Радиопрозрачный обтекатель навигационной антенной системы вертолета
RADIO-TRANSPARENT SPINNER OF NAVIGATION ANTENNA OF HELICOPTER SYSTEM

Изобретение относится к антенно-фидерным устройствам, преимущественно к антенным обтекателям навигационных систем вертолета и других малоскоростных летательных аппаратов.
min
Практика разработки подобных обтекателей показала, что для активных навигационных систем, работающих в узком частотном диапазоне (менее 1%), в качестве обтекателя используется тонкостенная конструкция, изготовленная из радиопрозрачного материала, средняя толщина стенки которой существенно меньше самой короткой длины волны рабочего диапазона антенны (h ≤ 0,1l). При этом существенную роль играет выбор радиопрозрачного материала, влияющего на потери передачи-приема СВЧ (сверхвысокие частоты) поля, фазовые искажения, ухудшающие характеристики ДН (диаграмма направленности) антенного устройства, с учетом не осесимметричного контура обтекателя относительно строительной оси антенны, поскольку в результате фазового взаимодействия прямой и отраженной волн может происходить значительное увеличение боковых лепестков ДН антенного устройства.
Известен антенный обтекатель летательного аппарата, выполненный из диэлектрического материала с толщиной стенки, соответствующей полуволновой электрической толщине в рабочем диапазоне частот: Каплун В.А. Обтекатели антенн СВЧ. М, Советское радио, 1974 г., 238 с.
Конструкция стенки обтекателя, реализованная по толщине как электрически полуволновая, на конкретной частоте позволяет получить минимальный уровень отражения, минимальные искажения фазы прошедшего поля, а соответственно обеспечить максимальную величину коэффициента прохождения (КП) прошедшего поля.
Известен антенный обтекатель летательного аппарата с однослойной стенкой из диэлектрического материала полуволновой толщины в рабочем диапазоне навигационных систем частот с учетом диэлектрических параметров материала: RU № 2054763, МПК H01Q 1/42, 12.04.1993.
В конструкции стенки обтекателя для улучшения радиотехнических параметров вводятся ограничения по ее толщине в зависимости от рабочей частоты и диэлектрической проницаемости материала.
Недостатком в данном случае является то, что оптимальная по радиотехническим параметрам стенка обтекателя (полуволновая), настроенная на узкий диапазон частот, получается массивной (по толщине стенки) и не проходит по массогабаритным требованиям для носового вертолетного обтекателя, а также, при несимметричной относительно строительной оси антенной системы конструкции обтекателя, повторяющего аэродинамические обводы носовой части вертолета, коэффициент прохождения и боковые лепестки ДН антенной системы в значительной степени будут зависеть от угла падения электромагнитного поля (угла сканирования антенного устройства), при этом уменьшение коэффициента прохождения может достигать 10% и более.
Наиболее близкой к предлагаемой конструкции обтекателя является решение, представленное в патенте RU 2420838, МПК H01Q 1/42, 11.05.2010, где обтекатель в форме цилиндра с полусферической вершиной содержит однослойную стенку из диэлектрического материала, электрически тонкую по отношению к длине волны на частоте 10 ГГц, близкой к диапазону частот навигационных РЛС (радиолокационная станция) вертолетов и других винтокрылых летательных аппаратов. Однако представленные в вышеуказанном патенте значения коэффициента прохождения актуальны только для представленной в нем конструкции обтекателя и для не осесимметричных конструкций носовых обтекателей вертолетов и других винтокрылых летательных аппаратов. Минимальный коэффициент во всем угловом диапазоне обзора по азимуту и углу места будет значительно ниже (на 10-15%). Также к недостаткам можно отнести весовые характеристики, что является важным параметром конструкции носового обтекателя РЛС вертолетов и других винтокрылых летательных аппаратов.
Задачей изобретения является получение конструкции носового обтекателя РЛС вертолета и других винтокрылых летательных аппаратов, обеспечивающей минимальное искажение ДН антенного устройства, в рамках получения максимального коэффициента прохождения и минимального уровня боковых лепестков ДН, а также требований по прочности и жесткости.
Поставленная задача решается следующим образом.
Радиопрозрачный обтекатель навигационной антенной системы вертолета, отличающийся тем, что стенка обтекателя толщиной 1,0-2,5 мм выполнена из двух слоев препрега на основе кварцевой ткани с диэлектрической проницаемостью ε = 2,0 – 4,0, между которыми размещена стеклосетка, толщина нити которой равна 0,5-1,5 мм, а к внутренней поверхности стенки в направлении от основания к вершине обтекателя присоединен стеклосотопласт, толщина и высота которого находится в пределах: толщина 5,0-8,0 мм, высота 180,0- 200,0 мм.
При заданных геометрических внешних обводах, определяемых аэродинамическими и конструктивными требованиями, механических и термодинамических нагрузках, а также учитывая массогабаритные требования к носовому обтекателю РЛС вертолета, на сегодняшний день для изготовления подобных обтекателей наибольшее распространение получили композиционные материалы на основе стеклоткани.
Теоретические расчеты и экспериментальные исследования с макетами действующих носовых обтекателей РЛС вертолетов подтвердили, что использование композиционного материала в виде препрега на основе кварцевой ткани (тип КМКС) с ε = 2,0 - 3,5 и тангенсом диэлектрических потерь tgδ = 0,005 - 0,01 для изготовления тонкостенного 1,0-2,5 мм обтекателя, выполненного по геометрии обвода вертолета, значительно повышает коэффициент прохождения и уменьшает влияние на боковые лепестки системы антенна-обтекатель в сравнении с аналогичным обтекателем, изготовленным из композиционного материала на основе стеклоткани.
