Антенный обтекатель
ANTENNA DOME

Изобретение относится к области антенной техники и может быть использовано в антенных постах подводных лодок (ПЛ).
Известии антенные обтекатели (см. Клейман М.Л. и др. "О разработке прочного крупногабаритного обтекателя для подводных лодок", "Вопросы специальной радиоэлектроники", вып. 34, 1967 г., серия XIII, р/л техника), используемые для защиты антенных устройств расположенных на ПЛ. К таким обтекателям, наряду с высокой радиопрозрачностью, предъявляются требования высокой прочности при воздействии гидростатических и гидродинамических нагрузок. В настоящее время не известны такие конструкции обтекателей, которые бы при сохранении необходимой радиопрозрачности обеспечивали весь комплекс требований по прочности. Поэтому для защиты обтекателей от воздействия нагрузок при погружении ПЛ предусматривают их перемещение с помощью подъемно-мачтового устройства из верхнего положения, где обеспечивается максимальный обзор пространства, в защитную шахту, расположенную в прочном корпусе ПЛ. Наличие защитной шахты и подъемно-мачтового устройства приводит к сокращению пространства необходимого для жизнедеятельности экипажа; увеличению времени погружения при необходимости укрытия от противника (увеличение времени равно времени перемещения антенного поста в защитную шахту); увеличению веса ПЛ на вес шахты, примерно равный 10÷15 весам антенного поста, для защиты которого она предназначена. Если для крупнотоннажных ПЛ защита антенных постов с обтекателями может быть осуществлена путем усложнения конструкции и увеличения веса, то для малотоннажных ПЛ из-за отсутствия места для размещения перечисленных выше защитных устройств эта проблема еще более усложняется. Таким образом, разработка конструкций обтекателей, рассчитанных на полное забортное давление воды, размещаемых на ПЛ вне защитных шахт, является насущной технической проблемой.
Из известных антенных обтекателей для ПЛ, размещаемых вне защитных шахт наиболее близким по технической сущности, является обтекатель изготовленный из ситалла (см., например, Голод А. и др. "Опыт создания ситаллового обтекателя большой прочности" Девиз "Парус-95", спецфонд ВИМИ, вып. 3, 1976, №327).
Материал ситалл, из которого изготавливаются такие обтекатели, имеет нулевое влагопоглощение, на него не оказывает заметного влияния морская вода при длительном воздействии. Такие обтекатели могут выдерживать гидростатическое нагружение до 300 и более атмосфер.
Недостатком обтекателей, изготовленных из ситалла, является хрупкость, которая может приводить к его разрушению при воздействии сосредоточенного удара. Такие удары возникают при столкновении обтекателя с твердыми предметами (бревнами, кусками льда и т.д.) во время движения ПЛ под водой или во время всплытия. Кроме того, обтекатель может испытывать ударные нагрузки при воздействии подводного взрыва и воздушной ударной волны.
Целью настоящего изобретения является создание конструкции обтекателя для ПЛ, в которой используются высокие прочностные свойства ситалла с одновременной защитой его от ударных воздействий.
Указанная цель достигается тем, что с наружной стороны обтекателя расположен дополнительный слой из упругого материала, например стеклопластика, установленный с зазором, равным n×λ/4 (где n - нечетное целое число, начиная с 1, λ - длина волны), заполняемым жидкостью, давление которой равно забортному давлению воды. Для обеспечения возможности эксплуатации в условиях пониженных температур, зазор может заполняться незамерзающей жидкостью, например, фреоном или спиртом. С целью упрощения и удешевления наружный слой может выполняться с перфорациями, обеспечивающими свободную циркуляцию забортной воды.
В такой конструкции одностороннее гидростатическое давление прикладывается только к ситалловой оболочке, которая имеет высокие прочностные характеристики при работе на сжатие. Наружная дополнительная оболочка из упругого материала, например из стеклопластика, нагружается со всех сторон одинаково, что улучшает ее прочностные характеристики. В то же время ситалловая оболочка защищается от ударных воздействий с помощью дополнительной оболочки и демпфирующего слоя жидкости в зазоре.
На приведенной фиг. 1 изображен в разрезе общий вид предложенного устройства, на фиг. 2 изображен вариант устройства с перфорациями.
Обтекатель фиг. 1 состоит из стеклопластиковой оболочки 1, пустотелого зазора 2, ситалловой оболочки 3, резервуара для жидкости 4, поршня 5, пружины 6.
