книги из ГПНТБ / Каплун, В. А. Обтекатели антенн СВЧ (радиотехнический расчет и проектирование)
.pdfб) 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.
Рис. 1.5. Зависимость температуры поверхности |
Рис. 1.6. Общий характер |
|
фюзеляжа от скорости и высоты полета. |
зависимости |
температуры |
|
поверхности |
от времени. |
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
материала и т. п ., их изменения в зависимости от температуры, а также знания точной формы обтекателя и режима его движения в воздухе. Получаемые при этом зависимости по характеру совпадают с показан ной на рис. 1.6. Участок АБ кривой соответствует набору скорости объектом; БВ — полету после остановки двигателя.
Рост температур на поверхности обтекателей с увеличением ско ростей полета существенно осложняет задачу их разработки, делает необходимым создание специальных температуростойких материалов. Для оценки трудностей, встречающихся на этом пути, отметим, что температура у поверхности носовых обтекателей современных самоле тов достигает 250—300° С; для многих ракет она доходит до 600—800° С,
двухслойной стенки.
а в периоды максимального ускорения —до 1400—1500° С. Еще слож нее обстоит дело при оборудовании обтекателями космических ракет, развивающих скорости больше первой космической. Расчет показывает,
что, например, у |
поверхности конического обтекателя из керамики |
с толщиной стенки |
~ 5 мм при полете в течение 4 сек со скоростью, |
соответствующей 7Л4 (скорость, близкая к первой космической), на высоте 600 м температура достигает 1935° С, а соответствующая темпе ратура в точке торможения (на вершине конуса) ~2400° С [2, 3].
В свете сказанного существенное значение приобретает темпера турный режим стенок обтекателей.
При резком изменении температуры пограничного слоя у поверх ности стенки возникает тепловой удар. В этом случае внутри стенки обтекателя устанавливается большой температурный градиент, при водящий иногда к значительным механическим напряжениям и, как следствие, — разрушению обтекателя.
Анализ показывает преимущества применения для обтекателей вы сокоскоростных объектов материалов с малым коэффициентом расши рения и низким модулем упругости, приводящими к уменьшению внутренних напряжений а (кг/см2) [3]. Однако эти напряжения различ ны для разных материалов и разных конструкций стенок обтекателей.
Н
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
от скорости полета объекта и угла, |
образуемого |
вектором скорости |
и поверхностью обтекателя. |
обтекателей |
и материалов для |
Данные об эрозионной стойкости |
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
вых капель используется специальное ружье, стреляющее |
дробью |
[4], и разработаны соответствующие теоретические положения, |
позво- |
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
Стеклотекстолиты используются в качестве материалов для слоев большой плотности в многослойных конструкциях, в однослойных стенках, в стенках с реактивными элементами и т. п.
Для слоев малой плотности многослойных обтекателей применяются сотовые структуры из стеклоили хлопчатобумажных тканей, различ ные пенопластмассы, стеклосетчатые материалы и т. п. [8].
В многослойных конструкциях предпочтение обычно отдается со товым структурам и иногда стеклосетчатым материалам; пенопласт массы из-за низких механических показателей и недостаточной термо стойкости, как правило, не применяются. Стеклотекстолит—материал композиционный (стеклоткань плюс смола) и поэтому недостаточно од нородный. Неоднородность его свойств приводит к дополнительным искажениям (фазовым и амплитудным) фронта волны, прошедшей че рез такой обтекатель, и, следовательно, к дополнительным искажениям диаграммы направленности антенны.
В качестве материалов используются также различные высокочас тотные пластмассы, керамика и стеклокристаллические материалы [10, 15]. В отличие от стеклотекстолитов эти материалы однородны, и, как правило, дают меньший разброс параметров обтекателей.
Из пластмасс следует указать на керамопласт. Эта пластмасса пред ставляет собой достаточно однородную смесь связующей смолы с квар цевым порошком и различными присадками (для получения нужных значений диэлектрической проницаемости). Керамопласт позволяет формовать обтекатели путем заливки или прессовки под давлением. Основное преимущество — получение достаточно однородных и. точно выполненных изделий; недостаток — низкая теплостойкость (работо способен до температур 200—250° С).
Весьма перспективны керамические и стеклокристаллические ма териалы (ситаллы) [11, 12], обладающие высокими однородностью свойств и термостойкостью. Они широко применяются для обтекателей объектов, обладающих очень большими скоростями и требующих вы соких точностей работы РЛС.
