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临近空间高超声速飞行器电磁窗关键技术探索研究

时间:2015-09-16  来源:中国航空报   发布:高端装备网 
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   临近空间(Near Space)通常是指20~100千米的高空,随着航空航天技术的迅猛发展和军事斗争领域的不断拓展,临近空间作为未来战争陆海空天电五维一体化战场的重要组成部分,凭借独特的空间和环境优势,其潜在的军事应用价值越来越受到各国的关注。临近空间将传统的航空空间与航天空间连成一体,不仅能在预警探测、侦察监视、通信保障、电子对抗等方面实现空天地信息的有效中继和衔接,还可以为现有的防空反导作战提供新的思路。同时,临近空间极大地拓展了空天战场的范围与纵深,形成了一个崭新的作战领域,上可制天,下可制空、制海、制地,成为未来战争的新高地。临近空间高超声速飞行器是一种运行在临近空间的具有较高声速(Ma≥5)的机动飞行器,飞行高度一般为30~60千米,通过高超声速飞行可以实现快速全球打击。这类飞行器一般无人驾驶、飞行速度快、升空时间短、攻击能力强、突防概率高,可进行天地往返运输,还可用于摧毁敌方空间系统、拦截弹道导弹和对地进行精确打击等。临近空间高超声速飞行器是未来临近空间飞行器系统的重要组成部分,具有很强的打击能力和机动能力,现有的防空反导系统对其也无能为力,因此,发展临近空间高超声速飞行器迫在眉睫。

 

  电磁窗(雷达天线罩)是用来保护天线或整个微波系统(雷达、通信系统等等)在恶劣环境下能够正常工作的一种气动/结构/透波功能一体化部件。电磁窗既要承受临近空间高超声速飞行器空气动力载荷和环境热气流、雨流的冲刷及其载荷的振动冲击性能,又要满足微波系统对功率传输效率、瞄准误差、天线方向图畸变等电性能的要求。没有高性能的电磁窗,高性能的微波系统也将失去其应有的效用。因此高性能电磁窗已经成为临近空间高超声速飞行器不可分割的重要组成部分,对临近空间高超声速飞行器性能产生着重要的影响。

 

  临近空间高超声速飞行器电磁窗必须满足电性能要求、气动性能要求、结构及接口要求、力学性能要求和隐身性能等要求,同时还要满足可靠性要求、维修性要求、保障性要求、测试性要求、安全性要求和环境适应性等要求。因此,电磁窗技术是一项涉及到电磁场学、结构力学、空气动力学、传热学、材料学、工艺学等多学科领域技术的复杂工程。

 

  国外临近空间高超声速飞行器

 

  电磁窗相关信息

 

  X-43A飞行器是一架高超声速无人驾驶飞行器,设计最高马赫数为10,试飞中X-43A飞行器做出了接近Ma9.8的超高速飞行,飞离地表超过35千米远的高空。为了轨迹追踪和进行温度测量,X-43A高超声速飞行器于尾端部位安装有多部S波段发射机和一部C波段转发器。飞行器上下表面采用厚度大约为1.3cm的氧化铝增强热障陶瓷进行热防护,电磁窗在热防护陶瓷防护下。根据HyTech计划提到研制的热屏蔽及电磁窗用材料耐温要求为不低于927℃,推测天线安装部位的最高温度不高于927℃。

 

  X-51A“乘波者”验证机设计速度为Ma7,从X-51A的总体结构分析,弹身后段有一对中单操纵尾翼。弹身内有指控设备、遥测设备,指控设备主要工作在L波段,遥测设备主要工作在S波段。弹身尾端部位装有天线、敏感机、舵机等部件。另外,凸铲形进气口后端有一整流罩,该整流罩一直延伸到弹身尾端,此整流罩存在的目的之一就是为保护位于弹身尾端的电磁窗口。

 

