Пеленгационная система "антенна-обтекатель"
DIRECTION-FINDING SYSTEM OF “ANTENNA-FAIRING” TYPE

Изобретение относится к области авиационной и ракетной технике и может быть использовано при изготовлении ракет класса «воздух-воздух».
Известен антенный обтекатель [патент РФ №2277738, МПК H01Q 1/42, опубл. 10.06.2006], включающий оболочку из кварцевой керамики, переходник в виде кольца, соединенный клеем с внутренней поверхностью оболочки, наружное влагозащитное покрытие и внутренний влагозащитный элемент ее поверхностей, отличающийся тем, что переходник выполнен из железоникелевого прецизионного сплава, согласованного по ТКЛР с материалом оболочки, к торцу оболочки присоединен компенсатор перемещений, выполненный послойно составным в осевом и радиальном направлениях из металлического и неметаллических элементов, неразъемно связанный с переходником и оболочкой и имеющий податливость в зоне контакта его с оболочкой при воздействии максимально допустимых для обтекателя тепловых и неосесимметричных силовых эксплуатационных нагрузок в 6…10 раз меньшую, чем податливость системы "оболочка - клей - переходник" от этих воздействий в зоне раскрытия стыка "оболочка - компенсатор", при этом длина клеевого соединения оболочки с переходником составляет 0,4…0,6 радиуса наружной поверхности переходника в средней части соединения, угол наклона линии продольного сечения внутренней поверхности керамической оболочки относительно ее продольной оси на большей части ее длины в области клеевого соединения оболочки и переходника составляет не менее 1°, между радиопрозрачной зоной обтекателя и переходником расположена промежуточная зона, в которой толщина стенки керамической оболочки обтекателя плавно увеличивается на 10…40% относительно полуволновой толщины стенки керамической оболочки, кроме этого, наружное влагозащитное покрытие выполнено из слоя вязкой напыляемой эпоксидной грунтовки, не впитывающейся в поры оболочки, и не менее трех слоев фторопластовой эмали, а внутренний влагозащитный элемент, одновременно являющийся силовым упрочняющим слоем, выполнен дискретным в зоне соединения с переходником, допустимые величины пористости и предела прочности при изгибе материала оболочки соответствуют не менее 8% и не менее 40 МПа, а разброс значений диэлектрической проницаемости внутри тела оболочки и от оболочки к оболочке не более 1%, при этом в радиопрозрачной зоне обтекателя наружная поверхность оболочки выполнена ступенчатой за счет кольцевых проточек, боковые поверхности которых сглажены, а поверхности основания эквидистантны ее теоретическому контуру, ширина проточек соответствует 1,0…3,0 длины волны заданного частотного диапазона обтекателя, максимальная глубина проточек соответствует не более 0,03 длины волны, в носовой части оболочки максимальная толщина стенки соответствует величине не менее волновой, плавно снижаясь к основанию обтекателя до полуволновой на 1,0…3,0 волны, кроме этого, центр прокачки антенны относительно оси обтекателя расположен с точностью не менее 0,01 длины волны.
Представленный антенный обтекатель входит в состав системы «антенна-обтекатель» пеленгующей головки самонаведения ракеты. Для обеспечения высокой точности определения положения цели в системе использован обтекатель с полуволновой стенкой, при применении которой отмечается высокий коэффициент прохождения в системе «антенна-обтекатель». Также в представленной системе «антенна-обтекатель» требуется жестко регламентированное взаимное расположение пеленгующей антенны и обтекателя, которое требуется для достижения высокой точности пеленгации цели.
Недостатком представленной системы является применение в оболочке пористого материала, что накладывает ограничения на использование антенного обтекателя в ракетах класса «воздух-воздух» в условиях воздействия неблагоприятных климатических факторов, повышенная влажность, выпадающие и конденсированные осадки, обледенение, при длительном нахождении в подвеске под носителем, а также при многократных взлетах и посадках.
Известно конструктивное решение головного антенного обтекателя ракеты класса «воздух-воздух» [патент РФ №2273077, МПК H01Q 1/42, 2004], в котором оболочка выполнена из более прочного, чем кварцевая керамика, беспористого керамического материала типа ситалла и связана с составным шпангоутом эластичным компаундом. При ужесточении режимов эксплуатации изделия происходит перегрев носовой части переходника и, особенно, перегрев бурта переходника, что приводит конструкцию обтекателя к разрушению, в основном, из-за температурного распора керамической оболочки переходником. Для обеспечения работоспособности подобной конструкции требуется ее модификация.
