Текст
В * ПРИГОН
ВС ВОВУИВВО
Обтекатели
антенн
летательных
аппаратов
Б. А. ПРИРОДА,
В. С. КОКУНЬКО
ОБТЕКАТЕЛИ
АНТЕНН
ЛЕТАТЕЛЬНЫХ
АППАРАТОВ
ИЗДАТЕЛЬСТВО
«МАШИНОСТРОЕНИЕ»
Москва 1970
УДК 62§.7.O26A«6i.4
В книге даны принципы расчета и проектирования обтекателей
антенн летательных аппаратов. Рассмотрено прохождение электро-
магнитной энергии через различные диэлектрические среды и приве-
дены методы изготовления обтекателей с характеристикой основных
высокочастотных диэлектрических материалов. Даны рекомендации
по расчету и проектированию обтекателей. Освещены вопросы, свя-
занные с аэродинамическим нагревом обтекателей, возникающим при
сверхзвуковом полете в плотных слоях атмосферы.
Изложены способы и средства испытания и контроля обтекателей
и компенсации искажений электромагнитной энергии, проходящей че-
рез стенку обтекателя.
Книга предназначена для широкого круга специалистов, занимаю-
щихся проектированием обтекателей антенн современных летатель-
ных аппаратов. Кроме того, она может быть полезна студентам вту-
зов радиотехнических и других смежных специальностей. Табл. 116.
Иллюстр. 11'8. Библ. 8 назв.
Рецензент
канд. техн, наук Б. А. Попереченкд
252-70
3-4-2
ПРЕДИСЛОВИЕ
К радиопрозрачным обтекателям антенн современных
летательных аппаратов предъявляется сложный комплекс
требований. Обтекатели должны обладать приемлемыми
радиотехническими характеристиками (от которых зави-
сит дальность действия и точность работы конкретного
радиолокационного оборудования) и одновременно за-
щищать находящиеся под ними антенны и радиолокаци-
онное оборудование от внешних воздействий.
Создание обтекателя является сложной задачей, ко-
торая включает вопросы электродинамического, аэроди-
намического и технологического характера. В решении
этой комплексной задачи необходимо совместное участие
различных специалистов: радиоинженеров, физиков, хи-
миков, математиков, конструкторов, баллистиков, техно-
логов и других.
В последнее время с ростом скоростей летательных
аппаратов при производстве обтекателей появились но-
вые проблемы. Одной из них является задача обеспечения
надежной и безотказной работы обтекателей антенн
сверхзвуковых летательных аппаратов в условиях аэро-
динамического нагрева.
В предлагаемой книге систематизирован материал, ка-
сающийся расчета, проектирования и изготовления обте-
кателей антенн летательных аппаратов. Использованы
материалы открытой отечественной и зарубежной печати.
В начале книги рассмотрены вопросы прохождения
электромагнитной энергии через различные диэлектриче-
5306 3
ские среды. Далее определяется назначение и место ра-
диопрозрачных обтекателей в цепи проблем, связанных с
созданием современных летательных аппаратов, и дается
классификация существующих в настоящее время обте-
кателей.
Отдельные главы посвящены вопросам, связанным с
эксплуатацией обтекателей, в том числе рекомендациям
по защите обтекателей от воздействий внешней среды.
Приведено описание существующих конструкций сте-
нок обтекателей, а также даны методы изготовления об-
текателей и характеристики основных высокочастотных
диэлектрических материалов, применяемых в настоящее
время для изготовления обтекателей.
Одна из глав посвящена вопросам расчета обтекате-
лей. Здесь же описан характер искажений электромаг-
нитной волны, проходящей через стенку обтекателя, и
даны рекомендации по компенсации этих искажений.
В конце книги рассмотрены основные методы и средства
испытаний и контроля обтекателей.
Авторы выражают благодарность канд. техн, наук
Б. А. Попереченко за ценные советы и замечания, кото-
рые способствовали улучшению книги.
Глава I
ВОЛНЫ
1.1. ПЛОСКИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ
в однородной изотропной среде
Волна называется плоской, если вёкторы поля Е и П
на плоскости, нормальной к направлению распростране-
ния, в любой момент времени имеют постоянное значение.
Если за направление распространения выбрать в декарто-
вой системе, координат ось х, то для плоской волны век-
торы поля Е и Н должны зависеть только от координаты
X, а от координат Y hZ не зависеть.
Волна считается монохроматической, если поле волны
выражается гармонической функцией времени. Комп-
лексные выражения векторов поля монохроматической
волны имеют вид
Е=Ейем-,
'Н—Ноем.
Непосредственное физическое значение имеют лишь
только вещественные части этих выражений.
Для нахождения значений .векторов электромагнитно-
го поля в однородной изотропной среде: в качестве исход-
ных используются уравнения Максвелла
rots» —- —
с dt
.ГТ 1 dD
rot// =------
* „ с dt
divD=4J4>;
divB=0.
(1.1)
(1.2)
)
Решение этой системы уравнений возможно, при до-
полнении ее выражениями^ устанавливающими связь
между векторами В, Б и Н, Е соответственно.
Для частот ниже собственных молекулярных и атом-
ных частот имеют место соотношения:
D=^E, (1.3)
где ео, go — диэлектрическая и магнитная проницаемости,
являющиеся независимыми от частоты коэффициентами.
Это справедливо для изотропных сред, не обладающих
ферромагнитными свойствами. Поскольку в таких средах
плотность свободных зарядов q равна нулю, то уравнения
Максвелла принимают вид
rot/? = —
с dt
rot 77 = ^- —
с. dt
div 77=0^
div E=jQ,
(14)
Продифференцировав первое выражение по времени
дЕ- п
и подставив в него значение — из 2-го выражения, по-
лучим ’
---|Л0 ^H_ = totdE=c rot rot 77 =
с № dt г • -
=—(grad div//-v2//),
e0
или с учетом 4-го выражения окончательно будем иметь
_ 2о_ _^7_=------или 2^
с £о ' с2 д/2
где оператор V2 определяется выражением
дхъ ду2 1 dz?
6 -
Аналогично для "вектора поля Ё получим уравнение
£(У0 &Ё -р
С2 3/2
Получившаяся система дифференциальных уравнений
3/2
*1=0,
3/2
ДЯ------
V2
ДЁ------
Kf2
(1.5)
где
(1.6)
о е2-
=,
*0Н)
может быть представлена в виде обобщенного волнового
уравнения Пуассона
ДЖ-1^1=0,
V? 3/2
где М. выражает любую из трех составляющих векторов
Е или Н (Ех, Еу, Ez, Нх, Ну, Hz).
Эти уравнения определяют распространение электро-
магнитных волн в однородной и изотропной диэлектриче-
ской среде при отсутствии в ней свободных электрических
зарядов и токов проводимости.
С учетом обозначений (1. 1), введенных для плоских
монохроматических волн, эти уравнения могут быть запи-
саны в форме
--^Ё0(х)=?2Ёг0(х) =
__^7/o(x)=v277oW
С2
</2g0(x) _
32x2 ’
. ^Яо(х)
3x2
или
{-A2fo=O;
32£0
3x2
-^0-4-^277 0;
3x2 0 ___
&= wo*2 . ^=(0_ES
4?2
(1.7)
С
Общим решением дифференциальных уравнений виДЙ
(1.7) являются выражения:
E0=Ae~ibx-j-A'eibx;
’Н0=~Ве~1Ьх-\-В'е111Х,
которые с учетом (1.1) будут иметь вид
Е=Ael W-W 4- А'е1 («►*+*-*>;
77= ВеМ'я‘-Ьх)+В’ е‘(а‘+Ьх\
(1.9)
где А, А', В, В' — произвольные постоянные интегриро-
вания.
Можно ограничиться лишь рассмотрением одной части
этих уравнений, например, первой, представляющей со-,
бой волну, распространяющуюся в положительном на-,
правлении х:
Е—Ае’^*-кх\ 1
_ _ (1.10)
где А, В — комплексные амплитуды.
Для общего вида уравнения (1.6) решением будет яв-
ляться
при a2.4-P2-}-Y2= 1>
где А и С — произвольные постоянные, которые могут
быть комплексными величинами.
Обозначив -
С=_-
получим
_ _ 2ni (<
М = Ае т х
(1.П)
Эта формула выражает плоскую волну в комплексной
форме для непОглощающих сред (где Г —период коле-
баний) .
Независимость амплитуд в выражениях для компо-
нент поля от координат означает, что распространение
8
плоских волн в диэлектрике без потерь не связано с из-
менением их интенсивности. ’
Величина k в выражениях (1.7) — (1.10) представля-
ет собой волновое число
m _ wKEo—-м
v с ’
которое связано с длиной волны в среде выражением
-со 2л 2л
К =---=-----= --
v Tv X
и показывает* сколько волн укладывается на отрезке в
2л см.
В общем случае вместо волнового числа необходимо
брать волновой вектор
й=йой,
где йо — единичный вектор в направлении распростра-
нения.
Тогда
Из уравнений Максвелла можно получить соотноше-
ния между векторами Е, Н и И:
div£= -i(kE)=0;
div 7?= — z (Ш)=0.
Это означает, что векторы Е и Н перпендикулярны к
направлению распространения волны Л:
rot Ё = - i И = - — ^Н,
& с
откуда
я=х=|/[ад. (1.13)
V М
Из этого уравнения- следует, что векторы So, Е, В вза-
имно перпендикулярны и образуют правовинтовую систе-
(1.12)
му. Ввиду перпендикулярности Ло и J? получаем соотноше-
ния между амплитудами векторов Е и Н;
Н=д/~ |А|.
V f*0 У Но
(1.14)
Отношение численных значений векторов Е и Н, рав-
ное 1/ —, является вещественйой величиной, не завися-
V н°
щей от времени, поэтому фазы комплексных амплитуд А
и Н одинаковы.
Плотности магнитной и электрической энергий в та-
ких средах одинаковы:
(л//2 е£2
" 8л 8Л Э
Вектор Пойтинга в среде равен
S=-^-[EH] = k0— £/7= = (1.15)
4л 4л у Со?хо
/ еЕ2 \
где д0=—— ,
\ 4л /
откуда видно, что энергия в среде распространения со
скоростью v, являющейся фазовой скоростью,„ и направ-
ление потока энергии в волне совпадает с направлением
распространения. Равенство фазовой скорости и скорости
течения энергии электромагнитной волны в изотропных
средах нарушается лишь при. наличии дисперсии, т. е. ког-
да имеет место зависимость фазовой скорости волн от ее
длины. Такое явление наблюдается на частотах, близких
к характерным атомным частотам вещества, из-за зави-
симости диэлектрической проницаемости вещества в от
частоты.
1.2. СКОРОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ
ВОЛНЫ
В поле, описываемом уравнениями типа:
поверхностью постоянной фазы является плоскость, пере-
мещающаяся в направлении положительной оси z с по-
стоянной скоростью
dz w
V=---~,
М № '
10
которая называется фазовой скоростью. Фазовая ско-
рость представляет собой скорость перемещения фазы
или состояния и необязательно совпадает со скоростью
распространения волны. Так как электромагнитное поле
никогда не может быть точно локализовано ни во време-
ни, ни в пространстве, то определения скорости несколько
условны. Наклон и высота волнового фронта изменяются
по время его распространения, а понятие «центра тяже-
сти» становится неопределенным, если импульс расплы-
вается.
После понятия фазовой скорости следующим по важ-
ности является понятие групповой скорости, которая ха-
рактеризует действительную скорость волнового возму-
щения.
Так, для суперпозиции двух монохроматических волн ;
получается выражение:
М (zj)=714^ М2 = cos (со/ — kz) cos [(<о + 8<d) t —
•— + z] = 2cos
/8<о] cos ^4
Л в\
— (Ч------] t К
\ 2 / J
Распределение поля, получающегося в результате та-
кой интерференции, во времени и в пространстве имеет
вид «биений» или «групп» (рис. 1.1). В последнем выра-
жении появился амплитудный коэффициент 2 cos i (zbk—
—Лко), из которого следует, что поверхность постоянной
амплитуды группы определяется выражением:
L == (zbk—/8<о) — с oust.
Из этого выражения следует, что сама «группа» рас-
пространяется со скоростью:
dz 8<о
----------— и,
di Zk
которая называется групповой скоростью и равняется от-
ношению разности частот к разности волновых чисел.
11.
Для недиспергйруюЩих сред, у которых скорость распро-
странения волны не зависит от частоты:
Следовательно, u=v.
Таким образом, для недиспергирующих сред фазовая
скорость совпадает с групповой; в общем случае и яв-
ляется функцией волнового числа k. Из соотношения
(d со\
— ) можно вывести несколько эквивалентных
dk J
выражений для групповой скорости:
d , । . dv , dv
u~—vk—v 4- k-— V — k-
dk ' dk dk
Очевидно, понятие о групповой скорости как о скоро-
сти будет вполне определенным, когда речь идет о пакете
(группе), составленном из-элементарных волн, лежащих
внутри бесконечно узкой области спектра. При увеличе-
нии интервала 6k разброс в фазовой скорости гармони-
ческих компонент в диспергирующей среде будет расти.
Пакет будет деформироваться при прохождении среды,
постепенно видоизменяя свою форму, и понятие группо-
вой скорости как скорости пакета в целом будет терять
свой физический смысл. Если дисперсия нормальна и не
выражена сильно, то импульс или группа может пройти
заметное расстояние почти без видимых изменений фор-
12
Мы. Поскольку считается, что энергия локалйзоаана в
области, занятой полем, то скорость распространения
энергии должна, очевидно, хотя бы приближенно равнять-
ся групповой скорости. При нормальной дисперсии уве-
личение длины волны приводит к увеличению фазовой
dv л „
скорости, т. е. — >0 и таким образом, при нормаль-
d X
ной дисперсии групповая скорость всегда меньше фа-
зовой.
Если же дисперсия носит аномальный характер, что
имеет место, например, для проводящих сред, то произ-
водная — отрицательна и групповая скорость больше
, </Х
фазовой и может превышать скорость света.
1.3. ГРАНИЧНЫЕ УСЛОВИЯ
Электромагнитные волны в неограниченном простран-
стве, как правило, не наблюдаются. В любом практиче-
ском случае они заключены в определенные границы и
все явления, связанные с распространением электромаг-
нитных волн, приходится рассматривать в средах или те-
лах, ограниченных в пространстве. Необходимо поэтому
выяснить, каким образом изменяются векторы электро-
магнитного поля вблизи границы среды или тела. Пара-
метры среды, характеризующиеся величинами в и ц, ко-
торые фигурируют в уравнениях электромагнитного поля,
могут изменяться в пространстве любым образом. Эти
изменения могут происходить как непрерывно, так и скач-
кообразно. Например, на некоторой поверхности S пара-
метры могут претерпевать скачок: такая поверхность на-
зывается границей раздела двух сред.
При встрече с границей раздела двух сред, отличаю-
щихся по своим свойствам, радиоволны могут изменять
направление распространения, фазу, амплитуду, тип по-
ляризации и т. Д '.
Поскольку на границе раздела, очерченной какой-либо
поверхностью, параметры среды, а также и параметры
падающей на границу раздела волны электромагнитного
поля терпят скачок, то, очевидно, уравнения электромаг-
нитного поля для неограниченной среды должны быть до-
полнены какими-то дополнительными выражениями, от-
ражающимй условия встречи волны с данной границей
раздела сред.
Пусть мы имеем границу раздела двух сред с пара-
метрами В1Ц1 для одной и е2Ц2 — для другой среды. Пове-
дение векторов электромагнитного поля на границе раз-
дела этих сред может быть легко установлено из уравне-
ний Максвелла, записанных в интегральной форме. При-
меним 1-ое уравнение Максвелла ИВ системы уравнений
Рис. 1. 2. Контур на границе раздела двух
сред
(1.2) к бесконечно малому контуру L (рис. 1.2), считая
сторону /1 бесконечно малой первого порядка, а сторону
/2 — бесконечно малой второго порядка. В этом случае
ф f JgZj-l-бесконечно Малая второго поряд-
ка;
При этом Etg означает касательную к поверхности
раздела, слагающую вектора напряженности электриче-
ского поля. Индексы (1) й (2) относится К первой и Вто-
рой средам. Из того же 1-го уравнения получим:
(£<.>-£«)/,=-А (1.16)
где Ф — поток магнитной индукции через поверхность,
стягиваемую контуром L. Очевидно поток Ф пропорцио-
нален и является величиной старшего порядка малости,
поэтому, переходя к пределу /г—*0, находим из выраже-
ния (1. 16), что
Это означает, что тангенциальная составляющая напря-
женности электрического поля остается непрерывной при
переходе через границу раздела двух сред.
14
Проведя аналогичное рассуждение с помощью 3-го
уравнения Максвелла из системы уравнений (1.2), мо-
жем получить, что
где ]8 — поверхностная плотность тока, определяемая со-
отношением
lim J = j jsdlx.
При наличии поверхностных токов тангенциальная со-
ставляющая напряженности магнитного поля Н претер-
певает разрыв непрерывности при переходе через грани-
цу раздела двух сред. Величина скачка определяется вы-
ражением
(1.17)
При отсутствии поверхностных токов на границе раз-
дела, т. е. при условии Js — 0,
Таким образом, граничные условия получаются путем
предельного перехода из уравнений Максвелла. Если тот
же предельный переход применить к тем же уравнениям
в комплексной форме:
rot Ё= ik^H—— jT; rot Н = - iteE +—
с с
je —магнитные и электрические токи, то можно
получить те же граничные условия для комплексных ам-
плитуд поля Е и Н.
Граничные_условия для нормальных составляющих
векторов D и В получаются из 2-го и 4-го уравнений Мак-
свелла системы (1.2), если в качестве поверхности инте-
грирования выбрать бесконечно малую поверхность S
(рис. 1.3), у которой площади оснований являются бес-
конечно малыми первого порядка, а площади боковых
граней бесконечно малыми второго порядка. Из 2-го урав-
нения Максвелла получим
(BW — £?<2>) 5 бесконечно малая 2-го порядка=0
или при переходе к пределу имеем
'5<1>=5<2>,
а - ч ’
что означает, что нормальная составляющая вектора маг-
нитной индукции при переходе через границу раздела
двух сред сохраняется.
Аналогичным образом из 4-го уравнения Максвелла
. находим -
^1)=^2)+4ле,, (1.18)
где Qs — поверхностная плотность заряда.
lim J QdV = ^
Л->0
где V — объем интегрирования.
Рис. 1. 3. Поверхность интегрирования
на границе раздела
Если поверхностная плотность заряда равна нулю, то
(1.19)
Полученные выше уравнения образуют систему гра-
ничных условий, которым должны удовлетворять векторы
поля на границе раздела двух сред.
. Из условия непрерывности нормальной составляющей
вектора электрической индукции на границе раздела при
•условии отсутствия на ней поверхностных зарядов с уче-
том уравнения, связывающего вектор D с вектором Е,
получим, что вектор Е должен на границе раздела двух
сред испытывать скачок амплитуды нормальной состав-
ляющей. Напряженности электрического поля в смежных
дредах будут выражаться как
4° _ е<2>
Е™. ?(1> ’
С другой стороны, тангенциальная составляющая поля
Е должна быть непрерывной
Из этих выражений следует, что вектор Е, составляю-
щий в среде (1) угол си с нормалью к поверхности разде-
ла, в среде (2) образует с нормалью угол аа в полном со-
ответствии с законом преломления для линий напряжен-
ности электрического поля:
tg «1 *i
tg а2 е2
Рассмотрение.условия падения электромагнитной вол-
ны на границу раздела двух сред представляет собой
довольно сложную задачу, поскольку при этом имеет
место частичное отражение и преломление волн, в ре-
зультате чего изменяются как направление распростра-
нения вблны, так и ее амплитуда и фаза. Полученные
выше граничные условия могут быть с успехом примене-
ны к полям каждой из парциальных волн: падающей, от-
раженной и преломленной. Для сокращения записи урав-
нений удобнее записывать их в векторной форме. Обозна-
чим радиус-вектор, проведенный -из начальной точки к
любой точке Р в первой среде или во второй через г. Еди-
ничный вектор, указывающий направление распростране-
ния плоской электромагнитной волны типа ТЕМ, как и
ранее, обозначим через ко, а индексами I, г, t будем обо-
значать соответственно величины, относящиеся к падаю-
щей, отраженной и преломленной волнам. С помощью
единичного вектора п, нормального к границе раздела
двух сред и направленного из второй среды в первую,-
можно определить поверхность раздела в векторной фор-
ме как
п- г=0,
тогда 'как-выр аЖение
ко?—const
характеризует собой плоскость постоянной фазы* волны
Т?М-
17
Напряженности электрического и магнитного полей с
учетом сказанного выше для падающей, преломленной и
отраженной волн могут быть представлены в виде:
Et—E^ttt>lt -у/?;
-ъ^ог=—(^оХ^);
Et=E^at*
~Ht = H<2ela,tt-ъЦг=— XEt)-
гг
Ё^Ё/”'*-YjXr;
77, =77/“'z - Y7S7=— (.%о X Ёг).
(1,20)
При этом учитывалось полученное выше выражение,
устанавливающее связь между векторами Е и Н:
где z — волновое сопротивление среды.
Волна, проходящая во вторую среду, называется пре-
ломленной, поскольку направление ее распространения не
совпадает с направлением распространения падающей
волны.
Обозначив параметр, характеризующий расстояние
фазовой плоскости от начала координат до некоторой
определенной точки через (fco, г), можно принять направ-
ление распространения за переменную величину. Векто-
ры к0, Е и Н образовывают правовинтовую систему^ Пол-
ное поле в первой среде характеризуется вектором
£(1)=Ё{ +Ёг==Ёое1а,1‘~‘*1г -\-Ёхе1т'*~1*'~т.
Падающая, отраженная и преломленная волны свя-
заны граничньш условием: тангенциальные компоненты
векторов Е и Н должны оставаться непрерывными при
прохождении границы раздела, что можно записать в
пиде развернутого уравнения:
<X>rt— kfX COS ar—krj COS Pf)
___^(O^t—k^x COS a^—k^y
Поскольку это выражение справедливо при произволь-
ных значениях времени и координат х и у, то из него сле-
дует, что
(0/=:<йг=0)«;
kt cosa; = £r cosar = kt cosaz;
cos pr=cospz=0.
Первое условие означает, что отражение и преломле-
ние происходит без изменения частоты. Третье равенство
показывает, что отраженная и преломленная волны ле-
жат в той же плоскости, что и падающая волна.
Те же выводы наглядно получаются из векторной фор-
мы записи условия непрерывности тангенциальных со-
ставляющих векторов Е и Н на границе раздела:
X 2?r) =пXEf, | (I 21)
~ПХ(Н^НГ\=ПХНД
Эти уравнения можно представить в виде условий:
ti х (Ео+El) = п х Е2\
пХ(Н0-]- Hi) = nXH2.
(1.22)
Yi^or=Yi*or; 1 (j 23)
Yi^or=Y2^or. >
Первое условие устанавливает, что сумма амплитуд
тангенциальных составляющих падающей и отраженной
волн на границе раздела должна быть равна амплитуде
тангенциальной составляющей проходящей волны, что в
конечном итоге приводит к известным уравнениям Френе-
ля, о которых пойдет речь ниже. Из второго уравнения,
требующего равенства фаз на границе раздела, вытекают
законы отражения и преломления Снеллиуса, установлен-
ные эспериментальным путем в начале XVII века.
19
Для аналйзй фазовых условии на границе (1.2$) раз-
ложим вектор г на две составляющие, перпендикулярную
и параллельную плоскости раздела:
г=(п г)п— пх(п\г).
Поскольку на плоскости раздела пг=0, то, исполь-
зуя выражение
kon x(nXr) = (k0 Xn)(nXr),
для уравнений (1.23) можно записать:
(kloXn—~kroXn) (п X г)=0;
_ , (k‘0Xn— ~#оХn)(nX~r)=O.
Численные_значения векторных произведений компо-
нент вектора ко и нормали п равны синусам углов паде-
ния (<р), отражения (q/) и преломления (ф):
]1оХп| —sincp;
I ko X п | = sin <р';
|feoX«| = sin<|>.
Из этих выражений, с учетом (1. 23), получим следую-
щие выводы:
.1) векторы ko, ko и п лежат в одной плоскости и угол
падения равен углу отражения
sin<p=sin<p' (закон отражения Снеллиуса);
2) единичные векторы A', Ц также лежат в одной’
плоскости и
sin<p = — sin<]> (закон преломления Снеллиуса).
Y1
Используя выражения для параметров среды, закон
преломления можно записать в виде:
Sin <р __у / £2^2 ____ Z\ Р-2
sin ф — V е*ц* г2 |Х*
20
Если среда 8ез потерь ^=80 и р,*=ро)> то это Вы^Й-
жение можно упростить:
sin « е2 «2 ______
= —TZT—‘---=«21»
Sln Ф У е' "1
где «21 — показатель преломления границы второй среды
относительно первой.
Векторы, характеризующие направление падающей
волны и нормали к поверхности раздела, лежат в одной
плоскости, называемой плоскостью падения.
1.4. УРАВНЕНИЯ ФРЕНЕЛЯ
Векторы поля плоской волны, падающей на границу
раздела сред, могут быть ориентированы по отношению к
плоскости падения произвольным образом. От ориента-
ции будет зависеть характер отражения и преломления
на границе. Для оценки влияния поляризации падающей
волны на характеристики прошедшей и отраженной волн
представим векторы поля падающей волны в виде двух
компонент: п — компонента, нормальная к плоскости па-
дения, и р — компонента, параллельная этой плоскости.
Исследуем эти компоненты поля падающей волны.
А. Вектор Е поля падающей волны перпендикулярен
к плоскости падения
Это условие можно записать в виде:
« ^0|Л==:«^1)л — «^2,л— О,
поэтому первое из уравнений (1.2) запишется как
А.л+ ^1,л=^2.л.
Магнитные компоненты из уравнения (1.21), выра-
женные через компоненты электрического поля в виде
йх(£оХ2?о + *о£1)—=«x(AoX£2) —»
приводят к дополнительному соотношению
cos Ф (^о.л—^1,а)=— cos фД2,й-
г2
21
Полученные соотношения позволяют выразить ампли-
туды отраженной и преломленной волн через амплитуду
падающей волны, углы ср и гр и характеристические импе-
дансы двух сред:
COS <f> + COS ф
(1.24)
2^2 COS <р
I ^0,/r
<?2 COS Cp + Zl COS ф
Б. Вектор E поля падающей волны параллелен
к плоскости падения
Поскольку вектор магнитного поля при этом оказыва-
ется перпендикулярен к плоскости падения, то все преды-
дущие выкладки для вектора поля Е, Нормального к пло-
скости падения, можно применить в данном случае по от-
ношению к вектору Н; в результате чего получим следую-
щие выражения:
^О.п + ^1,п = Н2.п-,
cos <р (Й0,-п-нь-п) ==-^~ cos ф/72>-.
Аналогично уравнению (1.24) для вектора Н
ном случае будем иметь:
77 __ -21 COS <р — COS ф Ту .
1 ** 0,л>
Z\ COS 9 4- Z2cos ф
2^i cos <p 77 _
П q
Z\ COS 9 + Z2 cos Ф
или с помощью выражений для импедансов сред
£o=Zi(loXWo), E^z^koXH^ и т. д.
Эти составляющие вектора магнитного поля'
преобразовать в составляющие вектора электрического
поля, параллельные плоскости падения:
р Z2 cos ф — ?! cos у -р #
у Z\ COS <р + Z2 cos ф y
-p 2^2 cos <P p
Zl COS ¥ + Z2 COS Ф
в дан-
l,n
(1.25)
можно
(1-26)
^2,n
22
Подобным же образом соотношения для составляю-
щих вектора, параллельных плоскости падения, можно
вывести из выражения (1. 25):
~Гг __ COS ф — ^2 COS У TV
' Z\ COS <р 4- ^2 cos Ф О
(1.27)
772tp=-----.
Z\ COS <p 4- cos Ф
Уравнения (1.24) и (1.27) являются основной фор-
мулировкой известных формул Френеля, выведенных им
в 1820 г. из общих представлений о свете как о волновом
процессе. С помощью этих уравнений можно определить
амплитуды и фазы отраженной и преломленной волн по
известным параметрам падающей волны и характеристи-
кам сред.
Отношение амплитуд отраженной и падающей волн
называется коэффициентом отражения:
£о
Hi
ffo
а отношение амплитуд преломленной и падающей волн
называется коэффициентом преломления (или прохож-
дения):
у £2
С помощью этих коэффициентов уравнения Френеля
приобретают вид:
^2cos<p — г; cos <р
г2 cos у + z\ cos <р
— ~%Н,р1
г2 cos ip— z\ cos у
z2 cos ф + Z\ cos у
(1.28)
E2 \ ________Zz2 cos у__________ z2 y,
£'o /п г2 cos ? + ?! cos ф г\ H'p’
E2 \ ________2z2 cos у__________ z2 y.
Eq Jp z2 cos <p + zi cos у zi H’n'
(1.29)
При нормальном падении волны на границу раздела
двух сред (<р=ф=О) различие между п- и р-компонента-
ми поля исчезает и уравнения Френеля имеют простой
вид:
(1.30)
При наклонном падении изменяется состояние поля-
ризации преломленной волны й уравнения (1. 30) остают-
ся справедливыми только для составляющих поля, нор-
мальных к плоскости падения.
Из условия непрерывности среднего потока энергии,
нормального к плоскости раздела, можно легко получить
с учетом предыдущего выражения для энергетических ко-
эффициентов отражения:
и энергетического коэффициента прохождения
„ E.zicosty'
Т2=—, Р2 [ Г2—1.
EqZ2 cos <р
Сравнение амплитудных коэффициентов с энергетиче-
скими дает формулы преобразования:
ЯНЯЦ;
у2 —- у2 СО5 Ф
Е ^2 COS <р
(1.31)
1.5. ОТРАЖЕНИЕ и преломление плоских волн
ДИЭЛЕКТРИКАМИ БЕЗ ПОТЕРЬ
Приведенные выше уравнения Френеля однозначным
образом определяют интенсивность, направление и поля-
ризацию отраженной випреломленной волн как функции
параметров падающей врлну и характеристик средьг. -
24
е1
w т Sin ср Zy 1 / е2
Для немагнитных сред, где ——=——= 1'
sin ф zi
уравнения Френеля принимают вид;
sin (ф — ф)
г — — г tgC?—Ф) .
Е'р н'п tg^'+ф) ’
, , ?2__ 2 sin ср cos у .
£,л-я,рг1- sin(?4_^) ;
22 -_ 2 sin ср cos 9
Е*Р Н,р 2\ sin (? 4- Ср) COS (ср — ср) ’
Рассмотрим два случая, когда волна из менее плотной
среды переходит в более плотную и наоборот.
А. Волна падает на среду с более высокой
диэлектрической проницаемостью (е’2 >'8| )
Из уравнений (1. 28) й (1. 29) следует, что преломлен-
ная и падающая волны на границе раздела находятся в
однбй фазе, отраженная волна находится в противофазе
по отношению к падающей, о чем свидетельствуют знаки
при коэффициентах прохождения и отражения. Состав-
ляющая поля Ер испытывает на границе скачок фазы на
л, в то время как составляющая Нп остается в одной
фазе с падающей волной до тех пор, пока сумма углов
(<р+ф) остается меньше 90°. При достижении этого зна-
чения tg(<p+i|)) становится бесконечным и пара компо-
нент отраженного луча Ер и Нп исчезает.
Условие отсутствия отраженных компонент, поля
. ф+ф=9 0°
по другому можно записать -как
/^2
“7" ^«21*
е1
Этот угол <р, при. котором падающий на границу раз-
дела сред луч отражается полностью, называется углом
25
Брюстера. Это свойство излучёнйя ё йараллёльной поля-
ризацией оказывается полезным в ряде случаев, напри-
мер, когда требуется преобразовать излучение с круговой
поляризацией в линейно поляризованное. Для волны, па-
дающей под углом Брюстера и поляризованной линейно
в плоскости падения, отраженная волна не будет наблю-
даться. Атомистическая интерпретация закона Брюстера
может быть представлена в следующем виде. В соответ-
ствии с концепцией Гюйгенса, отраженный и преломлен-
ный пучки представляют собой вторичное излучение сре-
ды, возбужденной падающей волной. Под действием силы
электрического поля в среде возбуждаются электроны,
которые и создают эти вторичные поля. Колеблющийся ди-
поль не излучает в направлении колебаний.
Максимум излучения диполя ориентирован под углом
90° к оси диполя в соответствии с известной формулой
Z(e)=-J— р? sin2 0.
v ’ 8лсЗ Г2
Поэтому в направлений, соответствующем отражен-
ной волне, т. е. под углом 90° к направлению вёктора на-
пряженности электрического поля, в данном случае излу-
чения не будет: отраженная волна отсутствует.
Б. Волна падает на среду с меньшей
диэлектрической проницаемостью (е,'2 <ej)
При sini|5<l предыдущие рассуждения сохраняют
силу с той лишь разницей, что при отражений фазы изме-
няются на обратные.
Угол Брюстера по-прежнему определяете^ уравнением
tg(p=rt2b
но при большом угле падения, когда
«21
или sin<pt=«2i, наступает полное отражение.
Это подтверждается следующим: при sin величи-
на cos -ф является мнимой:
еозф= —1/1 — sin2<5= -—— }/sin2cc—-д2 ==-^— и,
«2 «21
26
угол преломления становится комплексной величиной и
уравнения Френеля запишутся в виде:
_____ __ cos 9 — in
Ге'п~~Гн'р~ cos <f + iu ’
—П01 cos 9 -f- iu
г E'P = “ гн, h = ~ ;
«2j COS 9 + IU
(1.32)
4. _4 Z4 _ 2cos<p
lE,n — lH,p —
*1
t'—t -
bE.p— lH,n
cos ф -ф- iu ’
2«2i cos 9
*1 «21 cOs ? +
(1.33).
волны в
Rn = Rp7=rErE=\ иГ=1-/Ы.
Отсюда следует, что мощность падающей
данном случае равна мощности отраженной волны. Вол-
на, прошедшая из первой среды во вторую, отсутствует.
Однако при sin i|f>l отраженная волна полностью не ис-
чезает, а принимает лишь новые формы.
Проходящую электрическую волну можно записать,
для этого случая как
2? —Т2(Ж COS ф-bz Sin ф),
. 2л
где 72=7^2!=^ — п21,
А1
поскольку среда является немагнитной без потерь. Окон-
чательно преломленная волна может быть записана с по-
мощью выражения:
(О
где v=—.
2л
Волда экспоненциально затухает по мере прохожде-
ния -во вторую среду; она распространяется параллельно
поверхности диэлектрика с фазовой скоростью
dt sin <р
27
которая является функцией угла падения ср и по
абсолютной величине больше фазовой скорости в первой,
среде.
Природа этой поверхностной волны была исследована
в 1947 г. Было установлено, что луч, падающий на гра-
ницу раздела в точке Р под углом полного отражения
(ф^фг), не отражается непосредственно как в случаях
падения волны из менее плотной в более плотную среду,
а вначале проникает во вторую среду на некоторую глу-
бину и затем выходит из нее на определенном расстоянии
D от точки падения. Смещение между точками падения
и выхода луча из второй среды в первую среду оказыва-
ется равным
D—kn2----- - -Х1~ -.— ,
]/sin2 9 —
где А=0,52;
^2
Это расстояние D зависит от глубины проникновения.
Если угол падения приближается к углу полного отра-
жения, то величина смещения и глубина проникновения
возрастают. При равенстве этих углов (ф^фг) расстояние
D становится бесконечным и проходящая волна распро-
страняется параллельно границе раздела сред в виде
однородной поверхностной волны.
Граница раздела в этом случае является своего рода
волноводом.
1.6. ПЛОСКИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ В СРЕДЕ
С ПОТЕРЯМИ
В идеальных диэлектрических средах электромагнит-
ная волна распространяется без изменений ее энергии, в
проводящих средах распространение происходит с поте-
рей энергии, так что глубина проникновения волны в сре-
ду уменьшается. В металлах глубина проникновения
практически нулевая. При учете токов проводимости и
23
гоков смещения уравнения Максвелла можно выразить
следующим образом:
rot Н =— aF + .
с с dt
rot£=-J^-^-;
с dt
div Е — 0;
div 77=0.
(1.34)
Ограничиваясь рассмотрением только плоской моно-
хроматической волны и применяя методику, изложенную
и предыдущем подразделе, получим дифференциальные
уравнения:
еоР-о &Н 4?Фпа дН
с2 di2 с2 dt ’
(1.35)
Af' ео^ 4^0°
с2 dfi с% dt
Как и ранее, взяв положительное направление оси X
за направление распространения волны и положив
Н==Н0(х)ем, ~Е=~Е0(х')е1а>1,
получим
d^H (х) | / e0PL0a>2 ; 4лр.0о<о yj.
dx2 ' \ С2 с2 J °
(1.36)
где выражение в круглых скобках представляет собой
комплексное волновое число для данной среды
^2 _ E0W°2 ___г- 4л,ЦОам
с2 S
Решение дифференциального уравнения
dx2 ' 7
выбирается в виде
Н0=^Ве-1кх.
29'
Тогда
ft — Bel(-wt~kx'> = Bglfat-px'fg-qx
и аналогично
Ё=Ае!<^-Рх>е-^к.
Эти выражения показывают, что в среде с потерями
решения уравнений Максвелла представляют собой вы-
ражения для электромагнитных волн с частотой со и вол-
новым числом р. Амплитуда волны.уменьшается с глуби-
ной х по экспоненциальному закону
Е=Ае~^х,
причем амплитуда волны уменьшается в 2,718 раз при
прохождении волной расстояния
Q
Фазовая скорость распространения волны
(Л
V =----.
