某機(jī)載雷達(dá)天線罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2017-07-20 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

文章導(dǎo)讀

根據(jù)直升機(jī)旋翼上方雷達(dá)天線的工作方式及安裝特殊性, 對(duì)某雷達(dá)天線罩結(jié)構(gòu)設(shè)的主要環(huán)節(jié)進(jìn)行了闡述, 包括環(huán)境分析、詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度分析、試驗(yàn)驗(yàn)證等, 強(qiáng)調(diào)通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治觥⒃O(shè)計(jì)及試驗(yàn)來達(dá)到電性能和結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)要求, 可供同行進(jìn)行類似設(shè)計(jì)參考。

文章正文

1 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭條件下,為提高武裝直升機(jī)的作戰(zhàn)效能,都加裝了火控雷達(dá)系統(tǒng),且多數(shù)選擇旋翼頂端安裝雷達(dá)射頻前端[1]。相比較于雷達(dá)天線前端在武裝直升機(jī)其它安裝位置,旋翼頂部安裝實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)的全方位搜索和/潛望狀態(tài)0工作,直升機(jī)可以采用隱藏在樹叢中或躲藏在山梁后只露出旋翼頂部雷達(dá)天線的工作方式,減少了飛機(jī)暴露在敵火力下的面積以及被敵發(fā)現(xiàn)的可能性,提高了對(duì)地攻擊能力、自我隱蔽能力和攻擊時(shí)的自我保護(hù)能力。但雷達(dá)射頻前端這種桅桿式安裝對(duì)飛機(jī)性能影響、飛機(jī)改裝設(shè)計(jì)難度提高也是顯而易見的;另一方面,對(duì)雷達(dá)前端設(shè)計(jì),特別是天線罩的設(shè)計(jì)也帶來了很大難度。本文就某直升機(jī)旋翼頂端雷達(dá)前端天線罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有關(guān)問題進(jìn)行詳細(xì)討論。

2 天線罩環(huán)境分析

桅桿式毫米波雷達(dá)射頻前端安裝方式將帶來直升機(jī)全機(jī)阻力面積的增加,雷達(dá)天線整流罩外形尺寸和形狀對(duì)直升機(jī)飛行速度和航程有較大的影響,同時(shí)經(jīng)過毫米波雷達(dá)天線整流罩的下洗流也影響平尾和垂尾氣動(dòng)效率。從氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)角度考慮,毫米波雷達(dá)天線罩越小對(duì)全機(jī)飛行性能和平衡操穩(wěn)影響也越小。雷達(dá)天線整流罩安裝高度要考慮避開在主要飛行狀態(tài)時(shí),雷達(dá)天線罩的下洗流打到平尾上,同時(shí)毫米波雷達(dá)天線在最大下視角工作時(shí),雷達(dá)波束不被機(jī)身結(jié)構(gòu)所阻擋。

表1 世界主要桅桿式毫米波雷達(dá)前端結(jié)構(gòu)要素

某機(jī)載雷達(dá)天線罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)HFSS分析案例圖片1

表1是國外幾種主要武裝直升機(jī)裝機(jī)情況和雷達(dá)射頻前端裝機(jī)要素。從表中可以看出,除/長弓阿帕奇0外,雷達(dá)射頻前端直徑尺寸在0167m以內(nèi)?？紤]國內(nèi)技術(shù)水平和研究進(jìn)度,及雷達(dá)射頻前端功能和安裝要求,初步設(shè)定毫米波雷達(dá)的射頻前端罩體直徑為800mm,安裝高度為760mm。天線罩隨雷達(dá)射頻前端安裝在某型直升飛機(jī)旋翼上方,承受的最大氣動(dòng)載荷主要是飛機(jī)以最大速度前飛時(shí)的空氣阻力及飛機(jī)旋翼帶來的氣體洗流,由于天線罩處于旋翼上方的正中心,因而由旋翼帶來的洗流影響很小,天線罩主要承受飛機(jī)370km/h速度前飛氣動(dòng)阻力,此時(shí)飛機(jī)機(jī)頭處于下俯20b狀態(tài)。天線罩使用環(huán)境主要包括以下幾方面:

(1)環(huán)境溫度:-40e~+70e;

(2)濕度:95%(RH)(30b時(shí));

