CN105015759A - 一种高速飞行器功能分区组合式透波罩 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高速飞行器功能分区组合式透波罩，包括外罩、内罩和连接件，其中外罩与内罩均为一端开口的半封闭结构，内罩位于外罩内部，且内罩与外罩之间通过连接件连接固定，连接件为环形连接件，环形连接件的内表面与内罩的外表面连接，环形连接件的外表面与外罩的内表面连接，内罩内部容纳飞行器导航电子元器件；本发明首次采用双层结构透波罩，从空间上将透波罩内部划分为两个独立的空间区域，从热传导、热辐射、热对流三个物理过程都形成梯度防隔热功能，该透波罩在保持良好结构强度和透波率的同时，具备优异的隔热性能。

Description

一种高速飞行器功能分区组合式透波罩
技术领域
本发明涉及一种透波罩，特别是涉及一种高速飞行器功能分区组合式透波罩，该种类透波罩主要应用于高速飞行器设计之中。
背景技术
随着全球航天航空技术的快速进步，飞行器正向着高速、快速机动的方向发展。该类飞行器具备一个突出的共同特征，都需要能够以超高马赫数、长时间在大气层内做变轨机动飞行，极大的提高了飞行器的性能。
新型高速飞行器需要具备末制导功能，安装在飞行器头部的雷达透波罩是实现制导的关键功能部件，要求能够承受高速飞行过程中恶劣的气动力、热载荷，具备防热、承载和透波(雷达制导)综合使用功能，保证内部元器件正常的使用环境条件。以往的飞行器配备的单层雷达罩不能够满足新型高速飞行器防隔热功能需求，无法在飞行过程中在其内部保持适合电子器件工作的环境温度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种高速飞行器功能分区组合式透波罩，该透波罩在保持良好结构强度和透波率的同时，具备优异的隔热性能。
本发明的上述目的主要是通过如下技术方案予以实现的：
一种高速飞行器功能分区组合式透波罩，包括外罩、内罩和连接件，其中外罩与内罩均为一端开口的半封闭结构，内罩位于外罩内部，且内罩与外罩之间通过连接件连接固定，所述连接件为环形连接件，环形连接件的内表面与内罩的外表面连接，环形连接件的外表面与外罩的内表面连接，内罩内部容纳飞行器导航电子元器件。
在上述高速飞行器功能分区组合式透波罩中，内罩为球冠与圆柱的组合结构，所述外罩为圆锥体结构。
在上述高速飞行器功能分区组合式透波罩中，球冠为半球体，内罩为半球体与圆柱的组合结构。
在上述高速飞行器功能分区组合式透波罩中，外罩的外表面围成的区域为圆锥体结构，内表面围成的区域为圆锥与圆台的组合结构，所述连接件位于圆台区域，并与内罩和外罩连接固定。
在上述高速飞行器功能分区组合式透波罩中，外罩内表面圆台区域的半锥角为5～10°。
在上述高速飞行器功能分区组合式透波罩中，外罩的开口端面与内罩的开口端面之间的距离为5～10mm，且内罩的开口端面更靠近罩体小端。
在上述高速飞行器功能分区组合式透波罩中，内罩中的飞行器导航电子元器件的中心与所述球冠的球心重合。
在上述高速飞行器功能分区组合式透波罩中，内罩为等壁厚结构，壁厚为2～10mm；外罩为变厚度结构。
在上述高速飞行器功能分区组合式透波罩中，外罩为石英纤维增强陶瓷基复合材料或石英陶瓷材料；内罩为耐高温树脂基复合材料，具体为聚酰亚胺树脂材料或双马树脂复合材料。
在上述高速飞行器功能分区组合式透波罩中，连接件为低膨胀合金钢或橡胶材料，所述低膨胀合金钢为4J32或4J40。
在上述高速飞行器功能分区组合式透波罩中，连接件与外罩之间的连接方式为胶接、铆接或销钉连接，连接件与内罩之间的连接方式为螺接或铆接。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)、本发明对飞行器用透波罩结构进行了创新设计，根据梯度隔热原理，
(2)、本发明对透波罩材料进行了优化设计，即在外层区域采用结构强度好，热导率低的石英纤维增强陶瓷基复合材料或石英陶瓷材料作为外层透波罩，在保持气动外形的同时，阻隔部分热量传向罩体内部，而在内部区域采用耐高温树脂基复合材料，如聚酰亚胺树脂或双马树脂复合材料制成内罩，防止外罩内壁直接向内部电子元器件辐射同时也阻隔高温的内腔空气向电子元器件换热，从而使内罩内部保证具备适合元器件工作的温度环境；