Р
Выражения для ряд будут иметь вид:
(1.37)
Исследование этих выражений для предельных слу-
чаев больших и малых частот (ток проводимости мал или
наоборот велик по сравнению с током смещения) позво-
ляет получить ряд практических выводов.
Полный ток выражается в виде
дР
dt
4л
4л \
3Q
В первом случае получается
\ 4тс /
2ла _ / и.п ш ш
q~-----1/ —; ©=—=—,
С У ео р k
что означает, что волновое число р имеет величину, близ-
кую к волновому числу в идеальном диэлектрике, а зату-
хпнйё волны, характеризуемое величиной q, не зависит
от частоты.
Во втором случае (о^> ) получается
4л
(1.38)
при этом фазовая скорость
со С(Л
*V — =.................
Р ]/" 2лр.оасо
зависит от частоты, что является признаком наличия дис-
персии.
Уравнения (1.36) и (1.7) совпадают при условии
Д2. £Р-0и2
С2
(1.39)
Поскольку k2 — комплексная величина, то диэлектри-
ческая проницаемость е также величина комплексная.
Считая, что р.о=1 и подставив в (1.39) выражение для
h из (1.36), получим
.е = е0 — i-^- = e0 — ie" = e0(l— itgS),
<0
откуда видно, что комплексная диэлектрическая прони-
цаемость зависит от частоты поля.
ЗГ
представив у/"е=л—гх=л* (где п — показатель пре-
ломления, х— коэффициент поглощения) в уравнение
(1. 37), находим
При больших проводимостях
(1-41)
соотношение
Н = 1/— [М]
V м
считается справедливым и здесь, если заменить ео на
__ _ — I arc tg —
получим
_____________ г_______ г- —1 ~ Z агс —•
/7=/п2+х2[£0£] £ ”. '
При этом амплитуда будет
|77|=Ул2-}-х2 |ё| ,
для случая малого поглощения имеем
М = /Н2^2^й.
32
Напряженность магнитного поля отстает по фазе от
напряженности электрического поля на величину arctg— ’
п
В частности, в случае (1.41) сдвиг равен
л
4 ’
Для сред с малым затуханием отношение магнитной и
электрической энергий равно:
Pq/Zq р>р(п2 + %2) ~
е0Ер ер ер
I с. они близки д£уг к другу.
В среде с большим затуханием на долю магнитного
ноля приходится основная часть полной энергии поля:
р>0//2 ___ Р>0 (и2 + %2) __2л2
е0Е2 ер е0
ерсо
1.7. ПОВЕДЕНИЕ ПЛОСКОЙ ВОЛНЫ НА ГРАНИЦЕ
ДВУХ СРЕД С УЧЕТОМ ПОТЕРЬ
‘ В данном случае принимается та же геометрия распо-
ложения парциальных волн на границе раздела, что была
принята в предыдущем подразделе. Направляющие коси-
нусы падающей волны, как и ранее, обозначим через аг
Рь Yi-
Тогда уравнение (1. 11) для падающей волны примет
вид.
[ t п\ (М + ъ*)
2icZ I —---------:--------
7И = ЛТ(? х°
для отраженной волны
М'== Aie
(?!«/ +Т1*)
Xq
и для преломленной
2х/
7142=A<ft
*
т г0
2 5306
33
*
, Пу '
Известно, что ₽i = ?i = sin60, р2=-г и Yi =
л2
==. — y1=cos 6. Это уравнение выражает закон отраже-
ния. Для преломленной волны
—П\ sin2 в0
у2 —-------—------ .
«2
С учетом полученных выражений уравнения для отра-
женной и преломленной волн будут иметь вид:
[* т
t п1 I
----- (#sin 0о — Z СОЗ е0)
° J;
/ «I ffSln Оо + 2 УГ/,22— л12 811,2 в»
2тс/-------------------------------
Л42=-.Д2в Lr х0
Абсолютные значения амплитудных коэффициентов
отражения и преломления вычисляются на основании
уравнений для граничных условий на поверхности разде-
ла, приведенных выше.
Не останавливаясь подробно на дальнейших выклад-
ках, приведем уравнения для коэффициентов отражения
по амплитуде для случая падающей волны с вектором
электрического поля, лежащим в плоскости падения (гУ2)
и в плоскости, перпендикулярной плоскости падения
(гй): ____________
Н\ И*У1 — л*у2 Л22 cos «о— «I «22—п*2 sin2
12 Нх л2^1 + nlV2 и22 COS е0+ «1 V И^2—«Р sin2 во
Ех П*У1 — П*У2 Л* COS во— И«22—«*2sin2 во
12 Ex nlYl + w2Y2 П* COS во+ П?2—П*2 sin2 во
Из приведенных выражений видно, что 4'1=— г*2 и
r^= — r^j , т. е. картина останется аналогичной, если
падающий и преломленный лучи поменять местами.
Значение амплитуд прошедших волн определяется
аналогичным образом. Из условия непрерывности тан-
генциальных составляющих следует, что /^ = 14- г{2 и
34
Уравнения для коэффициентов отражения перпенди-
кулярно и параллельно поляризованных волн обычно при-
нято записывать так:
12
]/" 1 + («22—1) « COS2 во — 1
]/" 1+ (ZZ*2—1):COS2 0О'+ 1
(1.42)
(1.43)
Из приведенных уравнений для коэффициентов отра-
жения и преломления следует, что для параллельно поля-
ризованной волны коэффициент преломления будет иметь
вид
(»21)2
42-i
COS2 60
(1.44)
а для волны с перпендикулярной поляризацией он будет
п 2—1
t1-45)
Если первая среда — воздух, а вторая среда характе-
ризуется наличием поглощения энергии проходящей че-
рез нее электромагнитной волны, то
г, (h46)
12 n+1— ink у (rt + l)2 + n^2
. ( 2nk \
где Y = arctg ------------ .
Л & \ «2(1 +k2)~ 1 J
Для .случаев, когда n2k2<^(n2—1), уравнение (1.46)
упрощается и имеет вид:
2*
35
для сред без потерь
х__п — 1
Г12“п+1 •
Среды с малыми потерями имеют практически ту же
величину коэффициента отражения, что и среды без по-
терь, при условии равенства значений диэлектрических
проницаемостей этих сред. Необходимо заметить, что
фазовые соотношения при этом могут быть различными.
Так при падении волны на границу раздела под углом
Брюстера и при условии наличия потерь во второй среде,
для которой
tg9Ep = 7z, «; = 1, k, (1.47)
величина г^<2 согласно уравнению (1.43) примет вместо
нулевого определенное значение:
k" 1/4+F.
Величина % становится равной
. 2 м2
X = arctg — -—
k — 1
что соответствует углу, близкому к 90°. Величина % при-
нимает такие большие значения при углах падения, близ-
ких к углу Брюстера, для которого k" соизмеримы с
п"— 1.
Таким образом, в поглощающих средах при прохож-
дении через угол Брюстера происходит изменение фазы
на 180°, но не скачком, как в случае среды без потерь, а
плавно. Наклон кривой изменения фазы в зависимости
от угла падения будет определяться величиной tg б, ха-
рактеризующей потери в среде. Чем больше потери во
второй среде, тем более полого проходит эта кривая на
участке углов падения, примыкающем к значению угла
Брюстера для данной среды.
1.8. ПРОХОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ
ЧЕРЕЗ СЛОЖНЫЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СРЕДЫ
Любая диэлектрическая стенка представляет собой
структуру сложного строения, несущую в себе массу не-
36
о ।породностей как по толщине, так и по электрическим
|р;|ктеристикам (в, tgd).
В с лучае сйлошных стенок, изготовленных на основе
। |<‘клопластиков, неоднородность структуры усугубляет-
। я слоистым строением. Прослойки стеклоткань — свя-
ivioihcc чередуются с определенными интервалами, обра-
ти своего рода многослойную структуру. Многослойные
Ш'сплошные стенки также представляют собой структуры
। чередующимися свойствами. Поэтому исходные данные
при разработке метода расчета всех этих стенок могут
выть одними и теми же: количество слоев, толщина слоя,
диэлектрическая проницаемость, диэлектрические потери
лоев.
Существуют разные методы оценки многослойных сте-
нок с точки зрения их радиопрозрачности. Всегда при
расчете таких стенок либо производятся перерасчет вход-
ного сопротивления всего пакета на поверхность наруж-
ного слоя, на который падает волна, либо производятся
суммирование всех отраженных от каждого слоя парци-
альных волн и получают суммарную волну, прошедшую
через стенку и характеризующую коэффициент передачи
этой стенки.
Задача о многослойной стенке эквивалентна задаче о
нахождении коэффициента передачи многозвенной линии
передачи с различным образом заданными параметрами
каждого звена в отдельности.
Общий коэффициент передачи будет, очевидно, пред-
ставлен в виде ряда, содержащего члены, учитывающие
реакцию каждого звена в отдельности на амплитуду и
фазу проходящей волны, и члены, учитывающие взаим-
ную связь между звеньями всей цепи.
Имея такой ряд или полином, можно решать задачи
оптимизации стенки путем выбора параметров каждого
слоя с целью получения требуемых характеристик в за-
данной полосе частот.
Известно, что для однородной и изотропной пластины,
помещенной в неограниченную однородную среду, коэф-
фициент отражения плоской волны будет выражаться
формулой:
^02
~ Гр] + ^12е*2<Р1
<р = —]/e'-sin29,
^0
37
где гоь го2 — коэффициенты Френеля соответственно для
границ свободное пространство — стенка и
стенка — свободное пространство;
е' — относительная диэлектрическая проницае-
мость материала стенки;
0 — угол падения луча на стенку;
—длина волны в свободном пространстве;
d — толщина пластины.
Коэффициенты Френеля зависят от поляризации па-
дающей волны.
Коэффициент Френеля равен — для перпендикулярной
поляризации
COS 9 — V"г'— sin20
Fj =--------
cos 6 + ye'— sin2 0
— для параллельной поляризации
e'cOS в—У е'—Sin2fl
Г и —-------г .
г’ COS в + у е' — Sin2 6
Таким образом, от поляризации будет зависеть и ко-
эффициент передачи данной пластины, помещенной в не-
ограниченную среду. Аналогичным образом может быть
составлено выражение и для коэффициента передачи мно-
гослойной диэлектрической пластины.
Если число слоев N, то для N-ro слоя коэффициент
отражения будет
о roi + R1,N + 1 е /.
Но,N +1 =-------------• (1.4»)
1 + Г 01^1^4-1 е
Модель стенки здесь может быть представлена так
же, как и в предыдущем случае. Роль свободной среды
перед стенкой выполняют слои стенки, стоящие на пути
прохождения волны до N-ro слоя, а роль задней части
полупространства выполняют оставшиеся слои стенки.
В выражении (1.48) Ri, n+i означает коэффициент отра-
жения для N—1 слоя стенки. Полный коэффициент от-
ражения будет равен
где R* — сопряженное значение величине R.
38
Это выражение можно оценить с помощью известных
методов полиномного приближения. Так, выражение для
коэффициента отражения от одиночного слоя в неограни- -
чепной среде можно приближенно представить в виде
^=г01+г12^. (1.49)
Нулевые значения /?02 и совпадают. Для подобно-
го же слоя, расположенного внутри стенки, нулевые зна-
чения будут иметь место при
— l/e'-sin20 = —, п=0, 1,2, •••
*о 2
Для многослойной пластины приближенное выраже-
ние коэффициента отражения можно выразить полино-
мом вида:
N
1~Г0! 4"Г12^14’Г23^’1^,2+ • • • 4-1 П^л>
\1.50)
где
Еп=е1а'^п. <рп=4л ^]/e;-sln20; (1.51)
k0
an — коэффициент, учитывающий толщину каждого
слоя. Электрическая толщина слоев в принципе может
быть любой.
Анализ многослойной стенки может проводиться так-
же с помощью основного уравнения преобразования пол-
ного сопротивления, создаваемого длинной линией:
g/Q\__% (/) cos АГ/ -j- A sin АГ/
k cos hVl 4- Z (I) sin hVl ’
где Z (0) — входное полное сопротивление;
Z(Z) —нагрузочное полное сопротивление на одном
конце линии;
k — характеристическое сопротивление среды.
Коэффициент отражения поля по амплитуде равен
к Z!-Z(0)
^4-2(0) ’
где Zi — волновое сопротивление граничной среды.
39
Для одиночной однородной стенки формула преобра-
зования эквивалентна формуле передачи для одиночной
линейной цепи:
IZ \=Znlr-\- ^2— ^21А4“^22^2- (!• 52)
Для удобства расчета можно использовать круговую
диаграмму полных сопротивлений.
С. А. Щелкуновым была проведена аналогия между
распространением волны в длинной линии и распростра-
нением волны в диэлектрической среде. {
Исходя из этой аналогии было введено понятие вол-
нового сопротивления среды. Для плоской волны волно-
вым сопротивлением изотропной среды является величина
Позднее [36], [37] были выведены граничные условия
для двух сред, выраженные через волновые сопротивле-
ния этих сред по аналогии с длинной линией, свойства ко-
торой изменяются скачком.
Были выведены выражения для волновых сопротивле-
ний сред для волны, падающей под углом 0 к нормали
в точке падения
— для параллельной поляризации
(1.53)
— для перпендикулярной поляризации
Zio=l/ — —
у ej cos
^26 =
1
COS 62
(1.54)
где 0i, 02 — углы падения и преломления.
Зная волновое сопротивление среды, ее протяжен-
ность, можно по аналогии с длинной линией также под-
считать эквивалентное входное сопротивление участка
40
среды длиной d, в которой распространяется данная вол-
на. Выражение для входного сопротивления имеет вид:
Ех Z20 cos 4- IZ^ sin
d Hy Z10cosM 4- ZZ29sinM 10’
где cos 0 — постоянная
x° вой среды.
распространения пер-
Рис. 1. 4. Многослойная диэлектрическая
стенка (эквивалентная схема)
Коэффициент отражения может быть подсчитан по
формуле:
__^29 ~~ ^10_1
^29 ^19 4" 1
%
где k—— — величина, аналогичная коэффициенту стоя-
чей волны в длинной линии.
Для среды более сложного строения, содержащей не-
сколько границ раздела, можно, последовательно приме-
няя закон Снеллиуса для каждой границы, вывести выра-
41
жения для волновых сопротивлений, фазовых характери-
стик и входного сопротивления, которые определяют про-
зрачность стенки:
гвозд=£0=1, у -^=12ол,
так как
sin Q/z—1
sin6fl
то
sin 9р у— sin 6p
sin 6] sin 02
тогда
?л = 2^л_ ]/e„-sin20o
Ло
и
Z„ = —]/e„—sin20o—-для параллельной поляризации;
ел
Zn = —^==L=== — для перпендикулярной поляризации.
Эквивалентная схема многослойной стенки в представ-
лениях, принятых в теории длинных линий, представлена
на рис. 1. 4.
Глава 2
ОБТЕКАТЕЛИ АНТЕНН
2.1. НАЗНАЧЕНИЕ ОБТЕКАТЕЛЕЙ
Современные летательные аппараты имеют разнооб-
разное радиоэлектронное оборудование, без которого они
не могут эффективно выполнять свое назначение. В со-
став радиоэлектронного бортового оборудования входят
радиолокационное оборудование, а также связные радио-
станции.
В линиях связи «летательный аппарат — цель» антен-
ны бортового радиооборудования выполняют роль актив-
ных элементов, параметры которых безусловно влияют на
передаваемую или принимаемую информацию.
Очевидно, что антенны, предназначенные для осуще-
ствления передачи или приема электромагнитной энергии,
должны быть связаны с окружающим летательный аппа-
рат пространством, т. е. должны иметь выход из-под об-
шивки корпуса летательного аппарата.
В условиях скоростного полета в плотных слоях атмо-
сферы вследствие набегающего потока воздуха на лета-
тельный аппарат воздействуют значительные нагрузки.
В таких условиях ничем незащищенные антенны не могут
выполнять свои функции. Это привело к созданию спе-
циальных колпаков для защиты антенн от воздействий
внешней среды. Для беспрепятственного прохождения
электромагнитной энергии защитные колпаки изготавли-
ваются из диэлектрических материалов. Такие защитные
радиопрозрачные колпаки принято называть радиопро-
зрачными обтекателями или просто обтекателями. При-
менение таких обтекателей также улучшает аэродинами-
ческие свойства защищаемых ими антенн и дает возмож-
43
ность герметизировать размещенную в них высокочастот-
ную радиоэлектронную аппаратуру.
В полете обтекатель подвергается сильным аэродина-
мическим нагрузкам (статическим и динамическим) и
значительному аэродинамическому (кинетическому) на-
греву На обтекатель также воздействуют различного
рода вибрации, важнейшими из которых являются: виб-
рации, возникающие за счет работы силовых установок
летательного аппарата; вибрации возникающие в силу
особенностей аэродинамического обтекания летательного
аппарата воздушным потоком; вибрации, возникающие
при взлетах и посадках летательного аппарата; вибрации,
возникающие при стрельбе из бортового оружия; вибра-
ции, возникающие за счет акустического воздействия ра-
ботающего реактивного двигателя; вибрации, возникаю-
щие при наземной транспортировке, и т. Д.Кроме того, об-
текатель подвергается различным атмосферным воздей-
ствиям, действующим на летательный аппарат во время
его эксплуатации.
Обтекатели ЛА должны быть устойчивы к любым ре-
альным воздействиям.
Обтекатели летательных аппаратов во всех этих слож-
ных условиях эксплуатации должны сохранять свои ра-
диотехнические и прочностные характеристики. Однако
при росте скоростей современных летательных аппаратов
выполнять все требования, предъявляемые к обтекателям,
становится все труднее.
Антенные обтекатели можно условно классифициро-
вать по ряду признаков:
1) по типу летательного аппарата: самолетные обте-
катели, ракетные обтекатели, обтекатели космических ко-
раблей и т. д.;
2) по типу радиоэлектронного оборудования: обтека-
тели антенн радиолокационных панорамных станции, об-
текатели допплеровских станции, обтекатели связных ра-
диостанций и т. д.;
3) по виду энергии, применяемой в системе: радио-
локационные обтекатели, инфракрасные обтекатели и т. д.;
4) по форме обтекателя: сферические обтекатели, ко-
нические обтекатели, оживальные обтекатели, плоские
обтекатели и обтекатели специальных форм;
44
5) по электрической толщине стенки обтекателя: тон-
костенные обтекатели, полуволновые обтекатели, волно-
вые обтекатели и т. д.
6) по конструкции стенки обтекателя: однослойные об-
текатели и многослойные обтекатели (двухслойные, трех-
слойные) и т. д.;
7) по типу диэлектрического материала: стеклопла-
стиковые обтекатели, ситалловые обтекатели и т. д.;
8) по диапазону электромагнитных волн: обтекатели
сантиметровых волн, обтекатели миллиметровых волн.
2.2. РАЗМЕЩЕНИЕ ОБТЕКАТЕЛЕЙ НА ЛЕТАТЕЛЬНЫХ
АППАРАТАХ
Место установки обтекателей и их форма зависят от
размещения антенных устройств на летательном аппара-
те. Размещение же антенных устройств, в свою очередь,
зависит от размещения и назначения конкретного радио-
Рис. 2. 1. Формы обтекателей:
/—коническая; 2—оживальная; 3—сферическая; 4—плоская; 5—специ-
альная
электронного оборудования, с которым они работают. На
рис. 2. 1 показаны наиболее распространенные формы ан-
тенных обтекателей, устанавливаемых на летательных
аппаратах.
В принципе требования к размещению антенных обте-
кателей на самолетах, ракетах или других типах лета
тельных аппаратов одинаковы за исключением неболь-
ших “отличий, обусловленных спецификой того или иного
типа летательного аппарата. Удобнее рассмотреть раз-
мещение антенных обтекателей на самолете, так как на
этом типе летательного аппарата обычно находится боль-
шое количество радиоэлектронного оборудования, а сле-
45
довательно, и антенных устройств самого различного на-
значения.
На рис. 2. 2 показаны возможные варианты размеще-
ния обтекателей на современном самолете и на управ-
ляемой ракете. В носовой части самолета расположен
обтекатель 1 радиолокационной станции. Антенна этой
Рис. 2. 2. Размещение обтекателей на летательных аппа-
ратах:
а—размещение обтекателей на самолете:
/—обтекатель антенны радиолокационной станции перехвата
и прицеливания; 2, 4—обтекатели антенн радиолокационных
станций навигации, бомбоприцеливания или разведки: 3—обтека-
тель антенны радиомаяка; 5—обтекатель антенны радиолокаци-
онной станции'защиты хвоста; 6, 7—обтекатели антенн радиоло-
кационных станций разведки или связных радиостанций; 8—
обтекатель шлейфовой антенны связной радиостанции;
б—размещение обтекателей на управляемой ракете:
/—обтекатель антенны радиолокационной станции самонаведе-
ния; 2—обтекатели антенн радиовзрывателя; 3> 4—обтекатели
антенн.
радиолокационной станции обеспечивает обзор целей в
прямом направлении при ограниченном обзоре в горизон-
тальном и вертикальном направлении. Очевидно, что об-
текатель этой антенны должен обладать очень хорошей
аэродинамической формой.
Обычно в обтекателях 3, 4 размещаются антенны ра-
диолокационных станций навигации. Для равномерного
обзора земной поверхности эти антенны имеют диаграм-
му направленности в продольной вертикальной плоскости
46
4
Рис. 2. 3. Разрез
самолетной по-
верхностной сет-
чатой антенны:
косекансной формы. Обтекатели таких антенн имеют
значительное лобовое сопротивление. Его можно умень-
шить, убрав антенны в глубь корпуса самолета, но
при этом, конечно, уменьшится возможность обзора
земной поверхности.
Обтекатель антенны самолетного ра-
диомаяка 3 имеет обычно цилиндриче-
скую форму и обладает небольшими раз-
мерами.
В обтекателе 5 размещается антенна
радиолокационной станции, которая обес-
печивает обзор целей в направлении хво-
ста самолета. Обтекатель такой антенны
находится в относительно хороших аэро-
динамических условиях по сравнению с
обтекателями, размещенными в других
местах самолета. В обтекателях 6 и 7 раз-
мещены антенны поверхностного или ще-
левого типа.
На рис. 2.3 изображена типичная по-
верхностная антенна со своим обтекате-
лем, которая представляет собой излуча-
тель в виде латунной сетки, наклеенной
на внутреннюю поверхность стеклопла-
стикового обтекателя. Обтекатели по-
верхностных антенн не выступают за про-
филь самолета и поэтому не вносят добавочного аэро-
динамического сопротивления.
В обтекателе 8 находится шлейфовая антенна связной
станции. Конструкция самолетной шлейфовой антенны и
ее обтекатель показаны на рис. 2. 4. Возбудителем такой
антенны является металлическая трубка. Ток, проходя-
щий по этой трубке, возбуждает колебания в металличе-
ском корпусе самолета. Металлический корпус самолета,
таким образом, будет являться основным излучателем
электромагнитных волн. Так как металлическая трубка-
возбудитель расположена над корпусом самолета, то ее
необходимо закрыть обтекателем.
Приведенное выше расположение обтекателей, как
уже отмечалось, зависит от конкретного типа самолета и
от тех задач, которые он выполняет. Понятно, что на дру-
гом типе самолета или летательного аппарата располо-
жение обтекателей, а также их количество будет другим.
1—обтекатель из
стеклопластика;
2—-латунная сетка;
3—антикоррозий-
ное покрытие; 4—
вывод к радио-
станции
47
Например, на самолетах и ракетах применяются главным
образом носовые обтекатели, защищающие антенны ра-
циолокационных станций.
При размещении обтекателей выступающего типа не-
обходимо также учитывать влияние корпуса летательного
аппарата. Один и тот же обтекатель определенной аэро-
динамической формы может иметь большее или меньшее
результирующее лобовое сопротивление в зависимости от
его размещения на корпусе летательного аппарата. Зная
Рис. 2. 4. Самолетная шлейфовая антенна с обтекателями:
/—обтекатель из стеклопластика: 2— металлическая трубка; 3—проходной изо-
лятор; 4—вывод к радиостанции; 5—корпус самолета
характер обтекания летательного аппарата воздушным
потоком, надо стараться размещать обтекатели в зоне
уже имеющегося турбулентного потока, чтобы не нару-
шать в другом месте ламинарное обтекание. Следователь-
но, правильно установленный обтекатель будет меньше
подвергаться давлению и кинетическому нагреву от на-
бегающего на него потока воздуха по сравнению с дру-
гими обтекателями при прочих равных условиях.
Все это необходимо учитывать при конструировании
каждого обтекателя в отдельности. Дело в том, что неко-
торые диэлектрические материалы, применяемые для из-
готовления обтекателей, обладая хорошими электрически-
ми характеристиками, имеют в то же время невысокие
прочностные свойства. Поэтому при правильном подходе
к вопросу размещения обтекателей по корпусу летатель-
ного аппарата появляется большая степень свободы при
выборе диэлектрического материала, применяемого для
изготовления каждого конкретного типа обтекателя. Из
всех рассмотренных выше типов обтекателей в наихуд-
ших аэродинамических условиях находятся обтекатели,
48
установленные в носовой части летательного аппарата.
Обтекатели носового типа подвергаются наибольшему на-
пору воздушного потока и наибольшему кинетическому
нагреву по сравнению с обтекателями, расположенными в
чругих местах летательного аппарата. По аэродинамиче-
ским соображениям эти обтекатели имеют заостренные
формы (конические или оживальные) с большим удли-
нением (удлинением называется отношение длины обте-
кателя к его наибольшему диаметру). Однако такая фор-
ма, как будет показано ниже, малоприемлема с радио-
технической точки зрения.
Для изготовления носовых обтекателей приходится
применять лучшие марки высокочастотных диэлектриков
с повышенными прочностными и электрическими харак-
теристиками. Кроме того, к носовым обтекателям, так как
они работают совместно с радиолокационными станция-
ми, предъявляются повышенные радиотехнические требо-
вания. Следовательно, проектирование и изготовление но-
совых обтекателей является более сложной задачей по
сравнению с проектированием и изготовлением других ти-
пов обтекателей. Поэтому в последующем изложении бу-
дут в основном рассматриваться вопросы, связанные с
проектированием и изготовлением носовых остроконеч-
ных обтекателей.
2.3. ВЛИЯНИЕ ОБТЕКАТЕЛЯ НА РАБОТУ БОРТОВОГО
РАДИОЭЛЕКТРОННОГО ОБОРУДОВАНИЯ
Обтекатель в идеальном случае должен обеспечить
полную защиту антенны от влияния внешних воздействий,
не искажая при этом излучаемое или принимаемое элек-
тромагнитное поле, т. е. он должен быть абсолютно ра-
диопрозрачным. Однако выполнению этой задачи препят-
ствует то обстоятельство, что любой предмет, располо-
женный перед антенной, будет изменять распределение
электромагнитного поля в свободном пространстве.
Опыт эксплуатации и многочисленные исследования
показали, что обтекатели, изготовленные даже из лучших
диэлектрических материалов, существенно изменяют па;
раметры_защищаемых ими„антенн._ Обтекатель так же,
как и другие элементы антенной системы, определенным
образом воздействует на излучение этой антенны. Вслед-
49
ствие этого ослабляется мощность полезного сигнала и
появляются ошибки в определении направления на цель.
Рассмотрим коротко существо этих явлений.
В общем случае, при наличии реального обтекателя
электромагнитная энергия проходит через диэлектрик с
потерями, имеющий криволинейную поверхность. Для
лучшего понимания этого явления разберем вначале бо-
лее простой случай, когда электромагнитная энергия про-
ходит через плоский диэлектрический лист при нормаль-
ном падении волны.
Расчеты и исследования показывают, что если измене-
ния углов падения электромагнитной энергии на поверх-
ность диэлектрического листа не превышают 30°, то коэф:
фициенты отражения и прохождения остаются такими
же, как и при нормальном падении. Поэтому расчет
практических конструкций обтекателей с нормальным па-
дением луча (т. е. когда электромагнитная энергия пада-
ет на поверхность обтекателя по нормали или под неболь-
шими углами к ней) можно с достаточной степенью досто-
верности заменить расчетом эквивалентного плоского ди-
электрического листа с нормальным падением.
В первом приближении физический процесс прохож-
дения электромагнитной энергии через диэлектрик про-
исходит следующим образом. При падении волны на ди-
электрический лист вследствие различия диэлектрических
проницаемостей воздуха и диэлектрика часть электромаг-
нитной энергии отражается назад. Оставшаяся часть
электромагнитной энергии проходит внутрь диэлектриче-
ского листа. На границе диэлектрик — воздух часть элек-
тромагнитной энергии вновь отражается назад, а остав-
шаяся часть выходит в свободное пространство. Электро-
магнитная энергия, отраженная от задней стенки диэлек-
трика, снова проходит через переднюю стенку диэлектри-
ка (частично сразу, частично в результате многократных
отражений) и накладывается на первоначально отражен-
ную электромагнитную энергию. При этом очевидно, что
коэффициент отражения от задней стенки будет равен по
модулю (если нет потерь в диэлектрике), но противопо-
ложен по фазе коэффициенту отражения от передней
стенки. Поэтому при^толщине листа, равной или кратной,
нечетному числу четвертей волн в диэлектрике, волны, от-
раженные от передней и задней стенок, будут находиться
в фазе и,., следовательно, величина отражения от листа
50
будет максимальной^ При толщине же листа, равной или
к ратной .летному, ли£лу "четвертей"- волн в диэлектрике,
волны, отраженные от. передней и задней стенок, будут в
противофазедь. следовательно, отражение от листа, будет
отсутствовать. Отсюда можно сделать вывод, что для
обеспечения максимального прохождения электромагнит-
ной энергии через обтекатель ходщцндего должна
быть равной или кратной половине длины волны в мате-
риале Д^дектрикал_л из которого изготовляется данный
обтекатель. Такие обтекатели обычно называются обте-
кателями^с цолуволновыми стенками или просто полу-
волновыми обтекателями. Толщина стенок полуволнового
обтекателя"определяется по формуле:
d=-^= (п-1, 2, . . . ), (2.1)
где d — геометрическая толщина стенки обтекателя;
Ар —длина электромагнитной волны в свободном про-
^странстве;
е —диэлектрическая проницаемость материала.
Максимальное прохождение будет также в слу-
чае, "если толщина стенки обтекателя значительномень;
ше_ длины! волны / в свободном " пространстве, т. е.
^т=0?05-7-0,1Ао. Обтекатели с такой толщиной стенки
н а зьд.ца№£^ и о бтекател ям и. Н едостатком
таких обтекателей" является их низкая механическая
прочность по сравнению с полуволновыми обтекателя-
ми. Так как в настоящее время большинство борто-
вого радиолокационного оборудования работает в сан-
тиметровом диапазоне длин волн, то нецелесообразно
применять в сантиметровом диапазоне тонкостенные об-
текатели. Например, толщина стенки тонкостенного обте-
кателя на длине волны 3 см (при d=0,lAo) будет равна
только 3 мм. В этом же диапазоне полуволновой обтека-
тель (при 8=4) будет иметь толщину стенки 7,5 мм. Об-
текатель с такой толщиной стенки уже вполне можно при-
менять на скоростных летательных аппаратах. Однако
тонкостенные обтекатели находят применение в других
областях антенной техники, где используется более дли-
новолновый диапазон.
Применяемые диэлектрические материалы обладают
потерями, которые зависят от величины тангенса угла по-
51
терь (tg б). Поэтому отраженная от задней стенки элек-
тромагнитная волна из-за двухкратного прохождения ею
имеющего потери листа диэлектрика не будет равной по
амплитуде волне, отраженной от передней стенки. Следо-
вательно, суммарное отражение от листа в этом случае
не будет равным нулю. Однако эти потери можно не учи-
тывать при конструировании обтекателей, так как совре-
менные диэлектрические материалы, применяемые для
изготовления обтекателей, имеют очень небольшие значе-
ния tg б (менее 0,015).
В современных остроконечных конструкциях обтекате-
лей падение электромагнитной энергии на стенку обтека-
теля происходит под углами, значительно отличающими-
ся от нормальных.
Для этого случая формула (2. 1) будет иметы следую-
щий вид:
d=—г ---------- («=1,2, . . . ), (2.2)
2/е —Sin2 0 V ’
где 0 — угол падения электромагнитной энергии на стен-
ку обтекателя (угол между нормалью к поверх-
ности обтекателя и нормалью к фронту волны).
Пользуясь методом геометрической оптики, рассмот-'
рим, как распределяются углы падения электромагнитной
энергии вдоль раскрыва антенны (рис. 2. 5). Можно за-
метить, что это распределение неодинаково и зависит
от формы обтекателя и от угла отворота антенны
относительно строительной оси обтекателя. Это зна-
чит, что условия встречи каждого луча с поверх-
ностью обтекателя будут различными (в нашем примере
01<02<0з-• • )• В результате расстояния, проходимые в
стенке обтекателя каждым лучом, будут различными
(di<.d2<ds...) и, следовательно, фазовое запаздывание,
испытываемое каждым лучом, будет пропорционально
пройденному пути. Например, луч 1—1
сдвинется по фазе на — sin20; луч II —II
сдвинется по фазе на %=—-Vs~ sin29 и т- Д.
*0
Отсюда видно, что при прохождении электромагнитной
волны через такую стенку обтекателя плоский волновой
фронт превратится в криволинейный. Это приводит к ис-
52
кажению формы диаграммы направленности и, в частно-
сти, к отклонении), максимума диаграммы направленности
от своегоJпервоначального’ положения (при. отсутствии
обтекателя), а также к увеличению уровня боковых ле-
пестков.
'Рассмотрим это явление несколько подробнее. Извест-
но, что при использовании метода равносигнальной зоны
Рис. 2. 5. Прохождение электромагнитной
волны через стенку обтекателя.
4Д—плоский волновой фронт; ВВ—криволиней-
ный волновой фронт
пеленгация цели производится путем сравнения принятых
сигналов при различных положениях лепестка относи-
тельно электрической оси антенны (рис. 2. 6). Когда цель
находится на линии ОА, сигналы, принятые антенной в
обоих крайних положениях лепестка, будут одинаковыми.
Это значит, что антенна направлена на цель или, иными
словами, цель находится на равносигнальном направле-
нии. При отсутствии обтекателя это направление совпа-
дает с электрической осью антенны, которая, в свою оче-
редь, обычно совпадает с продольной осью антенны. При
наличии обтекателя, как было показано, изменение поло"
жения^ каждого' лепестка приведет к, новому положению,
р.авносигнальной зоны (новое положение лепестков при
наличии обтекателя” показано... да . рисунке пунктиром).
В результате этого новое (его можно назвать ложным на-
правлением) направление на цель (линия ОВ) будет от-
53
личаться от истинного первоначального направления на
цель. Угол А между истинным направлением на цель и
ложным направлением на цель, возникшим за счет обте-
кателя, называется угловой ошибкой пеленга или просто
угловой ошибкой.
Очевидно, что появление угловых ошибок, достигаю-
щих в отдельных случаях значительной величины, ухуд-
шает точность пеленгации цели. Положение усугубляется
Рис. 2. 6. Смещение равносигнальной зоны за счет
влияния обтекателя
еще тем обстоятельством, что величина угловой ошибки
для oflSPio^BXQrQ.жеобтекателя изменяется в зависимо-
стаГот угла поворота антенны аант относительно продоль-
ной Ъси о‘бтек^тедя,/На рис. 2. 7 показан типичный гра-
фик зависимости угловой ошибки А от угла поворота ан-
тенны ааНт.
В настоящее-время введен еще один параметр обтека-
теля: градиент угловой ошибки grad А. Он характеризу-
ется скоростью изменения угловой ошибки при сканиро-
вании луча антенны. Обычно пользуются понятием усред-
ненного градиента (приращение величины угловой ошиб-
ки б (А) при изменении положения луча в пространстве
на угол баапт). На рис. 2.7 показана методика определе-
ния величины градиента угловой ошибки.
Применяя для расчета обтекателя формулу (2.2),
можно заметить, что полуволновая стенка получается
только при одном определенном значении угла 0. Однако
из рис. 2. 5 (с учетом сканирования антенны внутри обте-
кателя) видно, что электромагнитная энергия проходит
через каждый участок поверхности обтекателя под раз-
ными углами. Причем диапазон изменения углов 0 весь-
ма значителен. Поэтому при расчете практических кон-
струкций обтекателей в формулу (2. 2) обычно подстав-
54
। я ют значение наиболее часто встречающегося угла. 0.
В этом случае его называют углом согласования 0Согл.
Очевидно, что при других углах 0, отличных от 0Согл
появляются отражения электромагнитной энергии от стен-
ки обтекателя, которые будут тем больше, чем больше
данный угол 0 отличается от угла согласования 0Согл-
Рис. 2. 7. Зависимость величины угловой ошибки Д от угла
поворота антенны аант:
grad, (Д) =
5(аант)
8jj(4)
gradjj (Д) = ---------
11 5 (“ачт)
grad (Д) - ——
«'(’ант)
S (“ачт) - 5° - 800'
(Д) = Д2- Д, = 38 - 20 = 18'
8П (Д) - Д4 — Д3 = 25 — 18 = Т
51 (д) 18
—----------о,О6
300
—— - 0,023
300
gradj (Д) >gradH (Д)
В современных обтекателях такие отражения являют-
ся основной причиной ослабления электромагнитной энер-
гии. Потери мощности электромагнитного поля можно
оценить с помощью коэффициента прохождения т|. Этот
коэффициент можно определить экспериментально путем
сравнения мощности, излучаемой или принимаемой ан-
55
тенной при наличии обтекателя Рх с мощностью той же
антенны, но работающей без обтекателя TV
, (2.3)
^2
где т] — коэффициент прохождения;
Pi — мощность, излучаемая или принимаемая антен-
ной при наличии обтекателя;
Р2 — мощность, излучаемая или принимаемая антен-
ной без обтекателя.