(3)濕熱:符合機(jī)載雷達(dá)罩通用要求;

(4)海拔高度:[5000m;

(5)風(fēng)速:70m/s正常工作,103m/s不破壞(按載機(jī)最大飛行速度考慮);

(6)振動(dòng):按照GJB150.16-86/振動(dòng)試驗(yàn)0的2.3.6款直升飛機(jī)條件;

(7)沖擊:15g,11ms,半正弦沖擊脈沖;

(8)加速度:向前4g,向后-4g,向上10.5g,向下-4.5g,向左-6g,向右6g;

(9)防雨設(shè)計(jì):抗雨蝕和雨沖擊,天線罩連接件密封設(shè)計(jì);

(10)雷電:符合一般機(jī)載雷達(dá)罩的通用要求;

(11)靜電:防靜電涂層設(shè)計(jì);

(12)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)就是確保設(shè)備在上述環(huán)境條件下正常工作[2]。

3 天線罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了盡量減小天線罩風(fēng)阻對(duì)載機(jī)影響, 同時(shí)考慮雷達(dá)要求天線能360b掃描,天線罩體外形設(shè)計(jì)成上下切邊的球體結(jié)構(gòu),罩體上表面采用了大半徑球面以提高剛度。為了滿足雷達(dá)射頻前端的透波要求及透波角度前提下,同時(shí)方便罩內(nèi)設(shè)備的拆裝和維修,也是方便罩體的設(shè)計(jì)和加工,降低制造成本,整個(gè)天線罩劃分為上罩、下罩和前罩三部分。其中前罩是主要透波區(qū)域,充分考慮前罩的透波范圍及底部安裝平面,將前罩的區(qū)域劃分為上寬下窄的形式,考慮到安裝通風(fēng)孔,在前罩局部加寬;考慮到工藝易于成型和天線罩整體受力的特點(diǎn),下罩的剛強(qiáng)度比上罩要高,并且為了最大限度地減輕天線罩的重量, 同時(shí)考慮上罩也需要一定的透波性能,并且將天線后面的透波區(qū)域最大化,因此將上罩的面積劃分得比下罩面積大[3]。為了解決罩內(nèi)設(shè)備的通風(fēng)散熱,在下罩底面和前罩側(cè)面預(yù)留了進(jìn)出風(fēng)通道,如圖1所示。

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圖1 罩體分塊及通風(fēng)示意圖

3.1 前罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)電性能設(shè)計(jì),前罩的結(jié)構(gòu)形式為單層罩,厚度為2.2mm,根部連接區(qū)的厚度設(shè)計(jì)為3mm。在通風(fēng)孔處增加了10mm寬、4mm厚的肋邊,防止水從通風(fēng)孔邊緣滲進(jìn)天線罩,前罩的材料選用介電常數(shù)較低的石英玻璃布/中溫環(huán)氧樹脂預(yù)浸料,結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

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圖2 前罩結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 上罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮到上罩的電性能要求稍低,及必要的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和減重要求,將上罩設(shè)計(jì)成A夾層結(jié)構(gòu),夾層的厚度為6mm,夾層結(jié)構(gòu)的蒙皮材料選用了高強(qiáng)度玻璃布/中溫環(huán)氧樹脂預(yù)浸料,蜂窩選用了72kg/m3的Nomex紙蜂窩,上罩的連接區(qū)厚度為3mm,結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

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圖3 上罩結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 下罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)上考慮下罩是不透波的,從受力分析來看,下罩的剛強(qiáng)度對(duì)整罩的變形影響非常大,因此提高下罩的剛強(qiáng)度是提高整罩的剛強(qiáng)度的關(guān)鍵。下罩的結(jié)構(gòu)形式為A夾層結(jié)構(gòu),為了提高下罩的剛度,采取了兩項(xiàng)技術(shù)措施,第一是增加夾層的厚度,將蜂窩高度增加到10mm;第二是選取蒙皮的材料為碳纖維T700/中溫環(huán)氧樹脂預(yù)浸料。下罩與前罩、上罩的連接區(qū)的具體結(jié)構(gòu)參見圖4。