Использование стеклосетки, уложенной между препрегами, позволяет многократно увеличить жесткость конструкции, при этом толщина стеклянной нити выбирается исходя из требуемых параметров по устойчивости к механическим воздействиям (0,5-1,5 мм), а размер ячейки стеклосетки (5,0 - 1,0 мм), обеспечивая максимальное значение КП системы антенна-обтекатель, что достигается получением меньшего значения обобщенной диэлектрической проницаемости всей стенки обтекателя за счет разряженного состояния конструкции стенки (междуячеечного пространства с диэлектрической проницаемостью близкой к 1). Пределы размеров ячейки стеклосетки и толщины стеклянного волокна определены экспериментально, при этом сетка с ячейками менее 5,0 мм, как и выбор толщины стеклянной нити более 1,5 мм, увеличивает вес обтекателя, что недопустимо для рассматриваемых конструкций обтекателей. Это также увеличивает обобщенную диэлектрическую проницаемость стенки, что ведет к заметному ухудшению радиотехнических характеристик системы антенна-обтекатель. Сетка с ячейками более 15,0 мм, как и использование стеклянной нити толщиной менее 0,5 мм, уменьшает прочностные характеристики предлагаемой конструкции и приводит к снижению жесткости и прочности всего обтекателя, а также ведет к заметному ухудшению радиотехнических характеристик системы антенна-обтекатель.
Для обеспечения устойчивости и жесткости всей конструкции обтекателя используется полоса из стеклосотопласта, выполненного на основе стеклотканей и полимерных связующих, обладающего многократно более высокими удельными упруго-прочностными характеристиками по отношению к монослойным конструкциям с такими же весовыми параметрами. Полоса из стеклосотопласта присоединяется к внутренней поверхности обтекателя от его основания посредством термостойкого клея. Геометрические параметры стеклосотопласта теоретически и экспериментально определены, исходя из соотношения требований по необходимой жесткости обтекателя и получения оптимальных радиотехнических характеристик, и находятся в пределах: толщина 5,0 - 8,0 мм, высота 180,0 - 200,0 мм.
На фиг.1 а, б изображена конструкция обтекателя заявляемого изобретения, где 1 и 2 - слои препрега, 3 - стеклосетка, 4 - полоса стеклосотопласта, 5 - антенное устройство, 6 - строительная ось антенного обтекателя.
Для экспериментального подтверждения расчетных данных были созданы: стенд, обеспечивающий реальное взаиморасположение РЛС и носового обтекателя на действующем вертолете с использованием действующей РЛС данного вертолета; обтекатели, идентичные по геометрическим параметрам внешнего контура, изготовленные из композиционных материалов на основе стеклоткани и кварцевой ткани по предлагаемому изобретению, последний выполнен из двух слоев препрега клеевого марки КМКС-4К 175ТС8/3К 37 (ТУ 1-595-14-1064-2009) с размещенной между ними стеклосеткой марки ПС-1-5 (ТУ 17-09-283-89) с усилением полосой стеклосотопласта ССП-1-4.2 (ТУ 1-596-395-98) толщиной 5,4 мм и высотой 200,0 мм, закрепленной с помощью клеевого состава ВК 36Р и слоя того же препрега. Измерения проводились с обтекателями, покрытыми лакокрасочным составом на эпоксидной основе (ЭП-140), отвечающие эрозионным и влагозащитным требованиям.
На фиг.2 приведены сравнительные графики ДН вышеуказанных обтекателей, где 7 - ДН антенного устройства с обтекателем, изготовленным из композиционных материалов на основе стеклоткани; 8 - ДН антенного устройства с обтекателем, изготовленным из композиционных материалов на основе кварцевой ткани по предлагаемому изобретению. Измерения ДН представлены при нормальном падении электромагнитного поля относительно строительной оси системы антенна-обтекатель в азимутальной плоскости при совпадающей поляризации вектора Е электромагнитного поля с плоскостью прокачки на верхней частотной точке рабочего диапазона РЛС.
На фиг.3 приведены сравнительные графики КП вышеуказанных обтекателей, где 9 - график КП антенного устройства с обтекателем, изготовленным из композиционных материалов на основе стеклоткани; 10 - график КП антенного устройства с обтекателем, изготовленным из композиционных материалов на основе кварцевой ткани по предлагаемому изобретению. Измерения КП представлены в азимутальной плоскости при совпадающей поляризации вектора Е электромагнитного поля с плоскостью прокачки на верхней (фиг.3 а) и нижней (фиг.3 б) частотных точках рабочего диапазона РЛС.
Проведенные экспериментальные исследования подтверждают, что обтекатель РЛС вертолета, изготовленный из композиционного материала на основе кварцевой ткани, повышает КП системы антенна-обтекатель в среднем на 5-7% в зависимости от режима измерения (поляризация, диапазон частот, направление сканирования).
Таким образом, применив теоретические расчеты и проведя экспериментальные исследования, получена конструкция носового обтекателя РЛС вертолета, которая позволяет получить КП в среднем не менее 85 - 87% и боковые лепестки ДН не выше минус 20 дБ системы навигационная РЛС-обтекатель, что удовлетворяет современным требованиям по радиотехническим параметрам, предъявляемым к вертолетам и другим малоскоростным летательным аппаратам.