Уменьшение мощности сигнала, как можно показать
при рассмотрении основного уравнения радиолокации,
приводит к снижению дальности действия радиолокаци-
онной аппаратуры.
Как уже было показано выше, обтекатель будет иметь
наименьшие потери и наименьшие угловые ошибки, в
случае, когда углы падения электромагнитной энергии на
поверхность стенок обтекателя будут близки или равны
углу согласования. Отсюда ясно, что с радиотехнической
точки зрения оптимальной конструкцией является обте-
катель сферической формы с минимальной антенной, раз-
мещенной в .центре. Такой обтекатель будет вносить ми-
нимальные потери и минимальные искажения, так как
при всех поворотах антенны электромагнитная энергия
будет падать на поверхность обтекателя под одними и
теми же углами. Но даже такой обтекатель будет являть-
ся причиной потерь и искажений из-за неоднородности
диэлектрического материала, а также вследствие того,
что на практике диаметр зеркала антенны обычно срав-
ним с максимальным диаметром обтекателя. Но эти поте-
ри и искажения будут значительно меньше, чем в случае
применения обтекателей, имеющих более остроконечную
форму. Однако сферические обтекатели малоприемлемы
на современных скоростных летательных аппаратах по
аэродинамическим соображениям. Поэтому при конструи-
ровании обтекателей приходится искать компромиссное
решение в отношении радиотехнических и аэродинамиче-
ских требований.
2.4. ОБТЕКАТЕЛЬ КАК АКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ СИСТЕМЫ
УПРАВЛЕНИЯ
Проектирование носовых обтекателей для летательных
аппаратов относится к числу сложнейших задач, так как
56
эти обтекатели являются активным элементом в системе
управления. Известно, что эффективность систем управ-
ления определяется точностью наведения. Увеличение
точности наведения можно получить путем уменьшения
ошибок за счет более точного измерения параметров и пу-
тем автоматизации системы управления.
Основные виды систем управления можно разделить
на три основные группы:
— системы самонаведения;
— системы телеуправления;
— автономные системы.
Рис. 2. 8. Блок-схема самонаведения
В принципе все разновидности систем самонаведения
сходны между собой, так как вся информация об относи-
тельном положении ЛА и цели и их движении поступает
на борт ЛА. На основании этой информации вырабаты-
ваются команды для получения необходимой траектории.
Рассмотрим роль обтекателя в работе системы само-
наведения с помощью блок-схемы системы самонаведения
(рис. 2.8). Информация об относительном положении
ЛА и цели и их движении поступает на борт ЛА. Чувст-
вительным элементом этой системы может быть, напри-
мер, антенна радиолокационной головки самонаведения,
следящая за целью. От антенны информация о величи-
нах углов (или угловых скоростей), определяющих поло-
жение антенны, поступает в счетно-решающее устройство.
В счетно-решающем устройстве вырабатывается управ-
ляющий сигнал, необходимый для корректировки траек-
тории ЛА. Управляющий сигнал затем поступает в авто-
пилот, который непосредственно и выдает команды для
наведения ЛА в цель. Очевидно, чтобы ЛА не потерял
цель при изменении своей траектории, необходимо заста-
57
вить антенну отработать это изменение, повернувшись в
противоположную сторону, т. е. необходимо, чтобы ан-
тенна была непрерывно направлена на цель при всех дви-
жениях ЛА и цели.
Как видно из блок-схемы, обтекатель может изменить
управляющий сигнал. Известно, что в радиолокации ско-
рость движения цели определяется с помощью угловой
скорости антенны {da^/dt). Очевидно, что угловая ско-
рость поворота антенны пропорциональна скорости пере-
мещения цели. Однако из-за наличия обтекателя эта про-
порциональность нарушается. Можно показать, что при
смещении цели на угол da^vt антенна из-за наличия обте-
кателя как бы повернется на угол 4/aaHT±</A. Следова-
тельно, скорость цели получается больше или меньше ис-
тинной в зависимости от знака угловой ошибки.
По этой причине в счетно-решающем устройстве будет
выработан ошибочный управляющий сигнал. Необходимо
напомнить, что ошибка, вносимая обтекателем, изменя-
ется при повороте антенны относительно строительной
оси обтекателя. Из-за этого затруднительно откорректи-
ровать счетно-решающее устройство с учетом угловых
ошибок. Следовательно, обтекатель должен быть спро-
ектирован таким образом, что вносимые им в управляю-
щий сигнал угловые ошибки не выходили из пределов,
допустимых для данной конкретной системы управления.
В противном случае угловые ошибки могут так изменить
траекторию полета, что ЛА пройдет мимо цели.
Приведенный пример показывает, что антенные обте-
катели действительно представляют собой активный эле-
мент системы управления. Следовательно, выбор норм на
радиотехнические характеристики обтекателя зависит от
точностных характеристик системы управления.
2.5. ПОДХОД К ВЫБОРУ КОНСТРУКЦИИ ОБТЕКАТЕЛЕЙ
Как уже упоминалось выше, обтекатели антенн лета-
тельных аппаратов могут классифицироваться по различ-
ным признакам: по месту установки на объекте, по типу
бортовой аппаратуры, по форме внешнего обвода, по кон-
струкции стенки обтекателя, по температурному режиму,
по типу летательного аппарата, по диапазонности борто-
вой радиолокационной аппаратуры и т. д.
58
Эти, как на первый взгляд может показаться, весьма
разобщенные признаки, на самом деле тесно связаны
между собой и дополняют и предопределяют друг друга.
Действительно, рассматривая обтекатель по принад-
лежности к той или иной бортовой аппаратуре, можно
сразу судить о месте размещения обтекателя на летатель-
ном аппарате (носовой, подфюзеляжный), о типе самого
петательного аппарата (ракета, самолет), о температур-
ном режиме работы обтекателя, о его конструкции и фор-
ме внешнего обвода, электрических требованиях и пара-
метрах и многих других признаках, органически связан-
ных с первым, взятым в качестве исходного.
Конкретный подход к выбору конструкции стенки дан-
ного обтекателя, расчету ее электрических параметров,
определению методов и технологических режимов изю-
товления зависят от того, какой из признаков взят за
основной и что является доминирующим при выборе и
определении исходных данных и предпосылок.
Выбор основного признака определяется основным на-
значением данного объекта, его главной задачей.
Так, например, для самолетов гражданской авиации
основным характерным признаком может служить без-
аварийность работы в течение длительного периода вре-
мени.
Исходя из этого основного признака обтекатели ан-
тенных систем самолетов гражданской авиации выбира-
ются такими, чтобы обеспечить предъявляемые к ним ме-
ханические и электрические требования в течение всего
этого срока (постоянно, либо с периодической заменой
отдельных частей или целиком всего обтекателя).
Обтекатели антенн РЛГС должны быть конструктив-
но выполнены так, чтобы обеспечить высокую радиопро-
зрачность и оптимальные пеленгационные характеристи-
ки при сохранении механических качеств в условиях воз-
действия силы набегающего потока и аэродинамического
нагрева с большим градиентом в течение сравнительно
небольшого отрезка времени, исчисляемого минутами или
даже секундами.
В каждом конкретном случае выбор формы, размеров,
типа материалов, определяющих в целом конструкцию
обтекателя, подчиняется обеспечению решения основной
задачи, стоящей перед данным объектом.
59
Для обеспечения основного качества объекта, прихо-
дится часто идти на компромисс, поступаясь некоторыми
другими качествами и параметрами и заведомо несколь-
ко ухудшая их. Для примера на рис. 2. 9 показан самолет
с установленным над фюзеляжем локатором дальнего
действия с круговым обзором. Для защиты антенны этого
Рис. 2. 9. Надфюзеляжный выступающий обтекатель антенны РЛС
дальнего обнаружения
локатора применен большой радиопрозрачный колпак.
В силу очень больших своих размеров несмотря на то, что
ему придана по возможности обтекаемая форма, этот об-
текатель неизбежно создаст большое добавочное лобовое
сопротивление набегающему потоку воздуха, заметно
снижая аэродинамическое качество и скорость носителя.
Однако на это часто идут, чтобы обеспечить ре-
шение основной задачи — обеспечение кругового обзора
на большие расстояния станций кругового обзора, под-
нятой на высоту с помощью самолета.
Форма внешнего обвода обтекателя выбирается, как
правило, в результате экспериментальной отработки. Для
этого производится продувка натурального макета, либо
модели реального обтекателя в аэродинамической трубе.
Причем продувка должна безусловно вестись потоками,
обладающими характеристиками, которые соответствуют
реальным условиям полета. Только после проведения ис-
пытаний на серии различных по форме обтекателей мож-
60
по выбрать оптимальную для данного случая форму
внешнего обвода, определяющую остальные элементы
конструкции: толщину стенки, материал, количество сло-
ев, покрытия и др.
2.6. ОДНОСЛОЙНЫЕ ОБТЕКАТЕЛИ
Переходя к краткой характеристике конструкций об-
текателей, остановимся на некоторых, наиболее часто
встречающихся на практике конструкциях. Будем вести
рассмотрение в порядке усложнения конструкции стенки.
Наиболее простой и самой распространенной конст-
рукцией стенки обтекателя является сплошная однослой-
ная. Такая стенка наиболее технологична в производст-
ве. Кроме того, она несет в себе меньшее количество не-
однородностей, что дает возможность получить более оп-
тимальные характеристики.
Обтекатели такой конструкции позволяют добиться
высокой герметичности, что более трудно осуществимо в
обтекателях с более сложной стенкой.
Простой расчет показывает, что для обеспечения вы-
сокой радиопрозрачносги, или, как говорят, для получе-
ния хорошего согласования стенки со средой, она должна
иметь толщину либо весьма малую по сравнению с дли-
ной волны, либо кратную половине длины волны (с уче-
том свойств стенки и угла падения).
В первом случае обтекатель называется однослойным
тонкостенным, во втором — однослойным полуволновым,
волновым, полутораволновым и т. д. — в зависимости от
кратности толщины половине волны.
Наиболее применимы на практике однослойные тон-
костенные и полуволновые обтекатели. Стенки с большей
кратностью применяются гораздо реже. Это делается в
тех случаях, когда требуется получить механически весь-
ма прочную конструкцию с высокой герметичностью, спо-
собную работать в исключительно тяжелых условиях.
Тонкостенные конструкции применяют в тех случа-
ях, когда требования к механической прочности незначи-
тельны или когда их можно обеспечить другими средства-
ми. Например, в зарубежных радиолокационных систе-
мах класса «воздух—воздух» для защиты головного от-
сека часто применяются тонкостенные конструкции.
В допплеровских навигационных системах, антенны ко-
R1
торых размещаются, как правило, под фюзеляжем, где
нет прямого воздействия больших нагрузок от набегаю-
щего потока, также могут применяться тонкостенные кон-
струкции. Механическую прочность и жесткость при не-
обходимости здесь обеспечивают металлическим карка-
сом, на котором крепится обтекатель.
Поскольку антенны этих систем часто выполняются в
виде отдельных блоков, содержащих несколько излуча-
телей (рупоры, щелевые излучатели), то обтекатель мо-
жет быть тоже как цельным, так и секционированным.
В последнем случае каркас делается секционированным.
Он способен выдержать большие механические нагрузки,
при этом вопрос о механической прочности самого обте-
кателя почти полностью снимается, поскольку радиопро-
зрачные окна здесь непосредственно нагрузок не несут
и не передают механических усилий.
Металлический каркас будет частично экранировать
поток электромагнитной энергии, излучаемой или прини-
маемой антенной, что приведет, как будет показано ниже,
к снижению КНД системы и изменению уровня бокового
излучения. Поэтому выбор числа секций и конструкции
перемычек между ними должен проводиться с учетом
условий прохождения радиоволн через конструкцию.
Тонкостенные конструкции могут применяться и в тех
случаях, когда требования к механической прочности до-
статочно высоки. Это имеет место в длинноволновой ча-
сти сантиметрового диапазона (длина волны Х=8-н10 см),
где толщина стенки порядка 6—8 мм, обеспечивающая в
ряде случаев достаточную прочность, уже может считать-
ся достаточно малой и конструкция будет тонкостенной.
Полуволновые стенки в наиболее распространенном
трехсантиметровом диапазоне могут иметь толщину от 4
до 12 мм. Это определяется формой внешнего обвода и
условиями прохождения волны через стенку (диапазон
углов падения, диэлектрическая проницаемость материа-
ла стенки, степень однородности стенки).
Поскольку более подробно» вопросы, связанные с про-
хождением радиоволн через стенки обтекателей, будут
рассмотрены ниже, то здесь лишь ограничимся указанием
на то, что абсолютно однородных материалов не сущест-
вует в природе. Каждый материал в своей структуре не-
сет определенные неоднородности. У одних материалов
62
i;i неоднородность обусловлена слоистостью структуры,
\ других — зернистым строением, у третьих — наличием
и тех и других признаков.
Поэтому во всех практических случаях проведение
расчета обязательно должно сопровождаться экспери-
ментальными проверками. Лишь при наличии последних
возможно выработать правильные рекомендации по выбо-
ру параметров стенок, обеспечивающих радиопрозрач-
ность в заданном диапазоне волн, углов падения, поляри-
зационных характеристик проходящей волны и т. д.
2.7. МНОГОСЛОЙНЫЕ ОБТЕКАТЕЛИ
При всех известных достоинствах — простота изготов-
ления, механическая прочность, герметичность и т. д. од-
нослойные обтекатели обладают одним весьма существен-
ным недостатком, а именно — сравнительно небольшой
рабочей полосой частот.
Из литературы известно, что полуволновые обтекате-
ли способны удовлетворить предъявляемым к ним требо-
ваниям по радиопрозрачности и пеленгационным харак-
теристикам в полосе частот не более 3—4%.
Однако часто от радиолокационного устройства тре-
буется работа в более широкой полосе частот. Кроме
того, на борту современного летательного аппарата од-
новременно может работать несколько радиолокацион-
ных устройств на разнесенных частотах, относящихся к
различным диапазонам. Обтекатель, по которым нахо-
дятся антенны этих устройств, безусловно должен обес-
печить нормальную работу их одновременно на всех ра-
бочих частотах.
Полоса рабочих частот обтекателя определяется свой-
ствами материала обтекателя и конструкцией его стенки.
Для качественной оценки полосы рабочих частот стен-
ки обтекателя можно провести такое сравнение — одно-
слойная стенка ведет себя как одиночный контур, коэф-
фициент передачи которого зависит от настройки в резо-
нанс (от соотношения между толщиной стенки и длиной
волны); многослойная стенка ведет себя как связанная
система с несколькими частными резонансами. Эти част-
ные резонансы зависят от настроек каждого контура в
отдельности и от коэффициентов связи между взаимно
63
связанными контурами и системами контуров (от разме-
ров отдельных слоев, их взаимного расположения, пара-
метров материала).
Наиболее простой является двухслойная конструкция
стенки. Наружный плотный слой обеспечивает механиче-
скую прочность и термостойкость конструкции в целом,
а внутренний — менее плотный слой, его толщина и ди-
электрические свойства подбираются из условия обеспе-
чения максимального согласования конструкции стенки
с внешней средой. Материалы, составляющие основу стен-
ки, должны обладать минимальными диэлектрическими
потерями, а также минимальным влагопоглощением.
В качестве наружного слоя используются, как правило,
плотные стеклотекстолиты. Внутренний слой (подслой)
образуется пористыми материалами с малой плотностью.
Материалы, составляющие основу внутреннего слоя, под-
разделяются на три подгруппы: ячеистые, волокнистые,
зернистые.
К первой группе можно отнести материалы, получаю-
щиеся вспениванием основы с получением легкого мате-
риала, насыщенного порами (пенопласты). Такой осно-
вой являются полистирол, каучук, фенольные и полиэфир-
ные смолы, стекло и другие.
К волокнистым материалам можно отнести различно-
го рода ткани типа гардинной сетки или кисеи, пропитан-
ных связующим. За счет определенного выбора соотно-
шения плотности основы и связующего удается достиг-
нуть требуемого значения диэлектрической проницае-
мости.
К третьей группе относятся материалы, которые обра-
зуются слоистыми пластиками, отформованными в виде
гофрированных листов или сотовых конструкций
(рис. 2.10). Применяя в качестве подслоя материалы с
малой плотностью при определенной их толщине, можно
достигнуть большой механической прочности и жесткости
конструкции обтекателя.
Анализ показывает, что полного согласования можно
достигнуть лишь с помощью стенки симметричной конст-
рукции. Двухслойная стенка не обеспечивает полного со-
гласования, т. е. 100%-го прохождения энергии, падаю-
щей на стенку радиоволны. Однако специальным выбо-
ром свойств материалов слоев и их толщин можно макси-
64
мальнЫм образом Приблизить данную конструкцию к сим-
метричной. Так, например, двухслойная стенка будет тем
более симметричной, чем тоньше наружный слой и чем
меньше его плотность.
Чтобы достигнуть лучшего согласования, необходимо
применить дополнительные согласующие слои, роль кото-
рых заключается в симметрировании электрической
структуры всей конструкции. В качестве примера такой
конструкции может служить конструкция стенки, имею-
щая наружный плотный слой относительно малой тол-
щины, средний менее плотный слой с большей толщиной
и внутренний, согласующий слой, с параметрами, анало-
гичными наружному слою. Это трехслойная конструкция
стенки обтекателя. Все рассуждения относительно вы-
бора материалов наружного и внутреннего слоев двух-
слойной конструкции применимы в данном случае к на-
ружному и внутреннему слоям трехслойной конструкции
стенки.
Трехслойные обтекатели могут быть подразделены на
две основные группы. К первой можно отнести такие, у
которых наружный и внутренний тонкие поверхностные
слои выполнены из материалов с большой плотностью
(соответственно с большой диэлектрической проницаемо-
стью), а средний слой выполнен из легкого материала с
низкой диэлектрической проницаемостью.
Ко второй группе можно отнести обтекатели, у кото-
рых два поверхностных слоя толщиной в четверть волны
каждый изготовлены из материала с низкой диэлектриче-
ской проницаемостью, а между ними помещен материал
с диэлектрической проницаемостью, равной квадрату
диэлектрической проницаемости наружного слоя. Выбор
типа конструкции определяется особенностями и требова-
ниями в каждом конкретном случае.
Пакет из соединенных вместе Двух трехслойных кон-
струкций с общей внутренней плотной прослойкой полу-
чил название пятислойной конструкции. В случае соеди-
нения двух трехслойных конструкций с помощью допол-
нительного промежуточного слоя с пониженной плотно-
стью получается сложная конструкция, называемая семи-
слойной конструкцией стенки обтекателя.
В зависимости от соотношения толщин плотных и ме-
нее плотных слоев все эти конструкции стенок подразде-
3 5306
65
ляйт'ся йа конструкций с тонкими либо с толстыми внеш-
ними обшивками. На рис. 2. 10 схематически показаны
различные варианты конструкций стенок обтекателей.
Расчет многослойных конструкций представляет до-
вольно сложную задачу. Особенно это относится к случа-
ям, когда свойства материалов, образующих основу слоев
стенки, непостоянны и неоднородны при изменении внеш-
них условий, рабочей частоты, а также по массе стенки.
Рис. 2.10. Конструкции стенок обтекателя:
а—трехслойная с тонкими поверхностными слоями: б—трехслойная с тол-
стыми поверхностными слоями; в—пятислойная; г—семислойная; б—пяти-
слойная с толстыми поверхностными слоями
Многослойные стенки в силу несовершенства техноло-
гии производства и нестабильности свойств материалов
пока что еще не могут найти себе широкого распростра-
нения несмотря на ряд очевидных преимуществ. Особенно
эти ограничения становятся заметными при работе на
очень коротких волнах (Х^2 см).
Из-за незначительной толщины поверхностных слоев,
например, в трехслойной конструкции, прочность всего
изделия становится недостаточной. Применение же утол-
щенных стенок дает значительные отражения за счет на-
личия неоднородностей в материале и несовершенства
технологии изготовления.
Большим преимуществом многослойных конструкций
более высоких порядков по сравнению с трехслойной яв-
ляется то, что они обеспечивают минимально возможные
значения коэффициента отражения на нескольких значе-
ниях угла падения. Причем определенным образом выби-
рая толщину слоев, можно добиться минимальных отра-
жений и в широкой полосе частот.
66
2.8. ОБТЕКАТЕЛИ ИНФРАКРАСНЫХ СИСТЕМ
Известно, что инфракрасные лучи излучаются прак-
тически всеми телами, имеющими температуру, большую
чем температура абсолютного нуля. Инфракрасные лучи
занимают участок спектра электромагнитных волн в пре-
делах от 0,76 до 500 мкм. Однако в зарубежной военной
инфракрасной технике используется небольшой участок
этого диапазона: примерно до 6-4-10 мкм, так как многие
цели, как правило, дают мощное излучение. По закону
смещения Вина, длина волны, соответствующая макси-
мальной интенсивности излучения, обратно пропорцио-
нальна абсолютной температуре.
В печати отмечается, что использование инфракрасно-
го излучения целей дает большие преимущества. Инфра-
красные приборы могут быть пассивного типа и, следова-
тельно,, не требовать установки дополнительной аппара-
туры для облучения цели. Поэтому эти приборы имеют
небольшой вес и малые габариты. Они более просты, чем
радиолокационные приборы, а следовательно, и более на-
дежны. Считают, что они особенно удобны для исполь-
зования в системах самонаведения ракет класса «воз-
дух—воздух», где требуются малые габариты и вес. Кро-
ме того, инфракрасные приборы обладают лучшей разре-
шающей способностью при меньшей принимающей по-
верхности по сравнению с радиолокационными прибора-
ми. Известно, что основное ограничение по угловой раз-
решающей способности зависит от соотношения размеров
приемного зеркала и длины волны принимаемого излу-
чения. Поэтому инфракрасная головка самонаведения
имеет в этом отношении большие преимущества перед
радиолокационной головкой самонаведения. Например,
антенна диаметром 30 см радиолокационной головки са-
монаведения, работающей в трехсантиметровом диапа-
зоне, различает две отдельные цели на дальности 8 км,
если расстояние между ними не менее 1,6 км. Инфракрас-
ная головка самонаведения с диаметром оптики 7,6 см
различает на этой же дальности два двигателя одного са-
молета. Инфракрасная головка самонаведения действует
по принципу теплового пеленгатора, который обнаружив
в пространстве какую-либо цель, являющуюся источни-
ком лучистой энергии, воздействует на систему управле-
ния ракеты до тех пор, пока продольная ось ракеты не
будет направлена на цель.
3*
67
На рис. 2.11 показана оптическая схема инфракрасной
головки самонаведения ракеты «Сайдуиндер», которая со-
стоит из сферического инфрапрозрачного обтекателя 1,
основного параболического зеркала 2, плоского зеркала
(контррефлектора) 3, модулирующего растра 4 и прием-
ника инфракрасной энергии 5. Инфракрасное излучение
цели после двойного отражения от параболического и
плоского зеркал проходит через вра-
щающий модулирующий растр (п=
= 30 об]мин) и попадает на прием-
ник инфракрасной энергии, располо-
женный в фокусе параболического
зеркала. Приемником инфракрасной
энергии здесь служит сернистосвин-
цовое фотосопротивление. Тепловое
излучение цели на фотосопротивле-
нии преобразуется в электрические
сигналы, которые после усиления
подводятся к системе управления по-
летом ракеты.
Обтекатели, прозрачные в ин-
фракрасной области, для обеспече-
ния точности работы систем наведе-
ния обычно изготовляются пирами-
дальной и сферической формы. В пе-
чати отмечается, что обтекатели
других форм неблагоприятно влияют
на работу инфракрасных головок са-
монаведения, так как в этом случае оптическое воздейст-
вие таких обтекателей на инфракрасное излучение суще-
ственно изменяется в зависимости от угла наклона лучи-
стого потока по отношению к оси обтекателя. Пирами-
дальные и сферические обтекатели лишены этого недо-
статка.
Рис. 2. 11. Оптическая
схема инфракрасной
головки самонаведе-
ния ракеты «Сайдуин-
дер»:
/—сферический обтека-
тель; 2—основное парабо-
лическое зеркало; 3—пло-
ское зеркало (контрреф-
лектор); 4—модулирую-
щий растр; 5—приемник
инфракрасной энергии
С оптической точки зрения более приемлемы обтека-
тели, набранные из плоскопараллельных пластин, склеен-
ных между собой или закрепленных в пространственном
каркасе, имеющем форму изделия. Второй сп^об соеди-
нения пластин обеспечивает высокую прочность изделия.
Однако при этом способе заметно ухудшается пропуска-
ние и появляются помехи вследствие нарушения однород-
ности проходящего инфракрасного излучения. Борьба с
этими помехами приводит к усложнению аппаратуры со
68
всеми вытекающими отсюда последствиями. Поэтому
способ соединения пластин путем склейки более целесо-
образен.
Примером такой конструкции является обтекатель ин-
фракрасной головки самонаведения ракеты «Файрстрик»
(рис. 2. 12). Обтекатель
выполнен в виде вось-
мигранной пирамиды из
тонких треугольных
пластин. Качество по-
добных обтекателей су-
щественно зависит от
свойств применяемого
оптического клея, ха-
рактеристики которого
должны быть по воз-
можности близки к ха-
рактеристикам приме-
няемого материала.
Сферическая форма
менее приемлема вслед-
ствие возникающего
большого лобового со-
противления, в резуль-
тате которого увеличи-
вается величина инфра-
красного излучения в
сторону индикатора от
сильно нагретой по-
верхности обтекателя.
Но эти излучения
вследствие их симмет-
Рис. 2. 12. Пирамидальный обтекатель
инфракрасной головки самонаведения
ракеты «Файрстрик»
ричности можно отде-
лить от полезного сиг-
нала довольно просты-
ми средствами. По-
ложительным свойством
сферического обтекателя явля-
ется то, что его воздействие на проходящее инфракрасное
излучение эквивалентно воздействию отрицательной лин-
зы. Такое свойство обтекателя позволяет использовать
его ка^ менисковую оптическую систему для коррекции
(компенсации) сферической аберрации зеркала объекти-
ва сферической формы. Это упрощает оборудование, так
69
как при применении обтекателей других форм для выпол-
нения этой же задачи необходимо применять дополни-
тельные корректирующие устройства. Пример обтекателя
сферической формы был уже показан на рис. 2. И.
Однако несмотря на многие достоинства инфракрас-
ные системы наведения имеют и существенные недостат-
ки. Например, они практически не могут работать при
неблагоприятных метеорологических условиях (туман,
дождь). Кроме того, с помощью таких систем трудно
определять расстояние до цели.
По сообщениям зарубежной печати, в настоящее вре-
мя начинают разрабатываться комбинированные системы
самонаведения, работающие в двух диапазонах: в инфра-
красном и радиолокационном. Такая система позволяет
одновременно использовать положительные свойства ин-
фракрасной и радиолокационной головок самонаведения.
Считается, что ракета с комбинированной системой само-
наведения сможет выполнить свою задачу при любой по-
годе. Вначале на больших расстояниях, что особенно важ-
но при плохой погоде, такая ракета наводится на цель с
помощью радиолокационной аппаратуры, затем вблизи
цели начинает работать инфракрасная аппаратура.
Очевидно, что такие комбинированные системы наве-
дения требуют применения' комбинированных обтекате-
лей, которые были бы способны работать в инфракрасном
и радиолокационном диапазонах.
2.9. ОБТЕКАТЕЛИ С МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ
ВКЛЮЧЕНИЯМИ
В ряде случаев полуволновая трех-семислойная кон-
струкция стенки не удовлетворяет по тем или иным при-
чинам конструктора обтекателя. К таким причинам от-
носятся либо недостаточная широкополосность, либо
большой вес, либо малая герметичность и т. д.
Возьмем случай тонкостенной конструкции. В принци-
пе можно всегда выбрать толщину стенки таким образом,
что она будет удовлетворять по радиопрозрачности всем
требованиям в заданной полосе частот и в заданном сек-
торе углов сканирования антенны. Однако остается еще
одно требование, которое остается в данном случае не-
выполненным. Это недостаточная прочность такой конст-
70
рукции. Как уже упоминалось выше, частным выходов
из этого положения может явиться усиление конструкции
за счет применения жесткого металлического каркаса,
который бы принял на себя основную нагрузку. Однако,
применение таких каркасов не всегда практически целе-
сообразно. Во-первых, по причине увеличения веса, труд-
ностей в осуществлении перехода между металлом и ди-
электриком, а также по причине того, что металлический
каркас активно влияет на прохождение волн и искажает
пеленгационные характеристики системы «антенна — об-
текатель». Полуволновые и трехслойные конструкции,
обеспечивающие прочность, в некоторых случаях недопу-
стимы с точки зрения большого веса.
Подход к расчету стенок обтекателей с точки зрения
известных положений теории длинных линий, когда стен-
ка рассматривается как многополюсник, содержащий L,
С, Л-звенья, позволяет найти пути снижения веса стенок
с сохранением их радиотехнических характеристик. Так
в случае однослойного обтекателя, если считать, что отра-
жение энергии падающей волны происходит от емкостной
неоднородности, возникающей за счет отличия от едини-
цы относительной диэлектрической проницаемости мате-
риала обтекателя, то это отражение можно в принципе
уменьшить, скомпенсировав эту неоднородность при по-
мощи индуктивности, искусственно введенной в структуру
стенки обтекателя.
Такой индуктивностью может служить сетка из тон-
ких металлических стержней. Индуктивность сетки опре-
деляется толщиной стержней и их шагом. На рис. 2. 13
показана схема стенки обтекателя с металлическими
включениями в виде индуктивных стержней. Там же при-
ведены расчетные (сплошные) и экспериментальные
(пунктирные) кривые коэффициента отражения R от та-
кой стенки. Кривые относятся к случаю нормального па-
дения волны на стенку. Очевидно, подобные кривые мож-
но получить расчетным путем и для более сложного слу-
чая падения волны на криволинейную стенку, когда углы
падения могут изменяться в определенных пределах и в
общем случае могут значительно отличаться от нулевого
значения.
Ниже этому будет уделено внимание.
Используя положения теории длинных линий, можнс
провести расчет стенок, содержащих металлические
71
Рис. 2. 13. Схема стенки с металлическими индуктив-
ными стержнями
Рис. 2.14. Усиление стенки металлическим каркасом
72
включения, более сложной конфигурации, нежели при-
веденные выше индуктивные металлические решетки.
Речь идет о массивных каркасах, выполняющих роль си-
ловых элементов. Оказывается, при рациональном вы-
боре формы ребер каркаса, их размеров и взаимного
расположения возможно достаточно эффективно ском-
пенсировать их влияние, резко повысив радиопрозрач-
ность конструкции. Исследования таких структур, про-
веденные с применением теории диффракции, позволяют
наметить пути к осуществлению частичной и полной за-
мены^ диэлектрического обтекателя с металлическим кар-
касом или без него цельнометаллическим обтекателем.
Радиопрозрачйость такого обтекателя о^спечивается
системой определенным . образом подобранных отвер-
............................................
На рис. 2.14~ приведены примеры обтекателей со
стенками, усиленными металлическим каркасом (а, б),
и обтекателя с цельнометаллической стенкой (в).
Глава 3
ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ УСЛОВИЯ РАБОТЫ
ОБТЕКАТЕЛЕЙ
Как уже отмечалось, к обтекателям антенн летатель-
ных аппаратов предъявляется сложный комплекс различ-
ных требований. Основным из этих требований является
сохранение постоянства радиотехнических параметров
обтекателей во всех эксплуатационных условиях, в кото-
рых используется летательный аппарат (хранение в
складских помещениях, транспортировка, дежурство на
стартовой позиции, полет). Особенно тяжелым воздейст-
виям подвергаются обтекатели во время скоростного по-
лета летательного аппарата в плотных слоях атмосферы.
Познакомимся кратко с условиями, в которых протекает
полет летательного аппарата, а также с силами, дейст-
вующими на обтекатели во время этого полета.
3.1. СВОЙСТВА АТМОСФЕРЫ
Воздух, образующий атмосферу Земли, представляет
собой в основном смесь двух газов: азота и кислорода.
Например, у земной поверхности воздух состоит (по объе-
му) из 78% азота, 21% кислорода, 0,93% аргона, около
0,03% углекислого газа, а также водорода, неона, гелия
и других газов в количестве не менее 0,01 % каждого. Ко-
личество водяных паров в атмосфере зависит от темпера-
туры, давления воздуха и от климатических особенностей
местности, над которой расположен рассматриваемый
слой воздуха. Содержание водяных паров увеличивается
около больших водных поверхностей и при более высо-
ких температурах нагрева самого воздуха. Атмосфера
74
имеет четко выраженную только нижнюю границу — зем-
ную поверхность. Верхнюю границу определить точно
нельзя, так как плотность воздуха постепенно убывает с
высотой, постепенно приближаясь к плотности вещества,
составляющего межпланетное космическое пространство.
По современным представлениям считается, что верх-
няя граница атмосферы лежит на высотах порядка
10 000—20 000 км. Атмосферу обычно принято делить на
следующие основные слои: тропосферу, стратосферу и ио-
носферу. Как показали многочисленные исследования,
при подъеме вверх от земной поверхности температура
воздуха падает равномерно до высоты около 11 км для
средних широт. Этот нижний слой воздуха получил назва-
ние тропосферы. Тропосфера характерна интенсивным пе-
ремещением воздуха вследствие нагрева и поэтому со-
став тропосферы можно считать однородным. В тропо-
сфере сосредоточены примерно три четверти всей массы
воздуха. Здесь находится почти вся влага и происходят
в основном различные метеорологические явления.
Температурный градиент (быстрота изменения темпе-
ратуры) в тропосфере равен в среднем 0,0065 град/м, т. е.
на каждый км высоты падает примерно 6—7° С. С неко-
торой высоты понижение температуры воздуха прекраща-
ется и температура остается постоянной. Эта высота счи-
тается приблизительно началом стратосферы. Постоянст-
во температуры сохраняется только до высоты 25—35 км,
после чего температура возрастает, а затем с высоты 55—
65 км понижается. Стратосфера характерна безоблачно-
стью и хорошей видимостью. Плотность воздуха здесь
мала. Верхняя граница стратосферы находится на высо-
тах порядка 80 км.
Выше расположена ионосфера, которая содержит
несколько слоев, состоящих из ионизированных мо-
лекул и свободных электронов. Ионосфера оказы-
вает заметное влияние на распространение радио-
волн.
С высотой все свойства атмосферы значительно изме-
няются. Кроме того, свойства атмосферы также значи-
тельно изменяются от характера солнечной радиации,
времени года и суток, географической широты, бом-
бардировки атмосферы космическими частицами и т. д.
Отсюда следует, что такие параметры воздуха, как
плотность, давление, температура и др., необходимые
75
Для расчета аэродинамических сил, беспрерывно изменя-
ются во времени. Эти изменения учитывают при аэро-
динамических расчетах летательных аппаратов.
Поэтому при расчетах пользуются постоянными усред-
ненными параметрами, взятыми из так называемой стан-
дартной атмосферы. На практике пользуются нескольки-
ми стандартными атмосферами: MCA (международная
Рис. 3. 1. Схема построения атмосферы с графиками изме-
нения температуры, давления и плотности воздуха:
---)----- соответственно Международной стандартной атмосфе-
ре (MCA);
------— по ракетным измерениям;
— . — . — по данным ракетного комитета США
стандартная атмосфера), НАА (нормальная артиллерий-
ская атмосфера), ВСА (временная стандартная атмосфе-
ра) и др.
На рис. 3.1 приведены общепринятая схема построе-
ния атмосферы MCA и графики изменения температуры,
давления и плотности воздуха. Основными параметрами,
принятыми в MCA, считаются: стандартное давление
(ро= 101325 н/л2), массовая плотность (qo= 1,22575 кг[м?)
и абсолютная температура (Т’о=288°К). Эти параметры
связаны между собой следующими расчетными зависи-
мостями:
76
1) для высот //< 11000 м‘.
7'я=7'0 —0,0065//;
и / Н \ 5,2553 / Т \ 5,2553
РН _ / J _______ \ _____/ Я \
Pq \ 44308 ] \ то /
О / Н \ 4,2553
Л ________________—\
Q0 \ 44308 /
2) для высот Н> 11000 м:
Я-11000
6318
Гн Он
(3.1)
(3.2)
(3.3)
(3.4)
где Тн, Рн, Qh— абсолютная температура, давление и
массовая плотность атмосферы на вы-
соте Н соответственно;
Ри и ен — давление и массовая плотность атмо-
сферы на высоте Н=11 000 ж;
Ан — коэффициент относительной плотности
атмосферы, характеризующий отноше-
ние массовой плотности qh на высоте Н
к массовой плотности атмосферы на
уровне моря qo-
На больших скоростях полета при аэродинамических
расчетах необходимо учитывать сжимаемость воздуха.