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圖4 下罩結(jié)構(gòu)示意圖

在連接底盤上設(shè)置了7個(gè)進(jìn)風(fēng)孔,每個(gè)進(jìn)風(fēng)孔的孔徑為70mm,進(jìn)風(fēng)孔按直徑470的圓周均勻分布。天線罩與轉(zhuǎn)臺(tái)連接部分采取預(yù)埋實(shí)芯塊的方法,預(yù)埋實(shí)芯塊的材料也選取為T700/中溫環(huán)氧樹脂預(yù)浸料,具體參見圖5。

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圖5 下罩與轉(zhuǎn)臺(tái)連接區(qū)示意圖

3.4 連接密封設(shè)計(jì)

為了保證整罩的密封,前罩、上罩、下罩之間的連接形式選取了螺釘膠接、接縫處涂密封膠的方式,保證連接處不漏水。為了方便安裝,連接螺母選取了雙耳游動(dòng)托板自鎖螺母(HB1-808-83),螺釘選取了M6-16(HB1-128-83),螺釘間距為70mm,如圖6所示。

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圖6 前罩、上罩和下罩之間的連接示意圖

3.5 涂層設(shè)計(jì)

天線罩內(nèi)表面為聚胺脂清漆,外表面(由內(nèi)向外)為環(huán)氧聚酰胺清漆、抗雨蝕涂層、抗靜電涂層,清漆的厚度為0.03mm,抗雨蝕涂層的厚度為0.12mm,抗靜電涂層的厚度為0.03mm。外表面涂層為灰色。

4 天線罩強(qiáng)度設(shè)計(jì)

4.1 天線罩氣動(dòng)載荷

天線罩隨雷達(dá)射頻前端安裝在某型直升飛機(jī)旋翼上方,當(dāng)飛機(jī)向前飛行時(shí),天線罩承受的氣動(dòng)載荷主要是飛機(jī)前飛時(shí)的空氣阻力,以及飛機(jī)旋翼帶來的氣體洗流。由于天線罩處于旋翼主軸上方的正中心,槳葉旋轉(zhuǎn)在該處產(chǎn)生的軸向氣流速度很小,即旋翼帶來的洗流影響較小,可以忽略,故天線罩主要承受的氣動(dòng)阻力來自飛機(jī)前飛。此時(shí)飛機(jī)機(jī)頭處于下俯20b狀態(tài),飛行速度(來流速度)為42~50m/s,即150~180km/h,最大速度為103m/s,即370km/h。為了獲得飛機(jī)最大速度飛行時(shí)天線罩表面的壓力分布,我們分別計(jì)算了以下兩種情形。本次計(jì)算采用的CFD軟件以國際知名的商用軟件FLUENT為主,其解算器采用完全的非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和控制體積法。

(1)飛機(jī)下俯0b最大速度飛行時(shí),天線罩外表面的壓力分布

經(jīng)計(jì)算,當(dāng)飛機(jī)下俯0b最大速度103m/s向前飛行時(shí),天線罩表面壓力分布和X-Y平面即對(duì)稱面上流場的壓力分布如圖7所示。

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圖7 飛機(jī)下俯0b最大速度飛行時(shí),天線罩外表面的壓力分布

(2)飛機(jī)下俯20b最大速度飛行時(shí),天線罩外表面的壓力分布

經(jīng)計(jì)算,天線罩外表面的壓力分布和對(duì)稱面上流場的壓力分布如圖8所示。

從圖7和圖8可以看出,天線罩迎著來流的A點(diǎn),以及背著來流方向的D點(diǎn)附近的壓力較大,其中,A點(diǎn)達(dá)到了最大值6.47kPa;天線罩上表面后緣的C點(diǎn),以及下表面前緣的B點(diǎn)附近壓力較小,其中,B點(diǎn)的壓力達(dá)到了最小值-22.4kPa。此外我們還發(fā)現(xiàn),天線罩迎著來流以及背著來流的附近流場壓力較大(為正),而C點(diǎn)、B點(diǎn)附近壓力較小(為負(fù))。

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圖8 飛機(jī)下俯20b最大速度飛行時(shí),天線罩外表面的壓力分布

