某机载电子吊舱天线罩结构设计

叶 明朱恒义

(中国电子科技集团公司第五十一研究所,上海 201802)

0 引言

天线罩是集气动外形、结构强度、电气性能等要求于一体的功能结构件,其主要作用是改善飞行器的气动外形,保护内部天线系统免受外部环境的影响,保护天线表面和位置的精度。天线罩结构的设计内容包括气动外形设计、结构强度设计和电气性能设计等。气动外形一般由气动仿真或吹风试验来决定,结构强度直接决定天线罩的设计成败,透波性以及电气性能的优劣决定产品的竞争力。故设计时需要对天线罩进行全方位考虑,对结构强度以及相应的电气性能进行分析和校核。

本文选取机载电子吊舱前向天线罩进行研究。该吊舱挂载于某型战斗机上,其最大挂飞高度18 000 m,最大挂飞速度2 Ma,最大挂飞过载8.5 g。此天线罩具有大尺寸、不规则体和高性能的特点,对结构和电性能要求高,有耐环境要求,气动外形有严格要求,这对天线罩的制造提出了一系列挑战,如在飞机超音速飞行条件下保证天线罩的强度和刚度等。

1 详细设计

1.1 外形设计

天线罩的设计要求是连接截面尺寸约350 mm×370 mm,长度310 mm,最大壁厚6.5 mm,满足超音速飞行条件下,罩体最大变形量不超过1 mm。

根据设计要求,天线罩设计为复合材料A-夹层结构,见图1,形状为圆锥状,连接段曲线=0.7,通过PTC Creo软件,拟合出天线罩外形,并代入飞机飞行包线进行气动仿真,外形见图2。

图1 天线罩边缘典型截面结构示意图

图2 天线罩外形示意图

1.2 材料说明

天线罩材料需要同时满足结构性能、电性能设计要求,以及具备良好的工艺可操作性。其中材料的介电性能直接影响着天线罩的电性能。针对天线罩耐温性能要求,需要选择低损耗材料体系。同时设计时需要考虑到环境、温度、湿度等因素对复合材料的影响。

蒙皮材料均采用氰酸脂石英布预浸料DC721/QWB110/38,夹芯材料采用Nomex 芳纶纸蜂窝AXN-2.7-72,实心加强区采用氰酸脂石英布预浸料DC721/SW220 D/40,蒙皮和蜂窝之间粘结采用J-245C胶膜,透波区和实芯区之间过渡区蜂窝采用J-245 D 发泡胶加强,蒙皮材料密度为1.8 g/cm,蜂窝芯材料密度为0.08 g/cm,材料力学性能见表1,电性能见表2,该材料体系能满足-70℃～150℃的工作环境温度要求。表1中,分别为径向和纬向弹性模量,、、分别为、、向剪切模量,、分别为径向拉伸强度和压缩强度,、分别为纬向拉伸强度和压缩强度,、、分别为、、向剪切强度。

表1 材料力学性能

表2 材料电性能

天线罩电讯性能和结构性能要求高,针对该天线罩,必须进行详细的电性能和结构性能分析论证,从而达到结构性能和电性能的最佳协调统一。

1.3 结构性能分析

根据飞机挂吊舱后气动力学仿真结果,使用载荷包络线法筛选并确定了15个严重载荷工况,然后列出15个工况内最严重的3个工况,天线罩集中气动载荷计算结果见表3,天线罩航向单位长度载荷分布见表4,因天线罩航向方向为主受力方向,故仅列出航向单位长度载荷分布。选取综合下来最危险的工况CASE8,再利用MSC Patran软件进行力学仿真,变形云图见图3。

图3 天线罩最大变形云图(CASE8)

表3 天线罩集中气动载荷计算结果

表4 天线罩航向单位长度载荷分布(单位:N/m)

由图3可知,天线罩最大变形量为0.873 mm,小于设计要求1 mm。

1.4 电性能分析

天线罩内天线频段为2～18 GHz,应用专用的电性能仿真设计软件,对天线罩透波区域内的透波性能进行了仿真计算,选取部分典型频段及典型点进行仿真,透波性能计算结果见图4～图6,统计见表5。

图4 法向透波仿真结果

图5 45°透波仿真结果

图6 45°插入相位仿真结果

表5 天线罩电性能仿真结果统计表

2 试验验证

2.1 静力试验

根据设计要求,对天线罩进行静力试验,在天线罩顶部(内部)安装位移传感器,在顶部和边框布置应变片。将天线罩与连接件连接,再将连接件与刚性过渡件连接。

制作1个刚性砂箱,在砂箱底部铺一定厚度的细砂。将天线罩垂直放置于砂箱中,用细砂填满砂箱。完成上述准备工作后,通过安装于刚性过渡件上的杠杆加载系统进行加载试验。试验系统示意图见图7,现场试验装置见图8。

图7 天线罩试验系统示意图

图8 静力试验现场试验图

根据试验结果分析,天线罩实测的应变和位移数据绝对值随载荷线性增大,载荷释放后应变和位移基本归零,表明试验后天线罩未出现明显的塑性变形。天线罩载荷加置100%时,测得变形量为0.69 mm,小于实际允许变形量,符合设计要求。

2.2 振动、冲击试验

天线罩随舱体进行振动、冲击试验,根据GJB150A 要求,在具备资格的第三方试验室进行试验,试验装置见图9。

图9 振动、冲击试验现场图

振动、冲击试验完成后,经检查,天线罩无裂纹,无变形,未发生破坏,试验结果表明设计符合要求。

2.3 电性能测试

电性能实际测试结果见表6,结果满足设计要求。

表6 电性能实际测试结果

3 结束语

该天线罩设计时兼顾了力学性能和电性能要求,通过一系列的优化仿真,设计出符合要求的天线罩,最终经过试验验证了设计的合理性。该产品对同类别的天线罩设计提供了参考,具有较好的指导意义。