Сжимаемостью называется свойство тел изменять свой
объем (плотность) под действием давления или при
изменении температуры. С увеличением скорости давле-
ние воздуха в прилегающих к летательному аппарату
слоях воздуха увеличивается и воздушный поток сжи-
мается. При этом происходят качественные изменения по-
тока, обтекающего летательный аппарат. Сжимаемость
воздуха проявляется тем сильнее, чем больше отношение
скорости летательного аппарата (потока) к скорости зву-
ка. Это отношение называют числом М
М = Г
а
(3.5)
где V — скорость летательного аппарата (потока);
а — скорость распространения звука.
77
Скорость в аэрбдйнамике принято оценивать с ltd-
мощью числа М:
при М<1 —дозвуковые скорости;
при М~1 — околозвуковые скорости или звуковые
скорости;
при М>1 —сверхзвуковые скорости;
при М>5 — гиперзвуковые скорости.
В потоке, обтекающем летательный аппарат, скорость
частиц воздуха, находящихся вблизи поверхности обте-
кателя, изменяется от скорости потока до нуля. Непо-
средственно у самой поверхности обтекателя скорость ча*
стиц воздуха равна нулю, так как они тормозятся по
верхностью аппарата, а при удалении от поверхности их
скорость возрастает.
Наконец, на определенном расстоянии скорость
воздуха становится равной скорости потока, обте-
кающего летательный аппарат.
Слой воздуха, в котором произошло изменение скоро-
сти воздуха от нуля до скорости потока, принято называть
пограничным слоем. Движение воздуха в пограничном
слое может носить ламинарный или турбулентный ха-
рактер.
Поверхность обтекаемого летательного аппарата, по-
крытая ламинарным слоем, испытывает меньшее трение
и меньший аэродинамический нагрев. При определенных
условиях ламинарный поток переходит в турбулентный и
наоборот. Условия этого перехода оцениваются с по-
мощью коэффициента или числа Рейнольдса (Re). Физи-
ческий смысл этого коэффициента заключается в том, что
он является мерой отношения сил инерции к силам вяз-
кости в воздухе. Чем больше величина коэффициента Рей-
нольдса, тем больше будут проявляться силы инерции.
При коэффициенте Рейнольдса меньше определенной кри-
тической величины (НеКрит) поток носит ламинарный ха-
рактер, в противоположном случае — поток носит турбу-
лентный характер.
Исследование процессов, происходящих в пограничном
слое имеет большое значение при рассмотрении аэроди-
намических сил и аэродинамического (кинетического) на-
грева, действующих на весь летательный аппарат в целом
и на обтекатель в частности.
78
3.2. АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ СИЛЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ
НА ОБТЕКАТЕЛЬ
Воздух оказывает сопротивление движущемуся в
летательному аппарату. Это сопротивление возникает
счет сил давления и трения, определенным образом р&с'
пределенных по всей поверхности летательного аппарата‘
Равнодействующая всех этих сил называется полной
родинамической силой или полным аэродинамическим с°-
противлением. Полную аэродинамическую силу У? мо^й°
разложить в общем случае на три составляющие:
на аэродинамическое или лобовое сопротивление
направленное по направлению скорости полета;
на подъемную силу Ry, направленную перпендикуЛ^Р'
но скорости полета, и на боковую силу направленЯУ10
перпендикулярно к обеим предыдущим силам.
Выражения для этих аэродинамических сил име1°т
следующий вид:
Rx = cxqS\'
Ry = cyqS\
Rz~CzqS* ,
(З.б)
где q— —скоростной напор (q— массовая плотносТЬ
воздуха, V — скорость летательного а00а"
рата);
S — фронтальная площадь движущегося тела’
3 авиации за такую площадь приним01°т
площадь крыльев, а в ракетной технике"^
площадь наибольшего поперечного сече000,
сх, су и cz — безразмерные коэффициенты с обозначен0*1'
ми в зависимости от направления, в котО"
ром определяются аэродинамические сИль1’
зависят от формы летательного аппар0та’
скорости полета, угла атаки и других ПР0’
чин.
При движении летательного аппарата относите#000
воздуха совершается работа на преодоление не всей 0°л"
ной аэродинамической силы 7?, а только ее составляю0*611
Rx. Поэтому величина лобового аэродинамического соПР0'
тивления имеет большое значение при конструиров00011
обтекателя, особенно когда он находится в головной ча
С-тн летательного аппарата.
19
Из (3. 6) видно, что лобовое сопротивление возраста-
ет пропорционально фронтальной плоскости. Лобовое со-
противление обтекателя можно уменьшить за счет при-
дания ему хорошей аэродинамической формы. В этом
случае уменьшаются турбулентные потоки вокруг поверх-
ности обтекателя. Следовательно, это приведет к умень-
шению механических нагрузок, действующих на обтека-
тель. Это дает возможность при конструировании обтека-
телей более свободно выбирать материалы.
На дозвуковых скоростях сопротивление тела состоит
в основном: из сопротивления давлению и сопротивления
трению. На этих скоростях минимальное сопротивление
давлению воздуха оказывают тела с плавно очерченными
формами и с закругленной носовой частью. Исследования
показали, что оптимальной формой на дозвуковых ско-
ростях является каплевидная форма.
На сверхзвуковых скоростях приходится считаться со
сжимаемостью воздуха. При этом явлении непрерывность
потока нарушается, причем параметры потока изменяют-
ся не постепенно, а очень быстро, скачком. Резкое (скач-
кообразное) повышение плотности и давления в потоке,
движущемся со сверхзвуковой скоростью, называется
скачком уплотнения. Образование скачков уплотнения
объясняется резким торможением сверхзвукового пото-
ка при его встрече с поверхностью летательного аппара-
та. Скачки уплотнения служат причиной появления до-
полнительного сопротивления тормозящего движение ле-
тательного аппарата. Поэтому на сверхзвуковых скоро-
стях оптимальные аэродинамические формы должны
иметь другой вид. На этих скоростях предпочтительно
иметь заостренные формы.
На рис. 3. 2 приведены графики изменения коэффици-
ента лобового сопротивления для четырех различных
форм головной части тела на сверхзвуковых скоростях.
Из рассмотрения этого рисунка можно сделать вывод,
что наилучшие результаты получаются в случае примене-
ния оживальной или конической формы. Следовательно,
обтекатели, устанавливаемые в носовой части летатель-
ного аппарата, должны иметь оживальную или кониче-
скую форму. Конические обтекатели дешевле и проще в
производстве, зато оживальная форма при одинаковой
длине обладает большой вместимостью и обеспечивает
более плавный переход к цилиндрическому корпусу лета-
тельного аппарата.
На гиперзвуковых скоростях обтекатели, как отме-
чается в печати, выгодно делать слегка закругленными,
гак как тупоносые формы, имея большой коэффициент
сопротивления, дают большое торможение и меньший
нагрев, чем острые. В этом случае при полете ракеты с
Рис. 3.2. Влияние формы головной части тела на
величину коэффициента сопротивления на сверх-
звуковых скоростях полета
тупой носовой частью впереди ее образуется мощная
ударная волна, которая действует как буфер и отражает
в атмосферу приблизительно 90% тепловой энергии. Кро-
ме того, при такой форме обтекателя на единицу его пло-
щади приходится меньший тепловой поток, так как он
распределяется на большой площади.
На очень высоких скоростях (М>5) вокруг обтека-
теля может также возникнуть плазма. Образование плаз-
мы сопровождается потреблением большой тепловой энер-
гии. Необходимо отметить, что в определенных условиях
плазма может оказывать влияние на радиотехнические
параметры обтекателя.
В зависимости от соотношения между собственной ча-
стотой и частотой проходящей электромагнитной волны
плазма может обладать свойствами диэлектрика либо
проводника. В первом случае наличие плазмы приводит
как бы к появлению дополнительного слоя диэлектрика,
а во втором случае плазма будет являться экраном для
электромагнитных волн. Для уменьшения влияния плаз-
менной оболочкц можно использовать магнитное поле
большой интенсивности, за счет действия которого для
некоторой части диапазона создается в плазменной
оболочке «окно», т. е. улучшаются условия прохожде-
ния радиоволн. Другим способом устранения влияния
плазмы является уменьшение коэффициента трения по-
верхности летательного аппарата о воздух. Этого можно
добиться, применяя покрытия с небольшими коэффици-
ентами трения.
Полный и точный прочностный расчет обтекателя яв-
ляется весьма сложной задачей. В инженерной практике,
особенно в начале проектирования, часто необходимо по
приближенным расчетам оценить величину максимально
допустимой нагрузки, которую может выдержать обтека-
тель. Как известно из курса сопротивления материалов,
величину напряжения а, возникающего в цилиндрической
части обтекателя под действием нагрузки, можно опреде-
лить при помощи следующего выражения:
(3.7)
где р — внешнее или внутреннее давление;
R— радиус цилиндра;
б — толщина стенки цилиндра.
Известно также, что критическую нагрузку Ркр для
короткого тонкостенного цилиндра можно определить по
формуле
р 16 z / 1 V В2~\
к₽ 9 LR У 36 \ 1 —р.2 Д4/?2/’ ' *
где Е — модуль упругости;
у, — коэффициент Пуассона;
z — коэффициент, зависящий от вида заделки (при
„ л4\
предельно жесткой заделке г— —) .
16/
Заменяя конус (с высотой Н и половинным углом а
при его вершине) на эквивалентный цилиндр при
(3.9)
cos а
И
Z^°.'545// , (3.10)
cos а
где R— радиус эквивалентного цилиндра;
82
Л —длина эквивалентного цилиндра, можйо, поль-
зуясь формулами (3. 7) и (3.8), получить следующие вы-
ражения для определения <т и Ркр в случае конического
обтекателя:
_рН tg а_
& cos а ’
(3.11)
р _ 16 ЕЪ2 cos2 а _ г / 1 \ / 62 cos2 а
кр Т 0,5457/2 tga у "36 V — р.2 J 4/72 tg2 а
Полученные выражения позволяют приближенно опре-
делить значение напряжения, возникающего в кониче-
ском обтекателе при воздействии внешней нагрузки, и
величину максимальной нагрузки, которую он может вы-
держать не разрушаясь. Этими формулами можно также
пользоваться при расчете обтекателя, имеющего ожи-
вальную форму. В этом случае в них надо подставить па-
раметры конуса, вписанного в обводы обтекателя ожи-
вальной формы.
Для обтекателей оживальной формы (с удлинением
2,5) расчетные данные, полученные по формуле (3.12),
получаются заниженными примерно в 1,5 раза.
3.3. АЭРОДИНАМИЧЕСКИЙ НАГРЕВ ОБТЕКАТЕЛЯ
Одной из главных особенностей сверхзвукового поле-
та является нагрев поверхности летательного аппарата.
На очень высоких скоростях этот нагрев достигает весьма
больших величин, с которыми нельзя не считаться при
конструировании обтекателей как с прочностной, так и с
электрической точки зрения.
При движении летательного аппарата в пограничном
слое происходит торможение частиц воздуха вследствие
сил сцепления со стенкой обтекателя, а также сил вязко-
сти, передающих это торможение вглубь пограничного
слоя. Заторможенные частицы воздуха приобретают вра-
щение или завихренность. На больших скоростях тормо-
жение и завихренности частиц воздуха являются причи-
ной нагрева пограничного слоя, который в свою очередь,
соприкасаясь с обтекателем, нагревает его поверхность.
83
Керамические материалы, которые в последнее времИ
все шире начинают применяться для изготовления обте-
кателей сверхзвуковых летательных аппаратов, облада-
ют хорошей теплостойкостью и значительно превосходят
в этом отношении другие материалы. Вместе с тем кера-
мические материалы хрупкие и имеют относительно невы-
сокую прочность, поэтому они весьма чувствительны к
неравномерному нагреву. Особенно опасен резкий интен-
сивный нагрев, происходящий за короткое время. При
этом тело подвергается действию резкого градиента не-
установившейся температуры, вызывающего большие тем-
пературные напряжения. Такое явление обычно называют
тепловым ударом.
Так как теплопроводность керамических материалов
невелика, то при быстром одностороннем нагреве во вре-
мя полета внутренние слои материала стенки обтекателя
не успевают прогреться и вследствие этого по толщине
стенки обтекателя возникают градиенты температуры, из-
меняющиеся во времени. Внешние, более нагретые, слои
материала будут стремиться расшириться, а внутренние,
менее нагретые, слои будут препятствовать их расшире-
нию. В результате этого возникают напряжения: сжимаю-
щие на внешней поверхности и растягивающие на внут-
ренней. Эти напряжения в определенных условиях могут
превысить предел прочности применяемого диэлектриче-
ского материала, что приведет к разрушению обтекателя.
Для правильной оценки пригодности диэлектрических
материалов необходимо знать значения температур в лю-
бой точке поверхности обтекателей сверхзвуковых лета-
тельных аппаратов. Для определения этих температур
рассмотрим несколько подробнее условия, при которых
происходит аэродинамический нагрев обтекателей. На об-
текатель в полете действуют интенсивные конвективные
потоки от аэродинамического нагрева, а также (в мень-
шей степени) тепловые потоки от атмосферной и солнеч-
ной радиации. Тепловой поток Q, подводимый к поверх-
ности обтекателя без учета атмосферной и солнечной ра-
диации (в виду ее незначительности), может быть пред-
ставлен следующим образом:
Q==A(7'r-7CT)-^T, (3.13)
где h — коэффициент теплоотдачи (теплопередачи);
Tr— температура восстановления или 'feiviftepafypji
адиабатической стенки обтекателя (стенка, кото-
рая не поглощает и не излучает тепло);
ГСт — температура наружной стенки обтекателя;
у — коэффициент излучательной способности поверх-
ности (степень черноты);
о — постоянная Стефана—Больцмана.
Определим значения величин, входящих в эту форму-
лу. Температура восстановления Тг в функции коэффици-
ента восстановления г выражается следующей формулой:
Л=п[1+г(^)м|], (3.14)
где A, Ms —соответственно местная температура и ме-
стное число М на внешней границе по-
граничного слоя;
х— показатель адиабаты (отношение тепло-
емкости воздуха при постоянном давлении
к теплоемкости воздуха при постоянном
объеме);
г — коэффициент восстановления температуры
в пограничном слое.
Коэффициент восстановления г зависит от так назы-
ваемого числа Прандтля (Рг). Это число представляет
собой отношение количества тепла, выделенного за счет
работы сил молекулярного трения, к количеству тепла,
уносимого молекулами при их непрерывном перемещении
из нижнего слоя в верхний. Приближенно можно принять,
что коэффициент восстановления для ламинарного погра-
ничного слоя равен
гл=]/РЛ (3.15)
а в турбулентном пограничном слое
гт=улРг\ (3.16)
В этих выражениях Рг* обозначает число Прандтля
и вычисляется при определяющей температуре Т*, кото-
рую можно определить по формуле
Г=Г8 + 0,5(Тст-Г«)+0,22(Гг-Т8). (3.17)
85
введение определяющей температуры вкзванб ТёМ,
что температура воздуха по толщине пограничного слоя
значительно изменяется. Это приводит в свою очередь к
изменению физических свойств воздуха (плотность, вяз-
кость, теплопроводность) по толщине пограничного слоя.
Как видно из формулы (3. 17), определяющая температу-
ра может быть вычислена в том случае, если будут изве-
стны температура восстановления Тг и температура на-
ружной стенки обтекателя ГСт, но эти температуры явля-
ются искомыми. Поэтому расчет приходится вести мето-
дом последовательных приближений, определяя вначале
приближенно число Прандтля.
Определение коэффициента теплоотдачи h при сверх-
звуковых скоростях является довольно сложной задачей.
В настоящее время имеются сравнительно точные реше-
ния только для плоской пластины под нулевым углом
атаки. Поэтому задачу определения теплоотдачи при об-
текании более сложных форм обычно сводят к определе-
нию теплоотдачи плоской пластины, делая при этом те
или иные допущения. Коэффициент теплоотдачи для пло-
ской пластины при сверхзвуковых скоростях обтекания
(с учетом сжимаемости потока) может быть выражен:
при ламинарном пограничном слое
__1_ _ 2_
йл=3,26(Ре*) 2 (Рг*)~ 3 е*с*1Л; (3.18)
при турбулентном пограничном слое и Re<107
_ 2
AT=0,29(Re*)-°i2(Pr*) 3 Q*c;i/6; (3.19)
при турбулентном пограничном слое и 106CRe<109
Ат = 1,81 (1g Re*)~ 2’584 (Рг*) 3 qV;V8> (3.20)
где Re* — число Рейнольдса при определяющей темпера-
туре;
2*— плотность воздуха при определяющей темпе-
ратуре;
— удельная теплоемкость воздуха при постоян-
ном давлении;
Уз —местная скорость на границе пограничного
слоя.
В6
Значение чи
в°л*чит,аЙТи по ^neuiLa^TJ1J1’ входящее в эти формулы,
тУРе (с Плотности в.альным таблицам или графикам, а
изменяет^0*1 т°го, что пХЭ При определяющей темпера-
Ческп^ Ся' Можно в„ ^зление в пограничном слое не
Уравнения ИТи путем решения характеристи-
е* rs
гДе q8 _ QS ~~р~ > (3- 21)
v плотность в
т яичного с^ЗДуха па внешней границе погра-
s — местная ия;
Число "° ГР‘'
АСа определяется по формуле
где х Re*=~^> (3.22)
°ТН°адтеЛЬНая Кп
v* в к°ордината от носка обтекателя
~~КоэФфициент „
пРи опредяппематической вязкости в мг/сек
TeM,,ePaT}'i,e'
темПератуп^ Кад<11ФаЦиевтаИ *ормУле знать
ОпредЬ1' НТа кинематической вязкости от
Пользова^ТекателяЛкоиииЧИ П?И обтекании конуса (на-
пластины ПрИВеДеннытеСК0Й Ф°РМЫ) сводится к ие-
ны соотвРт?АНак° при эти* ВЫШе выражений для плоской
ДИмо учит^ТВ0Вать обтек^ значепия Ms, Qs и Ts долж-
тела потп^1Вать прости» НШо конуса. Поэтому необхо-
ВслелгК°М‘ ранственную картину обтекания
имеет коВЯе Того> чт
потока 6vn4ecKyi° Фоомх, ПовеРхность обтекаемого тела
с повепхи^УТ иметь опии» Не Все струйки набегающего
поДходЯ1!!я»ТЬ10 эт°то ДтелВКоЛую Длину соприкосновения
носа,' будv~ К обтекателю « НапРимер, струйки воздуха,
равнению г. ВМеть меньпЛ некотором расстоянии от его
ска обтехаЛ дРугими сти^-10 Длину соприкосновения по
нусе, необхг,еЛЯ’ ^03T0MvKaMl1’ начинающимися от но-
Ла рвйнольп^ИМо уиитыв °Пределяя теплоотдачу на ко-
ной длины х а П^Тем введе»„ЭТ° явление при расчете чис-
ВР- Эта величи Я Так называемой приведен-
яина зависит от длины образую-
87
щей х и от структуры пограничного слоя. В случае
ламинарного пограничного слоя хПр=-— х, в случае тур-
3
булентного пограничного слоя хПр=^
Рис. 3. 3. к определению параметров по-
тока, обтекающего коническое тело:
Mg-^местное число М; Pg — давление воз-
духа на внешней границе пограничного слоя;
Tg—температура воздуха у внешней границы
пограничного слоя: Об —плотность воздуха на
внешней границе пограничного слоя; Рк —от-
носительное давление на поверхности, отнесен-
ное к местному скоростному напору; Рс —дав-
ление за скачком уплотнения; ос —плотность
воздуха за скачком уплотнения; —число
М невозмущенного потока; Р^ — давление в
невозмущенном потоке; Т—температура не-
возмущенного потока; Q —плотность воздуха
в невозмущенном потоке; ак —половина угла
раствора конуса; ас —угол наклона скачка
уплотнения
При определении параметров потока около конуса
(рис. 3. 3) необходимо ввести параметр подобия для ко-
нического потока g. Эта величина определяется следую-
щим выражением:
^с^М.
(3.23)
$8
(3.25)
Относительное давление на поверхности, отнесенное к
скоростному напору невозмущенного потока, рк можно
вычислить по формуле
рк=2,09(1 +0,143/^2)а2, (3.24)
где
- Р&-Р~
Рк— J
—0ooVt
При определении остальных местных параметров по-
тока следует учитывать неизэнтропическое изменение по-
тока при переходе через скачок уплотнения. Это измене-
ние является функцией угла наклона поверхности скачка
уплотнения ас и числа М невозмущенного потока М„.
Угол наклона скачка ак можно определить по формуле
ас/ак = 1,093+0,06 (7 - ф+2. (3.26)
Зная значение ас, можно найти величину относитель-
ного давления за скачком
Рс/Р« =4"(7М“ Sin2ae“ О/ <3-27)
Затем по уравнению Гюгонио определяется плотность
воздуха за скачком уплотнения
ес/е~=1+5--^те-£.1 . (3.28)
Рс/Р^ 4- 6
После этого с помощью уравнения адиабаты можно
определить плотность воздуха у поверхности конуса
1
Ш=(я/рсГ = [(^/Роо)(/2оо//7с)]0’715. (3.29)
Входящее в эту формулу отношение ръ /р^ можно
определить из формулы (3. 25):
А/р~ = 1 +4" *м2>к =1 +0,7M2JK. (3.30)
Теперь можно найти значение температуры на грани-
це пограничного слоя с помощью характеристического
уравнения
Ть1Т^=(a/jPocXq+qs). (3.31)
89
Так как температура тормдя^ёнйя не мёнйётся йрй На-
личии скачков уплотнения, то
)
Г» (1 +i=dMl)=r8 (1 . (3.32)
Подставив в это уравнение значение величины пока-
зателя адиабаты (х=1,4) и сделав соответствующие пре-
образования, получим значение местного числа М8:
М^5[(Гво/П)(1+0,2М2оо)-1]. (3.33)
При аэродинамическом нагреве обтекателя, происхо-
дящем при сверхзвуковом полете летательного аппарата,
тепловые процессы и, следовательно, поле температур в
различных точках поверхностей обтекателя изменяются
во времени. Поэтому коэффициент теплоотдачи h и тем-
пература адиабатической стенки обтекателя Тг являются
функциями времени. Применяя уже известные формулы,
можно определить значения этих величин в зависимости
от времени (для заданного режима полета и конкретной
формы обтекателя).
После этого, зная теплофизические характеристики ке-
рамического материала можно уже перейти к определе-
нию температур в заданных точках по толщине стенки
обтекателя. В связи с тем, что перепад температур по
толщине стенки обтекателя (из-за малой теплопроводно-
сти керамических Материалов) значительно превышает
перепад температур по длине обтекателя и в окружном
направлении, с достаточной степенью точности можно
рассмотреть случай одномерного распределения темпе-
ратуры.
Схема распределения температуры по толщине погра-
ничного слоя и стенки обтекателя показана на рис. 3. 4.
Таким образом, можно считать, что удельный тепловой
поток Q, идущий на нагрев обтекателя, зависит от гра-
диента температур по толщине стенки обтекателя — и
dz
от коэффициента теплопроводности %:
(3.34)
90
Задача нахождения температур по толщине стенки об-
текателя сводится к решению дифференциального урав-
нения Фурье
=а , (3.35)
дг дгч
где z — координата по толщине стенки обтекателя;
т — время;
а — коэффициент температуропроводности со еле*
дующими граничными условиями:
При 2= боб
- * ^7^=Л W [Т’г W - <т)] ~ е8Г«; (3.36)
при г=0
(3.37)
дг
и начальными условиями Т (z, 0)~То.
Рис. 3. 4. Схема распределения темпера-
туры по толщине пограничного слоя и по
толщине стенки обтекателя:
б—толщина пограничного слоя: 60g—толщина
стенки обтекателя
Данная задача с приведенными граничными и началь-
ными условиями вследствие нелинейности уравнений мо-
жет быть разрешена численным методом, например, ме-
тодом конечных разностей.
В более высоких слоях атмосферы, где мала плотность
воздуха, нагрев поверхности обтекателя за счет конвек-
тивного теплообмена будет незначительным. В этих усло-
91
виях нагрев поверхности обтекателя происходит в основ-
ном за счет иных факторов.
Как уже отмечалось выше, резкий аэродинамический
нагрев может разрушить обтекатель. Поэтому для оценки
прочности обтекателя важно знать температурные напря-
жения в любой точке стенки обтекателя, возникающие за
счет температурных градиентов.
Если с помощью теплофизических расчетов или путем
непосредственных измерений определены значения тем-
ператур по толщине стенки обтекателя, то можно вычис-
лить значения температурных напряжений, возникающих
при тепловом ударе. Определение температурных напря-
жений в случае нестационарных температурных полей
является, в сущности, не статической, а динамической за-
дачей, которую, однако, часто можно рассматривать как
квазистатическую, пренебрегая влиянием ускорений.
В случае теплового удара термические напряжения на по-
верхности обтекателя можно определить по формуле
о = _еаТ_^ (3.38)
1 —|Л
где Е — модуль упругости;
а — коэффициент линейного расширения;
Т — скачок температуры;
ц — коэффициент Пуассона.
Эта формула справедлива для момента времени
t—-0 + , т. е. непосредственно после воздействия теплового
удара. Скачкообразное изменение температуры поверх-
ности или окружающей среды, положенное в основу по-
лучения этой формулы, представляет собой математиче-
скую идеализацию. На самом деле температура практиче-
ски возрастает от нуля до конечного значения за малый,
но все же отличный от нуля интервал времени. В этом
случае после определения температурного поля вызван-
ное им напряжение на наружной поверхности обтекателя
определяется по формуле:
0 (т)=-^- [Тср- (т) - Т (г, т)], (3.39)
1 —р. р
где
7'сР(^)=——
н d — у
толщине стенки обтекателя;
d
T(z,x)dz— средняя температура по
т
92
d — координата наружной поверхности обтекателя;
у — координата внутренней поверхности обтекателя;
z — координата по толщине стенки обтекателя;
т — время.
При выводе уравнения (3. 39) задача о тепловом уда-
ре рассматривалась упрощенно, в предположении, что
стенка обтекателя плоская. Очевидно, что это допущение
можно принять, так как толщина стенки мала по сравне-
нию с диаметром.
Для керамических обтекателей более опасны напряже-
ния растяжения, которые возникают на внутренней стен-
ке обтекателя.
При рассмотрении уравнения (3.39) можно сделать
вывод, что для обтекателей сверхзвуковых летательных
аппаратов выгоднее применять диэлектрические материа-
лы, имеющие небольшие значения модуля упругости и ко-
эффициента линейного расширения. Зная условия полета
и поле температур в стенке обтекателя, можно опреде-
лить механические напряжения в любой момент полета.
На рис. 3. 5 показаны расчетные кривые для обтекателя,
изготовленного из материала на основе окиси алюминия,
при различных числах М и высоте полета 18 /си. Наи-
большие напряжения соответствуют моменту максималь-
ного перепада между температурами на внешней и внут-
ренней поверхности обтекателя.
Между значениями напряжения и перепадом темпера-
тур по толщине обтекателя существует линейная зависи-
мость. На рис. 3. 6 показана зависимость напряжения от
величины перепада температур между внутренней и на-
ружной поверхностью для обтекателей, изготовленных из
различных материалов. Оценивая способность материа-
лов выдерживать тепловой удар, при рассмотрении этого
графика необходимо учитывать, что максимальный пере-
пад температур будет различным при одной и той же
скорости полета для различных материалов. Например,
при скорости М = 4 для обтекателя, изготовленного из
материала на основе окиси алюминия (глиноземистая ке-
рамика), максимальный перепад температур составляет
28° С, а.для обтекателя, изготовленного из супр /мика 555,
максимальный перепад будет 275° при этой же скорости.
Зная напряжения, возникающие в обтекателе от аэро-
динамических нагрузок и аэродинамического нагрева,
можно определить коэффициенты запаса прочности в ха-
93
рактерных сечениях обтекателя. Коэффициенты запаса
прочности п определяются путем сравнения предела проч-
ности применяемого диэлектрического материала с рас-
считанным суммарным эксплуатационным напряжением
от всех видов нагрузок по формуле:
п—— ,
«С/
где ов — предел прочности применяемого диэлектриче-
ского материала;
Ос — суммарное напряжение, возникающее от аэро-
динамических нагрузок и аэродинамического
нагрева.
Рис. 3. 6. Зависимость меха-
нических напряжений от ве-
личины перепада температур
между наружной и внутрен-
ней стенкой обтекателей, из-
готовленных из различных
материалов:
/—глиноземистая керамика; 2—
пиронерам 9606; <?—супрамик 555;
4—пирокерам 9605
1500
1000
° 500
/ г 3 ц 5 6 7
t сек.
Рис. 3. 5. Зависимость меха-
нических напряжений, возни-
кающих в обтекателе, от
времени полета
О
На обтекатель воздейст-
вует также ряд дополнитель-
ных нагрузок: инерционные
перегрузки, вибрации, удар-
ные нагрузки, акустические
воздействия и т. д. Возникающие напряжения от воздей-
ствия перечисленных факторов в определенных случаях,
особенно при длительной эксплуатации обтекателя, мо-
гут достигнуть опасных величин. Однако расчет этих ве-
личин весьма затруднителен из-за случайного характера
их воздействия на обтекатель. Поэтому в настоящее вре-
мя возможна только вероятностная оценка, основанная на
лабораторных и летных испытаниях,
94
3.4. КЛИМАТИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ
При конструировании обтекателей особенно многора-
зового действия необходимо обращать внимание на воз-
можность проникновения водяных паров и влаги внутрь
диэлектрической стенки обтекателя. Это явление сильнее
всего проявляется при воздействии воздуха, имеющего
высокую температуру и большую относительную влаж-
ность, т. е. в районах с тропическим и субтропическим
Рис. 3.7. Частотная харак-
теристика диэлектрической
постоянной воды (Т=25°С)
Рис. 3.8. Зависимость тан-
генса диэлектрических потерь
воды (Т=25°С) от частоты
климатом. Проникновение влаги внутрь стенки обтекате-
ля приводит к значительному увеличению диэлектриче-
ской проницаемости используемого диэлектрического ма-
териала. Вода имеет очень большую диэлектрическую по-
стоянную по сравнению с диэлектрическими материалами,
используемыми для изготовления обтекателей. На
рис. 3.7 приведена частотная характеристика диэлек-
трической постоянной воды при температуре 25° С. Оче-
видно, что даже незначительное проникновение влаги
внутрь стенки приводит к существенному изменению элек-
трической толщины обтекателя. Изменения электрической
толщины в свою очередь приводит к ухудшению радио-
технических параметров обтекателя.
Вода имеет также более высокое значение величины
тангенса угла диэлектрических потерь по сравнению с ма-
териалами, применяемыми для изготовления обтекателей.
Поэтому вода, проникающая внутрь стенки, по этой при-
чине может значительно увеличить диэлектрические поте-
ри обтекателя. На рис. 3. 8 дана зависимость тангенса
95
угЛа диэлектрических потерь воды при температуре 25s С
от частоты. Как видно из рассмотрения этого графика,
наибольшее значение величины тангенса угла диэлектри-
ческих потерь у воды наблюдается на частоте f—10го гц.
Для предотвращения попадания влаги внутрь стенки
необходимо обтекатель защищать специальными лако-
красочными покрытиями. Особенно нуждаются в такой
защите стеклопластиковые материалы и некоторые дру-
гие диэлектрические материалы с открытой пористостью.
Применяются также и другие методы защиты обтекате-
лей от проникновения влаги. Например, обтекатель, из-
готовленный из материала на основе плавленого кварца,
можно защитить от влаги путем глазирования его поверх-
ности в пламенной струе.
Кроме того, появление воды на поверхности обтекате-
ля при неблагоприятных атмосферных условиях может
привести к обледенению. Как известно, сухой лед являет-
ся диэлектриком. В сантиметровом диапазоне длин волн
при температуре —12° С диэлектрическая постоянная
льда равна 3,2, а тангенс угла диэлектрических потерь
имеет величину 0,00018. Следовательно, в этих условиях
диэлектрическая постоянная льда примерно равна диэлек-
трическим постоянным некоторых диэлектрических мате-
риалов. Но слой обледенения достигает в ряде случаев
значительных величин. Поэтому можно считать, что слой
льда равномерной толщины, находящийся на поверхности
обтекателя, приводит к равномерному увеличению тол-
щины его диэлектрических стенок. Это приводит к изме-
нению расчетной толщины обтекателя, а следовательно, и
к ухудшению радиотехнических параметров.
Имеется несколько известных способов борьбы с об-
леденением: применение специальных антиобледенитель-
ных покрытий, химические способы, механические спосо-
бы и тепловые способы. В качестве антиобледенительных
покрытий применяются тонкие пленки материалов, мало-
чувствительных к обледенению, например, покрытие из
неопрена. При химическом способе борьбы с обледенени-
ем поверхность обтекателя периодически смазывается
антиобледенительными пастами или жидкостями.
При использовании первых двух способов надо обра-
щать внимание на то, чтобы эти постоянные или времен-
ные покрытия не оказывали влияния на радиотехнические
параметры обтекателя.
96
При механическом способе слой лида с Поверхности
обтекателя удаляется с помощью какого-либо механиче-
ского воздействия. Например, обтекатель покрывается
синтетической резиновой пленкой, которая периодически
заполняется воздухом для разрушения образовавшегося
льда.
Тепловой способ предусматривает обогрев поверхности
обтекателя, например, за счет нагретого воздуха, пропу-
скаемого через полости внутри стенки обтекателя. Осо-
бенно удобно применять этот способ для обтекателей,
изготовленных из многослойного материала. Для этой
цели можно применять и электрообогрев путем примене-
ния металлических проводников, размещенных внутри
стенки обтекателя. Следует заметить, что металлические
проводники используются в некоторых конструкциях об-
текателей в качестве реактивных компенсирующих эле-
ментов.
Дождь является причиной еще одного воздействия на
обтекатель. При прохождении летательным аппаратом
зоны дождя обтекатель подвергается эрозии. Под эрозией
в этом случае понимается унос мельчайших частиц ма-
териала обтекателя от ударного воздействия дождевых
капель. На больших скоростях ударные воздействия во-
дяных частиц настолько возрастают, что они могут при-
вести к разрушению обтекателя. Исследования, проведен-
ные с различными материалами, показывают, что величи-
на эрозии зависит от интенсивности дождя, скорости ле-
тательного аппарата и от механических свойств материа-
ла. Это можно выразить с помощью следующей формулы:
(3.40)
где 7? — количество вещества, уносимого за час с квад-
ратного сантиметра поверхности обтекателя,
в мм3/см2;
К — коэффициент, связанный со свойствами матери-
ала обтекателя;
М — интенсивность дождя в мм/час;
V — скорость летательного аппарата в м/сек;
х — показатель, зависящий от скорости полета и
свойств материала обтекателя; обычно лежит
в пределах 6—8 в зависимости от применяемого
материала.
4 5306
97
Вследствие того, что величина эрозии зависит от угла
между поверхностью обтекателя и вектором скорости, то
для конуса с углом при вершине 2а можно приближенно
записать, что
R=KMVX sin а. (3.41)
Для защиты обтекателей от эрозии применяют специ-
альные покрытия, которые обладают большей упругостью
или твердостью по сравнению с материалом обтекателя.
Примером такой защиты от эрозии является тонкое по-
крытие на основе неопрена с подложкой из антистатиче-
ского слоя, предназначенного для стекания электростати-
ческих зарядов с обтекателя. Такое покрытие за счет
своей эластичности поглощает кинетическую энергию ча-
стиц воды. Однако на высоких скоростях (М>2) неопре-
новое покрытие становится неэффективным. На этих ско-
ростях целесообразно применять керамические покрытия,
которые будут противостоять эрозии за счет своей твер-
дости. Так как передняя часть обтекателя более подвер-
жена эрозии, то вершины обтекателей обычно имеют ме-
таллические наконечники.
Глава 4
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ОБТЕКАТЕЛЕЙ
. Обтекатели, устанавливаемые на современных сверх-
скоростных летательных аппаратах, как уже отмечалось
выше, должны выдерживать те же аэродинамические на-
грузки и все другие воздействия, которые действуют на
весь летательный аппарат в целом, и при этом сохранять
в определенных пределах требуемые радиотехнические
параметры. В первую очередь это относится к носовым
обтекателям, работающим в особо неблагоприятных ус-
ловиях. Следовательно, диэлектрические материалы, при-
меняемые для изготовления антенных обтекателей, долж-
ны обладать необходимыми механическими и электриче-
скими свойствами для обеспечения „безотказной работы
этих обтекателей во всех условиях эксплуатации лета-
тельного аппарата.
Создание таких материалов в настоящее время явля-
ется сложным делом, т^к как скорости современных лета-
тельных аппаратов в несколько раз превысили скорость
звука.
При выборе диэлектрического материала для созда-
ния обтекателя необходимо учитывать область его при-
менения. Например, требования, предъявляемые к обте-
кателям многоразового действия (самолетные обтекате-
ли), существенно отличаются от требований, предъявляе-
ных к обтекателям одноразового действия (ракетные об-
текатели) . Особое внимание при оценке диэлектрическо-
го материала надо обратить на стабильность его свойств
в заданном интервале температур.
Для изготовления антенных обтекателей летательных
аппаратов сначала использовали пластмассы (метакри-
4*
99
лат, полистирол, политен), а на самом раннем этапе —
даже пропитанную специальным составом фанеру. Эти
материалы имели серьезные недостатки: их прочностные
и электрические характеристики заметно ухудшались
уже на сравнительно низких температурах. Позднее все
эти материалы были вытеснены стеклопластиками, кото-
рые в настоящее время являются основными материала-
ми для изготовления антенных обтекателей. Однако в по-
следнее время с ростом скоростей летательных аппаратов
в обтекательной технике все шире начинают внедряться
новые керамические материалы. К таким материалам в
первую очередь относятся стеклокристаллические мате-
риалы/материалы на основе окиси алюминия и материа-
лы на основе плавленого кварца.