4.2 天線罩有限元分析

(1) 坐標(biāo)系的選取

坐標(biāo)原點(diǎn)選取為球心,X軸朝前罩方向,Z軸向上,Y軸按照右手螺旋法則規(guī)定。

(2) 有限元模型的建立

分別對(duì)前罩、上罩、后罩建立了有限元模型,單元選取了四邊形正應(yīng)力板單元,每個(gè)單元的屬性對(duì)應(yīng)實(shí)際的結(jié)構(gòu)厚度、材料鋪層。前罩、上罩和后罩之間的連接螺栓用桿單元模擬,桿單元的直徑規(guī)定為6mm。一共建立了18376個(gè)板單元,57個(gè)桿單元。與天線座的8個(gè)連接點(diǎn)用固支表示,如圖9所示。

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圖9 整罩有限元模型圖

(3) 計(jì)算結(jié)果

將有限元模型用MSC公司的Nastran軟件進(jìn)行了計(jì)算。通過計(jì)算,得出在14種工況下整罩的變形最大只有4.67mm,天線與天線罩之間的距離大于25mm,可以滿足要求。前3種工況下天線罩的應(yīng)力也不大,玻璃鋼最大應(yīng)力不超過20MPa,碳纖維最大應(yīng)力不超過60MPa。蜂窩最大應(yīng)力L向的最大應(yīng)力為0.55MPa,W向的最大應(yīng)力為0.484MPa,均小于蜂窩的許用應(yīng)力?？紤]到蜂窩的最大應(yīng)力都在變厚度區(qū),因此在變厚度蜂窩處增加發(fā)泡膠,可以將局部蜂窩的抗剪切強(qiáng)度提高到5MPa以上,因此蜂窩的安全系數(shù)也較高。

罩體之間的連接M6螺栓的最大應(yīng)力為51.8MPa,選用30CrMnSi的高強(qiáng)度螺栓的許用強(qiáng)度可以達(dá)到1100MPa,因此螺栓的強(qiáng)度也能滿足要求。

根部連接的8個(gè)點(diǎn)最大反力為460N,選用30CrMnSi的高強(qiáng)度M8螺栓可以承受50000N的力,因此8個(gè)螺栓固定也能滿足強(qiáng)度的要求。

經(jīng)過計(jì)算,天線罩的前五階固有頻率如下:F1=30.974Hz,F2=33.645Hz,F3=70.961Hz,F4=101.01Hz,F5=134.36Hz。

從固有頻率來看,天線罩的一階固有頻率約為31Hz,不算太高,但都避開了使用環(huán)境中的幾個(gè)共振點(diǎn),因此天線罩的動(dòng)響應(yīng)也能滿足要求。

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證以上載荷分析、材料選用、強(qiáng)度和剛度分析的正確性及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝的合理性,該天線罩按照前述載荷分布,設(shè)計(jì)制作了載荷加載系統(tǒng),其載荷加載情況見圖10。按照國家和行業(yè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),對(duì)天線罩進(jìn)行了嚴(yán)格的逐級(jí)加載,分別加載到使用載荷、設(shè)計(jì)載荷和最大載荷并按規(guī)定保持相應(yīng)時(shí)間。試驗(yàn)結(jié)果證明,該天線罩各研制環(huán)節(jié)均準(zhǔn)確無誤,完全達(dá)到設(shè)計(jì)和使用要求。

某機(jī)載雷達(dá)天線罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)HFSS培訓(xùn)的效果圖片11

圖10 天線罩靜力試驗(yàn)

6 結(jié)論

機(jī)載天線罩是一類較為典型的結(jié)構(gòu)功能件,其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)除了必須滿足透波率、波束畸變率、副瓣電平抬高等電性能要求外,還必須滿足氣動(dòng)外形要求,滿足各種姿態(tài)和速度下氣動(dòng)載荷的強(qiáng)度和剛度要求,滿足雷達(dá)本身帶來的安裝、散熱及載機(jī)的沖擊振動(dòng)和加速度等環(huán)境要求,因而研制過程涉及裝機(jī)選擇、氣動(dòng)外型設(shè)計(jì)、載荷分布計(jì)算、材料和罩壁結(jié)構(gòu)選擇、應(yīng)力應(yīng)變分析、罩體制造加工、靜力試驗(yàn)驗(yàn)證和電性能測(cè)試及優(yōu)化設(shè)計(jì)[4]等過程,其中每一步都必須嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致,確保準(zhǔn)確無誤,才能最終獲得滿足使用要求的雷達(dá)天線罩。

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