Наиболее близким техническим решением является головной обтекатель ракеты [патент РФ №2337437, МПК H01Q 1/42, опубл. 27.10.2008], включающий керамическую оболочку, соединенную эластичным клеем с шпангоутом, состоящим из переходника, выполненного из металла, согласованного по температурному коэффициенту линейного расширения (ТКЛР) с материалом оболочки, на обтекателе установлена обечайка из жаропрочного материала с зазором относительно наружных поверхностей керамической оболочки и стыкового элемента, при этом в области торцов обечайки установлены пояса из резиноподобного теплостойкого материала, образующие замкнутую воздушную полость, передняя часть которой смещена к носку обтекателя относительно носового торца переходника на величину не менее толщины оболочки, а задняя часть полости смещена к торцу обтекателя относительно хвостового торца переходника на величину, превышающую смещение ее передней части, кроме этого, толщина бурта стыкового элемента в осевом направлении превышает толщину оболочки в области ее торца в 1,5…2,0 раза.
Оболочка установлена с полуволновой стенкой равной:
где  - длина волны на средней частоте  диапазона пеленгующей антенны,
- диэлектрическая проницаемость материала стенки оболочки.
Диэлектрическая проницаемость ситаллов выше, чем диэлектрическая проницаемость пористой кварцевой керамики, геометрическая толщина стенки оболочки по представленному известному решению оказалась намного меньше, чем из кварцевой керамики, что снизило теплоизолирующие свойства оболочки и привело к необходимости введения дополнительной защиты узла заделки обтекателя, которая увеличила вес и ухудшила точностные радиотехнические, пеленгующие характеристики системы «антенна-обтекатель» ракеты «воздух-воздух».
При увеличении теплового воздействия на обтекатель из-за возрастания скорости ракеты и времени ее полета данная конструкция системы «антенна-обтекатель» не может защитить пеленгующую антенну от теплового нагрева, что приводит к отказу головки самонаведения.
Целью изобретения является защита пеленгующей антенны системы «антенна-обтекатель» от перегрева при тепловом воздействия набегающего потока из-за возрастания скорости ракеты и времени ее полета и исключения отказа пеленгующей антенны.
Поставленная цель достигается тем, что предложена пеленгационная система «антенна-обтекатель» головки самонаведения, включающая включающий керамическую оболочку, соединенную эластичным клеем с шпангоутом, состоящим из переходника, выполненного из металла, согласованного по температурному коэффициенту линейного расширения (ТКЛР) с материалом оболочки, отличающаяся тем, что обтекатель выполнен в виде равнотолщинной оболочки из беспористой керамики с волновой стенкой равной:
где  - длина волны на средней частоте,
- диапазон пеленгующей антенны,
- диэлектрическая проницаемость материала стенки оболочки,
- средний угол падения электромагнитной волны на оболочку при повороте пеленгующей антенны на угол, соответствующий максимальной угловой ошибке, с радиусом закругления носовой части равной: , и осевой толщиной носовой части равной: , для средней частоты заданного частотного диапазона пеленгующей антенны, имеющей доводочные проточки на внутреннем контуре, при чем положение и величина доводочных проточек и осевая толщина уточняются и, при необходимости, дорабатываются по результатам измерений на радиотехническом стенде.
Авторы, проектируя систему «антенна-обтекатель» ракеты «воздух-воздух», установили, что для улучшения защиты пеленгующей антенны от нагрева можно применить оболочку обтекателя с увеличенной толщиной стенки.
Наименьшие искажения, вносимые обтекателем в поле пеленгующей антенны, происходят при толщине стенки оболочки кратной половине длины волны, а обтекатель с полуволновой оболочкой, применяемой в прототипе, не обеспечивает необходимую тепловую защиту пеленгующей антенны, авторами была выбрана кратная волне толщина стенки оболочки.
Использование волновой толщины стенки оболочки позволяет снизить передачу тепла через оболочку к шпангоуту, что позволяет уменьшить высоту соединительного кольца шпангоута с оболочкой и при этом, реализовать прохождение прожекторного пучка падающей волны через обтекатель на пеленгующую антенну без затенения, повышая коэффициент прохождения при максимальных углах падения волны.
Для системы «антенна-обтекатель» ракеты класса «воздух-воздух» требуются высокие точностные пеленгационные характеристики, тогда как для определения толщины стенки используют дополнительные параметры связанные не только с диапазоном работы антенной системы, но и с параметрами оболочки, для чего в формуле расчета толщины (2) использовался расчетный средний угол падения волны при ориентации падающей волны на антенну под углом, при котором наблюдается максимальная пеленгационная ошибка, измеренная на радиотехническом стенде при исследовании радиотехнических характеристик системы «антенна-обтекатель» ракеты класса «воздух-воздух».