4.1. СТЕКЛОПЛАСТИКИ
Стеклопластики для изготовления обтекателей нача-
ли применяться еще во время второй мировой войны.
Однако и в настоящее время благодаря своей высокой
механической прочности, хорошим электрическим свой-
ствам и технологичности стеклопластики все еще продол-
жают оставаться основным материалом для изготовления
антенных обтекателей.
Стеклопластик представляет собой материал, состоя-
щий из стеклоткани (наполнитель) и синтетической смо-
лы (связующее), причем наполнитель является неоргани-
ческим материалом, а связующее имеет органическое
происхождение. Кроме того, в состав материала входят
газовые (воздушные) включения в виде открытых и за-
крытых пор.
Первый компонент стеклопластика — стекловолокно
является упрочняющим элементом. Оно воспринимает на
себя основные нагрузки, действующие на весь материал
в целом. Широкое применение стекловолокна в качестве
наполнителя связано с его очень высокой механической
прочностью по сравнению с другими природными и син-
тетическими волокнами.
В табл. 4. 1 показаны сравнительные физико-механи-
ческие свойства различных волокон.
Стекловолокно обладает также хорошими электроизо-
ляционными свойствами: при воздействии пламени оно
не горит, а только плавится, не поглощает влагу как во-
100
Таблица 4,1
Некоторые физико-механические свойства различных волокон
Вид волокна Удельная плот- ность г/см3 Предел прочности при растяжении кГ/см2 Модуль упругости кГ/см^ Удельная проч- ности (предел прочности в кГ/см^, деленный на удельную плотность)
Стеклянное 2,48 12 500—25 000 200000—700 000 5000—10000
Крафтцеллюлозное — 9100 785 000 —
Вискозное вытянутое — 7560 86900 —
Нейлоновое 1,14 5040 46 000 4400
Хлопчатобумажное 1,54 4760 47000 3 080
локна органического происхождения и поэтому не под-
вержено гниению. ’Однако попадание на стекловолокно
конденсированной влаги приводит к снижению его проч-
ности.
Производство стекловолокон заключается в их вытя-
гивании при большой скорости из стекломассы, получае-
мой путем расплавления в электрических печах стеклян-
ных шариков. Обычно диаметр элементарных волокон,
применяемых для изготовления стеклопластиков, нахо-
дится в пределах 7—9 мкм. Стеклянные волокна после
выхода из печи замасливаются для их склеивания в одну
прядь. Далее стеклянные пряди наматываются на баби-
ны и затем поступают на крутильные машины и ткацкие
станки, где из них и получают стеклоткань. Обычно для
производства стеклопластиков применяют три основных
вида переплетений (гарнитурное, сатиновое и саржевое).
Стеклопластики на основе стеклотканей сатинового пере-
плетения обладают оптимальными физико-механическими
свойствами.
Для примера в табл. 4.2 даны характеристики некото-
рых марок стеклотканей, применяемых для изготовления
стеклопластиков.
Второй основной компонент стеклопластика — синте-
тическая смола служит для связи стеклянных волокон в
единую систему, а также для обеспечения одновременно-
сти работы всех стекловолокон при различных деформа-
циях стеклопластика. В отличие от пропитки других тка-
ней, например, хлопчатобумажных или шелковых при
производстве стеклопластика смола не проникает внутрь
структуры волокна, а только лишь обволакивает стекло-
волокно. Поэтому от связующих смол требуется макси-
мальная адгезия к стекловолокну. Свойства стеклопла-
стика находятся в прямой зависимости как . от свойств
стеклоткани, так и от свойств связующего. Поэтому свя-
зующие смолы должны обладать хорошими электроизо-
ляционными свойствами, высокой прочностью, термостой-
костью, водостойкостью и т. д.
В табл. 4. 3 показано, как изменяются некоторые свой-
ства стеклопластика от процентного содержания смолы.
В производстве стеклопластиков, применяемых для из-
готовления обтекателей, в качестве связующего наиболь-
шее распространение получили полиэфирные, эпоксидные,
фенольные и кремнийорганические смолы.
102
Таблица 4.2
карактеристики стеклотканей
(содержание замасливателя 2,5%)
Марка* стеклоткани Толщина, мм Масса 1 м2 ткани г Плотность (число нитей на 1 см) Разрывная нагрузка (полоска 25X100 мм) кГ гост, ТУ
Осно- ва Уток Осно- ва Уток
Э 0,06 68 ±7 20± 1 20± 1 25 20 гост 8^81—57
Э 0,08 100±15 20±1 22 ±2 30 25 ГОСТ 8481—57
э 0,1 105±15 20±1 22±2 30 30 ГОСТ 8481—57
т 0,22 285 ±15 16± 1 10±1 170 105 ГОСТ 8481—57
АСТТ6-С1 0,25 —310 38 ±2 18±1 220 100 ВТУ М814—59
АСТТб-С2 0,35 -400 22±1 13±1 250 150 ВТУ М814—59
* Стеклоткани марок Э и Т имеют гарнитурное переплетение,
марок АСТТб-С] и АСТТ6-С2-—сатиновое.
Таблица 4.3
Изменение некоторых свойств стеклопластика от процентного
содержания смолы
Процентное со- держание смолы в стеклопластике Удельная плотность г)см^ Диэлектричес- кая постоянная Модуль упру- гости кГ/см2
43 1,67 4,23 101000
41 ,6 1,70 4,30 90000
36,3 1,72 4,10 147000
32,6 1,64 4,06 144000
31,7 1,68 4,06 143000
27,8 1,50 3,79 129000
24,6 1,50 3,73 115000
103
Стеклопластики по сравнению с другими материалами
обладают рядом положительных качеств. Они имеют вы-
сокую механическую прочность при сравнительно хоро-
ших электрических характеристиках. Плотность стекло-
пластиков колеблется в пределах 1,5—2,0 г/см3.
Стеклопластики имеют довольно пористую структуру.
В поры материала, если не предусмотреть особой защиты,
может попадать влага и другие вещества. В результате
этого у стеклопластика ухудшаются механические и элек-
трические свойства.
Механические свойства стеклопластика определяет в
первую очередь стеклоткань, а также связующее. Стекло-
пластики имеют большую механическую прочность, а их
удельная прочность, т. е. прочность, отнесенная к удель-
ной массе, часто даже превышает удельную прочность
таких материалов, как сталь, дюралюминий и титан. Кро-
ме этого, стеклопластики хорошо выдерживают ударные
и динамические нагрузки и обладают хорошей демпфи-
рующей способностью, что особенно важно при примене-
нии стеклопластиков в авиации и ракетной технике. Пре-
дел прочности стеклопластиков при изгибе достигает ве-
личины более 5000 кГ/см2. Однако при сжатии (особен-
но вдоль слоев) стеклопластик имеет значительно мень-
ший предел прочности.
Чтобы дать окончательное суждение о годности мате-
риала, необходимо знать механические характеристики в
рабочем интервале температур.
Механические характеристики стеклопластиков при
нагреве довольно значительно изменяют свое значение.
Поэтому знание механических свойств стеклопластиков
при нормальной температуре дает только ориентировоч-
ное понятие о возможности применения данного мате-
риала. >
Стеклопластики имеют сравнительно небольшой коэф-
фициент линейного расширения. Обычно он колеблется
в пределах (1-4-20) 10-6 \]град. Это дает возможность
стеклопластику легко сочленяться с другими материала-
ми, например, с металлами. В отличие от других одно-
родных материалов стеклопластик обладает различными
коэффициентами линейного расширения по толщине и
длине материала.
Теплостойкость стеклопластика обычно оценивается
по Мартенсу. Это температура, при которой испытуемый
104
образец с напряжением при статическом изгибе 50 кГ!см*
деформируется таким образом, что конец рычага с гру-
зом, укрепленным на образце, опускается на 6 мм. Ско-
рость нагрева образца при этом равна 50° С в час. Одна-
ко эта характеристика, а также другая характеристика
теплостойкости (зависимость деформации от температу-
ры), как показывает практика, не дает полного представ-
ления о тех процессах, которые происходят со стеклопла-
стиками в условиях скоростного полета при односторон-
нем нагреве материала.
Стеклопластики обладают сравнительно хорошими
электрическими характеристиками (в и tg б) на сантимет-
ровом диапазоне волн. Однако диэлектрическая прони-
цаемость и тангенс угла диэлектрических потерь изменя-
ются в довольно значительных пределах при воздействии
нагрева. При дальнейшем повышении температуры элек-
трические характеристики претерпевают еще более зна-
чительные изменения. В табл. 4. 4 даны некоторые основ-
ные свойства стеклопластиков, изготовленных на основе
различных смол.
4.2. МЕТОДЫ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБТЕКАТЕЛЕЙ
ИЗ СТЕКЛОПЛАСТИКА
При выборе методов изготовления обтекателей надо
принимать во внимание целый ряд факторов: требования,
предъявляемые к обтекателю; габариты, форму и тол-
щину стенки; количество выпускаемой партии обтекате-
лей; стоимость обтекателей и технологической оснастки;
квалификацию обслуживающего персонала и т. д. В стек-
лопластике только смола обладает текучестью, а стекло-
ткань малоподвижна. Поэтому процесс формования
стеклопластиковых изделий существенно! отличается от
формования изделий из других материалов, обладаю-
щих текучестью.
В настоящее время существует много методов изго-
товления стеклопластиковых обтекателей.
.При изготовлении однослойных и многослойных обте-
кателей применяются в основном одинаковые технологи-
ческие операции (конечно, с учетом некоторых специ-
фических особенностей). Из многослойных обтекателей
наиболее широкое применение нашли трехслойные конст-
рукции. Они обычно состоят из двух тонких жестких стек-
105
Таблица 4.4
Свойства стеклопластиков, изготовленных на основе различных смол
Параметр ВФТ-С (модифи- цированная фено- лоформальдегид- ная смола). Стеклоткань АСТТб-С2 ЭФ32-301 (эпоксидно- фенольная смола). Стеклоткань АСТТб-С2 ФН (феноло-фур- фурольноформаль- дегидная смола). Стеклоткань АСТТб-Сэ
Плотность (при 20° С) в tjcM^ 1,8 1,73 1,59
Во до поглощение в % 1,15 0,28 1,55
Бензопоглощение в % 1,75 0,07 1,02
Керосинопоглощение в % 1,5 0,38 1,98
Маслопоглощение в % 0,6 0,55 2,25
Коэффициент линейного расширения а в \[град (7,94-8,7) -10-6 (при —30-5- +100° С) 3,3-10-6 (при 110-5-180° С> 1,2-10—6 (при 190-=-250о С) 6,2-10—6 (при 204-100° С) 6,2«10~6 (при 204-100° С)
Коэффициент теплопроводности X в ккал (м* час-град) 0,28-5-0,3 (при —30-ь+100° С) 0,3-н0,37 (при 20--1000 С) 0,374-0,33 (при 1004-200° С) 0,31 (при 204-100° С) 0,30 (при 1004-300° С)
Температуропроводность а в м%/ч 7-5-9-10—4 (при —30-5- +100° С) 7,5.10—4 (при 20-5-100° С) 7,14-6,8-10~4 (ПрИ 1004-200° С) (6,64-6,1). 10-4 (при 204-100° С) (6,14-6,6)‘10-4 (при 1004-300° С)
Удельная теплоемкость с в ккал!(кг• град)
Теплостойкость по Мартенсу в °C
Предел прочности при растяжении в кГ/см^
по основе
по утку
Модуль упругости при растяжении в кГ1см2
по основе
по утку
под углом 45°
Предел пропорциональности по основе вкГ/см^
Предел прочности при сжатии в кГ!см2
вдоль слоев
перпендикулярно слоям
Предел прочности при статическом изгибе
в кГ[см2
Удельная ударная вязкость в кГ-см/см^
по основе
по утку
Предел прочности при сдвиге (скалывании)
g вдоль слоев в кГ}см^
0,23-^0,25 (при —30— 4-100° С) 0,22—0,29 (при 20—100° С) 0,3—0,28 (при 100—200° С) О,3н-О,32 (при 20-100° С) 0,32—0,3 (при- 100-300°С)
240 (при „ЗОч-4-100° С) 241 (при 20-100° С) 270—-320 (при-- 20—100° С)’
4000 4080 3500
2490 2250 1950
217000 220000 188500
— 163000 96800
— — 73800
2000 — 1220’
1715 2600 1070
3580 4200 —
3375 4140 2135
105 148 180
85 120 —
190 65 125
QO
Параметр
Модуль сдвига в кГ1см%
по основе
по утку
под углом 45°
Коэффициент Пуассона
по основе
по утку
под углом 45°
Тангенс угла диэлектрических потерь (при
/=•1010 гц)
в нормальных условиях
после выдержки в течение 48 часов при
относительной влажности <р=95%
при 170°
при 200°
при 240°
Диэлектрическая проницаемость (при/==10Ю гц)
в нормальных условиях
после выдержки в течение 48 часов при
относительной влажности <р=95%
при 170°
при 200°
при 240°
Продолжение
ВФТ-С (модифи- цированная фено- лоформальдегид- ная смола). Стеклоткань АСТТб-С2 ЭФ32-301 (эпоксидно- фенольная смола). Стеклоткань АСТТб-С2 ФН (феноло-фур- фурольноформаль- дегидная смола). Стеклоткань АСТТб-С2
34000 35000 25000
25800 35000 25000
— 104500 60000
0,15 0,203 0,056
0,09 0,122 0,035
— 0,622 0,45
0,01—0,02 0,014—0,017 0,016—о,о2а
0,02—0,035 0,15 0,025
0,045 —
0,022—0,03 0,042 0,016
0,025—0,034 — —
4,25—4,5 4,5—4,7 3,80—3,95
4,55-4,7 4,82 4,01
5,2 —
4,5—4,8 5,35 —
4,6—4,8 — —
лопластикдвых оболочек и внутреннего слоя заполнителя
с малой плотностью. В качестве заполнителя широко при-
меняется пенопласт, соты на основе стеклопластика, губ-
чатая резина и другие материалы. На рис. 4. 1 показав
эскиз части поверхности трехслойного обтекателя с сото-
вым наполнителем.
Процесс изготовления стеклопластиковых обтекателей
можно разделить в общем случае на несколько основных
технологических операций.
1. Подготовка стекло-
ткани и связующего.
Необходимо правильно подго-
товить связующее. Для этого в
смолу добавляют специальные
добавки и тщательно размеши-
вают; стеклоткань термически
обрабатывают или промывают
для удаления замасливателя со
стеклянных волокон. Затем
стеклоткань раскраивают для
последующей выкладки на спе-
циальную форму, повторяющую
обводы изделия. Форму, кото-
рая будет соприкасаться со
стеклопластиком, необходимо
покрыть специальной раздели-
тельной смазкой для обеспече-
Рис. 4. 1. Эскиз части обте-
кателя трехслойной сотовой
конструкции
ния легкого извлечения изделия в конце работы.
2. Предварительное формование. Стекло-
тканевый раскрой накладывают на форму, повторяющую
обводы изделия, и закрепляют на ней каким-либо спосо-
бом, например, сшивают с помощью стеклонити. Укладку
стеклоткани можно проводить «мокрым» или «сухим»
методом. При «мокром» методе стеклоткань сначала
укладывают на форму, а затем подвергают пропитке свя-
зующим. При «сухом» методе стеклоткань пропитывают,
просушивают, раскраивают и только затем укладывают
на форму. Набор стеклоткани по «мокрому» методу по-
зволяет вести дальнейшее формование изделий без вы-
соких давлений. Кроме того, при этом методе облегчается
укладка стеклоткани на форму.
Однако он имеет и существенные недостатки по срав-
нению с «сухим» методом. К этим недостаткам относят-
109
Ся: длительность процесса формования’ тяжелые усло-
вия труда для обслуживающего персонала и значитель-
ный разброс физико-механических показателей готового
изделия даже при использовании стеклоткани и связую-
щего одной партии. Формование «мокрым» способом
обычно применяется при изготовлении изделий сложных
форм, так как непропитанную связующим стеклоткань в
этом случае можно легко уложить по форме.
Операция предварительной формовки очень трудоем-
ка и требует ручного труда. Однако трудоемкость этой
операции можно снизить путем применения набора цель-
нотканых колпаков, по форме соответствующих конфи-
гурации изделия, а также за счет предварительной фор-
мовки изделия путем намотки стеклоткани или пряди из
стеклянных нитей.
3. Окончательное формование. При этой опе-
рации происходит спрессовывание выложенных слоев
стеклоткани, пропитанных связующим, путем приложения
равномерного давления, нормального к каждой точке по-
верхности формуемого изделия. Последующее отверж-
дение связующего при воздействии температуры фикси-
рует окончательную форму изделия. Это очень важная
операция, после которой изделие приобретает почти все
свои характеристики.
Различные методы изготовления обтекателей получи-
ли свое название именно в зависимости от метода полу-
чения давления, необходимого для прессования изделий.
В настоящее время в основном обычно используются сле-
дующие методы изготовления обтекателей: вакуумный
метод, автоклавный метод, метод прямого прессования,
метод пропитки под давлением. При всех методах окон-
чательной формовки необходимо обращать внимание на
усадку материала.
Вакуумный метод
Этот метод не требует сложного дорогого оборудова-
ния и его часто применяют для опытного или мелко-серий-
ного производства. На рис. 4. 2 показана схема вакуум-
ной формовки обтекателя. Давление, необходимое для
прессования изделий при этом методе, образуется за счет
разницы между наружным атмосферным давлением и
внутренним разрежением, получаемым в пространстве
ПО
между резиновым мешком и жесткой формой. Величина
этого давления в разных установках колеблется в преде-
лах 0,5—0,9 кГ/см?. Получение равномерного давления
основано на свойстве передачи давления упругой среды
через эластичную деталь — резиновый мешок. Поэтому
давление передается через резиновый мешок равномерно
и нормально во всех точках поверхности. Под действием
Рис. 4. 2. Схема вакуумной формовки обтекателя:
а — пресс-форма позитивного типа:
/—резиновый мешок; 2—формуемое изделие; 3—пресс-форма по-
зитивного типа; 4—к вакуумному насосу:
б—'пресс-форма негативного типа.
/—резиновый мешок; 2—формуемое изделие; 3~пресс-форма не-
гативного типа; 4—к вакуумному насосу
этого давления пакет стеклопластика прижимается к твер-
дой пресс-форме и принимает требуемую конфигурацию.
При таком способе формования очевидно, что по-
верхность, соприкасающаяся с жесткой формой, будет
иметь более гладкий вид, чем поверхность, соприкасаю-
щаяся с резиновым мешком. Иногда для улучшения этой
поверхности между пакетом стеклоткани и резиновым
мешком размещают цулагу, представляющую собой
тонкую металлическую или стеклопластиковую оболочку,
имеющую конфигурацию изделия.
Пресс-форму, на которой производится прессование
изделия, можно изготовить из любого материала, обла-
дающего достаточной жесткостью и необходимой конфи-
гурацией. Не допускается никакого химического взаимо-
действия пресс-формы с пакетом стеклопластика во время
J11
формования изделия. Обычно пресс-форму делают из
гипса, металла, пластмасс и дерева. Дерево чаще всего
используется в опытном производстве. В зависимости от
того, какую поверхность изделия требуется получить бо-
лее качественной, применяются пресс-формы позитивного
или негативного типа. Если требуется, чтобы внутренняя
поверхность была гладкой, то используют пресс-форму
позитивного типа и наоборот.
Так как от обтекателей требуются хорошие аэродина-
мические качества, то при изготовлении обычно применя-
ют негативные пресс-формы. Однако работа с позитивны-
ми пресс-формами более проста по причине удобства вы-
кладки на них стеклоткани. При укладке стеклоткани
«мокрым» способом заготовка из стеклопластика плотно
обкатывается вручную специальными валиками для уда-
ления воздушных включений.
Этот метод очень прост, но он не обеспечивает строго
равномерного распределения связующего по поверхности
изделия. Для уменьшения времени отверждения иногда
установку помещают в нагревательную камеру. Более со-
вершенным методом является нагрев прессуемого изде-
лия через цулагу, в которой размещены нагревательные
элементы.
Автоклавный метод
Этот метод целесообразно применять для изготовле-
ния крупногабаритных изделий. Например, таким спосо-
бом изготовлен обтекатель длиной 4,5 м для американ-
ского самолета ХВ-70 «Валькерия». При автоклавном ме-
тоде формования давление достигает 5—25 кГ!см?. При
таком давлении получаются плотные высокопрочные из-
делия. Схема автоклавной установки показана на
рис. 4.3. Давление при этом методе создается паром,
водой или сжатым воздухом. При этом методе чаще всего
применяется пресс-форма позитивного типа, на которую
укладывается стеклопакет. Давление, как И'при вакуум-
ном методе, передается на формуемое изделие через
резиновый мешок и цулагу. Так как пресс-форма в авто-
клаве испытывает равномерное давление со всех сторон,
то она может иметь облегченную конструкцию.
Нагрев формуемого изделия в автоклаве может про-
изводиться двумя способами. При первом способе нагрев
U2
производится при помощи пара или горячей воды, исполь-
зуемых для создания давления, при втором способе — при
помощи электронагревателей, расположенных в самой
пресс-форме или в цулаге.
Рис. 4. 3. Схема автоклавной установки:
/—резиновый мешок; 2—цулага с электрообогревом; 5—формуе-
мое изделие; 4—пресс-форма; 5—плита основания; 6—тележка;
7—автоклав
Размещение пресс-формы на легко передвигаемой те-
лежке создает определенные удобства при серийном про-
изводстве обтекателей.
Метод пресс-камеры
Этот метод широко применяется в серийном производ-
стве. Усложнение оснастки окупается высокой производи-
тельностью и стабильностью технологических процессов.
Давление при этом достигает величины 1,5—5 кГ/см2.
Схема формования показана на рис. 4. 4. Легкий перфо-
рированный каркас 1 с надетым на него чехлом из термо-
стойкой резины 2, имеющим форму изделия, образовыва-
ют эластичный пуансон, на который укладывается стек-
лоткГань 3. В нижней части пуансон плотно* прикрепляет-
ся к плите основания 4. Таким образом, формуемое изде-
лие находится в герметичном замкнутом пространстве
между эластичным пуансоном и жесткой металлической
матрицей 5, которая для удобства сделана из двух разъ-
пз
емных частей. Процесс прессования происходит путем
подачи сжатого воздуха, воды или пара внутрь пуансона
через трубопровод 6. Давление упругой среды действует
на эластичный пуансон и с помощью него стеклоткань
плотно прижимается к жесткой матрице, приобретая при
этом нужную форму. При этом методе изделия получают -
Рис. 4. 4. Схема формования обте-
кателя методом пресс-камеры:
/—перфорированный каркас; 2— резино-
вый чехол: 3— формуемое изделие; 4—
плита основания; 5— металлическая по-
луматрица; 6—трубопровод
ся прочными и с хоро-
шими физико-механиче-
скими свойствами. На-
грев заготовки обычно
осуществляется при по-
мощи нагревателей,
размещенных в мат-
рице.
Недостаток метода
пресс-камеры заключа-
ется в необходимости
применения прочных и
массивных форм. Кро-
ме того, при формовке
высоких изделий кони-
ческой формы эластич-
ный пуансон испытыва-
ет неодинаковое давле-
ние по своей длине. Это
приводит к тому, что
стенки обтекателя мо-
гут получиться с разной
плотностью.
Надо отметить, что способ пресс-камеры широко ис-
пользуется для изготовления трехслойных изделий. Трех-
слойный обтекатель с наполнителем изготовляется сле-
дующим способом. Сначала по отдельности формуется
внешняя и внутренняя стеклопластиковые оболочки.
Во внешнюю оболочку, размещенную в матрице, залива-
ется смола, содержащая пенообразователь. Затем туда
вставляется пуансон с размещенной на нем внутренней
оболочкой. При нагреве смола вспенивается и заполняет
промежуток между внешней и внутренней оболочкой об-
текателя. Надо отметить, что при этом методе приходится
применять массивные и прочные формы, так как процесс
пенообразования сопровождается значительным давлени-
ем на стенки.
U4
С помощью пресс-камеры можно изготовить трехслой-
ный обтекатель и с сотовым наполнителем. Обычно фор-
муют одну из стеклопластиковых оболочек, затем накла-
дывают на нее сотовый наполнитель и вторую оболочку.
После этого происходит формование всего изделия.
Иногда перед укладкой верхней оболочки обтекателя
для получения требуемой точности применяют механиче-
скую обработку наполнителя.
Метод прямого прессования
Этот метод применяется в крупносерийном производ-
стве для изготовления изделий упрощенной формы. Дав-
ление при этом методе в некоторых установках достига-
ет до 15 кГ[см2. Схема формования изделий методом пря-
мого прессования показа-
на на рис. 4. 5. Прессова-
ние производится при по-
мощи жесткого пуансона,
установленного на плите
пресса, и жесткой матри-
цы. Формование изделия
обычно ведется с по-
мощью «сухого» метода,
т. е. из предварительно
пропитанных связующим
и затем высушенных ли-
стов стеклопластика. Обо-
грев пресс-форм во время
прессования производится
самыми различными спо-
собами.
Рис. 4. '5. Схема формования
обтекателей методом прямого
прессования:
/—плита пресса; 2—пуансон; 3—мат-
рица; 4—формуемое изделие
Недостатком метода является то, что при помощи его
нельзя изготовить изделия остроконечных форм, которые
в этом случае будут иметь переменную плотность из-за
неравномерно приложенного давления во время прессо-
вания. Допускается формование только таких изделий, у
которых все их плоскости располагаются под углом не
менее 15° к направлению прессования.
Высокая стоимость оборудования и трудность изго-
товления пуансона и матрицы больших размеров ограни-
чивают размер изделий, изготовляемых по методу пря-
115
могб прессования. Ёсли число выпускаемых изделий не
оправдывает затрат на оборудование, то применение это-
го метода нецелесообразно.
Метод пропитки под давлением
Этот метод характерен использованием довольно
сложного и дорогостоящего оборудования. Но все затра-
ты окупаются, когда требуется изготовление высокока-
чественных изделий. При этом методе используется спо-
собность смолы растекаться по форме под действием при-
ложенного давления. Это давление можно создавать
Рис. 4. 6. Схема формования обтекателей методом пропитки под
давлением:
а—система вакуумной пропитки;
/—смола; 2—запорный кран; 3—смотровое стекло; 4—к вакуумному насосу;
5—бачок для смолы; 6—формуемое изделие;
б—система пропитки при положительном давлении:
/—запорный кран; 2—смотровое стекло; 3—бачок для смолы; 4—подача сжа-
того воздуха; 5—смола; 6—формуемое изделие
двумя способами: путем создания вакуума в пространст-
ве между матрицей и пуансоном либо путем подачи (на-
гнетания) положительного давления в это же простран-
ство.
Формование изделия при вакуумной пропитке произ-
водится следующим образом (рис. 4. 6, а). На жесткий
пуансон, имеющий конфигурацию изделия, укладывается
пакет стеклоткани. После этого на него надевается жест-
кая матрица, причем зазор между матрицей и пуансоном
116
дблжен быть точно выдержан по* Заданным размерам.
Места соединения пуансона и матрицы герметизируются.
После включения вакуум-насоса в рабочем объеме
пресс-формы создается вакуум. Связующее под действием
атмосферного давления постепенно заполняет простран-
ство между пуансоном и матрицей, пропитывая стекло-
ткань. Излишки связующего после пропитки выводятся по
трубопроводу, при этом вместе с ними удаляются остатки
воздуха. При этом способе предъявляются особые требо-
вания к жесткости пресс-формы. Если она сделана из не-
достаточно жесткого материала, то может нарушиться
гарантированный зазор между пуансоном и матрицей.
Для получения качественной пропитки необходимо регу-
лировать температуру, вязкость и скорость, с которой
поступает в пресс-форму смола.
При использовании положительного давления
(рис. 4. 6, б) связующее нагнетается в пресс-форму под
давлением сжатого воздуха. В этом случае требования к
жесткости пресс-формы снижаются.
После проведения пропитки для отверждения связую-
щего пресс-форму помещают в термошкаф. При этом про-
исходит дополнительная пропитка стеклопакета за счет
того, что смола под действием высокой температуры
уменьшает свою вязкость.
Изготовление обтекателей методом пропитки под дав-
лением является одним из прогрессивных методов, обес-
печивающих выпуск изделий с высокими физико-техни-
ческими и электрическими свойствами. Обтекатели, изго-
товленные по этому методу, не требуют дополнительной
обработки. Большим достоинством этого метода является
также то, что обслуживающий персонал при формовании
изделия почти не имеет контакта с различными вредными
веществами, входящими в состав связующего.
4. Окончательная обработка. Изделие извле-
кается из формы и подвергается различным механиче-
ским доработкам. К ним относятся: срезание технологи-
ческих припусков, доработка изделия на станке до тре-
буемой толщины стенки, сверление технологических от-
верстий под соединительное кольцо. Затем обтекатель со-
членяется с металлическим соединительным кольцом, с
помощью которого он крепится к корпусу летательного
аппарата.
117
S. Нанесение специальных лакокрасоч-
ных покрытий. На окончательно готовый обтекатель
наносятся специальные лакокрасочные покрытия для за-
щиты его от влаги, эрозии, нагрева и т. д. При проведении
этой заключительной операции необходимо быть уверен-
ным, что эти покрытия не изменят радиотехнические па-
раметры обтекателя.
В настоящее время широкое применение стеклопла-
стиковых антенных обтекателей для сверхзвуковых лета-
тельных аппаратов главным образом ограничено неста-
бильностью их электрических характеристик при высоких
температурах нагрева. Однако в последнее время ведутся
работы с целью расширения области применения стекло-
пластиковых обтекателей путем создания более термо-
стойких наполнителей (например, из кварцевой ткани), а
также путем создания термостойких неорганических свя-
зующих (например, цементов на основе силиката натрия,
силиката калия и т. д.).
4.3. КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ
В настоящей работе используется широкое понятие
слова «керамика». Поэтому к керамическим материалам
будем относить не только глиносодержащие материалы,
но также и ряд других материалов неорганического про-
исхождения, имеющие сходные с ними свойства. Главным
признаком керамических материалов является то, что они
приготовляются путем высокотемпературного обжига. По-
этому керамическое изделие с этой точки зрения пред-
ставляет отформованное твердое тело, получившее путем
обжига определенные стабильные свойства. Таким обра-
зом, получение изделия с требуемыми свойствами при об-
жиге отформованного полуфабриката можно считать ха-
рактерной чертой керамического производства.
Керамические радиопрозрачные материалы в послед-
нее время начинают все шире применяться для изготов-
ления антенных обтекателей, способных выдерживать
очень высокие температуры, без существенного изменения
своих прочностных и радиотехнических показателей. Пер-
выми керамическими обтекателями были обтекатели, из-
готовленные из материалов на основе окиси алюминия и
из стеклокристаллических материалов (стеклокерамика).
В последнее время начинают применяться керамические
118
материалы на основе плавленого кварца, а также другие
материалы. При изготовлении обтекателей из керамики
применяются обычно опробованные в керамической про-
мышленности методы (шликерный способ, метод центро-
бежного литья, метод прямого прессования и т. д.). По-
этому нет надобности подробно останавливаться на опи-
сании этих методов и необходимого оборудования.
Стеклокристаллические материалы
Стеклокристаллические материалы или, как их сокра-
щенно называют, ситаллы получаются путем тонкой кри-
сталлизации стекол или расплавов различных составов
при соответствующей термической обработке. Кристалли-
зация приводит к получению мелкозернистой равномер-
ной структуры, обеспечивающей высокие прочностные и
термомеханические свойства. В стеклокристаллический
материал можно превратить почти любое стекло путем
добавления в него специальных веществ, образующих за-
родыши кристаллизации. Качество кристаллизации зави-
сит от концентрации веществ, вызывающих кристаллиза-
цию, и процесса термической обработки.
Для изготовления антенных обтекателей за рубежом
наиболее часто применяются стеклокристаллйческие ма-
териалы типа пирокерам марок 9605, 9606,ч 9607 и 9608.
Стеклокристаллические материалы выгодно отличают-
ся от своего стекловидного источника высокой механиче-
ской и химической прочностью. Эти материалы обладают
также отличными электрическими характеристиками, вы-
сокой температурой размягчения и хорошей теплостой-
костью. Плотность большинства стеклокристаллических
материалов колеблется в пределах 2,404-2,72 г[см?. Стек-
локристаллические материалы не пористы и обладают ну-
левой водопроницаемостью, имеют высокую прочность.
Их прочность при изгибе достигает для отдельных
экспериментальных образцов 5600 кГ)см2. Стеклокри-
сталлические материалы обладают большой твердостью.
Испытания показали, что стеклокристаллические матери-
алы значительно тверже нержавеющей и высокоуглеро-
дистой стали, латуни и многих других материалов. Поэто-
му стеклокристаллические материалы плохо поддаются
механической обработке. Для этой цели приходится ис-
пользовать специальный алмазный инструмент.
U9
Модуль Юнга материала имеет величину 8760—
14 000 кПмм\ а коэффициент Пуассона составляет при-
близительно 0,245. Стеклокристаллические материалы
Рис. 4. 7. Влияние температуры на электри-
ческие характеристики (е и tgd) керамиче-
ских материалов (/=9375 МгцУ.
/—пирокерам 9606: 2—материал на основе окиси
алюминия АД-99; 3—материал на основе плавлено-
го кварца
имеют очень низкий коэффициент линейного расширения,
который колеблется от незначительной отрицательной ве-
личины до 57 • 10-7 \!град (пирокерам 9606) и выше. Зн$-
’?0
ченйе коэффициента линейного расшйренйя во всех на-
правлениях одно и то же.
Сочетание высокой механической прочности с низким
коэффициентом линейного расширения обеспечивает стек-
локристаллическим материалам высокую термостойкость.
Их термостойкость выше, чем у материалов, изготовлен-
ных на основе окиси алюминия, и приближается к термо-
стойкости материалов, изготовленных на основе плавле-
ного кварца. Детали из стеклокристаллических материа-
лов, не испытывающие нагрузок, выдерживают макси-
мальную температуру порядка 700° С в течение 1000 час
и температуру до 1200°С в течение короткого времени.
Температура размягчения лежит в районе 1250—1350°С.
Стеклокристаллические материалы обладают очень
хорошими электрическими характеристиками (е и tg6)
в сантиметровом диапазоне волн, мало изменяющимися
от нагрева. На рис. 4. 7 показано, как изменяются элек-
трические характеристики пирокерама 9606 при измене-
нии температуры. Ниже в табл. 4. 5 приведены некото-
рые усредненные характеристики стеклокристаллических
материалов.
Для изготовления изделий варится стекло специально-
го состава, которое затем формуется любым из известных
в стекольной технологии способом. Наиболее производи-
тельным является способ формования изделий с помощью
центробежного литья. При этом способе изделие форму-
ется в течение нескольких секунд из подаваемой опре-
деленными порциями в коническую форму стекломассы.
Это достигается за счет быстрого вращения формы, в ре-
зультате которого стекломасса под действием центробеж-
ной силы равномерно распределяется по внутренней по-
верхности формы. Заготовка очень быстро охлаждается,
поэтому ее помещают в специальную печь, где она отжи-
гается для снятия внутренних напряжений, возникающих
в результате быстрого охлаждения.
После этого изделие удаляется из печи и подвергается
визуальному осмотру для определения внутренних дефек-
тов. Это сделать легко, так как изделие находится в про-
зрачном стекловидном состоянии. Обычно после этого
производится механическая шлифовка изделия до требуе-
мой толщины стенки. Производить механическую шли-
фовку поверхности стекловидного изделия легче, чем про-
изводить шлифовку изделия, перешедшего в твердое со-
121
Таблица 4<§
Свойства стеклокристаллических материалов
Параметр Пирокерам марки
9605 непроз- рачный 9606 непрозрач- ный 9507 прозрач- ный 9608 непрозрач- ный
Плотность (при 25° С) в Г/см^ 2,62 2, €04—2,61 2,52 2,50—2,60
Водопоглощение в % 0,00 0,00 0,00 0,00
Газопроницаемость Газоне проницаем
Температура раз- мягчения в °C 1350 1250—1350 — 1250
Коэффициент ли- нейного расширения а.10-7(При25ч-300°С) 14 57 —7 2—20
Модуль упругости в кГ[ммЪ 13860 12100—12460 — 8750
Коэффициент Пуас- сона — 0,245 — 0,25
Прочность при рас- тяжении (для метал- лов предел прочно- сти) в кГ/см^ Твердость по Кну- пу: 1400 1120—1610
50 г 1100 940 — —
100 г 843 698—789 — 577—703
500 г 720 570—619 — 588—708
Сопротивление ис- тиранию при песко- струйной обработке по сравнению с лис- товым стеклом (1,0) 27 20
стояние. Например, по данным исследований, на удаление
слоя стеклокристаллического материала толщиной
1,59 мм уходит в четыре раза больше времени, чем при
удалении слоя стекла такой же толщины.
Предварительно обработанное изделие затем помеща-
ют в печь для обжига керамики. Путем соответствующей
122
термической обработки стекловидное изделие переходит
в стеклокристаллическое состояние. При этом процессе
прозрачное стекло превращается в белый непрозрачный
материал. Изменение размеров изделия при этом процес-
се незначительно вследствие малой усадки материала.