(3)、本发明在透波罩的内、外罩设计时充分考虑电厚度的匹配性，内罩采用球冠+圆柱的组合结构，并优选半球体+圆柱的组合结构，显著降低了电磁波穿过天线罩时的损耗，提高了透波罩的透波率；
(4)、本发明采用与内、外罩结构匹配的环形连接件，并采用胶接、销钉等方式连接，通过韧性结构释放热应力；
(5)、本发明对外罩内表面形状进行特殊设计，同时对内、外罩与连接环的装配位置关系进行了优化设计，大大降低了装配难度，显著提高了整体连接可靠性；
(6)、经过仿真分析及试验测试结果表明，本发明双层结构组合式透波罩在全程飞行过程中有效保证了其内腔的环境温度，仿真试验结果表明在严酷的气动加热条件下其内部元器件温升不超过10℃。并且透波罩结构牢固可靠，各组成部分间具备良好的热匹配性；通过地面测试表明优化设计后的透波罩在扫描角范围内具备较高的透波率，各项电性能指标均能达到单层透波罩所能达到的水平。
附图说明
图1为本发明组合式透波罩隔热原理图；
图2为本发明组合式透波罩结构示意图；
图3为本发明组合式透波罩局部放大图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图2所示为本发明组合式透波罩结构示意图，由图可知本发明高速飞行器功能分区组合式透波罩具体包括外罩1、内罩2和连接件3，其中外罩1与内罩2均为一端开口的半封闭结构，其中外罩1为圆锥体结构，内罩2为球冠与圆柱的组合结构，优选半球体与圆柱体端面相接的组合结构，且半球体与圆柱体的半径相等。内罩2位于外罩1内部，且内罩2与外罩1之间通过连接件3连接固定，连接件3为环形连接件，环形连接件的内表面与内罩2的外表面连接，环形连接件的外表面与外罩1的内表面连接，内罩2内部容纳飞行器导航电子元器件，飞行器导航电子元器件的中心与内罩2中球冠的球心重合。飞行器导航电子元器件与飞行器主体结构连接，飞行器主体结构直接与连接件3连接固定。
本发明中外罩1的外表面围成的区域为圆锥体结构，内表面围成的区域为圆锥与圆台的组合结构，环形连接件3位于圆台区域，并与内罩2和外罩1连接固定，外罩1内表面圆台区域的半锥角为5～10°，如图3所示为本发明组合式透波罩局部放大图。环形连接件3与外罩1之间的连接方式可以采用胶接、铆接或销钉连接，与内罩2之间的连接方式可以采用螺接或铆接等。
外罩1的开口端面与内罩2的开口端面之间的距离为5～10mm，且内罩2的开口端面更靠近罩体小端。
内罩2为等壁厚结构，壁厚为2～10mm；外罩1为变厚度结构，根据具体要求设计。
本发明外罩1为石英纤维增强陶瓷基复合材料或石英陶瓷材料；内罩2为耐高温树脂基复合材料，具体为聚酰亚胺树脂材料或双马树脂复合材料。连接件3为低膨胀合金钢或橡胶材料，低膨胀合金钢具体为4J32或4J40。
本发明透波罩设计时为解决防隔热问题，利用梯度隔热理念创新性的设计了多区域透波罩设计方案，如图1所示，即在外层区域采用结构强度好，热导率低的石英纤维增强陶瓷基复合材料或石英陶瓷材料成型作为外层透波罩，在保持气动外形的同时，阻隔部分热量传向罩体内部，而在内部区域采用耐高温树脂基复合材料，如聚酰亚胺树脂或双马树脂复合材料制成内罩，防止外罩内壁直接向内部电子元器件辐射同时也阻隔高温的内腔空气向电子元器件换热。从而使内罩内部保证具备适合元器件工作的温度环境。这种双层罩方案从空间上将透波罩内部划分为两个独立的空间区域，从热传导、热辐射、热对流三个物理过程都形成梯度防隔热功能，理念新颖并具有较好的防隔热效果。
此外本发明透波罩除了具备防热承载功能外，还必须具备良好的电性能，在透波罩设计时，内、外罩均采用了良好的透波材料。而且在内、外罩设计时充分考虑电厚度的匹配性，内罩采用了低损耗设计，如图2所示。通过仿真及测试均较好的验证了设计理念。
透波罩外罩、内罩均通过连接环与飞行器主体结构连接。由于长时间飞行连接区温度较高，因此必须采用热匹配设计方法设计连接结构。外罩和连接环可采用胶接、铆接或销钉等方式连接，通过韧性结构释放热应力。同时连接环也可以采用特殊合金实现金属材料与非金属材料在温度区间内的热匹配。内罩连接温度较低，因此连接方式可采用常规的螺接、铆接等。