Высокочастотные керамики и стеклокристаллические материалы имеют достаточно малый тангенс угла потерь (tg б < 0,001) й высокую стабильность свойств при изменении температур: например, для ситаллов диэлектрическая проницаемость не меняется более чем на ± 1,0%, а тангенс угла потерь — более чем на ± 20% при изменении темпера тур от —60 до ±1200° С. Точность изготовления из них обтекателей высокая (толщина стенки колеблется в пределах ± 2 0 лис), что дает возможность обеспечить малое влияние их на характеристики излуче ния соответствующих антенных устройств. Обтекатели из ситалла
икерамики могут успешно применяться при скоростях, больших 3 М,
иработать в условиях жесткого термоудара (с темпом нагрева до 250— 300° С /сек).
Следует отметить, что появление новых материалов и новых техно логических приемов производства расширяет возможности конструк торов в этой области техники.
Г Л А В А 2
ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ АНТЕННЫ
СОБТЕКАТЕЛЕМ
2.1.ПРИЧИНЫ ИСКАЖЕНИЯ ДИАГРАММ НАПРАВЛЕННОСТИ ОБТЕКАТЕЛЯМИ. ОСНОВНЫЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ
Задача электродинамического расчета обтекателя сводится к рас чету и оценке влияния обтекателя на характеристики излучения рас положенной под ним антенны. В первую очередь это касается величины коэффициента усиления, искажений основного и боковых лепестков, гіространственного смещения диаграммы направленности, а для антенн» работающих по методу равносигнальной зоны, — отклонения равно сигнального направления и скорости изменения этого отклонения в за висимости от поворота антенны (градиент угловой ошибки). Таким об разом, оказывается необходимым уметь рассчитывать диаграмму на правленности систем «антенна — обтекатель».
Строгое решение этой задачи может быть получено лишь для огра ниченного числа случаев: при простейших геометрических формах по верхностей обтекателя, таких, как плоскость, цилиндр, сфера и т. п. и простых излучающих системах (элементарный диполь, плоская вол на). Для обтекателей произвольной формы следует исходить из при ближенных методов расчета, сводящихся к введению приближений и раздельному учету влияния различных элементов обтекателя на ис следуемые характеристики.
Рассматривая процесс излучения антенны при наличии обтекателя и анализируя получаемые характеристики систем антенна — обтека тель, можно прийти к заключению, что существуют следующие основ ные факторы, приводящие к искажению диаграмм направленности за счет влияния обтекателя:
во-первых, фазовые и амплитудные искажения фронта проходящей через обтекатель волны за счет различных набегов фазы и отражений от поверхности обтекателя для разных участков волнового фронта па дающей волны;
во-вторых, вторичные волны, возбуждаемые падающей волной на участках обтекателя с резкими нарушениями регулярности его поверх ности или участках, радиусы кривизны которых соизмеримы с длиной волны;
в-третьйх, поверхностные волны, возбуждаемыеладающей волной на обтекателе; * . - ; .
в-четвертых, многократные отражения между поверхностью обте кателя и раскрывом антенны.
При оценке значимости каждого фактора в создаваемых искажениях целесообразно все обтекатели разбить на два класса, К первому следует
•отнести обтекатели, поверхность которых регулярна и радиусы ее кри визны существенно больше длины волны; ко второму — обтекатели, поверхность которых имеет нарушения регулярности (однородности) или участки с радиусами кривизны, соизмеримыми с длиной волны. К наиболее характерным неоднородностям обтекателей второй группы, чаще всего встречающимся на практике, можно отнести излом в виде двугранного угла (например, у обтекателей, устанавливаемых в кром ке крыла, на киле самолета), вершину и область вблизи нее у носовых обтекателей.
Обтекатели, удовлетворяющие первому условию, можно назвать регулярными; второму — нерегулярными.
Несложный анализ показывает, что при использовании регулярных обтекателей искажения диаграмм направленности возникают в основ ном из-за амплитудных и фазовых искажений фронта прошедшей волны и в отдельных случаях из-за многократных отражений.