Готовое изделие подвергается незначительной чисто-
вой механической шлифовке. Эта операция не так трудо-
емка, так как основная механическая обработка произво-
дилась, когда изделие было в стекловидном состоянии.
После этого готовое изделие соединяется с металличе-
ским кольцом и покрывается специальными защитными
лакокрасочными покрытиями.
Иногда стеклокристаллические обтекатели изготавли-
вают из стеклообразного порошка путем прямого прес-
сования или путем шликерного литья с последующей тер-
мической обработкой.
Возможность использования недорогого недефицитно-
го исходного сырья и применения производительных спо-
собов формования высококачественных изделий делают
возможным применение стеклокристаллических материа-
лов для серийного производства обтекателей.
Материалы на основе окиси алюминия
Материалы на основе окиси алюминия наряду со стек-
локристаллическими материалами были первыми керами-
ческими материалами, примененными для изготовления
антенных обтекателей, работающих в условиях большо-
го нагрева. Эти материалы изготовляются почти целиком
из окиси алюминия с незначительной добавкой других
веществ.
В настоящее время для изготовления обтекателей ис-
пользуется довольно значительное число марок керами-
ческих материалов на основе окиси алюминия с различ-
ными свойствами, зависящими от процентного содержа-
ния в них окиси алюминия и примесей. Одним из лучших
материалов на основе окиси алюминия за рубежом счи-
тается материал марки Lucalox. Чистота этого материала
достигает 99,9%. Небольшая добавка окиси магния за-
держивает рост зерен материала марки Lucalox и обусла-
вливает его плотность.
Материалы на основе окиси алюминия характерны
высоким значением плотности по сравнению с другими
123
применяемыми материалами. Однако вследствие большой
диэлектрической проницаемости вес обтекателей, изго-
товленных из этих материалов, не превышает веса обте-
кателей, изготовленных из других материалов. Керами-
ка на основе окиси алюминия обладает нулевой водо-
проницаемостью и инертностью к различным химическим
сильнодействующим реагентам. Материалы обладают
очень высокой твердостью, приближающейся к твердости
сапфира, и имеют высокую стойкость на износ. Коэффи-
циент Пуассона материалов приблизительно равен 0,32,
а величина модуля Юнга, например, у материала марки
Lucalox достигает 39 270 кГ!мм2, Недостатком материала
является его хрупкость.
Материалы на основе окиси алюминия обладают хо-
рошей термостойкостью. Коэффициент линейного расши-
рения колеблется в пределах 5 — 9- 10~6. Эти материалы
характеризуются высокой температурой плавления (для
Lucalox 2040°С).
Материалы на основе окиси алюминия обладают хо-
рошими электрическими свойствами (е и tgS) в санти-
метровом диапазоне волн. Потери при прохождении элек-
тромагнитных волн весьма малы, так как материалы об-
ладают малым тангенсом угла диэлектрических потерь.
Электрические характеристики довольно стабильны при
воздействии температуры. На рис. 4. 7 показано влияние
температуры на электрические характеристики материа-
ла на основе окиси алюминия марки АД-99.
Ниже в табл. 4. 6 приведены некоторые основные свой-
ства материала на основе окиси алюминия.
Для изготовления обтекателей широко применяются
методы, известные в керамической промышленности.
Очень распространен при изготовлении обтекателей метод
литья под давлением. При этом методе жидкая керамиче-
ская масса подается под давлением в форму. После суш-
ки отформованная заготовка обжигается в печи. Мате-
риалы на основе окиси алюминия обладают большой
усадкой, которая зависит от распределения давления в
момент отливки. Поэтому следует принимать специальные
меры предосторожности для того, чтобы избежать боль-
ших деформаций изделия после обжига. Механическая
доводка производится специальным инструментом и-за-
нимает значительное время. После обработки обтекатели
124
сочленяются с металлическими кольцами и покрываются
лакокрасочными покрытиями.
Таблица 4,6
Свойства материала на основе окиси алюминия
Параметр
Плотность (при 25° С) в zjcM^
Водопоглощение в %
Газопроницаемость
Температура размягчения в °C
Коэффициент линейного расшире-
ния (при 20—500° С) а«107
1У1одуль упругости в кГ/мм^
Коэффициент Пуассона
Прочность при растяжении в
кГ{с.м2
Твердость по Кнупу:
50 г
100 г
500 г
Значение
3,61—3,67
0,00
Газонепроницаем
1700—1745
73
2800
0,32
1750—3500
1800
1800
1530—1553
Материалы на основе плавленого кварца
Материалы на основе плавленого кварца благодаря
своим отличным термостойким качествам начинают все
шире применять для изготовления обтекателей, работаю-
щих в условиях очень высоких температур. Эти материа-
лы изготовляются методом шликерного литья из мелко-
зернистого порошка, полученного в результате размола
кварцевого стекла. По сообщениям зарубежной печати,
материалы ца .основе плавленого кварца считаются в на-
стоящее время ..одними иа наиболее -перспективных для
изготовления, термостойких обтекателей сверхскоростных
летательных аппаратов. Материалы на основе плавленого
кварца имеют невысокую плотность (около 2 г!см?).
Прочностные характеристики этих материалов ниже,
чем у керамических материалов. Однако эти характери-
125
стики имеют лучшую стабильность в рабочем диапазоне
температур. Материалы на основе плавленого кварца об-
ладают большой твердостью и требуют при механи-
ческой обработке специальных инструментов. Модуль
Юнга у некоторых марок достигает 7000 кГ/мм2. Ко-
эффициент Пуассона 0,2. Материалы на основе плавлено-
го кварца так же, как и материалы на основе окиси алю-
миния, принадлежат к классу хрупких материалов.
Материалы на основе плавленого кварца обладают за-
мечательными термостойкими качествами. Обтекатели,
изготовленные из этих материалов, выдерживают дли-
тельное воздействие температур до 1000° без существен-
ного изменения своих характеристик. Коэффициент ли-
нейного расширения материалов очень низок и лежит в
пределах (5-^-6) • 10~7 \[град.
Электрические характеристики материалов (в и tgS)
весьма стабильны в диапазоне температур (см. рис. 4. 7).
Низкое значение тангенса угла диэлектрических потерь
позволяет создавать обтекатели с очень высокой радио-
прозрачностью.
В табл. 4.7 даны характеристики материала на осно-
ве плавленого кварца марки 7940.
Таблица 4,7
Свойства материала на основе плавленого кварца
Параметр Значение (материал 7940)
Плотность (при 25° С) в zjcAfi Водопоглощение Газопроницаемость Температура размягчения в °C Коэффициент линейного расшире- ния (при 25—300 ° С) а-107 Модуль упругости в кГ1мм% Коэффициент Пуассона Твердость по Кнупу: 50 г Сопротивление истиранию при 2,20 0,00 Газонепроницаем 1584 5,5 7350 0,17 644 3,60
пескоструйной обработке по срав-
нению с листовым стеклом 1,0
126
Существует значительна количество методов изгбЮЙ-
Существует значительно на основе плавленого
ления обтекателей из мат^ изготовления об-
кварца. Наиболее распрост Сущность этого ме-
текателеи путем шликерно состоящая из мелко-
тода состоит в том, что сГ ’
зернистого порошка (полуТ У заливается в фор-
вого стекла) и какои-нибуд> д обычно
му с пористой поверхность пробного материала,
тавливаются из гипса или ЛрУадение Джидкости изРкера.
После этого производится J
мической заготовки мето1ОМ Су^К^пк, ™
обтекателя подвергается О)ЖИГУ- ^ак как матеРиа 1 н
основе плавленого кварца дают незначительную усадку,
г ^гекатели с последующей мини-
то можно изготавливать об 5 J
мальной механической обр1 откои-
При соединении обтекачеля с металлическим переход-
ным кольцом возникают д)В0ЛЬЯ0 значительные трудно-
о коэффициентов линейного рас-
сти, связанные с разницей * н
ширения керамики и метал13.
На рис. 4.8 показаны ^которые характерные этапы
изготовления обтекателя и? матеРиала на основе плавле-
ного кварца. На рис. 4. 8,2 п°казан „момент опускания
пуансона в гипсовую фор> ПРИ этои опеРации необхо-
димо, чтобы между поверш?стью пуансона и матрицей
соблюдался гарантирован^11 зазоР- В случа? необходи-
мости изготовления обтек.1Теля с переменной толщиной
стенки в определенных мгстах пуансона закрепляются
стеклотканевые кольца ну/нои толщины.
На рис. 4. 8, б показано нагнетание под давлением ке-
рамического шликера в п?лость между Ф°РМ0И и пУан‘
соном.
На рис. 4. 8, в показан зтжиг обтекателя, который вы-
полняется для снятия теР11Ических внутренних напряже-
ний с помощью специально™ нагревательного устройства,
надеваемого на обтекателе
Материалы на основе плавленого кварца обладают
значительной пористостью Поэтому поверхность обтека-
телей надо предохранять от поглощения влаги путем при-
менения специальных ЛакокРасочных покрытии. Этого
можно также добиться, напРимеР’ путем глазирования
поверхности обтекателя с /омощью пламенной струи. При
этом для предотвращений внутренних термических на-
127
Рис. 4. 8. Отдельные этапы изготовления обтекателя из материала на основе плавленого кварца:
а—-опускание пуансона в гипсовую форму; б—нагнетание под давлением керамического шликера в полость между
пуансоном и формой; в—отжиг обтекателя
пряжений, возникающих при этом процессе, обтекатёлй
следует прогревать до температуры порядка 980—1090° С.
Надо отметить, что изготовление обтекателей из плав-
леного кварца обходится сравнительно недорого, так
как в качестве исходного сырья обычно используются
стеклообразные отходы кварцевого производства.
В последнее время для изготовления обтекателей на-
чинают применяться новые керамические материалы.
Наиболее известные из них материалы на основе нит-
ридов кремния и бора. Некоторые свойства этих мате-
риалов показаны в табл. 4. 8, 4. 9 и 4. 10.
В настоящее время начинают применять новые методы
изготовления обтекателей, обеспечивающие получение бо-
лее высококачественных изделий с минимальной механи-
ческой обработкой. Представляет интерес, например, .ме-
тод напыления на оправку. При этом методе керамиче-
ская суспензия из специального распылительного писто,-
лёта^яа.н.О£0Т£Я на вращающуюся коническую оправку др
получения требуемой толщины. „После этого изделие под-
вергается" спёщальной обработке и обжигу. Обтекатели,
изТо'товлённыё"по этому методу, однородны и. имрют от-
личную радиопр.озр.ачность^равную 95% в трехсантимет-
рововддиапазоне.
Керамопластики
Керамопластики представляют собой композиционные
материалы, изготовленные, например, из смеси синтети-
ческой слюды со стеклянным или кристаллическим свя-
зующим. Обтекатели из керамопластиков можно изго-
товлять методом литья под давлением с большой точ-
ностью.
В этом случае почти не требуется механической обра-
ботки. При других способах изготовления керамопласти-
ковых обтекателей механическая обработка требуется, но
она не так трудоемка, как, например, в случае обтека-
теля, изготовленного из материала на основе плавленого
кварца. Керамопластиковые обтекатели можно применять
до 500—1000° С. Однако их электрические характеристи-
ки не так стабильны по сравнению с керамическими ма-
териалами. Эти характеристики для двух материалов из
керамопластиков показаны на рис. 4. 9. Ниже в табл. 4. 11
даны некоторые характеристики четырех материалов из
керамопластиков.
5 5306
129
Таблица 4.8'
Свойства материалов на оснсве нитрида кремния
Тип керамики Плотность г[смЪ Коэффи- циент тер- мического расширения —. 106 град Теплопро- водность кал>(см- • сек-град) Модуль упругости кГ1ммЪ* • 10—3 Предел проч- ности на разрыв кГ)мм^ Диэлек- тричес- кая пос- тоянная Диэлектри- ческие потери
А (обжиг Si в азоте 16 час при 1250° С и 4 час при 1450° С) 2,2 2,5 0,004—0,005 7,0 (при 20—1000° С) 10,9 — —
В (обжиг Si в азоте при 1350° С) — — — 9,4 (при 20° С) — — —
С (шликерное литье) 2,3 2,93 0,0015 22,4 (при 20° С) 7,0 — —
D (ъъ&мкъ 5% MgO) 3,1 2,75 0,028 — 54,0 — —
Пористый — 2,5 (при 20—1000° С) 0,0037 (при 20—1380° С) — —- 9,4 0,001 -г-0,0« (1 Мгц)
Таблица 4J)
Физико-механические свойства материала на основе нитрида
бора
Параметр Темпе- ратура °C рТараллель- но направ- лению дав- ления прес- сования Перпенди- кулярно направле- нию давле- ния прессо- вания
Предел прочности на изгиб 23 5,0
кГ/ммЪ 300 10,6 4,9
705 2,7 1,3
980 1,5 0,7
Модуль упругости 23 8,6 3,4
кГ)мм^ Ю-з 300 6,1 2,4
705 1,1 о,з
980 1,1 —
Коэффициент линейного рас- 23—350 10,15 0,59
ширения 23—705 8,06 0,89
^град-106 23—980 7,51 0,77
Т еплопроводность 300 0,0362 0,0687
кал/( см- сек • г рад) 705 0,0318 0,0646
980 0,0295 0,0637
Таблица 4.10
Электрические свойства материала на основе нитрида бора
Параметр Частота гц Температура испыта- ний
23° С 350° С 480° С
Диэлектрическая постоянная (обож- 102 4,4 9,0
женные и просушенные образцы) 104 — 4,5
106 4,15 — 4,25
108 — —
Тангенс угла диэлектрических по- 102 0,00103 0,032 1,0
терь (обожженные и просушенные 104 0,00042 ,0,0043 0,1
образцы) 106 0,00020 0,0012 0,0056
108 0,000095 — —
10Ю 0,0003 0,0004 0,0005
5*
131
Таблица 4.11
Характеристики материалов из керамопластиков
Материал Диэлектрическая постоянная при /=8500 Мгц tg 8 (при /==8500 Мгц) Плотность г!смЪ Сопро- тивление разрыву кГ)см^ Модуль упру- гости кГ/мм^- • 10-3 Коэффи- циент ли- нейного расширения 1 fzpad • 106 Удель- ная теп- лоем- кость кал/г- •град Тепло- провод- ность калЦсм- • сек- • град) Макси - мально- допусти- мая тем- пература °C
Супрамика 555 (залив- ка в формы) 9,32 0,007 3,8 900 4,9 11,4 0,14 0,0011 400
Супрамика 550 (литье поц давлением) 6,9 0,0025 3 1150 7,7 11,2 0,17 0,0012 450
Супрамика 620 7,51 0,0028 3,2 — —• 11,6 —- 0,0012 750
Супрамика 606 5,58 0,00022 2,8 11,7 1 1 0,0012 1000
Иногда к керамопластикам относят и другие материа-
лы, например, материалы на основе кварцев^йд?кдниЛипро-
питанной кремнийорганической смолой; материалы да_
основе упроченной стекло-
тканью/^ основе стеклопластиков,' пропи-
Рис. 4. 9. Влияние температуры на
электрические характеристики
(е и tg б) керамопластиков
(f—8600 Мгц):
супрамик 500 супрамик 550
/—е; ' 5—е;
Я—tg б; 4—tg б
тайных кодаридальной двуокисью кремния. Обтекатели
из'такйх керамопластиков изготавливаются обычными ме-
тодами, принятыми при изготовлении стеклопластиковых
обтекателей. Обтекатели, изготовленные из этих мате-
риалов, обладают многими достоинствами стеклопласта-
ковых обтекателей и- к тому же более устойчивы к воз-
действиям высоких температур.
4.4. МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ОБТЕКАТЕЛЕЙ
ИНФРАКРАСНЫХ СИСТЕМ
В настоящее время в связи с развитием инфракрас-
ной техники появилась необходимость в специальных ма-
териалах, которые могли бы обеспечить надежную рабо-
ту различных инфракрасных систем, устанавливаемых на
борту летательных аппаратов. К материалам для обте-
кателей инфракрасных систем кроме обычных требова-
133
ний предъявляется ряд специальных требований. От та-
ких материалов требуется пропускание лучистой энергии
с минимальными потерями в рабочем диапазоне длин
волн. Кроме того, такие материалы должны обладать вы-
сокой теплопроводностью, теплоемкостью и излучатель-
ной способностью.
Это необходимо, чтобы при скоростном полете лета-
тельного аппарата в плотных слоях атмосферы нагрев
поверхности обтекателя был минимальным, а его тепло-
отдача к корпусу летательного аппарата и во внешнюю
среду была максимальной. Если не выполнить этого усло-
вия, то поверхность обтекателя нагреется до очень высо-
ких температур и это может привести к тому, что мощ-
ность собственного излучения обтекателя в направлении
индикатора инфракрасной системы может создать значи-
тельные помехи или совсем «ослепить» его.
Не менее жесткие требования предъявляются к мате-
риалам для инфракрасных систем с оптической точки зре-
ния. Материалы должны быть изотропными и обладать
минимальным двойным лучепреломлением. При невыпол-
нении этих условий могут возникнуть искажения прохо-
дящей через обтекатель лучистой энергии вследствие до-
полнительного излучения от различных нагретых неодно-
родностей и включений в материале обтекателя.
Другой не менее важной оптической характеристикой
материалов для инфракрасных систем является коэффи-
циент преломления. Так как чем больше величина коэф-
фициента преломления, тем больше потери на отраже-
ние. то при изготовлении обтекателей необходимо поль-
зоваться материалами с небольшими значениями коэф-
фициента преломления. В применяемых материалах зна-
чение величины этого коэффициента обычно колеблется
в пределах от 1,3 до 4. При выборе материалов необходи-
мо обязательно учитывать изменение их характеристик в
зависимости от нагрева.
Материалы должны хорошо поддаваться шлифовке и
полировке, так как при изготовлении обтекателей инфра-
красных систем применяются методы, обычные при изго-
товлении оптических деталей высокой точности. В настоя-
щее время материалы для обтекателей инфракрасных си-
стем принято делить на две основные группы: кристалли-
ческие и стеклообразные. Рассмотрим теперь некоторые
134
известные материалы, используемые в настоящее время
для изготовления обтекателей инфракрасных систем.
Кристаллические материалы
Синтетический сапфир (А12О3) обладает хорошей ме-
ханической прочностью. По твердости сапфир стоит ря-
дом с алмазом. Температура плавления около 2000° С. Ко-
эффициент линейного расширения равен 6,7 ГО-6 Х/град.
Материал обладает хорошими антикоррозионными свой-
Рис. 4. 10. График спектрального пропускания не-
которых кристаллических металлов:
/—синтетический сапфир (толщина образца 0,94 мм)-. 2—
окись магния (толщина образца 5,4 мм)\ 3—фтористый
магний (толщина образца 1,75 мм)\ 4—кремний (толщи-
ной образца 4,08 мм)
ствами. Синтетический сапфир выращивается в виде ше-
стигранных кристаллов размером до 160—180 мм. Кри-
вая спектрального пропускания материала приведена на
рис. 4. 10 (/). Средний коэффициент преломления в ин-
фракрасной области сапфира равен 1,7.
Окись магния (MgO) является синтетическим изотроп-
ным минералом. Окись магния обладает высокой прочно-
стью; температура плавления около 2700° С. Коэффици-
ент линейного расширения около 13 • 10-6 Х/град. Средний
коэффициент преломления в инфракрасной области равен
1,7. Недостатком материала является его недостаточная
влагостойкость. Его поверхность под действием воды и
паров воды тускнеет за счет образования гидроокиси
магния [Mg(OH)2]. Поэтому для защиты этого материа-
135
ла приходится применять специальные покрытия (ой.
рис. 4.10,2).
Фтористый магний (MgF2) представляет собой одно*
родный материал, обладающий хорошими механическими
и химическими свойствами. Температура плавления около
1400° С. Коэффициент линейного расширения не превы-
шает (10ч-13) 10~6 \[град в широком диапазоне темпе-
ратур. Благодаря своим хорошим свойствам фтористый
магний часто применяется для нанесения защитных пле-
нок на поверхность обтекателей, изготовленных из менее
прочных материалов. Коэффициент преломления при дли-
не волны %=6,5 мкм равен 1,31 (см. рис. 4.10,3).
Германий (Ge) обладает высокими механическими и
антикоррозионными свойствами. Материал выращивается
в виде кубических кристаллов серо-стального цвета с тем-
носиним отливом. Температура плавления около ЮОО^С,
а коэффициент теплового расширения равен 6,1 X
Х10~6 Мград. Материал хорошо поддается шлифовке,
полировке и покрытию просветляющими пленками. Гер-
маний обладает хорошим пропусканием в области инфра-
красных волн. Его коэффициент пропускания составляет
0,96 при просветлении и 0,5 без просветления в довольно
широкой области длин волн от 1,6 до 15 мкм. Малое про-
пускание этого материала без применения просветляю-
щих пленок объясняется наличием больших потерь на
границе воздуха и германия, коэффициент преломления
которого равен около 4.
Кремний (Si) выращивается в виде кубических кри-
сталлов серо-стального цвета, имеющих размеры до
200 мм. Материал обладает хорошими механическими и
антикоррозионными свойствами. Температура плавления
кремния около 1400° С. Коэффициент линейного расши-
рения равен 4,2 • 10~6 \/град. На рис. 4.10 (4) показана
кривая спектрального пропускания этого материала.
Средний коэффициент преломления в инфракрасной об-
ласти равен 3,45. Все перечисленные выше материалы
имеют монокристаллическую структуру. Технология из-
готовления таких материалов является сложным делом.
В последнее время все шире начинают применяться
новые материалы. Среди них большой интерес представ-
ляет целая серия поликристаллических материалов под
маркой иртран (irtran). Эти материалы изготавливаются
путем прессования из порошкообразных масс соответст-
136
вующего состава при повышенных температурах и дав-
лениях.
Материал иртран-1 представляет собой по химическо-
му составу горячепрессованный поликристаллический
фторид магния (MgFa); точка плавления материала
1255° С. Коэффициент линейного расширения около
11,5-Ю-6 Х/град в диапазоне температур 25—60°С. На
рис. 4.11 показаны данные о спектральном пропускания
этого материала. Коэффициент преломления иртрана-1
на волне 3,3 мкм равен 1,34.
Материал иртран-2 представляет собой поликпистал-
лический горячепрессованный сульфид цинка (ZnS). Точ-
ка плавления материала около 1800° С. Коэффициент ли-
нейного расширения равен 7,5 • Ю-6 Х1град в диапазоне
температур 25—800° С. Кривая спектрального пропуска-
ния материала показана на рис. 4.11. Коэффициент пре-
ломления иртрана-2 равен 2,2 на волне 3,3 мкм.
Материал иртран-2 представляет собой горячепрессо-
ванный поликристаллический фторид кальция (CaFs).
Точка плавления материала около 1360° С. Коэффициент
линейного расширения равен 19,9 в диапазоне темпера-
тур 25—60° С.
На рис. 4. И показано спектральное пропускание этого
материала. Коэффициент преломления иртрана-3 равен
1,39 на волне 3,3 мкм.
Материал иртран-4 представляет собой горячепрессо-
ванный поликристаллический селенид цинка (ZnSe). Точ-
ка плавления материала около 1250° С. Коэффициент ли-
нейного расширения 7,5 • 10-6 Х}град в диапазоне темпе-
ратур 25—60° С. Спектральное пропускание этого мате-
риала показано на рис. 4. 11. Коэффициент преломления
иртрана-4 равен 2,4 на волне 3,3 мкм.
Материал иртран-5 представляет собой горячепрессо-
ванную поликристаллическую окись магния (MgO). Точ-
ка плавления материала около 2800° С. Коэффициент ли-
нейного расширения в диапазоне температур 25—60° С
равен 11,5-Ю-7 Х!град. Спектральное пропускание этого
материала по’казано на рис. 4. И. Коэффициент прелом-
ления иртрана-5 равен 1,66 на волне 3,3 мкм.
Иртран-6 представляет собой горячепрессованный по-
ликристаллический теллурид кадмия CdTe. Точка плав-
ления материала около 1090° С. Коэффициент линейного
расширения равен около 5,7 • 10-6 Х[град в диапазоне 25—
137
60° С. Иртран-6 разработан для работы в далекой инфра-
красной области. Поэтому его применяют в тех случаях,
Рис. 4. 11. Графики спектрального пропускания материалов
марки иртран:
1—иртран-1 (толщина образца 2 мм); 2— иртран-2 (толщина образца
1 мм); 3—иртран-3 (толщина образца 5 мм); 4—иртран-4 (толщина
образца 2 мм); 5—иртран-5 (толщина образца 1 мм); Г—коэффи-
циент пропускания; 7?—коэффициент отражения
когда инфракрасные системы рассчитаны на низкотемпе-
ратурные источники. Коэффициент преломления иртра-
на-6 равен 2,69 на волне 3,3 мкм.
138
Поликрйсталлические материалы марки иртран вы-
годно отличаются от соответствующих монокристалличе-
ских материалов более высокой термостойкостью и меха-
нической прочностью, а также лучшей изотропностью.
Стеклообразные материалы
Стеклообразные материалы имеют аморфное строение.
Из стеклообразных материалов, работающих в инфра-
красных системах, широко известны плавленый кварц
и различные специальные стекла; алюмокальцевые, гер-
маниевые, теллуритовые, селенистомышьяковистые
и др.
Плавленый кварц наиболее часто применяется для
инфракрасных систем. Он обладает хорошей термостойко-
стью и вносит минимальные искажения в проходящее ин-
фракрасное излучение. Температура размягчения мате-
риала около 1700° С. Коэффициент линейного расширения
равен 5- Ю~7 1/град в интервале температур 20—400° С,
т. е. этот коэффициент имеет значительно меньшую вели-
чину по сравнению с другими инфракрасными материа-
лами. Но этот материал имеет приемлемое спектральное
пропускание приблизительно до 4,5 мкм. Средний
коэффициент преломления в инфракрасной области
равен 1,4.
На рис. 4. 12 показано спектральное пропускание плав-
леного кварца. На этом же рисунке для сравнения пока-
заны кривые спектрального пропускания нескольких сте-
кол: алюмокальцевого, свинцоволантаногерманиевого,
теллуристосвинцового и селенистомышьяковистого.
Остальные свойства специальных стекол близки к свойст-
вам обыкновенных оптических стекол.
Из этих материалов наиболее термостойки стекла, в
состав которых входят соединения германия и теллура.
Из специальных стекол изготавливаются обтекатели ле-
тательных аппаратов, не рассчитанных на длительный
полет со сверхзвуковыми скоростями.
В последнее время появилось большое количество кри-
сталлических и стеклообразных материалов с самыми
различными свойствами. В каждом конкретном случае
следует выбирать тот материал, который удовлетворяет
139
определенным специфическим требованиям, предъявляв
мым к тому или иному типу обтекателя инфракрасной
системы.
Рис. 4. 12. График спектрального пропускания специальных
стекол:
/—плавленый кварц (толщина образца 3 мм); 2—алюмокальцевое
стекло (толщина образца 4 мм); 3—свинцоволантаногерманиевое
стекло (толщина образца 3 мм); 4—теллуристосвинцовое стекло (тол-
щина образца 3 мм); 5—селенистомышьяковистое стекло (толщина
образца 2,3 мм)
4.5. СОЕДИНЕНИЕ ОБТЕКАТЕЛЯ С КОРПУСОМ
ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
Заключительной операцией при изготовлении обтека-
теля является соединение его с переходным металличе-
ским кольцом, с помощью которого обтекатель наглухо
крепится к металлическому корпусу летательного аппара-
та (рис. 4. 13). Иногда обтекатель просто прикрепляется
к корпусу летательного аппарата с помощью специальных
замков или других крепежных соединений (рис. 4. 14).
Последний способ обычно! применяется в авиации.
Основание обтекателя крепится к переходному коль-
цу наглухо с помощью того или иного способа в зависи-
мости от условий работы обтекателя и применяемых ма-
териалов.
В условиях скоростного полета место соединения обте-
кателя с переходным кольцом находится в тяжелых усло-
виях. Кроме напряжений от температурных градиентов
здесь возникают напряжения от воздействия максималь-
ного момента и перерезывающей силы, возникающих при
аэродинамических нагрузках. Кроме того, на основание
140
Рис. 4 13. Обтекатель с ме-
таллическим переходным
кольцом
Рис. 4. 14. Соединение обтекателя с корпусом ле-
тательного аппарата при помощи крепежных со-
единений:
/—обтекатель; 2—крепежные замки; 3—фиксирующая
штанга; 4—уплотнительный профиль
141
обтекателя действуют вибрации, ударные и инерционные
нагрузки.
Поэтому крепление обтекателя с переходным кольцом
должно быть прочным, герметичным и надежным. Необ-
ходимо по возможности выбирать стыкуемые материалы
(обтекателя и переходного кольца) с одинаковыми коэф-
фициентами линейного расширения. Крепление должно
быть также удобным в сборке и иметь минимальную стои-
мость.
Обычно при соединении стеклопластиковых обтекате-
лей с переходными кольцами никаких сложных проблем
не возникает. Стеклопластик обладает хорошей механи-
ческой прочностью и довольно хорошо согласуется с ме-
таллом. Поэтому соединение стеклопластикового обтека-
теля с переходным кольцом производится обычными ме-
тодами (склейка, клепка, болты и т. п.).
В связи с применением керамических материалов про-
блема крепления обтекателя к металлическому кольцу
значительно усложнилась. Дело в том, что керамические
материалы весьма хрупки и обладают сравнительно низ-
кими значениями прочности. Эти материалы плохо согла-
суются по своим упругим свойствам и коэффициенту ли-
нейного расширения с обычными металлами. Поэтому
применение обычных методов соединения в этом случае
исключается.
Особенно трудно сделать крепление металлического
кольца с обтекателем, изготовленным из материала на
основе плавленого кварца или другого подобного мате-
риала, имеющего такой же низкий коэффициент линейно-
го расширения. В случае применения материала на осно-
ве окиси алюминия можно применить переходные кольца,
изготовленные из специальных металлов и сплавов с ко-
эффициентом линейного расширения, близким к коэффи-
циенту линейного расширения керамического обтекателя.
Это титановые сплавы (а=9-10~6 Х/град), молибден
(а=6-10~6 Х/град), ковар (а=4,7-10-6 Х[град) и инвар
(а=1 • 1О'“6 \!град). Эти материалы имеют высокую стои-
мость.
Соединение переходных колец с основанием керамиче-
ского обтекателя обычно производится с помощью термо-
стойкого клея органического или неорганического проис-
хождения. В этом случае переходное кольцо действует
142
как скрепляющее звено между хрупким обтекателем и
вязким металлическим корпусом летательного аппарата.
При изготовлении обтекателей из материала на основе
плавленого кварца (а=5-10“7 1/гряд) необходимы спе-
циальные меры для прочного и надежного соединения об-
текателя с переходным кольцом, а следовательно, и с
корпусом летательного аппарата. Одним из таких мето-
дов соединения керамического обтекателя, имеющего
Рис. 4. 15. Узел крепления керамического обтекателя с метал-
лическим корпусом летательного аппарата:
/—керамический обтекатель: 2—соединительное кольцо из стеклопла-
стика; 3—корпус летательного аппарата; 4—клей; 5—металлическое си-
ловое кольцо; 6—уплотнительное кольцо; 7—втулка; 8—винт
очень малый коэффициент линейного расширения, с ме-
таллическим корпусом летательного аппарата является
метод предварительно напряженного соединения. Узел
крепления, осуществленного по этому методу, показан
на рис. 4. 15.
При этом способе сочленения используется свойство
керамических материалов выдерживать сравнительно
большие значения сжимающих усилий. Переходное коль-
цо в этом случае сделано из стеклопластика. Намотка
стеклопластика в проточке, сделанной у основания кера-
мического обтекателя, производится под определенным
натяжением. Это делается с той целью, чтобы при нор-
мальной температуре стеклопластик оказывал сжимаю-
щее усилие на основание керамического обтекателя.
В этом случае стеклопластиковое переходное кольцо и
основание керамического обтекателя будут находиться в
предварительном напряженном состоянии. Другая часть
стеклопластикового кольца через силовое металлическое
кольцо с помощью потайных винтов соединяется с метал-
лическим корпусом летательного аппарата. Одна сторона
фланца силового кольца приклеивается термостойким
143
клеем к торцу обтекателя, а между другой стороной флан-
ца и торцом летательного аппарата находится прокладка.
При нагревании обтекателя в полете стеклопластиковое
кольцо расширяется. В результате этого уменьшаются
сжимающие усилия, передаваемые от стеклопластикового
кольца на керамический обтекатель. При правильно по-
добранной величине предварительно напряженного соеди-
нения не должен образовываться зазор между стекло-
пластиковым кольцом и керамической поверхностью. Сле-
довательно, крепление должно оставаться прочным и на-
дежным. С другой стороны, надо учитывать образования
чрезмерных напряжений в основании обтекателя. Обрат-
ная конусность, сделанная в передней части проточки,
обеспечивает фиксацию стеклопластикового кольца на ке-
рамической поверхности от продольных усилий.
Глава 5
ПРОХОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН
ЧЕРЕЗ СТЕНКУ ОБТЕКАТЕЛЯ
5.1. ПРИЧИНЫ ОСЛАБЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ РАДИОВОЛН,
ПРОХОДЯЩИХ ЧЕРЕЗ СТЕНКУ ОБТЕКАТЕЛЯ
При рассмотрении механизма поляризации диэлектри-
ков в электрическом поле было отмечено, что процесс по-
ляризации зависит от плотности вещества, типа молекул,
состава примесей и т. д.
Поскольку поляризацией определяются основные свой-
ства диэлектриков (е', е"), характеризующие в конечном
итоге фазовые и амплитудные характеристики поля про-
ходящей волны, то изучение механизма поляризации име-
ет безусловно важное значение.
При изучении прохождения радиоволн через стенку
радиопрозрачного обтекателя важно знать зависимость
электрических свойств диэлектриков, составляющих осно-
ву стенок обтекателей, от внутренних и внешних факто-
ров. Прежде чем выбирать тот или иной материал в каче-
стве основы стенки обтекателя необходимо составить пол-
ную физическую картину о структуре материала в исход-
ном состоянии, а также понять те процессы, которые про-
текают в структуре в процессе изменения внешних усло-
вий.
Любой, даже самый простой по структуре или по со-
ставу, диэлектрик с течением времени может превратить-
ся в сложную гетерогенную систему, содержащую более
простые парциальные системы. Примером могут служить
различные материалы, обладающие в большей или мень-
шей степени способностью поглощать влагу из окружаю-
щей среды. Если имеется достаточный контакт с внешней
145
средой, то со временем происходит заполнение мельчай-
ших пор влагой. При этом параметры материала (s' и е")
будут безусловно изменяться. Это усугубляется на-
личием во внешней среде частиц пыли и других примесей.
Поэтому при изготовлении обтекателей необходимо в
первую очередь позаботиться о том, чтобы предохранить
поверхность стенки от непосредственного контакта со сре-
дой. Для этого применяют глазировку поверхности кера-
мических материалов, покрытие поверхности влагонепро-
ницаемыми пленками и лаками, пропитку материала стен-
ки влагоотталкивающими веществами, заполняющими
поры и микротрещины структуры и препятствующими
проникновению в них влаги.
Другой причиной появления неоднородности структу-
ры материала может служить то, что в процессе изготов-
ления обтекателя из-за нестабильности технологического
процесса формовки, термообработки, пропитки и других
операций появляются наплывы связующего, участки, не-
достаточно пропитанные связующим, воздушные про-
слойки, разнотолщинность вдоль образующей и т. д.
Особенно подвержены возникновению неоднородно-
стей применяемые в обтекателях стеклотекстолиты. За
последние годы на основе фенольных, полиэфирных, эпок-
сидных, кремний-органических смол и их модификаций
создан ряд новых высокопрочных радиопрозрачных стек-
лотекстолитов, которые несмотря на их многочисленные
преимущества, позволившие им занять ведущее место
среди материалов обтекателей, обладают рядом сущест-
венных недостатков.
При современном уровне требований к обтекателю
структура обтекателей является чрезвычайно не-
однородной. На рис. 5. 1 схематически показана типо-
вая структура стеклотекстолита, содержащая сквозные,
тупиковые и закрытые полости, являющиеся причиной не-
однородных свойств. Неоднородностями обладают и дру-
гие известные материалы: керамика, ситаллы, пенопла-
сты. Степень неоднородностей, которыми они обладают,
различна и по-разному проявляется в различных усло«-
виях.
Все эти неоднородности структуры стенки в конечном
итоге приводят к тому, что количество поляризующихся
в единице объема материала молекул или микроэлемен-
тов будет для разных участков стенки обтекателя раз-
J4Q
личным. Это, в свою очередь, приведет к тому, что ре-
акция стенки на поле проходящей волны будет различной
на разных участках поверхности стенки.
Основными параметрами, характеризующими поле
проходящей волны, являются амплитудная, фазовая и по-
ляризационная характеристики. С их учетом выражение
Рис. 5. 1. Модель структуры стеклотекстолита
а—сквозные полости; б—тупиковые полости; в—закрытые полости
для напряженности поля проходящей волны можно запи-
сать в виде:
Ё=Е0 е~'*Г°|Ф (9, а)| ё(0, а),
х. 2л
где k =
го — расстояние от центра сферической системы ко-
ординат до рассматриваемой точки в дальней
зоне;
|Ф(0, а)|, ф(0, а), ё(0, а)—соответственно амплитуд-
ная, фазовая, поляризационная характеристики
или диаграммы направленности.