本发明解决了高速飞行器透波罩防隔热问题、多区域组合式透波罩电性能匹配问题、组合式透波罩的装配连接问题、组合式透波罩防热、承载、透波多功能综合优化问题、解决高速飞行器组合式透波罩热结构、热匹配问题。
实施例1
透波罩外罩1为圆锥体，内罩2为半球体+圆柱体的组合结构，其中内罩2为等壁厚结构，壁厚为6mm，球体与圆柱体半径均为170mm，外罩1的壁厚在15～20mm之间变化，环形连接环3的半径为180～190mm，环形连接环3的位置与外罩1内表面的圆台位置对应，圆台的半锥角为8°。外罩1的开口端面与内罩2的开口端面之间的距离为5mm，且内罩2的开口端面更靠近罩体小端。
外罩1采用石英纤维增强二氧化硅复合材料，内罩2采用聚酰亚胺复合材料，连接环3采用低膨胀合金钢4J40。
首先由陶瓷基复合材料和聚酰亚胺复合材料经过浸渍复合并按照图纸精密加工整体成型透波罩外罩1和内罩2，将外罩1同加工好的连接环3通过粘接剂安装，内罩2与连接环3螺接装入外罩内部，形成整体透波罩结构。
本实施例双层结构组合式透波罩在全程飞行过程中有效保证了其内腔的环境温度，仿真试验结果表明在严酷的气动加热条件下其内部元器件温升不超过10℃。并且透波罩结构牢固可靠，各组成部分间具备良好的热匹配性。通过地面测试表明本发明优化设计后的透波罩在扫描角范围内具备较高的透波率，透波率达到75％以上，各项电性能指标均能达到单层透波罩所能达到的水平。
以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (11)

1.一种高速飞行器功能分区组合式透波罩，其特征在于：包括外罩(1)、内罩(2)和连接件(3)，其中外罩(1)与内罩(2)均为一端开口的半封闭结构，内罩(2)位于外罩(1)内部，且内罩(2)与外罩(1)之间通过连接件(3)连接固定，所述连接件(3)为环形连接件，环形连接件的内表面与内罩(2)的外表面连接，环形连接件的外表面与外罩(1)的内表面连接，内罩(2)内部容纳飞行器导航电子元器件。
2.根据权利要求1所述的一种高速飞行器功能分区组合式透波罩，其特征在于：所述内罩(2)为球冠与圆柱的组合结构，所述外罩(1)为圆锥体结构。
3.根据权利要求2所述的一种高速飞行器功能分区组合式透波罩，其特征在于：所述球冠为半球体，内罩(2)为半球体与圆柱的组合结构。
4.根据权利要求2所述的一种高速飞行器功能分区组合式透波罩，其特征在于：所述外罩(1)的外表面围成的区域为圆锥体结构，内表面围成的区域为圆锥与圆台的组合结构，所述连接件(3)位于圆台区域，并与内罩(2)和外罩(1)连接固定。
5.根据权利要求4所述的一种高速飞行器功能分区组合式透波罩，其特征在于：所述外罩(1)内表面圆台区域的半锥角为5～10°。
6.根据权利要求1～5之一所述的一种高速飞行器功能分区组合式透波罩，其特征在于：所述外罩(1)的开口端面与内罩(2)的开口端面之间的距离为5～10mm，且内罩(2)的开口端面更靠近罩体小端。
7.根据权利要求1～5之一所述的一种高速飞行器功能分区组合式透波罩，其特征在于：所述内罩(2)中的飞行器导航电子元器件的中心与所述球冠的球心重合。
8.根据权利要求1～5之一所述的一种高速飞行器功能分区组合式透波罩，其特征在于：所述内罩(2)为等壁厚结构，壁厚为2～10mm；所述外罩(1)为变厚度结构。
9.根据权利要求1～5之一所述的一种高速飞行器功能分区组合式透波罩，其特征在于：所述外罩(1)为石英纤维增强陶瓷基复合材料或石英陶瓷材料；所述内罩(2)为耐高温树脂基复合材料，具体为聚酰亚胺树脂材料或双马树脂复合材料。
10.根据权利要求1～5之一所述的一种高速飞行器功能分区组合式透波罩，其特征在于：所述连接件(3)为低膨胀合金钢或橡胶材料，所述低膨胀合金钢为4J32或4J40。
11.根据权利要求1～5之一所述的一种高速飞行器功能分区组合式透波罩，其特征在于：所述连接件(3)与外罩(1)之间的连接方式为胶接、铆接或销钉连接，所述连接件(3)与内罩(2)之间的连接方式为螺接或铆接。
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