CN213423562U - 一种耐高温抗冲击光学窗口 - Google Patents

Abstract

本实用新型一种耐高温抗冲击光学窗口，包括：窗口玻璃、过渡框、安装板和缓冲垫片；窗口玻璃与过渡框之间通过柔性高温密封胶粘接；缓冲垫片放于窗口玻璃、过渡框和安装板之间；安装板与过渡框之间通过螺纹连接，同时压紧缓冲垫片；装配过程严格控制柔性连接部位的压缩量。本实用新型通过窗口结构设计与选材、热匹配设计和缓冲吸震设计，在满足耐高温和抗冲击性能的前提下实现指定谱段光学信号的高效透过。

Description

一种耐高温抗冲击光学窗口

技术领域

本实用新型涉及一种耐高温抗冲击光学窗口。

背景技术

现代武器常采用红外、激光和星光等光学制导导航模式，在航海导航、航天卫星、太空探测等领域有广泛的应用，其技术已较为成熟，具有自主性强，精度高等特点。

与传统光学探测技术相比，高速飞行领域的光学探测面临飞行时间长、热环境高和震动冲击强的复杂服役环境，对光学窗口提出了多种功能要求，既要实现光学信号的高精度、高效透过，又要同时保护内部光学设备免受复杂环境影响，是实现高速飞行光学探测的关键技术之一。

与传统光学窗口的服役环境不同，高速飞行器的气动加热使得飞行过程中光学窗口表面温度超过800℃，光学窗口局部面临高温热匹配和热密封问题，一方面不同结构材料的热膨胀特性差异可能导致局部热应力过大而出现结构破坏，另一方面光学窗口要阻隔表面高温气体，避免内部设备受热损坏。同时高速飞行过程面临高达12000g的冲击环境，为保证透光和耐温特性，高速飞行器光学窗口的透明介质一般选用玻璃类脆性材料，要求光学窗口结构具备良好的抗冲击性能。

传统光学窗口的服役温度较低，周围结构的热变形较小，可过硅橡胶类柔性密封圈进行缓冲匹配，但是柔性橡胶密封圈难以承受800℃以上的温度，高温下其缓冲和密封效果将失效，导致这类光学窗口无法适用于高速飞行环境。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提出一种耐高温抗冲击光学窗口，通过窗口结构设计与选材、热匹配设计和缓冲吸震设计，在满足耐高温和抗冲击性能的前提下实现指定谱段光学信号的高效透过。

本实用新型通过如下技术方案予以实现：一种耐高温抗冲击光学窗口，包括：窗口玻璃、过渡框、安装板和缓冲垫片；窗口玻璃与过渡框之间通过柔性高温密封胶粘接；缓冲垫片放于窗口玻璃、过渡框和安装板之间；安装板与过渡框之间通过螺纹连接，同时压紧缓冲垫片；装配过程严格控制柔性连接部位的压缩量。

所述窗口玻璃采用熔融石英材料，厚度12mm～20mm，小端宽度70mm，侧面倾角8°～12°；

所述过渡框采用树脂基复合材料，厚度为窗口玻璃厚度的1.5倍，环向厚度6～10mm，内置钢丝螺套。

所述密封胶采用有机硅橡胶材料。

所述缓冲垫片采用石英纤维布增强F4材料，厚度2mm～3mm，其内侧宽度比窗口玻璃的小端宽度小1mm，外侧宽度比窗口玻璃大端宽度大2mm。

所述安装板采用不锈钢材料，厚度大于2mm，其内侧宽度与缓冲垫片一致，外侧宽度比内侧宽度大25mm～35mm。

窗口玻璃与过渡框之间通过楔形斜面定位，配合面涂密封胶，通过均布0.1mm玻璃纤维布确保胶层厚度均匀。

缓冲垫片置于窗口玻璃与安装板之间，通过局部修配保证缓冲垫片压缩量不大于0.1mm。

安装板压紧缓冲垫片，与转接框之间通过螺纹连接。

本实用新型与现有技术相比具有如下优点：

(1)传统光学窗口通过橡胶密封圈实现缓冲和密封功能，这种形式难以适应高速飞行器的高温环境。本实用新型设计了一种窗口玻璃加过渡框结构，过渡框采用热膨胀系数介于窗口玻璃材料和周围结构材料之间的耐高温材料，实现热变形过渡，减小窗口玻璃在高温环境下的热应力。

(2)传统光学窗口通过柔性密封圈实现密封功能，这种形式难以适应高速飞行器的高温密封要求。本实用新型设计了一种窗口玻璃加密封胶和缓冲垫片压紧的结构，缓冲垫片压紧后与窗口玻璃形成封闭结构，通过密封胶进一步提升密封效果。

(3)传统光学窗口通过柔性密封圈实现缓冲功能，这种形式难以适应高速飞行器的抗冲击要求。本实用新型对窗口玻璃与过渡框之间的胶层厚度和缓冲垫片的压缩量进行详细研究，通过在窗口玻璃与过渡框之间均匀布置0.1mm玻璃纤维布，保证胶层厚度均匀，避免窗口玻璃与转接框之间的刚性接触；同时控制缓冲垫片的压缩量小于0.1mm，以减小窗口玻璃所承受的装配应力，提升光学窗口抗冲击性能。

(4)现有光学窗口的窗口玻璃与周围结构一般采取直接安装方式，各零件累积的偏差易导致窗口玻璃部位装配应力过大。本实用新型将窗口玻璃、过渡框、缓冲垫片和安装板连接成一个组件，通过(3)中的方式实现组件内部的装配应力控制，再通过安装板与周围结构进行连接，减少了与周围结构进行安装时的装配应力。