Благоприятные условия для многократных отражений возникают лишь в ограниченном числе случаев, когда обтекатель представляет собой плоскую (или почти плоскую) поверхность, а раскрыв антенны располагается параллельно (или почти параллельно) этой поверхности. В этом случае появляются дополгіительные многократные переизлучения раскрывом антенны отраженной обтекателем энергии и, как следствие, — дополнительное искажение диаграммы направленности за счет интерференции. Однако в большинстве случаев условия разме щения антенн на летающих объектах и формы обтекателей таковы, что многократные отражения в системе антенна — обтекатель достаточно малы и в первом приближении могут не приниматься во внимание. Поэтому при рассмотрении регулярных обтекателей, располагаемых на летающих объектах, и связанных с ними искажений диаграмм на правленности антенн следует главное внимание обращать на амплитуд ные и фазовые искажения обтекателем фронта электромагнитной вол ны, излучаемой или принимаемой антенной*.
Расчет диаграммы направленности антенны с учетом обтекателя в данном случае состоит из двух этапов: нахождения искаженных об текателем амплитудных и фазовых характеристик прошедшей волны и из расчета по этим характеристикам диаграммы направленности ан тенны в дальней зоне. Таким образом, для успешного решения этой за дачи прежде всего должен быть рассмотрен вопрос прохождения плос ких волн через неплоскую поверхность обтекателя и изысканы пути упрощения этой сложной задачи.
При аналогичном рассмотрении нерегулярных обтекателей нетрудно заключить, что искажения, вносимые ими в диаграммы направленности, связаны с первыми тремя отмеченными факторами.
* Для плоских или близких к ним по форме обтекателей необходим учет многократных отражений
18
Действительно, форма нерегулярных обтекателей такова, что фронт прошедшей плоской волны, во-первых, претерпевает значительные амплитудные и фазовые искажения за счет большой разности в углах падения для различных участков волнового фронта и существования углов падения, близких к скользящим; во-вторых, возбуждает вторич ные волны на участках обтекателя с большой кривизной или неодно родностями; в третьих, создает поверхностные волны, дающие допол нительное излучение в направлениях, близких к направлениям основ ного лепестка диаграммы направленности (например, излучение с вер шины носовых остроконечных обтекателей, с вершины двухгранного угла и т. п.).
При расчете диаграмм направленности антенны совместно с нерегу лярным обтекателем необходимо определять амплитудные и фазовые характеристики фронта прошедшей волны с учетом всех упомянутых факторов. Строгий учет этих искажений в общем случае — сложная дифракционная задача, решение которой в настоящее время встречает серьезные трудности. Поэтому нам представляется целесообразным рассмотреть эти факторы раздельно.
Такой подход вполне оправдан, так как на практике наиболее ве роятны ситуации, при которых лишь одна из причин имеет преимущест венное значение. Например, в крупногабаритных остроконечных обте кателях носового типа наибольший вклад в искажения диаграмм на правленности вносят амплитудные и фазовые искажения, появляющие ся при прохождении падающей волны через обтекатель, а вторичные волны дают лишь небольшие добавочные искажения; при использова нии малых по размерам носовых обтекателей наиболее существенное значение в искажениях играют уже вторичные волны и т. п.
При рассмотрении первого фактора — нахождение амплитудных и фазовых искажений волнового фронта волны, прошедшей через стен ки нерегулярного обтекателя, — мы приходим к той же задаче, что и при рассмотрении регулярного обтекателя — к задаче о прохожде нии плоских волн через неплоскую поверхность обтекателя.
При оценке второго фактора из всего многообразия нерегулярных обтекателей и неоднородных элементов их поверхности рассматривают ся только наиболее типичные формы обтекателей, особенности которых могут быть распространены на обтекатели других форм, и наиболее ха рактерные элементы их поверхности, вносящие основной вклад в иска жения поля антенны. В качестве таковых мы выбрали конический остроконечный обтекатель и излом поверхности в виде двугранного угла (полый диэлектрический клин).
Таким образом, возникает задача о дифракции плоской электромаг нитной волны на этих телах.
При рассмотрении третьего фактора — воздействие поверхностных волн на характеристики излучения антенны — представляется целе сообразным принять во внимание то обстоятельство, что поверхностные волны могут возникать при падении сферических волн на плоский ди электрический слой или плоской волны на торец диэлектрического листа. Такие условия возникают вблизи кромки антенны, расположен ной у поверхности обтекателя, представляющего собой тело вращения,
19