  X-37B是一种可重复使用的飞行器,轨道高度在204~926千米,能在临近空间中以Ma=5~25的速度飞行。X-37B机载多频段通信天线,两组太阳能帆板提供电能,不论飞机的方向、角度和轨道如何变化,太阳能帆板始终对准太阳,通信天线始终对准地球和通信卫星。X-37B装有某种形式的天线桁架,推测或许在这架X-37B上装有没被透漏的更先进的某种天线。

 

  通过以上对美国X-43A、X-51A和X-37B等高超声速飞行器相关信息研究发现,临近空间高超声速飞行器的应用环境主要是对地侦察、探测等,通信的主要方向为地面及卫星通信。根据临近空间高超声速飞行器气动加热后最低温度分布在后端,初步推测临近空间高超声速飞行器电磁窗口一般安装在飞行器的中后端。考虑X-37B最终的工作环境为太空,临近空间仅仅为其进入太空的路径,认为X-37B的通讯窗口在不工作时处于热防护结构的保护中。

 

  临近空间高超声速飞行器

 

  电磁窗关键技术

 

  临近空间自然环境复杂,臭氧、紫外线强烈,飞行器在大气层边缘高速飞行时又会产生极高的温度,承受极大的载荷。临近空间高超声速飞行器电磁窗主要涉及电性能设计技术、结构设计技术、强度计算仿真及试验技术和电磁窗用高温材料等关键技术。

 

  (一)电性能设计及试验关键技术

 

  热变形与承载变形联合作用下电磁窗电性能设计方法研究。临近空间高超声速飞行器在高速飞行过程中,电磁窗窗体的温度和承受的载荷变化很大,会使电磁窗的外形发生改变,需对飞行过程引起的不同外形条件电磁窗的电性能设计方法进行研究,保证不同状态下电磁窗电性能指标的实现。

 

  材料介电性能变化情况下电磁窗电性能设计方法研究。临近空间高超声速飞行器在高速飞行时,电磁窗与空气发生剧烈的摩擦作用,飞行器的大部分动能转化为热能,致使电磁窗温度急剧升高,并且随着飞行马赫数的增加,气动加热将更趋严重。在不同的温度状态下电磁窗材料的介电性能会发生变化,导致电磁窗的电性能发生变化,因此需要对材料介电性能变化情况下电磁窗电性能设计方法开展研究。

 

  电磁窗壁厚随时间非均匀变化的电性能设计方法研究。临近空间高超声速飞行器以高马赫数飞行时,由于受到气流的冲刷作用而产生气动加热,电磁窗会发生高温烧蚀。电磁窗不同部位受到的烧蚀作用各不相同,电磁窗因烧蚀减少的厚度也各不相同,整个电磁窗的壁厚分布随时间变化呈现非均匀变化的趋势。在电性能设计过程中,需要对壁厚随时间非均匀变化的电性能设计方法进行研究。

 

  电磁窗电性能综合优化设计方法研究。针对临近空间高超声速飞行器在飞行过程中电磁窗遇到的外形变化、材料介电性能变化、厚度非均匀变化等问题进行综合考虑,建立临近空间高超声速飞行器电磁窗电性能综合优化设计方法。

 

  (二)结构设计关键技术

 

  电磁窗连接结构设计。临近空间高超声速飞行器在大气层中高速飞行时,电磁窗所经受的环境温度会迅速升高,因此电磁窗连接结构要能够耐受住飞行中的高温环境。

 

  高温主动防热和隔热结构设计。临近空间高超声速飞行器在大气层中以高马赫数飞行时,电磁窗还需要进行防热结构与主体结构一体化设计,设计时要确保足够的强度刚度,足够的环境适应性能力。热防护结构应具备长寿命、重复性使用的特征。并且要准确识别复杂温度场情况下热载荷作用状态,辨别到最大热载荷工况。

 

  (三)强度分析与试验关键技术

 

  强度分析关键技术。临近空间高超声速飞行器在高速飞行时,由于电磁窗的温度极高,温升速率极快,高温度梯度产生的热应力可能会造成电磁窗的破坏,需进行热流场的评估和热冲击计算仿真。而且由于飞行速度快,机动性高,其静力载荷、惯性载荷、振动载荷以及冲击载荷等会很大,需进行电磁窗静强度和动强度的计算仿真。此外,在高超声速飞行时,受到的不是单纯的热载荷或静载荷,而是两者的叠加,因此,需对静热联合载荷作用下的强度进行评估和仿真。

