某機載雷達天線罩結(jié)構(gòu)設計

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

文章導讀

根據(jù)直升機旋翼上方雷達天線的工作方式及安裝特殊性, 對某雷達天線罩結(jié)構(gòu)設的主要環(huán)節(jié)進行了闡述, 包括環(huán)境分析、詳細結(jié)構(gòu)設計、強度分析、試驗驗證等, 強調(diào)通過嚴謹?shù)姆治?、設計及試驗來達到電性能和結(jié)構(gòu)性能指標要求, 可供同行進行類似設計參考。

文章正文

1 引言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭條件下,為提高武裝直升機的作戰(zhàn)效能,都加裝了火控雷達系統(tǒng),且多數(shù)選擇旋翼頂端安裝雷達射頻前端[1]。相比較于雷達天線前端在武裝直升機其它安裝位置,旋翼頂部安裝實現(xiàn)了雷達的全方位搜索和/潛望狀態(tài)0工作,直升機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天線的工作方式,減少了飛機暴露在敵火力下的面積以及被敵發(fā)現(xiàn)的可能性,提高了對地攻擊能力、自我隱蔽能力和攻擊時的自我保護能力。但雷達射頻前端這種桅桿式安裝對飛機性能影響、飛機改裝設計難度提高也是顯而易見的;另一方面,對雷達前端設計,特別是天線罩的設計也帶來了很大難度。本文就某直升機旋翼頂端雷達前端天線罩結(jié)構(gòu)設計的有關(guān)問題進行詳細討論。

2 天線罩環(huán)境分析

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

表1 世界主要桅桿式毫米波雷達前端結(jié)構(gòu)要素

表1是國外幾種主要武裝直升機裝機情況和雷達射頻前端裝機要素。從表中可以看出,除/長弓阿帕奇0外,雷達射頻前端直徑尺寸在0167m以內(nèi)?？紤]國內(nèi)技術(shù)水平和研究進度,及雷達射頻前端功能和安裝要求,初步設定毫米波雷達的射頻前端罩體直徑為800mm,安裝高度為760mm。天線罩隨雷達射頻前端安裝在某型直升飛機旋翼上方,承受的最大氣動載荷主要是飛機以最大速度前飛時的空氣阻力及飛機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370km/h速度前飛氣動阻力,此時飛機機頭處于下俯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);

(3)濕熱:符合機載雷達罩通用要求;

(4)海拔高度:[5000m;

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

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

(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)防雨設計:抗雨蝕和雨沖擊,天線罩連接件密封設計;

(10)雷電:符合一般機載雷達罩的通用要求;

(11)靜電:防靜電涂層設計;

(12)結(jié)構(gòu)設計的任務就是確保設備在上述環(huán)境條件下正常工作[2]。

3 天線罩結(jié)構(gòu)設計

為了盡量減小天線罩風阻對載機影響, 同時考慮雷達要求天線能360b掃描,天線罩體外形設計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。為了滿足雷達射頻前端的透波要求及透波角度前提下,同時方便罩內(nèi)設備的拆裝和維修,也是方便罩體的設計和加工,降低制造成本,整個天線罩劃分為上罩、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,下罩的剛強度比上罩要高,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)設備的通風散熱,在下罩底面和前罩側(cè)面預留了進出風通道,如圖1所示。

圖1 罩體分塊及通風示意圖

3.1 前罩結(jié)構(gòu)設計

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

圖2 前罩結(jié)構(gòu)示意圖

3.2 上罩結(jié)構(gòu)設計

考慮到上罩的電性能要求稍低,及必要的結(jié)構(gòu)強度和減重要求,將上罩設計成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度玻璃布/中溫環(huán)氧樹脂預浸料,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。

圖3 上罩結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 下罩結(jié)構(gòu)設計

設計上考慮下罩是不透波的,從受力分析來看,下罩的剛強度對整罩的變形影響非常大,因此提高下罩的剛強度是提高整罩的剛強度的關(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。

圖4 下罩結(jié)構(gòu)示意圖

在連接底盤上設置了7個進風孔,每個進風孔的孔徑為70mm,進風孔按直徑470的圓周均勻分布。天線罩與轉(zhuǎn)臺連接部分采取預埋實芯塊的方法,預埋實芯塊的材料也選取為T700/中溫環(huán)氧樹脂預浸料,具體參見圖5。