В большинстве случаев используется только обозна-
чение
Ф(0, а)=|ф (6, а)| ё~1<S/ (0’а),
которое называется функцией комплексной диаграммы
направленности.
В общем случае для характеристики отражений от ди-
электрического слоя пользуются выражениями для ампли-
147
тудного и фазового членов коэффициента отражения или
прохождения, например,
D___________2r sin?_______.
у (] — r^)? + 4r2 sin2 ?“ ’
1—r2
Т —— .
]/’(1 — г2)2-{- 4r2 sinScp
^ = arctg J;
\ J *4* f * /
<|>r = arctg — Yrfcos6,
(5.1)
(5.2)
(5.3)
(5.4)
Здесь r — коэффициент отражения от одной поверхно-
сти (коэффициент Френеля)
г
Kei-1
Кч + 1 ’
(5.5)
где е,———sin2——при параллельной поляризации;
е — sin2 0
е — sin2 0
s--------------ПрИ перпендикулярной поляризации;
1 — sin2 0
(p=2^y£_sin2 0 —электрическая толщина стенки;
d, е, X, 9 — геометрическая толщина, диэлектри-
ческая проницаемость материала
стенки, длина волны и угол падения
ее на стенку;
/?, Т, фд, фг—-коэффициент отражения по ампли-
туде, коэффициент прохождения по
амплитуде, фаза отраженной и фаза
прошедшей волны (без учета набега
фазы на пути d в воздухе при том
же угле падения).
Очевидно, причинами ослабления энергии падающей
волны являются частичное отражение за счет несогласо-
ванности электрической толщины стенки со свободным
пространством и поглощение части энергии волны в ма-
териале стенки.
Из приведенных выше выражений легко* получить со-
отношение, при выполнении которого обеспечивается со-
гласование стенки.
148
Полное прохождение энергий «через стенку (при усло-
вии отсутствия потерь в материале) определяется равен-
ствами:
J?=0 или Т=1, которые обеспечиваются в случаях:
8=1; 9=90° или sin<p=0.
При потерях в материале стенки полного прохожде-
ния энергии через стенку достичь невозможно. Потери
можно учесть с помощью выражения
nde tg 8
Т=Тое x<>/e~slna' , (5.6)
где То — коэффициент прохождения без учета потерь.
На рис. 5. 2 показана зависимость Дф и коэффициента
прохождения при изменении величины tg б. Для приме-
няемых на практике материалов обтекателей величина
tg б составляет обычно не более 0,01—0,05, что при рас-
четных толщинах стенок, составляющих rf=0,2—0,5%,
приведет к очень малым потерям энергии в стенке обте-
кателя.
Основная доля потерь энергии приходится на рассея-
ние падающей на стенку волны. Рассеяние происходит за
счет неоптимальности толщины стенки. Для реальных
стенок это всегда будет иметь место, как бы тщательно
ни был проведен весь процесс его изготовления и доводки.
Доля энергии, теряемой в обтекателях,за счет рассея-
ния в пределах рабочих углов, достигает’ практически
10—40%. Поэтому КПД реальных обтекателей, как пра-
вило, находится в пределах 65—85%. Эти значения бе-
рутся в качестве исходных при выработке требований к
различного рода обтекателям.
5.2. ПРОХОЖДЕНИЕ ПЛОСКОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ
ЧЕРЕЗ ОДНОРОДНЫЙ ЛИСТ ДИЭЛЕКТРИКА
Рассмотрим прохождение плоской электромагнитной
волны через плоский лист диэлектрика толщиной d, нахо-
дящийся между двумя другими средами а и с (рис. 5. 3).
При этом амплитуду волны, распространяющейся в среде
а, обозначим через А, амплитуду волны, отраженной от
границы раздела сред а и Ь, — через В, амплитуду волны,
149
<9
Рис, 5.2. Влияние затухания в материале (tg б) на фазовую
характеристику (а) и коэффициент прохождения стенки (б)
150
прошедшей из среды а в с, — через С, амплитуду волны,
отраженной от границы раздела сред с и Ь, — через D и,
наконец, амплитуду волны, прошедшей из среды b в с, —
через F. Энергия волны, падающей на переднюю границу
однородного листа диэлектрика, распределится между
этими парциальными волнами.
Мы ввели лишь одну волну, распространяющуюся в
слое диэлектрика в сторону границы раздела сред а — Ь.
На самом же деле внутри слоя будет происходить мно-
гократное отражение от пе-
редней и задней стенок, в ре- (°)
зультате чего будет целый
набор парциальных отра-
женных волн: первичных, ——
вторичных, третьего и более
высоких порядков. В прин- S
ципе для материала без по-
терь будет бесконечное чис-
(В)
с
D
ло таких волн с амплитуда-
ми, убывающими с ростом
номера порядка волны, и с
фазами, определяющимися
порядком волны, толщиной
Рис. 5.3. Схема прохождения
электромагнитной волны через
плоский лист
стенки d, диэлектрической константой е, углом падения
волны на слой диэлектрика. Все эти частично отражен-
ные внутри диэлектрика волны будут входить в волну,
прошедшую границу сред а и в в сторону среды а, и в
волну, прошедшую границу -сред в и с в сторону среды с.
Таким образом, энергия падающей на диэлектрический
лист волны А разложится на две части: на энергию вол-
ны, отраженной от листа и распространяющейся в сре-
де а, и на энергию волны, прошедшей через диэлектри-
ческий слой и распространяющейся в среде с.
При учете отражений от внутренних границ раздела
получаются следующие соотношения между амплитудами
рассмотренных парциальных волн А, В, С, D и F:
С — Atab -\-Dr
В =^DtbaA-Ar ab,
F — Cqtbc*,
D=*Cq>rbc>
q=Le^
151
Отсюда можно получить
В^СдЧ^ + Аг^,
О = Atab + СЯ2гЬагЬс,
Q___ Atnb
1 — <flrabrbc'
В в
Подставив гас=— и tac——г, получим
-Д Д.
rac=rab + g2 r bc^eb^ba , l—q2rbarbc ' ^ac _ Q^ab^bc 1 — q2rbarbc
геа=гсь+д2 rbi^bc^cb , 1 — q2rbarbc ’ ^ca _ qiabtba 1 — 42rbcrba
(5.7)
При помощи этих выражений можно определить сте-
пень радиопрозрачности диэлектрического слоя, помещен-
ного в определенную среду. В случае, если такой лист по-
мещается в воздухе, т. е. 60=60=1 и еб=И=1 и, кроме того,
ГЬа=ГЬс, д^ЬаГъ^д^ГаЬ, ТО, ЗЭМеНИВ Коэффициенты tab И
tbc коэффициентами 1+га& и 1—гаь соответственно, полу-
чим выражение для коэффициента прохождения энергии
через диэлектрический лист:
аС 1~<12ГаЬ'
Заменив коэффициенты Френеля г их выражениями
при перпендикулярной и параллельной поляризации, по-
лучим развернутое выражение для коэффициента про-
хождения:
______ЦКдЬ_______
(Nab+^-g4Nab-l)2 ’
(5.8)
АГ е2 J/ei COS 0
где Nab—~ —при параллельной поляризации
ei V Е2—ei 8ш2 0 падающей волны;
л т 1/ COS 6 и
7Vfl^=—, - — при перпендикулярной поляри-т
Уе2—?isUi2 9 зации падающей волны,
Заменяя в выражёний (5.8) величину q на q—созф—
—i sin ф, получим для коэффициента прохождения сле-
дующее выражение:
t ab__________cos у— j sin ср___
аС Wab - 1)2 / ^+1 V Q , . . Г
( —---------------------— —cos 2<р + i sin
\Nab — 1 J
(5.9)
Более компактно это выражение можно представить
как
fac=Te-^=^, (5.10)
где Т г— коэффициент прохождения по амплитуде, а ф —
изменение фазы волны при прохождении через
стенку:
tg(p=tgy-^+1 . (5.11)
Из выражения для квадратов модулей коэффициентов
прохождения и отражения |7?|2+17'|2=1 без труда мож-
но получить выражение для коэффициента отражения для
листа диэлектрика без потерь.
Это выражение было приведено выше при рассмотре-
нии причин искажений волны в диэлектрической среде.
При расчете обтекателей представляет интерес не
сдвиг фазы при прохождении стенки, а изменение фазы
при наличии стенки-по сравнению с прохождением в воз-
духе. В отсутствии диэлектрической стенки волна, иду-
щая под тем же углом, что и при падении на стенку Ь,
получает на участке d сдвиг по фазе, равный cos 0.
АО
Общее изменение фазы при наличии диэлектрической
стенки определяется выражением (5. 11). Таким образом,
приращение фазы, которое получается за счет наличия
на участке d инородного тела, т. е. листа диэлектрика без
потерь, будет определяться разностью этих выражений:
дф=ф- —Cos9. (5.12)
Полное выражение для изменения фазы при наличии
стенки также было приведено в разд. 5.1 [формулы (5.3)
и (5.4)].
153
Аналйз выражений (f>. 3), (§.4) и (5.12) показывает,
что коэффициент отражения будет иметь нулевое значе-
ние при толщине стенки, соответствующей выражениям:
1
ф =sтл, d = m ==
т 2 — sin2 9
Для случая нормального падения 0 =0° это даст
, _ т>0
d°
Эти равенства на практике, как правило, точно не со-
блюдаются из-за технологических трудностей, непостоян-
ства углов падения в рабочем режиме сканирования ан-
тенны, определенной ширины частотного диапазона и дру-
гих причин. Все эти причины можно учесть, введя эквива-
лентное изменение толщины стенки, т. е. введя понятие
некоторого реального разброса по толщине, который мож-
но обозначить через Arf=d—d0.
При малых относительных отклонениях по толщине
ГМ \ 4.4.
( — коэффициент отражения по мощности при нор-
\ X /
мальном падении волны для стенки без потерь может
быть вычислен с помощью приближенной формулы
|/?|2«(е-1)л adL. (5.13)
Задаваясь допустимыми величинами коэффициента от-
ражения, при помощи этого выражения можно получить
предельные относительные допуски на толщину полувод-
новых листов при условии нормального падения. Это име-
ет практическое приложение для обтекателей допплеров-
ских бортовых навигационных станций, которые по фор-
ме близки к плоским листам и работают в сравнительно
небольшом секторе углов падения (0—30°). В табл. 5. 1
приведены некоторые значения Arf/Xo, полученные при по-
мощи выражения (5. 13).
Если среда обладает определенными потерями, а окру-
жающее пространство не имеет потерь (например, воздух
ei = l), то, используя выражение для комплексного коэф-
154
Таблица 5.1
е - Arf/Xp
7?2=0,01 £2--=0,02 £2=0,05 £2=0,1
2,0 0,033 0,047 0,075 0,11
2,2 0,027 0,038 0,059 0,084
2,7 0,019 0,027 0,042 0,060
4,0 0,011 0,015 0,024 0,033
10,0 0,004 0,005 0,008 0,011
фициента преломления, получим выражения для коэф-
фициентов отражения |/<|20Т и прохождения
1/?|2 =- |г„м2Е(1 • - £2)2 4- 4Z.2 sin2 у] ф
l^lnOT ( 1-Л2|га(,|2)2 + 4£2|raft|2sin2(y+х) (5.14)
1т12 = - 2-2[(1 ~ kr&l2)2 + 4|rgft|2sin х]
г 'пот (1 + ^2lraM2)2 + 4Z.2lraft|2sin2(?+x) ’
Не останавливаясь на исследовании этих выражений,
укажем лишь, что максимальное прохождение энергии
падающей волны или минимум коэффициента отражения
будет иметь место как и в случае стенки без потерь при
соблюдении условия ф^тл:
IDI2 l^|2(l-£2)2 .
nlnoTmin— (1 _ \rab}2L^ ’
(5.15)
|7Т » £2
I InoTinax
1- |Г^12 у
\-^\гаЬ\ч J ‘
В отличие от среды без потерь минимальное значение
коэффициента отражения |#|„отт1п не равно нулю.
На практике для подсчета прохождения через стенки,
обладающие потерями, принято пользоваться более на-
глядным выражением (5.6), где коэффициент прохожде-
ния выражается непосредственно через значение коэффи-
циента прохождения для среды без потерь То с учетом
величины tgfi. Из этого выражения следует, что затуха-
ние энергии в стенке, обладающей потерями, увеличивает-
ся при возрастании угла падения волны на стенку.
155
Так же, как и в случае стенки без потерь, данные, по-
лученные для реальных стенок с потерями, будут отли-
чаться от расчетных. С учетом величины tgS выражение
(5. 6) для данного случая преобразуется в следующее:
(5.16)
Это выражение подтверждает, что для обтекателей
должны применяться диэлектрические материалы с ма-
Рис. 5.4. Кривые постоянного коэф-
фициента отражения для стенки с
е=2,7 при параллельной поляризации
поля
лыми потерями (tg д
должны быть не более
0,002—0,01).
Если при нормаль-
ном падении на диэлек-
трический лист коэффи-
циенты Френеля, а сле-
довательно, и коэффи-
циенты прохождения и
отражения имеют оди-
наковые значения для
любой ориентации век-
гора электрического по-
ля относительно пло-
скости падения, то в
случае наклонного па-
дения картина будет
совсем иная. Коэффи-
циенты прохождения и
отражения, как следует
из выражений (5.7) и
(5. 14), при наклонном
падении волны на стен-
ку будут зависеть от
д вида поляризации. На
рис. 5. 4 и 5. 5 прйведе-
ны кривые постоянных
значений коэффициента
отражения для парал-
лельной и перпендику-
лярной поляризаций
при 8 = 2,7. Из этих кривых с очевидностью следует, что
диэд^ктрическдй-- обтекатель ~ с..наиметьщим_ _отдажетием
156
должен .иметь переменную толщину по углу облучения.
По об этом более подробно будет сказано ниже.
При сканировании антенны, размещенной под обтека-
телем, углы падения могут изменяться в широком диапа-
зоне (от 0 до 85° и более). При этом, если изготавливать
i 1Л1
Рис. 5.5. Кривые постоянного коэф-
фициента отражения для стенки с
6=2,7 при перпендикулярной поляри-
зации поля
стенки обтекателей постоянной толщины, которая рассчи-
тана на максимальное прохождение при каком-то опре-
деленном угле 0, то нельзя получить удовлетворительного
согласования стенки на всем диапазоне углов падения.
Отражения энергии при этом могут достигнуть очень
больших значений, что повлечет ослабление потенциала
бортовой станции и ухудшение ее помехозащищенности
за счет роста бокового излучения, вызванного рассеянием
157
энергии излучения вследствие несогласованности стенки
обтекателя в пределах рабочей зоны обзора. Поэтому
повышение радиопрозрачности реальных обтекателей яв-
ляется предметом особой заботы при их конструировании,
изготовлении и доводке.
Рис. 5. 6. Зависимость допусков на толщину стенки
от величины диэлектрической проницаемости мате-
риала стеклотекстолитового полуволнового обтека-
теля
На рис. 5. 6 показано, как зависит уровень допусков
на толщину стенки — для параллельной Е у (сплош-
\ *0/
ная) и перпендикулярной (пунктир) поляризации для
различных значений диэлектрической проницаемости в
секторе углов падения 9 =0н-70° при уровне допустимых
отражений энергии Ротр^ОДРизл-
5.3. ПРОХОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ
ЧЕРЕЗ ПЛОСКУЮ ТРЕХСЛОЙНУЮ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ
СТЕНКУ
Рассмотрим прохождение плоской электромагнитной
волны через плоскую трехслойную диэлектрическую стен-
358
ку, образованную тремя сплошными однослойными йанё-
лями, соединенными вместе в один пакет.
Трехслойный пакет состоит из двух поверхностных сло-
ев толщиной d с диэлектрической проницаемостью
каждый и одного внутреннего слоя толщиной D и с ди-
электрической проницаемостью ес. Пакет помещен между
двумя средами I и п.
Используя рассуждения, аналогичные приведенным
выше, и введя обозначения
]/* —sin20, Q = е~~
будем иметь для парциальных волн, возникающих в та-
кой структуре, следующие выражения:
B = Ar lm~\~Etml\ С = Atlm^Er т1\
Е=СгтД\ F = Ctmnq.
Суммарные коэффициенты прохождения и отражения
будут соответственно выражаться как
у-» _ Р . QHntmn
А 1 Q^rmnrml
(5.17)
; = 4= ~ ’ (5'18)
* А 1 mnr mi
!
В случае размещения пакета в однородной среде, на-
пример, в воздухе вся картина имеет симметричный вид
и выражения для коэффициентов прохождения и отраже-
ния упрощаются.
Если рассматривать идеальный пакет без потерь, то
можно по заданным модулю и фазе коэффициента отра-
жения получить модуль и фазу коэффициента прохожде-
ния и наоборот. Действительно, пусть в среде, куда поме-
щен пакет, распространяются две волны с амплитудами
А. Направления распространения их взаимно противопо-
ложны и ориентированы по нормали к плоскости пакета.
Одна волна дает отраженную волну, распространяющую-
ся справа налево, а другая — дает отраженную волну,
распространяющуюся слева направо. Кроме того, эти
волны образуют также и проходящие волны.
Амплитуды отраженных и проходящих волн будут
равны соответственно RA и ТА. Поскольку материал па-
159
кёта идеальный, то можно записать равенство: A=RA+'
+ ТА, откуда следует, что R + T= 1. В общем случае Т и
2? комплексные величины. Если фазовый угол между ними
обозначить через 0, то-для квадрата модуля |7? + Т|2 бу-
дем иметь выражение
JZ?+гр=|/?|2 + |7f - 2 |Я| Щ cos 0=1.
С другой стороны, для энергетических коэффициентов
отражения и прохождения справедливо равенство:
Следовательно, можно записать, что cos 0=0 при
0=± - .
р 2
Если фазу коэффициента 7? обозначить фл, то тогда
для коэффициента прохождения получим развернутое вы-
ражение:
7= ]Л1—|/?|2г г(?Л±3).
Для симметричной трехслойной структуры, показан-
ной на рис. 5. 18, с учетом того, что гаъ+ГбО=0,
^ab 1 ^Ьа ^abi ^ab'^ba=z^-“~^aby
получим по аналогии с выражениями (5.7)
_ rob+<prbc а , ?(1 — гЬс).
1 + cbr be 1 + ?2r abr Ьс
- _ rbc + q^rab t , _qQ—rab)(\ — rbc)
• с Л - » г п ———————(
1 + ?2г abr be 1 + (fir abr bc
(5.19)
Тогда коэффициент отражения для данного пакета бу-
дет равен
/?=rae+Q2
rcat ас tea
i~Q^ca ‘
Записав коэффициенты Френеля гас и гса в комплекс-
ной форме
rca=^e~lf,
160
пблучйм для коэффициента отражения новбё вЫражёййё,
определяемое через модуль и фазу коэффициента Фре-
неля:
р____ I tgctcaQe
С учетом приведенных выше выражений и после не-
сложных преобразований можно получить выражения для
ф, фо и q, которые позволят производить вычисления
Гас И гса:
______________2(^a-l)^sin2y______________
g? № + 1)№-1) + №-1)№+1)cos2<p :
. . __________-2(^-l)^aSin2y_____________.
90 (^+1)№-1) + №-1)№+1)cos2? ’ '
(NebNba ~ 1 Г - (N2cb - 1) (Nla - 1) Sin2 у
161 (ЛГС№+1 у_(^_1)(ЛГ2в_1)8;п2т •
(5. 20)
Если величины чр, -фо и |р| известны, то с помощью
Этих" выражений можно определить коэффициент отра-
жения трехслойной стенки.
Если в (5. 19) принять фазовый угол в выражении,
стоящем в знаменателе, за ф2, то знаменатель будет иметь
вид: £ ;
^+я2гаЬгЬс = \1+д2гаЬгЬс\е-1^. (5.21)
Фаза выражения, стоящего в числителе, определяется
величиной q, т. е. углом <р. Фазы коэффициентов tac и tca
одинаковы и равды ц=<р—<р2, тогда получаются следую-
щие равенства:
l^ac^cal~ 1 Q2^ca = |^ca| (^с^м)=1 *~62,
где
Vce=(l-Q2)«-Z2”.
Фазы выражений в знаменателе ф2 и числителе <pi в
(5.19) связаны зависимостью
tg?i = - y.in2? ... (5.22)
г be + гаь COS 2<f>
б
5306
161
Учитывая выражение (5.22), получйм равенство
=<Р1—ср2—л.
Аналогично из (5. 19) для коэффициента гос с по-
мощью выражения (5. 22) найдем
%=2<р-?2 — ?i —2(<р — <р2)+?2 — ?1=2П — ф—л,
Тогда для коэффициента отражения будет справед-
лива следующая запись:
Я=0 ге- +
1 _е2е-2Ц<р+Ф)
sin(<p + <P)
“2е 1
(5.23)
где
»=Ф+Фо+<Р-~
(5.23)
Знаменатель выражения (5.23) можно преобразовать
как
У(1 - 62)2 _|_ 4q2 Sin2(<p+Ф) е‘а, (5.24)
где
tea-- Q2sin2(у + ^)
1 — q2 cos 2(ф 4- ф)
Тогда окончательно для коэффициента отражения по-
лучим
R=2q г ... sin_(y+±) е-^а, I (КЖ
У (1 — q2)2 4- 4q2 sin2 (ср 4- ф) > \
где
?са=?+Ф + Фо + а —
Коэффициент прохождения по мощности с учетом
(5. 25) можно записать в следующем виде:
|Г|2=1 _ ]/?|2=--------11 Tig.2)2--- . (5.26)
11 11 (1— Q2)2 4-4Q2 Sin2 (<р 4-ф) V
Условием отсутствия отражений при трехслойной стен-
ке без потерь будет выражение
ср_|_ф —тл.
162
При нормальном падении волны на стенку толщина
среднего слоя определяется выражениями:
<о=2л & ^£с- , D = —(тл — Ф),
Т Хо 2Л /ес 4 Т'
где
2^(ЛГ^-1) sin 2ср
т — целое число.
Если толщина среднего слоя отличается от оптималь-
ного значения на величину AZ), то коэффициент отраже-
ния в этом случае будет равен
шр.________4 |q|2 Sin2 (Аус)_ /5 2j\
1 1 ~ (l~lQ|2)2 + 4[Q|2sin2(A?c)
или относительно A(pc выражение примет вид:
— 2 V 1 —|/?|2
Все это относится к симметричной трехслойной кон-
струкции.
Для несимметричной конструкции пакета минималь-
ное значение коэффициента отражения не равно нулю.
Толщина, определяющая минимальное значение коэффи-
циента отражения, в этом случае определяется выраже-
нием
?c(i+2) Н--— = тл.
Для симметричной конструкции с поверхностными
слоями, характеризующимися величиной фь это выраже-
ние примет вид
4MD ++1==тл,
а для поверхностных слоев, характеризующихся величи-
ной ф2:
?с(2) + 4’2 =тл.
Для получения минимального отражения от несиммет-
ричной трехслойной стенки'необходимо, чтобы толщина
6*
163
среднего слоя являлась средним арифметическим между
толщинами средних слоев для трехслойных конструкций
с толщинами наружных обкладок, соответствующими
внутреннему и наружному поверхностным слоям рассмат-
риваемой конструкции несимметричного пакета, т. е.
fn <М1) + Ус(2)
(1+2)=-------------
С учетом реальных потерь, которые могут иметь место
в реальных стенках, формулы для коэффициентов про-
хождения и отражения трехслойных конструкций несколь-
ко усложняются. Если принять коэффициент прохожде-
ния стенки без потерь за То, то при наличии потерь по-
лучим
]ЛпоТ=|т0|2^4х
(1 + rabrbc)2 4rabrbc Sin2 у
(1+4 ГаьГъс}14 I?brabrbc sin2 у
2
X
(1 — iQol2)2 + 4 IQol2 sin2 (?c + Фо)
(i - 4)lel2)2 +44ie|2sin2(?c -но
(5.28)
где-Lc и Lb — коэффициенты, учитывающие ослабление;
амплитуды волны в среднем и наружном !
слое стенки.
Для трехслойных конструкций с тонкими наружными
слоями sin ср мал и членами, содержащими эту величину,
можно пренебречь. Пренебрегая также величинами
8Ш2(фс+#ф), зт2(фс+фо) и членами, их содержащими,
получим для коэффициента прохождения выражение:
1 + rabrbc / 1—|Со|2 \2
1 + ^brabrbc / \1—/
(5.29)
где
2
. stnae
Lc = e
2icder е*
т Х0/б'—SlllM
4
164
• io /rbc + ^brab\^ ч .л ( rbc + rab \2
и i: 1 ° _b+"^ J
n — 1 nc — n
rab=±—ZV' rbc = ±——;
n + 1 nc + n
ti=ye-, nc=V&c.
5.4. РАСЧЕТ СТЕНКИ ОБТЕКАТЕЛЯ ТРЕХСЛОИНОИ
КОНСТРУКЦИИ
Максимальное прохождение волны через симметрич-
ную трехслойную стенку с тонкими поверхностными слоя-
ми обеспечивается при электрической толщине среднего
слоя, удовлетворяющей выражению:
, 2(е»“ 1) Vre'fte'esin2 2<pft
=тл — arc tg у—,-. . , —гт------г-,-тт-г-'—тг •
(ей —0(eZ>+ 6c)c0s2<Po+Oc—е&)(8*+0
(5.30)
где т— целое число, определяющее порядок среднего
слоя;
г'ь, гс— эффективные диэлектрические проницаемости
поверхностных и внутреннего слоев для угла
падения 6;
<рь — электрическая толщина поверхностного слоя.
Эффективные диэлектрические проницаемости:
для перпендикулярной поляризации
» ___« । £— 1 ,
COS2 0
для параллельной поляризации
, _ е2
———- •
COS2 6
Из этого выражения следует, что для получения высо-
кой радиопрозрачности стенки необходимо выдерживать
жесткие допуски на толщину и диэлектрические прони-
цаемости наружных и внутреннего слоев стенки. С увели-
чением угла падения требования к величине допусков по-
вышаются.
165
Расчеты показывают, что трехслойная конструкция
стенки первого порядка обеспечивает получение коэффи-
циента прохождения, равного единице, при больших углах
падения, нежели конструкции более высоких порядков.
Выбор трехслойной конструкции необходимо начинать
с определения ф и q по формулам (5.20). На рис. 5.7
показана зависимость ф и q от углов падения для обеих
Рис. 5. 7. Зависимости ф (а) и Q (б) от угла падения:
1—при параллельной поляризации; 2—при перпендикулярной поляризации
поляризаций при трехслойной конструкции из стеклотек-
столита с 8=3,75 толщиной 9,5—10 мм. Определив ф,
можно рассчитать толщину среднего слоя (наполнителя)
D, при которой /?=0.
Коэффициент отражения равен нулю при эт(ф + ф) =0.
Трехслойная конструкция первого порядка соответствует
значению ф=180°—ф, а конструкция второго порядка —
значению ф=36О°—ф.
Для выбранной конструкции с помощью графиков,
приведенных на рис. 5. 7, можно построить кривую зави-
симости толщины внутреннего слоя D от угла 0, для ко-
торого коэффициент прохождения будет равен единице
угла (рис. 5. 8). Как следует из рис. 5. 8, самая малая ве-
166
Личина Ь получается прй условии ср= 1806—ф для пер-
пендикулярной и <р=360°—ф для параллельной поляри-
заций. Принято, что трехслойная структура имеет в пер-
вом случае первый, а во втором — второй порядок. Таким
образом, условно будем называть структурой первого по-
рядка ту, которая соответству-
ет наименьшему значению <р.
С учетом сказанного структурой
второго порядка для перпенди-
кулярной поляризации будет
являться та, у которой <р =
= 360°—ф, а для параллельной
поляризации структурой второ-
го порядка будет являться та,
у которой <р=540°—ip.
С помощью графика на рис.
5. 8 выбирается среднее значе-
ние величины D для данного
конкретного случая следующим
образом. Для всех возможных
Рис. 5. 8. Зависимость вели-
чины D от угла падения 0:
/—при параллельной поляриза-
ции; 2—при перпендикулярной
положений антенны под обте-
кателем определяются возмож-
ные углы падения. Затем опре-
деляется область наиболее ча-
СТО встречающихся углов И ИЗ поляризации
нее выбирается среднее значе-
ние угла 9, для которого из рис. 5.8 определяется сред-
нее значение D. Конечно на практике часто могут быть
отклонения от этой методики.
Иногда в силу тех или иных причин может быть вы-
брано максимальное значение угла 9 в качестве исход-
ного для расчета, либо промежуточное значение между
средней и максимальной величиной угла 0.
На рис. 5.9 приведены зависимости коэффициента
прохождения от угла 0 при выбранном значении D=
=6,5 мм. Видно, что так же, как и для однослойной кон-
струкции коэффициент прохождения для перпендикуляр-
ной поляризации в диапазоне углов 0 от 0 до 70° изменя-
ется сильнее нежели для параллельной поляризации. По-
этому расчет, как правило, производится для перпенди-
кулярной поляризации. При этом для параллельной по-
ляризации коэффициент радиопрозрачности будет выше
при любых углах падения.
167
Рис. 5. 9. Зависимость ко-
эффициента прохождения
от угла падения 0 :
1—при параллельной поля-
ризации; 2—при перпенди-
кулярной поляризации
Рис. 5. 10. Кривые постоянного уровня коэф-
фициента отражения при перпендикулярной
поляризации поля
168
Расчеты значительно упрощаются, если иметь набор
кривых, связывающих между собой относительную тол-
щину среднего слоя , коэффициент отражения |7?|2
\Ло/
и углы падения для различных поляризаций и для воз-
Рис. 5. И. Кривые постоянного уровня
коэффициента отражения при параллель-
ной поляризации поля
можных значений диэлектрических проницаемостей на-
ружных и внутреннего слоев и толщин наружных слоев
пакета. Для примера на рис. 5. 10 и 5.11 приведены такие
обобщенные кривые для конструкции, у которой
толщина наружного слоя..................d=0,4%o
диэлектрическая проницаемость наружно-
го слоя . . . ,..........................вь =3,7
диэлектрическая проницаемость внутрен-
него слоя . * ............................ес=1,4
169
Из рис. 5. 10 видно, что при О=0,254Ао обеспечивается
условие 7?2<0,1 в широком диапазоне углов О<0<65°.
Для параллельной поляризации при этом значении D
условие /?2<0,1 выполняется с большим запасом.
Характер кривых на рис. 5. 10 показывает, что с ро-
стом номера порядка структуры крутизна кривых R2 в
сторону больших углов 0 растет. Таким образом, структу-
Рис. 5. 12. Графики для определения коэффициента
отражения трехслойной конструкции
ры высших порядков для трехслойных конструкций сте-
нок также как и для однослойных, не обеспечивают вы-
сокого коэффициента прохождения в широком диапазоне
изменения углов 0.
Приведенные на рис. 5. 10 и 5. 11 кривые, полученные
в результате расчетов, позволяют производить выбор оп-
тимальных значений толщины среднего слоя D в зависи-
мости от толщины поверхностного слоя, а также от зна-
чений диэлектрических проницаемостей поверхностных и
среднего слоев для случая нормального падения волны
на стенку.
При отклонении электрической толщины среднего
слоя от оптимального значения на величину Д<рс появля-
ются отражения. Коэффициент отражения может быть
определен по графику, приведенному на рис. 5. 12. Знд-
170
*1ёйия коэффициента Френеля, характеризующего собой
отражения от поверхностей раздела, сведены в табл. 5. 2.
Допуск на электрическую толщину может быть пере-
веден в допуск на геометрическую толщину АД по фор-
муле:
дР= .
У £с
Приведенные графики (см. рис. 5.10 и 5.11) могут
быть без большой ошибки применены для реальных обте-
кателей, у которых углы падения в рабочей зоне сканиро-
вания антенны не выходят за пределы 0—50° — для кон-
струкций трехслойных стенок второго порядка.
Таблица 5-2
Значения коэффициента Френеля г
е=2,7
X. d *с 0,01 0,02 0,03 0,05 0,10
1,05 0,034 0,064 0,095 0,155 0,284
1,20 0,039 0,075 0,099 0,150 0,266
1,50 0,102 0,110 0,123 0,155 0,243
1,70 0,132 0,137 0,145 0,176 0,236
1,90 0,16 0,163 0,169 0,183 0,232
2,2 0,195 0,197 0,200 0,206 0,234
е=4,0
х. d 0,01 0,02 0,03 0,05 0,1
1,05 0,036 0,069 0,104 0,168 0,306
1,2 0,042 0,71 0,102 0,164 0,299
‘ 1,5 0,103 0,112 0,128 0,163 0,261
1,7 0,132 0,138 0,148 0,174 0,251
1,9 0,16 0,164 0,170 0,188 0,244
2,2 0,195 0,197 0,200 0,208 0,240
171
Продолжение
е=6,0
X, d 0,01 0,02 0,03 0,05 0,1
1,05 0,038 0,073 0,110 0,177 0,322
1,20 0,058 0,882 0,11 0,169 0,301
1,5 0,103 0,114 0,130 0,168 0,272
1,7 0,132 0,139 0,15 0,177 0,260
1,9 0,16 0,165 0,172 0,19 0,251
2,2 0,195 0,197 0,200 0,210 0,244
6=9,0
X d *с \ 0,01 0,02 0,03 0,05 0,1
1,05 0,039 0,075 0,112 0,182 0,331
1,2 0,059 0,083 0,113 0,174 0,310
1,5 0,103 0,114 0,132 0,172 . 0,279
1,7 0,132 0,139 0,151 0,180 0,266
1,9 0,16 0,165 0,172 0,192 0,257
2,2 0,195 0.197 0,200 0,211 0,247
Для более сложных случаев, когда углы падения мо-
гут изменяться в более широких пределах (от 0 до 70° и
более), приведенные кривые не годятся.
На рис. 5. 8—5. 13 приведены серии кривых, получен-
ные машинным расчетом. Эти кривые позволяют оценить
значение величины Ос, обеспечивающее оптимальное про-
хождение волны через трехслойную конструкцию в ши-
роком диапазоне углов падения для различных соотноше-
ний ВеЛИЧИН 86, 8С.
Как уже указывалось выше, данные расчетов, как
правило, не совпадают с данными экспериментальных
проверок. Поэтому всегда после проведения расчета не-
обходимо изготовить несколько контрольных панелей с
172
О,?!---------1--------Ь—-------1-------I--------L--------1---£?
1,2 1,4 1,6 1,6 2,0 2,2
Рис. 5. 13. К расчету оптимальной величины толщины
среднего слоя Dc
173
соблюдением всех особенностей технологии и лйшь йослё
проведения исследования этих панелей можно дать реко-
мендации на изготовление реальных обтекателей.
Несовпадение данных расчета и проверок происходит
как по причине несовершенства и нестабильности техно-
логических процессов, так и по- причине неоднородности
исходных материалов.
Допуски на изготовление можно разбить на группы:
— допуски на толщину наполнителя (среднего слоя);
— допуски на диэлектрические свойства среднего
слоя;
— допуски на толщину поверхностного слоя;
— допуски на диэлектрические свойства поверхност-
ного слоя.
Жесткость допусков повышается при повышении тре-
бований на радиопрозрачность: чем меньше значения до-
пустимых коэффициентов |./?|2, тем меньше значения до-
пустимых отклонений Ad и Де.
Как правило, в качестве исходного при выборе допу-
сков берут значение | Т\2^0,9. В табл. 5. 3 приведены мак-
симальные углы падения, при которых соблюдается усло-
вие | Г|2^0,9 для случая е& = 3,7, 8с=1,4 при перпендику-
лярной поляризации.
Таблица 5.3
Толщина поверхност- ного слоя аГ/Х0 Допуск на толщину среднего слоя
10,008 + 0,016 0,032 + 0,048 ±0,079
0,016 70° 68° 64° 64° 58°
0,020 70° 67° 64° 62° 54°
0,024 68° 65° 63° 59° 50°
0,028 66° 63° 61° 52° 41°
0,032 64° 62° 59° 50° 33°
0,040 62° 59° 55° 41° 00
Из табл. 5. 3 видно, что при данном допуске макси-
мальный угол падения уменьшается с увеличением тол-
щины поверхностного слоя. Структура более соответству-
ет расчетной при выборе более тонкого поверхностного
слоя. Пересчет допуска на отклонение диэлектрической
174
проницаемости дает значение Де порядка 10%. Такое же
значение справедливо и для допуска на толщину поверх-
ностного слоя.
Процесс изготовления трехслойных обтекателей состо-
ит, как правило, из двух основных циклов: набора пакета
(укладка поверхностного слоя, проклейка его, укладка
сотов, проклейка их, укладка и проклейка второго поверх-
ностного слоя) и опрессовки. В процессе проведения этих
Рис. 5. 14. Поправка на толщину
среднего слоя в зависимости от удель-
ного давления формования
циклов неравномерность свойств стенки может проявить-
ся вследствие неравномерности укладки слоев ткани
внешних силовых обкладок (поверхностных слоев), что
происходит из-за перехлеста кусков ткани, соединения их
с зазором, неравномерности нанесения клеевого слоя, не-
равномерности высоты и плотности сотов и т. д., а также
за счет отклонений от оптимального режима опрессовки.
При заниженном давлении при опрессовке могут иметь
место дефекты, связанные с недостаточной опрессовкой
стенки, при завышенном же давлении могут иметь место
уменьшение толщины стенки и увеличение ее плотности
и диэлектрической проницаемости. С учетом возможной
опрессовки пакета при формовании обтекателя необходи-
мо толщину сотов (либо другого материала среднего слоя,
например, разреженной стеклоткани) брать с некоторым
технологическим запасом:
D = Z?o + \D.
