Радиопрозрачный обтекатель навигационной антенной системы вертолета

Полезная модель относится к антенно-фидерным устройствам, преимущественно к антенным обтекателям навигационных систем вертолета и других малоскоростных (дозвуковых) летательных аппаратов (МЛА).
Практика разработки подобных обтекателей показала, что для активных навигационных систем, работающих в узком частотном диапазоне (менее 1%) и отвечающая физико-техническим и температурным требованиям к конструкциям МЛА, в качестве радиопрозрачной стенки используется конструкция, где электрическая толщина (общая физическая толщина стенки нормированная по диэлектрическим характеристикам материала(ов), из которых она изготовлена) значительно меньше 0,1 длины волны рабочего диапазона радиолокационной станции (РЛС) МЛА. При этом, учитывая, что внешний контур обтекателя задается аэродинамическими требованиями и требованиями по облику МЛА, существенную роль играет выбор радиопрозрачного материала, оказывающий существенное влияние на: потери приема - передачи СВЧ поля, определяющие коэффициент прохождения (КП) системы антенна-обтекатель; фазовые искажения, вносимые обтекателем в поле антенны, и взаимодействие прямой и отраженной волн СВЧ поля между апертурой антенны и стенкой обтекателя, приводят к ухудшению направленности антенны за счет перераспределения энергетической составляющей сигнала и увеличению уровня боковых лепестков (УБЛ) диаграммы направленности (ДН) системы антенна-обтекатель.
Известен антенный обтекатель в форме цилиндра с полусферической вершиной, который 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, представленный в патенте RU 2292101, H01Q 1/42, 23.05.2005.
Однако указанные в данном патенте значения коэффициентов прохождения актуальны только для представленной в них конструкции. Поскольку носовые обтекатели вертолетов и других винтокрылых летательных аппаратов имеют не осесимметричную конструкцию, а конструкцию, отвечающую общим аэродинамическим обводам летательного аппарата, то минимальный коэффициент прохождения таких обтекателей во всем угловом диапазоне обзора по азимуту и углу места будет значительно ниже (на 10-20%). Также данная конструкция не обеспечивает требования по весовым критериям.
Известно, что очевидным способом уменьшения активных потерь электромагнитной волны при прохождении через радиопрозрачный материал является уменьшение толщины стенки обтекателя, что вступает в противоречие с требованиями по прочности и жесткости конструкции. Однако получение оптимальных радиотехнических параметров радиопрозрачной стенки (максимального КП; минимальных фазовых искажений, влияющих на ДН) и соответственно минимальной электрической толщины стенки, можно добиться использованием многослойных структур. Расчет трехслойной стенки, обеспечивающей полное прохождение падающей волны СВЧ приведен в (В.А. Каплун, Обтекатели антенн СВЧ, М., Советское радио, 1974 г. 238 с., 75 с.).
Наиболее близким техническим решением является конструкция носового обтекателя РЛС вертолета, представленная в полезной модели CN 209209018 U, 06.08.2019, где трехслойная стенка обтекателя вертолета состоит из наружнего и внутреннего слоев, выполненных из стекловолокнистого препрега, и внутреннего слоя, выполненного из однослойного бумажного сотового заполнителя.
Недостатком данной конструкции является использование стекловолокнистого препрега, имеющего диэлектрическую проницаемость выше 4, что существенно может повлиять на радиотехнические характеристики обтекателя - уменьшение КП, увеличение влияния переотражений электромагнитной волны и рост УБЛ ДН, а также увеличение весовых параметров.
Задачей полезной модели является получение носового обтекателя РЛС вертолета и других МЛА, имеющего конструкционную стенку, обеспечивающую минимальный уровень боковых лепестков ДН и максимальный КП системы антенна-обтекатель, а также повышение жесткости конструкции при минимизации весовых параметров.
Поставленная задача решается тем, что предложен радиопрозрачный обтекатель навигационной антенной системы вертолета, стенка которого выполнена трехслойной, наружный и внутренний слои выполнены из препрега, а средний слой, расположенный между ними, - из сотового заполнителя, отличающийся тем, что препрег выполнен на основе кварцевой ткани, толщина которого не более 0,3 мм, а в качестве сотового заполнителя установлен стеклосотопласт, толщина которого выбирается из радиотехнических требований и весовых критериев обтекателя.
Использование трехслойной конструкции стенки обтекателя, выполненной с тонкими наружным и внутренним слоями из композиционного материала на основе кварцевой ткани с диэлектрической проницаемостью 2-3,5 толщиной не более 0,3 мм, обладающим большими активными потерями для электромагнитной волны и расчетным внутренним слоем из стеклосотопласта с диэлектрической проницаемостью 1,1-1,2 со значительно меньшими активными потерями для прохождения электромагнитной волны, что обеспечивает возможность получения конструкции обтекателя с минимальными потерями при прохождении электромагнитной волны и искажениями ДН, при этом обеспечивая за счет внутреннего слоя из стеклосотопласта жесткость и устойчивость к механическим и температурным воздействиям всей конструкции обтекателя, обладающего высокими удельными упруго-прочностными характеристиками в сборе с наружными слоями препрега.
На фиг. 1 а, б изображена конструкция обтекателя заявляемой полезной модели, где 1 и 2 - слои препрега, 3 - стеклосотопласт, 4 - антенное устройство, 5 - строительная ось антенного устройства.
При заданных геометрических внешних обводах, определяемых аэродинамическими и конструктивными требованиями, механическими и термодинамическими нагрузками, а также учитывая массогабаритные требования к носовому обтекателю РЛС вертолета, на сегодняшний день для изготовления подобных обтекателей наибольшее распространение получили композиционные радиопрозрачные материалы на основе стеклоткани.