圖5 下罩與轉(zhuǎn)臺連接區(qū)示意圖

3.4 連接密封設計

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。

圖6 前罩、上罩和下罩之間的連接示意圖

3.5 涂層設計

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 天線罩強度設計

4.1 天線罩氣動載荷

天線罩隨雷達射頻前端安裝在某型直升飛機旋翼上方,當飛機向前飛行時,天線罩承受的氣動載荷主要是飛機前飛時的空氣阻力,以及飛機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阻力來自飛機前飛。此時飛機機頭處于下俯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。為了獲得飛機最大速度飛行時天線罩表面的壓力分布,我們分別計算了以下兩種情形。本次計算采用的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)飛機下俯0b最大速度飛行時,天線罩外表面的壓力分布

經(jīng)計算,當飛機下俯0b最大速度103m/s向前飛行時,天線罩表面壓力分布和X-Y平面即對稱面上流場的壓力分布如圖7所示。

圖7 飛機下俯0b最大速度飛行時,天線罩外表面的壓力分布

(2)飛機下俯20b最大速度飛行時,天線罩外表面的壓力分布

經(jīng)計算,天線罩外表面的壓力分布和對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,以及背著來流方向的D點附近的壓力較大,其中,A點達到了最大值6.47kPa;天線罩上表面后緣的C點,以及下表面前緣的B點附近壓力較小,其中,B點的壓力達到了最小值-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、B點附近壓力較小(為負)。

圖8 飛機下俯20b最大速度飛行時,天線罩外表面的壓力分布

4.2 天線罩有限元分析

(1) 坐標系的選取

坐標原點選取為球心,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

分別對前罩、上罩、后罩建立了有限元模型,單元選取了四邊形正應力板單元,每個單元的屬性對應實際的結(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個板單元,57個桿單元。與天線座的8個連接點用固支表示,如圖9所示。

圖9 整罩有限元模型圖

(3) 計算結(jié)果

將有限元模型用MSC公司的Nastran軟件進行了計算。通過計算,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力也不大,玻璃鋼最大應力不超過20MPa,碳纖維最大應力不超過60MPa。蜂窩最大應力L向的最大應力為0.55MPa,W向的最大應力為0.484MPa,均小于蜂窩的許用應力。考慮到蜂窩的最大應力都在變厚度區(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螺栓的最大應力為51.8MPa,選用30CrMnSi的高強度螺栓的許用強度可以達到1100MPa,因此螺栓的強度也能滿足要求。

根部連接的8個點最大反力為460N,選用30CrMnSi的高強度M8螺栓可以承受50000N的力,因此8個螺栓固定也能滿足強度的要求。

經(jīng)過計算,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)境中的幾個共振點,因此天線罩的動響應也能滿足要求。

5 試驗驗證

為了驗證以上載荷分析、材料選用、強度和剛度分析的正確性及結(jié)構(gòu)設計和制造工藝的合理性,該天線罩按照前述載荷分布,設計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)標準,對天線罩進行了嚴格的逐級加載,分別加載到使用載荷、設計載荷和最大載荷并按規(guī)定保持相應時間。試驗結(jié)果證明,該天線罩各研制環(huán)節(jié)均準確無誤,完全達到設計和使用要求。

圖10 天線罩靜力試驗

6 結(jié)論

機載天線罩是一類較為典型的結(jié)構(gòu)功能件,其結(jié)構(gòu)設計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,還必須滿足氣動外形要求,滿足各種姿態(tài)和速度下氣動載荷的強度和剛度要求,滿足雷達本身帶來的安裝、散熱及載機的沖擊振動和加速度等環(huán)境要求,因而研制過程涉及裝機選擇、氣動外型設計、載荷分布計算、材料和罩壁結(jié)構(gòu)選擇、應力應變分析、罩體制造加工、靜力試驗驗證和電性能測試及優(yōu)化設計[4]等過程,其中每一步都必須嚴謹細致,確保準確無誤,才能最終獲得滿足使用要求的雷達天線罩。

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