲刷,同时防热挡块不能过高,避免造成防热挡块本身的温度过高,因此,经过仿真计算和分析,选择防热挡块高于辐射单元5 mm,结构型式如图3所示。

图3 防热挡块结构图

分析防热挡块温度场分布可知,红色曲线所示的曲面位置为驻点区域,温度最高,设计壁厚最厚,沿着抛物面中心向两侧温度逐渐降低,从而设计壁厚逐渐减薄。

1.2.2 防热挡块与天线主体连接方式

从图2和图3可以看出,热天线零件间的装配连接设计难点主要是防热挡块与天线主体的连接。

考虑到盖板为模压高硅氧材料,采用在防热挡块底部镶钢丝螺套的方式实现与金属地板之间的连接,并在防热挡块底部与金属地板连接面之间涂高温腻子,形成了防热挡块与天线主体的螺纹装配连接接口。

这样天线主体就可以通过常规的螺钉连接实现与防热挡块的装配。

2 防热计算分析

2.1 热环境计算

为了计算天线各部位的温度场,首先将天线模型安装在舱壁上,建立天线周围热环境条件,如图4所示。

图4 天线周围热环境仿真图

从仿真结果可以看出,因防热挡块位于迎风面的最前端,受热流冲刷最严重,因此在防热挡块的前缘部位热环境最恶劣,最大热流约为0.5 MW/m2,受防热挡块的影响,在挡块前缘的平台区热流也有一定的提高,最大热流约为0.2 MW/m2,辐射单元的最大热流约为0.13 MW/m2,防热衬套的最大热流峰值约为0.14 MW/m2,上述部位的最大焓值约为11.0 MJ/kg。

2.1 温度场计算

根据天线各组成部分的材料组成,查材料手册得到相应材料的物性参数如表1所示。

表1 物性参数

根据天线本体和周围的热环境以及材料物性参数,计算得到各部位的温度为:防热挡块前缘最高温度为1 010.5 ℃,挡块前缘平台区最高温度为407.2 ℃,辐射单元最高温度为300.5 ℃,防热衬套表面最高温度为362.6 ℃,经仿真计算分析,天线本体材料选择能够满足环境温度要求。

3 试验验证

为了验证文中设计的热天线的气动性能及热环境适应性,加工实物模型进行了电弧加热风洞试验考核。

试验前,在试验模型的不同区域设置温度传感器如5所示,其中测点3为激光式传感器测点,其余测点为电阻式传感器测点,测量各区域的温度,因天线馈电点位于防热衬套内部,温度无法直接测量,金属底板为良好的热导体,同时温度场施加时间较长,因此选择金属底板外表面靠近馈电点的位置进行温度检测,同样理论计算的馈电点位置的温度和金属底板靠近馈电点的位置温度几乎相同,因此选择金属底板外表面测点侧面反应天线馈电点的温度。

为了更加充分的验证天线能够适应热环境考核,在电弧风洞试验过程中,通过矢量网络分析仪对天线的驻波比进行实时检测。

图5 各测点温度传感器安装示意图

试验模型在风洞试验中各测点的温度实测值如表2所示。

表2 电弧加热风洞试验各测点温度测试结果

表2中馈电点处振子的实测温度为133～202 ℃,聚四氟乙烯发生软化的温度在235 ℃左右。试验模型风洞试验前后对比示意图如6所示。

通过表2及图6所示的试验结果可以看出,文中设计的小型“倒F”热天线结构外形具有很好的气动性能及优异的热环境适应性。

图6 试验模型风洞试验前后对比图

4 结论

文中介绍的一种凸出飞行器舱体外表面安装、外形新颖的小型化“倒F”热天线设计结构,不仅满足了轻小型(外形mm:80×50×30,重量150 g)及热环境适应性的飞行器要求,而且安装简单可靠,为热天线设计提供了一种创新思路。