附图说明

图1为耐高温抗冲击光学窗口示意图。

图2为光学窗口温度场示意图。

图3为光学窗口冲击响应谱示意图。

具体实施方式

本实用新型的实施主要分四个步骤：材料选择、设计光学窗口结构、温度场分析、力/热考核试验。

1.材料选择

(1)根据透光谱段和工作温度选择窗口玻璃材料；

(2)根据热匹配要求选择缓冲垫片材料。

2.设计光学窗口结构

(1)根据光学设备探测视场及其与光学窗口的相对位置，确定窗口玻璃展向尺寸；

(2)根据力学承载和内部设备温控需求，确定窗口玻璃厚度；

(3)根据光学窗口安装结构，确定过渡框和安装板尺寸。

3.温度场分析

(1)对光学窗口结构进行网格划分；

(2)设置光学窗口各部分材料热物性参数；

(3)读入温度边界条件，设置传热边界条件，根据热传导公式计算温度场；

热传导公式如式(1)所示

式中q—热流密度，W/m²

k—材料的导热系数，W/(m·K)

i、j、k为—直角坐标系中x、y、z方向的单位矢量

T—温度，K

—x、y、z方向的温度梯度

(4)输出光学窗口温度场。

4.力/热考核试验

根据光学窗口的冲击环境和热环境条件，开展相关考核试验。

以某高温光学窗口为研究对象，该窗口工作于紫外波段，窗口玻璃选用蓝宝石材料，根据其长时间气动加热的热环境特点，设计合适的光学窗口厚度，过渡框选用的材料热膨胀特性应介于窗口玻璃材料和周围结构材料之间，以保证光学窗口的热匹配特性。仿真分析表明该光学窗口防隔热方案合理，热匹配良好，其温度场如2、3所示。

由于窗口玻璃为脆性材料，对其进行冲击试验，试验状态达到12000g(0)，试验后产品状态完好，证明光学窗口抗冲击设计有效。

按照典型高速飞行器的力、热环境，本实用新型涉及的耐高温、抗冲击光学窗口方案如下：光学窗口示意图见图1，由窗口玻璃、过渡框、缓冲垫片、密封胶和安装板装配形成组件。

光学窗口各零件状态如下：

(1)窗口玻璃采用熔融石英材料，厚度12mm～20mm，小端宽度70mm，侧面倾角8°～12°；

(2)过渡框采用树脂基复合材料，厚度为窗口玻璃厚度的1.5倍，环向厚度6～10mm，内置钢丝螺套；

(3)密封胶采用有机硅橡胶材料；

(4)缓冲垫片采用石英纤维布增强F4材料，厚度2mm～3mm，其内侧宽度比窗口玻璃的小端宽度小1mm，外侧宽度比窗口玻璃大端宽度大2mm。

(5)安装板采用不锈钢材料，厚度大于2mm，其内侧宽度与缓冲垫片一致，外侧宽度比内侧宽度大25mm～35mm。

光学窗口装配规则如下：

(1)窗口玻璃与过渡框之间通过楔形斜面定位，配合面涂密封胶，通过均布0.1mm玻璃纤维布确保胶层厚度均匀；

(2)缓冲垫片置于窗口玻璃与安装板之间，通过局部修配保证缓冲垫片压缩量不大于0.1mm；

(3)安装板压紧缓冲垫片，与转接框之间通过螺纹连接。

本实用新型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 (9)

1.一种耐高温抗冲击光学窗口，其特征在于，包括：窗口玻璃、过渡框、安装板和缓冲垫片；窗口玻璃与过渡框之间通过柔性高温密封胶粘接；缓冲垫片放于窗口玻璃、过渡框和安装板之间；安装板与过渡框之间通过螺纹连接，同时压紧缓冲垫片。

2.根据权利要求1所述的一种耐高温抗冲击光学窗口，其特征在于，所述窗口玻璃采用熔融石英材料，厚度12mm～20mm，小端宽度70mm，侧面倾角8°～12°。

3.根据权利要求1所述的一种耐高温抗冲击光学窗口，其特征在于，所述过渡框采用树脂基复合材料，厚度为窗口玻璃厚度的1.5倍，环向厚度6～10mm，内置钢丝螺套。

4.根据权利要求1所述的一种耐高温抗冲击光学窗口，其特征在于，所述密封胶采用有机硅橡胶材料。

5.根据权利要求1所述的一种耐高温抗冲击光学窗口，其特征在于，所述缓冲垫片采用石英纤维布增强F4材料，厚度2mm～3mm，其内侧宽度比窗口玻璃的小端宽度小1mm，外侧宽度比窗口玻璃大端宽度大2mm。

6.根据权利要求1所述的一种耐高温抗冲击光学窗口，其特征在于，所述安装板采用不锈钢材料，厚度大于2mm，其内侧宽度与缓冲垫片一致，外侧宽度比内侧宽度大25mm～35mm。

7.根据权利要求1所述的一种耐高温抗冲击光学窗口，其特征在于，窗口玻璃与过渡框之间通过楔形斜面定位，配合面涂密封胶，通过均布0.1mm玻璃纤维布确保胶层厚度均匀。

8.根据权利要求1所述的一种耐高温抗冲击光学窗口，其特征在于，缓冲垫片置于窗口玻璃与安装板之间，通过局部修配保证缓冲垫片压缩量不大于0.1mm。

9.根据权利要求1所述的一种耐高温抗冲击光学窗口，其特征在于，安装板压紧缓冲垫片，与转接框之间通过螺纹连接。

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