СВЕРХШИРОКОПОЛОСНЫЙ АНТЕННЫЙ ОБТЕКАТЕЛЬ
ULTRA-WIDEBAND ANTENNA DOME

Изобретение относится к антенной технике, в частности к радиопрозрачным укрытиям сверхширокополосных антенн, работающих в диапазоне ультравысоких (УВЧ) и сверхвысоких (СВЧ) частот.
Антенный обтекатель предназначен для защиты антенны от влияния климатических факторов, механических, термических и эрозионных воздействий в жестких условиях эксплуатации, например, при высоких скоростях полета летательных аппаратов.
Это накладывает ряд требований к конструкции обтекателя, особенно к толщине стенки, к радиофизическим и физико-механическим свойствам материалов, из которых он изготовлен.
Основным требованием, предъявляемым к обтекателю, с точки зрения минимизации влияния его на радиотехнические характеристики (РТХ) защищаемой антенны, является достижение максимально возможного коэффициента прохождения (КП) электромагнитных волн через его стенку. Этому требованию отвечают материалы, например, на основе фторопласта.
Известен антенный кожух, изготовленный из листа полимера на основе политетрафторэтилена (фторопласта) (H01Q 1/42, WO 030077363 A1). Основным достоинством антенного кожуха, указанным в заявке, является низкий уровень диэлектрических потерь даже в диапазоне «высоких» частот, однако каких-либо сведений, относящихся к прочности, термостойкости и эрозионной устойчивости антенного кожуха в публикации не приведено.
Известен антифрикционный материал на основе фторопласта - 40 (Ф40С5М1,5), содержащий антифрикционную добавку - дисульфид молибдена в количестве 1,5 мас.% (Канцельсон М.Ю., Бадаев Г.А. Пластические массы. - Ленинград: «Химия» 1978 г., с.101-103), однако его прочность и эрозионная устойчивость недостаточны для использования в качестве материала обтекателя. Фторопласт, являясь отличным атмосферостойким диэлектриком, имеющим широкий интервал рабочих температур и низкий коэффициент трения, обладает недостаточными твердостью, хладотекучестью, сопротивлением ползучести и деформацией под нагрузкой и, как следствие, низкой эрозионной устойчивостью, а также низкой радиационной стойкостью.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является антенный обтекатель в форме цилиндра с полусферической вершиной, который изготовлен из прочного модифицированного поликарбоната с добавлением дисульфида молибдена (патент РФ №2292101). Указанный антенный обтекатель при толщине стенки 2 мм имеет достаточную прочность и является наиболее эрозионно-устойчивым по сравнению с другими вариантами обтекателей. Недостатком обтекателя являются повышенные диэлектрическая проницаемость 2,7-3,1 и тангенс угла диэлектрических потерь 0,007-0,009 материала обтекателя, что приводит к уменьшению КП обтекателя и ухудшает РТХ антенны, особенно в области верхних частот СВЧ-диапазона. Кроме того, термостойкость обтекателя +130°С недостаточна для очень жестких условий эксплуатации, например кратковременно до +290°С.
Обеспечение всех требований, предъявляемых к тонкостенным сверхширокополосным антенным обтекателям, усложняется тем, что повышение механической прочности, термостойкости, эрозионной устойчивости противоречит интересам радиотехники, приводя к ухудшению радиопрозрачности и искажению диаграмм направленности антенн.
Поэтому специфика таких обтекателей выдвигает требование обеспечения минимально возможных диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь материала обтекателя при одновременном обеспечении механических требований и требований по термостойкости и эрозионной устойчивости. Сложный поиск материала обтекателя с такими уникальными свойствами обычно приводил к отрицательному результату. Для применения в радиотехнических целях был рассмотрен радиационно-модифицированный политетрафторэтилен, применяемый как триботехнический материал для поршневых колец, подшипников, манжет, вкладышей, уплотнителей.
Целью изобретения является улучшение эксплуатационно-технических характеристик прочности, термостойкости и эрозионной устойчивости сверхширокополосного антенного обтекателя при высоких скоростях полета летательных аппаратов с одновременным увеличением коэффициента прозрачности.
Указанная цель достигается за счет того, что сверхширокополосный антенный обтекатель, имеющий полуцилиндрическую или полусферическую поверхность с равной или увеличивающейся к основанию толщиной стенки, изготавливается из радиационно-модифицированного политетрафторэтилена и имеет тонкостенную конструкцию с толщиной стенки в центральной части 1,5-3,5 мм.
На фиг.1 приведены графики коэффициента усиления антенны с обтекателями данной конструкции из радиационно-модифицированного политетрафторэтилена и модифицированного поликарбоната с антифрикционной добавкой.
На фиг.2 и 3 представлены диаграммы направленности антенны с обтекателями данной конструкции из радиационно-модифицированного политетрафторэтилена и модифицированного поликарбоната с антифрикционной добавкой.
Сравнение свойств радиационно-модифицированного политетрафторэтилена, модифицированного поликарбоната с антифрикционной добавкой и фторопласта представлено в таблице.