Поэтому экспериментальные сравнительные работы проводились с носовым обтекателем РЛС вертолета, имеющего однослойную стенку из композиционного материала на основе стеклоткани с диэлектрической проницаемостью 4,2 толщиной 1,5 мм, и обтекателями, идентичными по геометрическим параметрам внешнего контура к предыдущему, но имеющих трехслойную стенку, в котором использован препрег клеевой на основе кварцевой ткани марки КМКС-4К 175ТС8/3К 37 (ТУ 1-595-14-1064-2009) толщиной 0,3 мм с диэлектрической проницаемостью 3,3 и отличающимся внутренним слоем из стеклосотопласта ССП-1-4.2 (ТУ 1-596-395-98) с диэлектрической проницаемостью 1,1-1,2 толщиной 2,4 мм и толщиной 8 мм, установленного с помощью клеевого состава ВК 36Р.
Минимальная толщина 2,4 мм внутреннего слоя стенки обтекателя выбрана, исходя из обеспечения минимальных весовых параметров обтекателя, максимальная толщина 8,0 мм внутреннего слоя стенки обтекателя выбрана из условия лучших радиотехнических параметров и имеет большие весовые параметры. Расчетная толщина внутреннего слоя определяется в компромиссе требуемых весовых и радиотехнических параметров. Увеличение толщины внутреннего слоя ведет к ухудшению радиотехнических характеристик, что подтверждается теоретическими расчетами на плоской модели, а уменьшение его ведет к потере требуемой жесткости конструкции.
Для экспериментального подтверждения расчетных данных были созданы: стенд, обеспечивающий реальное взаиморасположение РЛС и носового обтекателя на действующем вертолете с использованием действующей РЛС данного вертолета. 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 6 - ДН антенного устройства с обтекателем, изготовленным из композиционных материалов на основе стеклоткани; 7 - ДН антенного устройства с обтекателем, изготовленным из композиционных материалов на основе кварцевой ткани по предлагаемому техническому решению с толщиной среднего слоя 2,4 мм. 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 8 - график КП антенного устройства с обтекателем, изготовленным из композиционных материалов на основе стеклоткани; 9 - график КП антенного устройства с обтекателем, изготовленным из композиционных материалов на основе кварцевой ткани по предлагаемому техническому решению с толщиной среднего слоя 2,4 мм. Измерения КП представлены в азимутальной плоскости (фиг. 3а) при совпадающей поляризации вектора Е электромагнитного поля с плоскостью прокачки на верхней частотной точке рабочего диапазона РЛС и в угломестной плоскости (фиг. 3б) при совпадающей поляризации вектора Н электромагнитного поля с плоскостью прокачки на верхней частотной точке рабочего диапазона РЛС.
Результаты работы показывают, что носовой обтекатель РЛС вертолета, имеющий трехслойную стенку из композиционного материала на основе кварцевой ткани с толщиной среднего слоя 2,4 мм. повышает КП системы антенна-обтекатель в среднем на 7-10% в зависимости от режима измерения (поляризация, диапазон частот, углы сканирования антенного устройства) по отношению к традиционной однослойной конструкции, выполненной из композиционного материала на основе стекловолокна, а уровень боковых лепестков находится на уровне минус 25 дБ.
На фиг. 4 приведены сравнительные графики ДН вышеуказанных обтекателей, где 6 - ДН антенного устройства с обтекателем, изготовленным из композиционных материалов на основе стеклоткани; 7 - ДН антенного устройства с обтекателем, изготовленным из композиционных материалов на основе кварцевой ткани по предлагаемому техническому решению с толщиной среднего слоя 8 мм. 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. 5 приведены сравнительные графики КП вышеуказанных обтекателей, где 8 - график КП антенного устройства с обтекателем, изготовленным из композиционных материалов на основе стеклоткани; 9 - график КП антенного устройства с обтекателем, изготовленным из композиционных материалов на основе кварцевой ткани по предлагаемому техническому решению с толщиной среднего слоя 8 мм. Измерения КП представлены в азимутальной плоскости (фиг. 5а) при совпадающей поляризации вектора Е электромагнитного поля с плоскостью прокачки на верхней частотной точке рабочего диапазона РЛС и в угломестной плоскости (фиг. 5б) при совпадающей поляризации вектора Н электромагнитного поля с плоскостью прокачки на верхней частотной точке рабочего диапазона РЛС.
Данные результаты показывают, что носовой обтекатель РЛС вертолета, изготовленный в виде трехслойной конструкции стенки из композиционного материала на основе кварцевой ткани с внутренним слоем из стеклосотопласта толщиной 8 мм повышает КП системы антенна-обтекатель в среднем на 15% в зависимости от режима измерения (поляризация, диапазон частот, углы сканирования антенного устройства) по отношению к традиционной однослойной конструкции стенки, выполненной из композиционного материала на основе стекловолокна, а уровень боковых лепестков находится на уровне, не превышающем минус 27 дБ, во всех режимах измерений.
Таким образом получены конструкции радиопрозрачных обтекателей навигационной антенной системы вертолета, стенка которых выполнена трехслойной, наружный и внутренний слои выполнены из препрега на основе кварцевой ткани, толщина которого не более 0,3 мм, а внутренний слой выполнен из стеклосотопласта, толщина которого выбирается из компромисса требований по радиотехнике и весовых критериев к обтекателю, при этом минимальное значение КП (90% - 95%) и максимальный уровень боковых лепестков (минус 25 дБ - минус 27 дБ) системы антенна-обтекатель может быть определен толщиной внутреннего слоя стенки обтекателя, выбираемой из компромисса критериев по радиотехническим и весовым требованиям.
Конструкции стенки представленных обтекателей могут быть применены и для других малоскоростных летательных аппаратов.