 

  试验关键技术。根据上面的强度计算仿真,其相应的试验关键技术包括:a)热冲击试验,不仅可验证计算的准确性和有效性,同时可为后续更高温度和温升率要求的飞行器提供强有力的试验数据支持。b)静力试验,有效地验证结构的静强度和刚性,破坏载荷试验可监测到裂纹的轨迹。c)振动和冲击试验,有效地验证结构的耐振动和冲击性能,同时发现在计算仿真中没有发现的其他问题。d)静热联合试验,可有效地验证电磁窗在综合应力环境下的力学性能。

 

  (四)电磁窗材料关键技术

 

  电磁窗用高温耐烧蚀、透波复合材料设计技术。高温透波材料经历了从陶瓷材料逐步向复合材料转变的发展过程。第一代高温透波材料以陶瓷为主,典型材料包括氧化铝、微晶玻璃、石英陶瓷。由于陶瓷材料的热结构可靠性无法满足更高热力环境下使用要求,因此发展了第二代高温透波材料,以连续纤维编织体为增强体,通过循环浸渍致密化形成陶瓷基复合材料,典型代表包括石英纤维增强二氧化硅基复合材料和纤维增强磷酸盐基复合材料。较第二代高温透波材料具有更好的高温强度及耐烧蚀性能的第三代高温透波材料是一个值得关注的重要发展方向。第三代高温透波材料的主要特征是成分体系从M-O二元体系向Si-B-N-O 多元体系演化。研究表明,在材料主成分中引入N元素,材料力学性能明显提高;B、N等元素的引入,可改变材料烧蚀机制,调控材料烧蚀性能。第三代高温透波材料的典型代表是以新型陶瓷纤维(包括SiBN纤维、Si3N4纤维、BN纤维等)为增强纤维的Si-B-N-O基复合材料,该材料体系具有更为优异的综合性能。第三代高温透波材料的关键技术是新型陶瓷纤维的研制,目前技术还不成熟,需要进行技术攻关。

 

  电磁窗表面封孔涂层技术。不管临近空间高超声速飞行器电磁窗材料采用第二代还是第三代高温透波复合材料,都是连续纤维增强陶瓷基复合材料,其制备工艺的缺陷性导致这种复合材料的致密度较差,因此在复合材料表面必须进行封孔处理。当前的封孔材料不能满足临近空间高超声速飞行器的耐温要求,需要进行耐高温的封孔涂层及封孔工艺研究。

 

  电磁窗隔热透波材料技术。如前所述,当飞行器在临近空间高超声速飞行时,电磁窗表面的温度急剧升高。飞行器电磁窗材料采用纤维增强陶瓷基复合材料,特别是氮化物陶瓷材料,其热导率较高,因此电磁窗舱内温度也很高。为保证飞行器电子设备的正常工作,电磁窗的隔热问题已经成为制约临近空间高超声速飞行器综合技术的瓶颈之一,必须开展电磁窗用隔热、透波、承载一体化的耐高温轻质隔热材料综合技术研究,尤其是材料必须具有良好的隔热、透波性能,而且在一定的频带和温度范围内具有稳定的介电性能。

 

  临近空间高超声速飞行器的开发和应用已经成为各航空航天大国关注的热点,临近空间也必将成为未来空间争夺的重要战场。要在未来空间军事斗争中占据一席之地,就必须加大临近空间高超声速飞行器相关技术的研究。临近空间严酷的飞行环境和不断超越的飞行速度对电磁窗电性能设计、结构设计、强度计算仿真及试验、电磁窗材料等领域提出了重大挑战。因此需要大力开展有针对性的关键技术研究,尽快突破临近空间高超声速飞行器电磁窗关键技术,促进我国临近空间高超声速飞行器电磁窗技术的发展。

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