Параметры
Радиационно-модифицированный политетрафторэтилен
Модифицированный поликарбонат с антифрикционной добавкой
Фторопласт
Плотность, г/см<sup>3</sup>
2.20-2.21
1.23-1.25
2.14-2.16
Пористость, %
0,1-0,2
-
1-3
Ударная вязкость, КДж/см<sup>2</sup>
Не разрушается более 100
30
100
Диэлектрическая проницаемость
2,1÷2,2
2,7÷3,1
2,1÷2,2
Тангенс угла диэлектрических потерь
0,0002+0,0003
0,007÷0,009
0,0002÷0,0003
Диапазон рабочих температур
(-150)÷(+250)°С
(-60)÷(+130)°С
(-260)÷(+250)°С
Термостойкость при 250°С, часы
До 1000
-
До 1000
Модуль упругости при сжатии, МПа
600
83
350-400
Интенсивность износа в режиме палец-диск, (25 кг/см<sup>2</sup>; 1 м/с), мг/час
≤0,15
-
800-1000
Радиационная стойкость (вакуум), Мрад
300
50
1
Из таблицы видно, что радиационно-модифицированный политетрафторэтилен обладает лучшими механическими свойствами, термостойкостью, радиационной стойкостью и эрозионной устойчивостью, а его диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь меньше, чем у модифицированного поликарбоната с антифрикционной добавкой.
Для проведения испытаний были изготовлены обтекатели заявляемой конструкции из радиационно-модифицированного политетрафторэтилена и модифицированного поликарбоната с антифрикционной добавкой
у
Проведенные испытания на динамическое воздействие твердых частиц показали, что эрозионная устойчивость обтекателя из радиационно-модифицированного политетрафторэтилена выше, чем у обтекателя из модифицированного поликарбоната с антифрикционной добавкой. Скорость весового уноса (v, г/сек) для обтекателя из радиационно-модифицированного политетрафторэтилена составила до 0,0002 г/сек против 0,0018 г/сек у обтекателя из модифицированного поликарбоната с антифрикционной добавкой.
Проверка обтекателя из радиационно-модифицированного политетрафторэтилена в натурных условиях на летательном аппарате со скоростями 2,5-3 М подтвердила его прочность, термостойкость и эрозионную устойчивость при самых жестких условиях эксплуатации.
Кроме того, антеннам с установленными на них сверхширокополосными обтекателями, например с полусферической поверхностью из радиационно-модифицированного политетрафторэтилена, были проведены следующие механические и климатические испытания:
- испытание на прочность при воздействии широкополосной случайной вибрации;
- испытание на воздействие циклического изменения температур от - 60°С - 2 часа, до +85°С - 2 часа, всего 10 циклов;
- испытание на воздействие повышенной влажности 98±2%, всего 6 циклов;
- испытание на воздействие пониженной температуры среды - 60°С - 2 часа;
- испытание на воздействие повышенной температуры среды +85°С - 2 часа, +185°С - 30 минут, кратковременно до 10 минут +290°С±10°С.
После каждого испытания проводился осмотр антенных обтекателей и контролировалась работоспособность антенн - измерялся коэффициент стоячей волны (КСВН). Антенны и обтекатели из радиационно-модифицированного политетрафторэтилена испытания успешно выдержали.
Сравнительная проверка КП сверхширокополосных антенных обтекателей заявляемой конструкции из радиационно-модифицированного политетрафторэтилена и из модифицированного поликарбоната с антифрикционной добавкой показала, что на верхних частотах рабочего диапазона КП обтекателей из радиационно-модифицированного политетрафторэтилена выше, чем у обтекателей из модифицированного поликарбоната с антифрикционной добавкой. На средней частоте рабочего диапазона КП обтекателей из радиационно-модифицированного политетрафторэтилена составил 92% по сравнению с обтекателями из модифицированного поликарбоната с антифрикционной добавкой, имеющими КП, равный 83%.
Применение радиационно-модифицированного политетрафторэтилена в качестве материала сверхширокополосного антенного обтекателя позволило улучшить РТХ антенны в верхней части СВЧ-диапазона:
- коэффициент усиления увеличился до 1,5 раз;
- минимальный коэффициент эллиптичности улучшился в 1,1 раза;
- минимальная ширина диаграмм направленности увеличилась на 4÷20°;
- уровень боковых лепестков диаграмм направленности уменьшился в 1,5÷2,2 раза.
При этом коэффициент перекрытия антенны с обтекателем в рабочем диапазоне от нижней до верхней частот не менее 20. На фиг.1 приведены графики коэффициента усиления антенн с обтекателями из радиационно-модифицированного политетрафторэтилена и модифицированного поликарбоната с антифрикционной добавкой. Видно, что с первым вариантом обтекателя антенна имеет больший коэффициент усиления, чем со вторым.
На фиг.2 и 3 представлены диаграммы направленности антенны на одной и той же верхней частоте рабочего диапазона частот с обтекателями из радиационно-модифицированного политетрафторэтилена и поликарбоната. Из приведенных графиков видно, что диаграммы направленности антенны с обтекателем из модифицированного поликарбоната с антифрикционной добавкой искажены, имеют двугорбость, в то время как диаграммы направленности антенны с обтекателем из радиационно-модифицированного политетрафторэтилена имеют удовлетворительную, практически монотонную форму.
Таким образом, как это подтверждают результаты испытаний, решена поставленная задача и достигнут требуемый технический результат - улучшены эксплуатационно-технические характеристики: повышена термостойкость, прочность и эрозионная устойчивость тонкостенного сверхширокополосного антенного обтекателя с одновременным улучшением коэффициента прозрачности и улучшением РТХ защищаемой антенны.