Применение волновой толщины стенки позволяет значительно увеличить время полета ракеты с сохранением высоких пеленгующих характеристик системы «антенна-обтекатель» по сравнению с системой в которой применяется полуволновая толщина стенки, так как с увеличением массы оболочка волновая по толщине хуже прогревается, чем оболочка полуволновая по толщине, что приводит к снижению изменений, связанные с поглощением проходящей волны из-за роста с температурой диэлектрических потерь в материале стенки оболочки.
Вместе с тем применение в системе «антенна-обтекатель» оболочки волновой толщины обладает недостатками, связанными с искажением прошедшей волны в области малых углов из-за резкого увеличения толщины волновой оболочки в носовой части, что приводит к необходимости оптимизации структуры носовой части оболочки и с целью уменьшения ее влияния на пеленгационные характеристики системы «антенна-обтекатель», поэтому авторы провели дополнительные расчеты и эксперименты в результате которых было установлено, что оптимальным сочетанием параметров носовой части, радиуса закругления и осевого сечения.
Авторы установили, что для повышения коэффициента прохождения в области малых углов поворота пеленгующей антенны для оболочки с волновой стенкой необходимо увеличить радиус закругления носовой части.
Так как при увеличении радиуса закругления происходит увеличение лобового сопротивления, то радиус носовой части увеличивался постепенно с учетом результатов измерений на радиотехническом стенде.
По результатам расчетно-экспериментальных работ была определена оптимальная величина радиуса закругления носовой части:
где  - длина волны на средней частоте,
- диапазон пеленгующей антенны,
- диэлектрическая проницаемость материала стенки оболочки,
при котором наблюдалось наибольшее увеличение коэффициента прохождения при нулевом угле поворота антенны, но увеличение лобового сопротивления было не значительным.
Относительно выбранного радиуса закругления далее экспериментальными измерениями на радиотехническом стенде производился подбор оптимальной осевой толщины носовой части для увеличения коэффициента прохождения в диапазоне частот системы «антенна-обтекатель» с оболочкой волновой толщины и снижения угловых пеленгационных ошибок.
Установленная оптимальная величина осевой толщины соответствовала:
где  - длина волны на средней частоте,
- диапазон пеленгующей антенны,
- диэлектрическая проницаемость материала стенки оболочки,
Для демонстрации влияния изменения величины осевой толщины носовой части оболочки при выбранной оптимальной величине радиуса закругления носовой части оболочки проведены экспериментальные измерения на радиотехническом стенде, представленные на фиг. 1 и 2.
На фиг. 1 представлены измеренные зависимости коэффициента прохождения системы «антенна-обтекатель» от угла поворота пеленгующей антенны (, направленной на источник электромагнитной волны при оптимальной осевой толщине носовой части, относительно выбранного радиуса закругления, и с утолщенной носовой частью.
На фиг. 2 представлены измеренные зависимости пеленгационных ошибок системы «антенна-обтекатель» от угла поворота пеленгующей антенны (, направленной на источник электромагнитной волны при оптимальной осевой толщине носовой части, относительно выбранного радиуса закругления, и с утолщенной носовой частью.
Из представленных зависимостей ( видно, что оболочка с оптимальной осевой толщиной носовой части относительно выбранного радиуса закругления имеет более высокий коэффициент прохождения и меньшие величины пеленгационных ошибок по сравнению с характеристиками, которые имеет оболочка обтекателя с утолщенной осевой толщиной носовой части не оптимальной относительно радиуса закругления.
Для компенсации увеличения пеленгационных ошибок из-за изменения взаимного положения в системе «антенна-обтекатель» пеленгующей антенны и оболочки с помощью экспериментальных измерений внутренняя поверхность оболочки профилировалась помощью механической обработки.
Так как материал в оболочке имеет разброс по диэлектрической проницаемости, а механическая обработка поверхностей оболочки проводится с погрешностью, на радиотехническом стенде, с помощью измерений, моделирующих взаимное положение антенны и обтекателя в пеленгующей системе, производится оценка необходимости дополнительной доработки толщины стенки с установлением величины и положения профилируемых проточек для компенсации пеленгационных ошибок системы «антенна-обтекатель».
Представленное техническое решение по оптимальному выбору параметров оболочки в системе «антенна-обтекатель» обладает совокупным набором положительных признаков, приводящих к достижению цели изобретения.