При погружении обтекателя под воду забортное давление разожмет пружину 6 и вытолкнет поршнем 5 жидкость из резервуара 4 в полость, образованную зазором 2. Процесс будет продолжаться до тех пор пока зазор 2 полностью не заполнится жидкостью. В этом случае оболочка 3 будет нагружена односторонним гидростатическим давлением, а оболочка 1 равномерно с обеих сторон. При всплытии пружина 6 сжимается, жидкость из зазора 2 вытекает в освободившийся с помощью поршня 5 резервуар 4. Обтекатель становится радиопрозрачным.
Оболочки 1 и 3 выполняются толщиной кратной половине длины рабочей волны в диэлектрике, а зазор 2 кратный четверти длины рабочей волны в свободном пространстве.
Проведенные исследования показали, что однослойная оболочка из стеклопластика в форме цилиндра сопряженного с полусфер толщиной λ/2 (25 мм) диаметром порядка 2 м разрушается при гидростатическом давлении около 10 атмосфер, при этом выдерживает значительные ударные нагрузки. Такая же оболочка из ситалла толщиной 21 мм выдерживает давление порядка 60 атмосфер, не может разрушиться при гораздо меньших, по сравнению со стеклопластиковой оболочкой, ударных воздействиях. Очевидно, что предложенная конструкция, сочетая достоинства перечисленных оболочек, лишена недостатков присущих каждой из них. Величина потерь СВЧ энергии для стенки из стеклопластика толщиной 25 мм, зазора 25 мм и ситалла толщиной 21 мм для длины волны 10 см составит величину меньше одного децибелла.
Обтекатель фиг. 2 состоит из ситалловой оболочки 1 и оболочки 2 перфорированной отверстиями 3. Оболочка 3 расположена с зазором по отношению к ситалловой оболочке 1.
д
Толщина ситалловой оболочки d из соображений радиопрозрачности выбирается по формуле:
, где λ - длина рабочей волны антенны в диэлектрике, n - целое число, начиная с единицы. Величина n выбирается из соображений прочности. В известных обтекателях n=1÷3. Закрепление ситалловой оболочки 1 к корпусу выполняется с обычными мерами герметизации. Применения специальных мер при закреплении наружной оболочки не требуется, т.е. она может крепиться обычным болтовым соединением.
В качестве наружной оболочки может быть применена, например, металлическая оболочка. Толщина металлической оболочки, размеры отверстий перфораций выбираются из условий радиопрозрачности и ударной прочности методами, известными из теории перфорированных металлических обтекателей.
Величина зазора между ситалловой и металлической оболочками выбирается из соображений компенсации отражений электронитной энергии от обеих оболочек и равна
, где m=1, 3, 5… Величина m выбирается из условий обеспечения свободной циркуляции воды в зазоре.
При длине излучаемой (принимаемой) волны в свободном пространстве λ=10 см и диэлектрической проницаемости ситалла, например, марки АС-023, равной 5,35, толщина ситалловой оболочки 21 или 42 мм. Величина зазора - 25 мм.
Наличие перфорированной металлической оболочки и возникновение демпфирующего слоя воды между металлом и ситаллом защищает последний от удара твердого предмета во время движения под водой и во время всплытия, а также уменьшает воздействие на ситалловую оболочку удара воздушной волны в надводном положении.
Соответствующий подбор толщины защитной оболочки и размеров отверстий ухудшит радиопрозрачность обтекателя в надводном положении, после естественного вытекания воды из зазора, только в допустимых пределах.
В подводном положении вода, проникая сквозь отверстия, заполняет промежуток между оболочками. При движении или всплытии ПЛ во время столкновения с твердым предметом, удар прежде всего воспринимается защитной перфорированной оболочкой и передается на ситалловую оболочку через слой воды в зазоре, которая в этом случае является демпфирующим слоем. Согласно проведенным исследованиям, наличие демпфирующего слоя жидкости между защитным и ситалловым слоями уменьшает воздействие удара на ситалловую оболочку примерно в 15-20 раз.
Воздействие гидростатического давления на защитную оболочку будет уравновешенным, т.к. вода будет воздействовать на нее с двух сторон.
При всплытии ПЛ на поверхность вода сквозь отверстия перфораций выливается естественным образом, обтекатель становится радиопрозрачным и обеспечивает передачу (прием) электромагнитного излучения антенного устройства.
Предполагается, что наличие наружной перфорированной оболочки приведет к ослаблению воздействия на ситалловую оболочку также и воздушного удара.