На рис. 5. 4 приведена зависимость поправки на вы-
соту сотов (на толщину среднего слоя) от удельного дав-
175
ления формования трехслойной стенки. Эта кривая полу-
чена экспериментальным путем для обтекателя с внеш-
ними оболочками из четырех слоев стеклоткани марки
Т] (35%-ое содержание связующего ВФТ с сотовым внут-
ренним слоем или площади сечения ячейки сотов 0,6 см2).
С повышением удельного давления поправка на высоту
сотов Д£> увеличивается.
5.5. ПРОХОЖДЕНИЕ ПЛОСКОЙ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ
ЧЕРЕЗ ПЛОСКУЮ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ СТЕНКУ ДВОЙНОЙ
ТРЕХСЛОЙНОЙ КОНСТРУКЦИИ
Стенка из двух трехслойных пакетов, соединенных
вместе при помощи промежуточного слоя, может быть
сведена к эквивалентной трехслойной, если левый и пра-
вый трехслойные пакеты рассматривать как эквивалент-
ные поверхностные слои, а средний слой, соединяющий
между собой трехслойные пакеты, рассматривать как
средний слой эквивалентной трехслойной конструкции.
Коэффициент прохождения по мощности для такой
эквивалентной конструкции будет выражаться уравне-
нием
и » (1 — 1ггд|2)(1 — |гЫ2)____
й*' 1 + 1п«|2 |rW|2 - 2 \rla\ 1ой1 cos (ш+ш) ’
Поскольку структура симметричная, то
fla — rik, <Pla = 4>lk-
Тогда
и (1-Ы2)2 \T\i _
1 а* 1+ lr/fl|4 - 2|rZa|2 cos 2<eia 1 + |Т|4 - 2 irpcos 2yZa
=-----------W' (5.31)
|7'|4 + 4(1-|Т|2)8ш2ш
где Т — коэффициент прохождения для трехслойной
стенки.
Для коэффициента отражения по мощности получает-
ся выражение:
|Г Р 4(1-|П2)з!п2Ш
1 aftl |T|4 + 4(l-m2)sin2Wa
417?(2 sin2 yZa g2>
(1 _ |7?|2)2 + 4/?2 Sin2 <ffa • 1 ’
176
Из формул (5.31), (5.32) следует, что коэффициент
отражения равен нулю при
где т — целое положительное число.
Полученные формулы можно применить к любой си-
стеме, состоящей из большего числа трехслойных струк-
тур. Допустим, что S — симметричная система с коэффи-
циентом прохождения Ts и коэффициентом отражения Rs.
Эта система может быть обычной трехслойной, двойной
симметричной трехслойной структурой или системой из п
трехслойных структур.
Для двух одинаковых S структур, расположенных ря-
дом, выражения для парциальных волн будут
B-=ARs-\-DTt; D—CgRQ-,
C = ATS+DRS- E = CgTs,
(5.33)
где
— i sln2o
q=e
В результате несложных преобразований получим
Практически часто расстояние между системами вы-
бирается равным нулю. При этом q= \ и тогда коэффици-
ент прохождения записывается в виде
Л 1— В2
Поскольку
17?
от
т _ £ _ =
А 1 —COS 2<рл + i |/?s|2 sin 2срл
V1 +I/?,!* - 21/?^2 cos ?y?ez₽
где
toe--. '^|2sin2^
1-|^|2со82<рл ’
Г=1 при cos2<f>fl=l или <рЛ = /шг.
Для системы из четырех трехслойных стенок, совме-
щенных в один пакет, получим
Т= (l~l^fel2)g ,(?!..)..........( (5.35)
V 1 + kaft|4 — 2|raft|2cos2cf>afte'₽
где
^=^ia~+r,
1—M2cos2<paft 2
tgVr.= l^l2 sin 2щ
l-|^2cos2WiI
(здесь R и <pia взяты из расчета симметричной трехслой-
ной структуры). Таким образом, коэффициент радиопро-
зрачности сложной симметричной S-структуры зависит
лишь от R и <pza. Общий коэффициент радиопрозрачности
равен единице при
Ы=0, <?ia=mn и у==л (2т-£ + -у) ,
где k — определяется для четырех трехслойных структур
из выражения фаь=&гг.
Для трехслойной стенки минимум коэффициента отра-
жения может быть только для одного значения угла паде-
ния. Изменением параметров стенки (толщины обкладок,
среднего слоя, диэлектрической проницаемости слоев)
нельзя изменить полосу углов, в пределах которых коэф-
фициент отражения меньше заданного уровня, а лишь
можно сдвинуть эту область вдоль оси в сторону умень-
шения или увеличения значения угла 01 (рис. 5. 15).
178
Расширить этот сектор углов можно при применений
совмещенных двойных трехслойных конструкций. При
этом внешние грехслойные конструкции рассчитываются
на максимальное прохождение энергии волны, падающей
под углом 02, а средний слой рассчитывается на макси-
мальное прохождение энергии, падающей под углом 0з,
который отличается от 02. Тогда в полосе углов Оч-0з
должна обеспечиваться приемлемая радиопрозрачность.
Рис. 5. 15. Зависимость коэффициента отраже-
ния от угла падения для различных конструк-
ций стенок
Такой принцип построения стенок с широким сектором
радиопрозрачности можно продолжить до бесконечности.
Так, с помощью 13ч-15-слойных пакетов обеспечиваются
кривые радиопрозрачности с тремя нулями коэффициента
|Л|2 вдоль оси углов 0.
Все эти рассуждения относились к одной фиксирован-
ной частоте. Комбинируя толщины слоев двойных трех-
слойных стенок и значения углов падения, на которых
осуществляется компенсация отражений, можно получить
достаточно хорошее прохождение на двух волнах с двумя
нулями |/?|2 для более короткой волны и одним нулем
для более длинной волны (р^ё. 5. 16).
Толщина наружных и внутренних плотных слоев двой-
ных трехслойных конструкций должна составлять поряд-
ка 0,02—0,045 длины волны, так как в противном случае
будут большие отражения от этих слоев.
179
При расчете стенок на сильно разнесённые кратные
диапазоны необходимо расчет производить для более ко-
роткой волны, тогда на более длинной волне радиопро-
зрачность будет удовлетворительной, поскольку толщина
плотных слоев для этой волны будет незначительной.
Кроме таких стенок часто применяются так называе-
мые стенки с согласующими слоями, построенные на
основе известного принципа согласования с помощью чет-
вертьволнового трансформатора.
Рис. 5. 16. Зависимость коэффициента отра-
жения от угла гГадения для двойной трех-
слойной стенки
Используя этот принцип, можно построить стенку либо
с одной парой четвертьволновых согласующих диэлектри-
ческих слоев, либо с несколькими парами таких слоев.
При нескольких согласующих слоях, при правильном вы-
боре параметров таких слоев так же, как и при несколь-
ких совмещенных трехслойных стенках, можно получить
достаточно высокую радиопрозрачность в широком сек-
торе углов падения для 2—3 волн одновременно.
На рис. 5. 17 показаны характеристики радиопрозрач-
ности стенки с двумя парами согласующих слоев с одним
и двумя минимумами для разных волн. Схемы стенок с
согласующими слоями приведены на рис. 5. 18.
Увеличение числа согласующих слоев приводит к рас-
ширению полосы. Однако чрезмерное усложнение схемы
стенки нецелесообразно, так как появляются трудности
при изготовлении такой стенки, дополнительные факторы,
180
приводящие к неоднородности структуры (клеевые про-
слойки и др.).
Еще одной разновидностью многослойных стенок мо-
гут служить стенки с плавным изменением диэлектриче-
ской проницаемости по сечению стенки. Из теории линз,
в частности линз Люнеберга, известно, что при плавном
изменении диэлектрической проницаемости от единицы и
выше достигается хорошее согласование. Практическое
Рис. 5. 17. Кривая радиопро-
зрачности стенки с двумя
парами согласующих слоев
Рис. 5. 18. Схемы стенок с со-
гласующими слоями
‘осуществление подобных стенок в настоящее время за-
труднительно. Хорошее приближение может быть достиг-
нуто путем набора пакета стенки из нескольких слоев с
различной диэлектрической проницаемостью. Чем меньше
толщина каждого слоя, тем лучшее приближение может
быть достигнуто с помощью такого пакета.
На рис. 1. 4 показана схема стенки обтекателя с плав-
ным изменением диэлектрической проницаемости. Труд-
ности изготовления подобных стенок ограничивают их
применение в конструкциях обтекателей.
5.6. ПРОХОЖДЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВОЛНЫ
ЧЕРЕЗ КРИВОЛИНЕЙНУЮ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ СТЕНКУ
Ранее были рассмотрены некоторые приемы расчета
коэффициента прохождения для различных типов пло-
ских стенок — однослойных, трехслойных, двойных трех-
слойных и т. д. Предполагалось, что условия встречи па-
дающей волны с поверхностью стенки в любой точке оди-
наковые (угол падения, поляризация поля). В реальных
условиях это не выполняется, поскольку все реальные об-
181
Текатёли ймеют более или менее выраженную кривбЛй-
нейную форму. Поэтому углы падения вдоль по фронту
падающей на стенку волны будут иметь неравномерное
распределение. Для таких обтекателей, как цилиндриче-
ские, полусферические (рис. 5. 19), эта неравномерность
менее выражена. Для других (остроконечные конические,
оживальной формы) распределение у углов вдоль по
фронту падающей волны (рис. 5. 20) может быть весьма
неравномерным.
Рис. 5. 19. Распределение углов падения по фронту
волны для сферических и цилиндрических стенок
Как в первом, так и во втором случаях при расчете об-
текателя необходимо определенным образом учитывать
криволинейность стенки. Для этого необходим предвари-
тельный анализ, который заключается в том, что изуча-
ется распределение углов падения для всех возможных
положений антенны относительно строительных осей об-
текателя. Поскольку при работе бортового радиолокаци-
онного устройства происходит непрерывное качание ан-
тенны относительно осей обтекателя, то очевидно в каж-
дом положении антенны участки поверхности обтекателя,
обсвечиваемые лучом антенны будут изменяться. При
этом будут изменяться и углы падения.
Для простоты рассуждений рассмотрим продольное
сечение обтекателя, проходящее через его вершину. Тогда
фронт волны будет представлен прямой линией (рис.
5.21). Объемная картина облучения обтекателя таким
образом преобразуется в плоскую картину. Для проведе-
ния дальнейших рассуждений введем понятие эквива-
лентного раскрыва антенны. Это — линия, параллель-
182
ная раскрыву антенны и проведенная за обтекателем в
плоскости рассматриваемого сечения обтекателя.
Рис. 5.20. Распределение углов падения
по фронту волны для остроконечных об-
текателей
Для оценки параметров проходящей волны удобно
рассматривать эквивалентный раскрыв в отрыве от обте-
кателя и реального раскрыва антенны. Для каждого по-
Рис. 5.21. Продольное сечение обтекателя
ложения антенны под обтекателем можно определить угол
падения для любой точки эквивалентного раскрыва. Ис-
следовав таким образом все положения антенны, можно
183
получить набор кривых распределения углов падения на
стенку вдоль по эквивалентному раскрыву. Из рис. 5. 22
видно, что для одной и той же точки поверхности обте-
кателя угол падения может изменять свое значение при
Рис. 5. 22. Изменение угла падения для одной и той же точки
поверхности обтекателя при сканировании луча:
а—-картина обсвета элемента поверхности Дх обтекателя при двух по-
ложениях антенны а и а ; б—зависимость фазового запаздыва-
ант ант
ния Дф, вносимого элементами Дх в фазовый фронт от угла отворота
антенны аант
сканировании антенны практически от 0 до 90°. Очевид-
но, что условия прохождения через стенку при этом будут
резко изменяться.
Параметры проходящей волны (амплитуда и фаза)
определяются амплитудной и фазовой характеристиками
стенки обтекателя для данного случая, зависящими от ве-
. Л d „
личины е, tg б, и поляризации поля падающей волны.
184
S. t Насчет обтекателя оптимальной прозрачностй
Рассмотрим монолитный обтекатель оживальной фор-
мы, которые, как правило, применяются для оснащения
головных частей сверхзвуковых летательных аппаратов.
В вершине такого обтекателя для предохранения его от
разрушения устанавливается металлический наконечник.
Поскольку влияние наконечника на радиопрозрачность
конструкции точному расчету не поддается, то не будем
его учитывать. Учет подобных наконечников, а также раз-
личного рода приборов, устанавливаемых в носовой части
обтекателя, производится экспериментально при отработ-
ке конкретной конструкции обтекателя.
Как уже указывалось, углы падения на каждый уча-
сток поверхности обтекателя при сканировании луча мо-
гут изменяться в очень широких пределах.
Расчет оптимального профиля стенки обтекателя,
обеспечивающего заданный уровень проходящей энергии,
заключается в определении для каждой точки поверхно-
сти оптимальной толщины, удовлетворяющей условию
оптимального прохождения энергии: Расчет производится
не для каждой точки поверхности, а с учетом близлежа-
щих участков.
Полного прохождения энергии падающей на стенку
волны добиться в реальных условиях не удается. Если на
одних углах качания антенны радиопрозрачность обтека-
теля хорошая, то на других она может быть хуже. Иногда
для определенного, положения антенны коэффициент про-
хождения (отношение уровня прошедшей "мощности '~к
уробнюПпадающей в данном направлении) получается
рдвнымхдинице и лаже несколько-большим.
Этот, на первый взгляд, парадоксальный факт легко
объясняется, если учесть, что обтекатель представляет
собой своего рода диэлектрик mq-'
жет в^рщих_лаправ^ниях.4окусировяхь.._лун,. в других
его расфокусировать, обеспечивая при этом увеличение
либр“рслаблёние сигнала, по сравнению с тем, который
имеет место без обтекателя.
На рис. 5.23 приведены кривые радиопрозрачности
обтекателя постоянной толщины при различных поляри-
зациях поля. Для полярной поляризации коэффициент
прохождения 7=1 при угле падения 0, соответствующем
значению 0=0ь и при угле Брюстера 0=0Бр. Для перпен-
185
дйкуЛярной поляризации кривая зависимости коэффици-
ента прохождения от угла падения более крута. Опти-
мальную радиопрозрачность в диапазоне углов па-
дения труднее получить для поля с перпендикуляр-
ной поляризацией. Поэтому расчет всегда проводится
для поля с перпендикулярной поляризацией,
для параллельной поляризации условие оптимального со-
гласования удовлетворяется автоматически.
Рис. 5. 23. Кривые радиопрозрачности обте-
кателя постоянной толщины при различных
поляризациях:
/—при параллельной поляризации: 2—при перпен-
дикулярной поляризации
Расчет стенки начинается с определения углов падения
в каждой точке поверхности обтекателя для всех возмож-
ных углов отворота антенны относительно продольной
оси обтекателя.
Координата точки пересечения данного луча со стен-
кой обозначена через х. Интервал углов падения Д0 в
данной точке может быть определен аналитически или
графически на основании знания формы обтекателя. За-
тем строится зависимость угла падения 0 от х при разных
углах отворота антенны ааНт.
Определение углов падения является задачей доволь-
но трудоемкой. Имея аналитическое выражение обвода
обтекателя и зная расположение антенны относительно
осей обтекателя, можно получить выражение для угла
186
падения луча на стенку. Так, для полусферического обте-
кателя (рис. 5. 24) угол падения
Л . пЛх + a sin аант
6=arc sin-----=-----,
R
где ааНт — угол поворота антенны;
R — радиус сферы;
а — вынос центра качания из центра сферы;
Д%— длина элементарного участка на раскрыве;
2п — число элементарных участков по раскрыву.
Рис. 5. 24. Прохождение плоского фронта волны через полу-
сферический обтекатель:
а—центр качания зеркала совмещен с центром полусферы; б—центр
качания зеркала смещен относительно центра сферы
187
Однако для ряда реальных конструкций подсчет уг-
лов аналитическим путем может быть осуществлен толь-
ко с применением вычислительной техники. Объясняется
это сложными выражениями для описания теоретического
обвода, а также тем, что могут быть различные варианты
размещения антенн под обтекателем (соосные, несоосные
и т. д.).
Рис. 5. 25. Приспособление для вычисления углов па^
дения лучей на стенку обтекания
Можно определять эти углы графическим путем. Гра-
фическое построение весьма длительный процесс, так как
для каждого угла аант и для каждой точки на поверхно-
сти обтекателя, где происходит пересечение луча с обра-
зующей, строится касательная к поверхности и нормаль
к ней в данной точке.
Процесс можно ускорить, используя специальное при-
способление (рис. 5. 25). Оно представляет собой обычный
транспортир с зеркальцем, плоскость которого перпенди-
кулярна плоскости транспортира и проходит через деле-
ния 0 и 180°. На прозрачном материале наносится линия
теоретического обвода с изображением продольной оси
и центра качания зеркала антенны, закрытой обтекате-
лем. На другом непрозрачном листе (ватман, картон) на-
носится система равноотстоящих прямых линий, перпен-
дикулярных плоскости раскрыва.
188
Вся эта картина изображается в любом масштабе,
удобном для работы. Прозрачный и непрозрачный листы
накладываются друг на друга так, чтобы центр качания
зеркала антенны совместился с центром раскрыва. Затем
поворотом относительно этой общей точки ось антенны
устанавливается на определенный угол аант и в местах пе-
ресечения каждого луча со стенкой определяется угол па-
дения на стенку.
Определение угла производится следующим образом:
транспортир устанавливается своим центром в точку пе-
ресечения луча со стенкой. Затем медленно поворачивая
транспортир вокруг этой точки, добиваются такого поло-
жения, когда кривая обвода обтекателя и ее изображение
в зеркале, укрепленном на транспортире, составят плав-
ное продолжение одна другой без излома. В этом случае
проекция плоскости зеркала на плоскость чертежа будет
являться нормалью к кривой обвода обтекателя в точке
падения данного луча, а угол между направлением луча
и этой проекцией составит угол падения данного луча на
стенку при данном угле отворота антенны. Таким обра-
зом, угол падения непосредственно отсчитывается по де-
лению транспортира, через которое проходит данный луч
от раскрыва.
Погрешность такого метода при самых сложных слу-
чаях отсчета составляет не более 0,5°, что вполне доста-
точно в данном случае.
Применение описанного устройства позволяет сокра-
тить время измерения углов. По результатам замеров со-
ставляется набор кривых зависимости углов падения от
координаты на раскрыве антенны для определенных зна-
чений угла отворота антенны аант.
Поскольку уровень излучаемой энергии от централь-
ной части антенны больше, чем от краев, то влияние на
характеристики излучения системы «антенна—обтека-
тель» будут в большей степени оказывать те участки об-
текателя, которые обсвечиваются центральной частью
зеркала антенны, закрытой обтекателем. Это позволяет
проводить логический анализ с учетом энергетического
веса каждого элементарного луча и определять для каж-
дой точки поверхности обтекателя некоторый эффектив-
ный угол падения 0Эфф, который будет зависеть от харак-
тера распределения амплитуд в апертуре антенны. Ме-
тод оценки сводится к следующему:
189
а) задаются значением х', для которого необходимо
вычислить эффективный угол 0Эфф (рис. 5. 26);
б) из номограммы (рис. 5. 27) определяют значение 0,
соответствующее значениям г=пДх;
в) зная функцию распределения интенсивности р(г)
в апертуре антенны, производят взвешенное усреднение
0 2в(г)р(г)
эфф '
Полученная кривая (х') представлена рис. 5. 28
(кривая /). Из рис. 5.28 можно определить закон изме-
Рис. 5.26. К определению угла паде-
ния 0
нения толщины стенок обтекателя. После построения про-
изводится второе усреднение полученных результатов с
учетом той особенности, что при малых углах падения
изменение толщины влияет на радиопрозрачность в мень-
шей степени, чем при больших углах. В результате полу-
чается кривая II. Из приведенной на рис. 7. 16 типичной
кривой изменения КПД в зависимости от угла отворота
антенны аант видно, что в осевом направлении имеет ме-
сто провал КПД, а при увеличении угла аант вправо или
влево наблюдается монотонное нарастание КПД. Зона
провала для реальных обтекателей обычно охватывает
сектор углов от 0 до ± 10-4-15°. На углах ааНт> 15° кривая
КПД более монотонна. Это является следствием того, что
разброс углов падения элементарных лучей здесь сравни-
тельно небольшой. Кроме того, значения углов падения
здесь меньше, что обеспечивает более высокий уровень
радиопрозрачности.
190
Рис. 5.28. К определению Оэфф с учетом весовой
функции
191
Таким образом, при расчете радиопрозрачности обте-
кателя необходимо учитывать не все возможные случаи
распределения углов падения по эквивалентному раскры-
ву антенны, закрытой обтекателем, а лишь те, которые
имеют место в пределах сектора углов аант, определяю-
щего провал характеристики прозрачности (04-15°). За-
дача выбора среднего расчетного значения угла 0 при
этом значительно упрощается.
Для примера на рис. 5. 22 приведены несколько харак-
теристик углов падения для определенных точек поверх-
ности обтекателей оживальной формы, взятых для секто-
ра 04-40° и для сектора углов сканирования луча антен-
ны, где имеет место провал характеристики радиопро-
зрачности обтекателя (О1—15°). Из этих кривых видно,
что разброс углов падения для каждой точки поверхности
обтекателя при уменьшении сектора углов аант сокра-
щается. Выбор оптимальной толщины стенки для каждой
точки при этом существенно упрощается и разброс эффек-
тивных толщин для этого сектора получается меньшим,
чем для полного сектора возможных углов сканирования
антенны. При таком методе расчета эффективной толщи-
ны стенки можно выбрать два пути построения оптималь-
ной конструкции стенки. Первый заключается в том, что
с учетом весовой характеристики выбирается наиболее це-
лесообразный оптимальный угол согласования. Он явля-
ется исходным при построении конструкции всей стенки.
Второй путь предполагает построение стенки с перемен-
ным профилем. Это означает, что для каждой точки по-
верхности обтекателя для сектора углов ааыт, соответст-
вующего провалу характеристики радиопрозрачности, вы-
бирается своя оптимальная толщина стенки. Согласова-
ние стенки в заданном секторе углов отворота антенны
получается наиболее оптимальным.
Глава 6
УГЛОВЫЕ ОШИБКИ ПЕЛЕНГА И МЕТОДЫ
ИХ КОМПЕНСАЦИИ
6.1. ВЛИЯНИЕ УГЛОВЫХ ОШИБОК ПЕЛЕНГА
НА ТОЧНОСТЬ БОРТОВЫХ РЛС
Радиолокационные бортовые станции наведения и са-
монаведения могут работать на разных принципах: на-
ведение по дальности и углам, по скорости, по допплеров-
скому смещению и др. Скорость цели определяется с по-
мощью угловой скорости вращения антенны. С учетом ис-
кажений, создаваемых стенкой обтекателя, угол поворота
антенны отличается от углового смещения на величину
угловой ошибки А.
В зависимости от знака угловой ошибки скорость
цели, измеренная бортовым приемным устройством, мо-
жет оказаться больше или меньше истинного значения.
В определенных пределах такие отличия допускаются,
поскольку они не нарушают нормальной работы бортово-
го контура самонаведения. Однако при достижении опре-
деленного уровня угловых искажений они становятся не-
допустимыми, поскольку могут создать нарушение устой-
чивости контура, потерю цели и т. д. Необходимо знать
границу допустимых угловых ошибок. Для этого
используются специальные модулирующие стенды, кото-
рые включают в себя целиком весь контур самонаведе-
ния со всеми входящими в него элементами с имитацией
параметров цели.
На рис. 6. 1 дана схема наведения. Цель и самолет на-
ходятся в точках Е и А соответственно. Скорости само-
лета и цели обозначим через Vi и Vt. Угол между направ-
ив
7 5306
лением АЁ и вектором скорости Vt обозначим 0. Скорость
снаряда по отношению к самолету обозначим Vp.
Из рис. 6. 1 видно, что относительная скорость само-
лет—ракета
V-Vi + Vp.
Введем обозначения
Если R — расстояние между точками А и Е в метрах, S —
расстояние, на которое снаряд расходится с целью (про-
Рис. 6. 1. Наведение ракеты на цель по скоро-
сти
мах), и k — смещение направления на цель за счет об-
текателя при качании луча антенны (в градусах на гра-
дус) или, как принято ее называть, градиент угловой
ошибки пеленга, то тогда можно составить зависимость
S
величины —, характеризующей промах при заданных па-
okR
у
раметрах системы от относительной величины Х= -—, ха-
растеризующей взаимную скорость снаряд—цель.
"194
Так, для перехватчика, движущегося со скоростью
Л4=1,5, при скорости снаряда Л4=2,5 и скорости цели
Л1=1, получим
!/ = 1,54-2,5=4,0; q = 1 -^=0,624;- Х = -1-,
откуда для 0=30° величина-----=0,16.
QkR
Если снаряд выпускается с расстояния 2000м и промах
1Л „ S 10
должен составлять 10 м, то Л = ——- = п =
0,16qJ? 0,16*0,624*2000
=0,05 град/град, т. е. изменение угловой ошибки должно
составлять не более 0,05 градуса на 1 градус отворота
луча антенны. Для управляемых снарядов угловая ошиб-
ка, создаваемая обтекателем, приведет к отклонению
курса. В процессе самонаведения из-за угловых ошибок
переменной величины и переменного знака будет наблю-
даться девиация составляющей сигнала, определяемой
угловой ошибкой. Произойдет процесс раскачки системы
около какого-то среднего значения составляющих полез-
ного и вредного сигналов. И может наступить такое со-
стояние, когда параметры колебательной системы (кон-
тур самонаведения с учетом обтекателя) достигнут кри-
тической величины и система выйдет из состояния устой-
чивости.
При этом произойдет потеря цели. В этих случаях осо-
бенно важно учитывать максимальную величину допусти-
мых угловых ошибок (знак и величину скорости измене-
ния угловой ошибки при сканировании луча антенны).
Очевидно, градиент угловой ошибки при разных углах от-
клонения луча антенны от оси ракеты должен быть раз-
ным. Оценка допустимых значений градиента и величин
угловых ошибок для различных систем наведения и само-
наведения должна производиться по результатам моде-
лирования на установках, в которые входят элементы
контура: РЛГС, автопилот, обтекатель, и др. На подоб-
ных стендах удобно производить окончательную оценку
качества обтекателей, прошедших полный технологиче-
ский цикл изготовления и радиотехнической доводки.
Эту оценку желательно производить с тем комплексом
аппаратуры, с которым данный обтекатель будет рабо-
тать в реальных условиях.
7*
195
6.2. ПРИЧИНЫ ПОЯВЛЕНИЯ УГЛОВЫХ ОШИБОК
Основными причинами ослабления сигнала являются
рассеяние энергии падающей волны на неоднородностях
стенки, а также поглощение некоторой части энергии в
материале стенки.
Ослабление сигнала за счет рассеяния можно объяс-
нить отражением некоторой части энергии падающей вол-
ны за счет неполного согласования параметров стенки с
параметрами окружающего пространства. Величина отра-
женной энергии зависит от вида амплитудной и фазовой
характеристик стенки. Если эти характеристики предста-
вить в виде степенных рядов, то каждый член разложения
будет определять характер искажений амплитудной и фа-
зовой характеристик, влияющих на форму диаграммы на-
правленности, КПД, уровень боковых лепестков и т. д.
Любые искажения диаграммы: расширение основного
лепестка, отклонение направления главного максимума,
изменение уровня излучения в максимуме диаграммы на-
правленности, искажение формы лепестка приводят к ис-
кажению пеленгационной характеристики. Степень этого
искажения определяется характером и способом, по ко-
торому осуществляется пеленг цели бортовым радиоло-
кационным устройством. При пеленге по методу равно-
сигнальной зоны или моноимпульсным способом искаже-
ние пеленгационной характеристики происходит главным
образом за счет возможного отклонения направлений мак-
симального излучения, а также за счет изменения высоты
одного лепестка диаграммы направленности по сравне-
нию с другим или за счет изменения формы лепестка (при
фазовых искажениях третьего порядка и при наличии
амплитудных искажений за счет затенения части раскры-
ва). При пеленге по минимуму сигнала возможно появ-
ление угловых ошибок пеленга за счет изменения уровня
и углового положения первых боковых лепестков.
Угловой ошибкой принято называть угловое расстоя-
ние между кажущимся и истинным направлениями на
цель, выраженное в угловых минутах.
Наряду с влиянием обтекателя причиной угловых оши-
бок пеленга могут служить также нелинейные переда-
точные характеристики приводов и датчиков угловых по-
ложений антенны, а также дополнительные искажения
поля излучения за счет допусков и непостоянства элек-
196
трических характеристик антенны в условиях эксплуа-
тации.
В случае изменения уровня одного из лепестков ди-
аграммы (первого или левого) равносигнальная зона пе-
Рис. 6. 2. К объяснению причин появления угловых
ошибок:
а—смещение лепестков диаграммы; б—искажение формы
лепестков;. в—неравномерное снижение КПД по правому
и левому лепесткам
ремещается в сторону лепестка с меньшим уровнем в
максимуме (рис. 6.2). По форме внешнего обвода обте-
197
кателя, толщине стенки, ее диэлектрическим свойствам
и установке зеркала антенны можно предсказать величи-
ну и знак угловой ошибки, возникающей за счет разности
уровней правого и левого лучей. Практически это можно
сделать, исследовав зависимость КПД обтекателя от угла
поворота антенны КПД=/(аант) и зная пространствен-
ный разнос лучей диаграммы в пространстве. Очевидно
Рис. 6. 3. Влияние пространственного разноса лучей на величину
угловых ошибок:
а—при малом разносе (Д-> 0): б—при большом разносе (А */=0).
относительное искажение уровней лепестков диаграмм и
величина угловых ошибок, возникающих за счет этого ис-
кажения, будут тем больше, чем больше пространствен-
ный разнос лучей диаграммы направленности в простран-
стве. При очень малых разносах оба луча пересекают по-
верхность обтекателя практически в одном и том же ме-
сте. Таким образом, ослабление уровня обоих лучей при
этом будет практически одинаковым. И величина угловой
ошибки, обусловленная этим ослаблением, будет близка
к нулю. На рис. 6. 3 это соответствует случаю а. Из него
наглядно видно полное взаимное перекрытие зон обсвета
правым и левым лучом участка поверхности обтекателя.
198
Г1ри больших пространственных разносах лучей ан-
тенны зоны обсвета поверхности обтекателя могут значи-
тельно расходиться.
Поскольку различные лучи диаграммы проходят через
различные участки поверхности обтекателя, то ослабле-
ние энергии этих лучей также может быть различным и
уровень одного лепестка окажется отличным от уровня
другого. Линия равного сигнала сместится в сторону бо-
лее ослабленного сигнала (случай б на рис. 6. 3).
Взаимное ослабление лепестков диаграммы направ-
ленности антенны, закрытой обтекателем, будет зависеть
от крутизны характеристики КПД обтекателя (рис. 6. 4)
Чем круче эта кривая, тем больше будет перепад уровней
энергии, излученной или принятой различными лепестка-
ми диаграммы направленности.
Зависимость между крутизной характеристики про-
зрачности обтекателя
проц
Да град
(6.1)
пространственным разносом лучей диаграммы и величи-
ной, получающейся в результате этого угловой ошибки,
выражается уравнением:
Д=дМ. (6.2)
199
Это приводит к тому, что при крутизне характеристи-
ки Л4=2,0 и пространственном разносе 6=4° величина
угловой ошибки составит
Д=4-2=8'.
Приведенный пример вполне соответствует действи-
тельности, поскольку подобный разнос лучей и крутизна
характеристики прозрачности часто бывают на прак-
тике.
Для одних обтекателей максимальная величина кру-
тизны Af=2,65 ~рои‘, а для других эта величина может со-
град
ставлять всего около 0,6.
Таким образом, при проектировании обтекателей необ-
ходимо заботиться не только о том, чтобы получить об-
текатель с максимальной прозрачностью, но и о том, что-
бы кривая КПД обтекателя была как можно более равно-
мерной, т. е. чтобы крутизна ее была по возможности
меньше.
Другой причиной появления угловых ошибок является
деформация диаграммы направленности, которая может
быть двоякого характера:
— параллельный сдвиг диаграммы без искажений
формы основного и побочных лепестков;
— неодинаковое искажение формы каждого из ле-
пестков.
В первом случае угловая ошибка является результа-
том взаимного сдвига лепестков без искажения формы.
Угловая ошибка будет являться функцией величины
сдвига лепестка и крутизны формы диаграммы направ-
ленности. При равном сдвиге лучей в противоположные
направления угловая ошибка будет иметь нулевое зна-
чение.
При большом разносе лучей диаграммы лучи пере-
секают обтекатель в разных участках и искажаются по-
разному. Поэтому смещения лучей также будут различ-
ными. Угловая ошибка будет складываться из двух не-
равных по величине смещений а' и а":
а"=/=а', Д=а'—а"#=0.
Поэтому даже при смещении лучей в разные стороны
угловая ошибка будет отличной от нуля. Если же разнос
лучей незначительный, что бывает при больших антен-
200
нах, у которых ширина диаграммы незначительная, а
крутизна характеристики направленности велика, лучи
пересекают практически один и тот же участок поверх-
ности обтекателя. В этом случае величина угловой ошиб-
ки при смещении лучей в разные стороны будет иметь ну-
левое значение. Это показывает, что весьма важно учи-
тывать неравномерность свойств обтекателя.
Рис. 6.5. Зависимость угловой ошибки от размера
раскрыва и набега фазы на нем
При пеленге по максимуму излучения величина угло-
вой ошибки определяется лишь смещением луча антенны,
которое в свою очередь определяется крутизной фазовой
характеристики по эквивалентному раскрыву и размером
раскрыва в рассматриваемом сечении, выражаемом в
длинах волн (рис. 6. 5).
Действительно, при линейных фазовых искажениях,
при которых имеет место параллельный сдвиг максимума
диаграммы, величина этого сдвига будет зависеть от пе-
репада фаз на краях раскрыва относительно его центра.
где Лф— величина перепада фаз;
d — размер раскрыва антенны;
Л — длина волны.
Чем больше раскрыв антенны, тем меньше будет ве-
личина отклонения диаграммы направленности от своего
Д = агс sin
(6.3)
201
нормального положения. Это отклонение будет обратно
пропорционально размеру раскрыва антенны. Таким об-
разом, величина угловых ошибок при малых раскрывах
антенны будет больше, чем при том же обтекателе для
антенны с большим раскрывом. Это необходимо иметь в
виду при проектировании антенной системы бортового
радиолокационного устройства. На рис. 6. 5 показано, ка-
ким образом влияют размеры антенны и величина фазо-
вых искажений на величину угловой ошибки.
6.3. ФАЗОВЫЕ ИСКАЖЕНИЯ В КРИВОЛИНЕЙНЫХ СТЕНКАХ
С помощью ЭВМ можно построить фазовые характе-
ристики сплошных стенок при параллельной и перпенди-
кулярной поляризациях при различных значениях d/% и
е. На рис. 6.6 показаны номограммы, построенные для ма-
териала с е=3,2 при двух различных поляризациях. Кри-
вые фазовых набегов даны в функции угла падения волны
на стенку. Для различных поляризаций крутизна этих
кривых отличается, что необходимо учитывать при про-
ведении расчета стенок и выбора типа обтекателя и
антенной системы. По известному закону распределения
углов падения лучей на стенку вдоль по эквивалентному
раскрыву можно, используя данные номограммы, постро-
ить кривые распределения фазы по эквивалентному рас-
крыву. При этом толщина стенки и диэлектрическая про-
ницаемость выбираются таким образом, чтобы крутизна
характеристики Аф=/:(0), а вместе с ней и уровень
угловых ошибок были минимальными в данном рабочем
диапазоне перепада углов 0 вдоль по раскрыву.
Анализ кривых распределения фазы по эквивалент-
ному раскрыву с учетом влияния реальной конструкции
обтекателя показывает, что это распределение может
быть описано для любого конкретного значения угла аант
в виде полинома
оо
дф(х)=а0+ J апх\ (6.4)
п =1
где ап — коэффициенты, зависящие от положения антен-
ны под обтекателем и от его формы.
С достаточной степенью точности эти кривые описы-
ваются первыми тремя-четырьмя членами данного раз-
202
Ложёния. При этом поскольку наличие составляющих чет-
ных степеней при соблюдении условия [их—ф(х)]тах—
—[их—практически не оказывает влияния
ни на снижение КПД, ни на появление угловых ошибок,
то достаточно учитывать лишь составляющие нечетных
степеней (линейные, кубичные, пятой степени).
Линейные члены разложения при соблюдении допуще-
ния о величине фазовых искажений на краях эквивалент-
ного раскрыва оказывают влияние лишь на угловое пере-
мещение всей диаграммы направленности. Это переме-
щение связано с величиной фазовых искажений на краях
и размерами эквивалентного раскрыва выражением:
Д!=агс sin^^ . (6.5)
1 2nd 7
Кубичные фазовые искажения поля в раскрыве созда-
ют сдвиг максимума и перекос диаграммы в сторону сме-
щения основного лепестка. Смещение основного лепестка
за счет кубичных искажений выражается формулой:
д = arc sin . (6.6)
Простым пересчетом можно свести линейную и кубич-
ную составляющие к эквивалентной линейной составляю-
щей. При этом угловая ошибка будет
А = Д1 + Д3=arc sin ( — д<|>8Ю>') . (6.7)
\2nd J
Тогда появление угловых ошибок при сканировании
антенны под обтекателем можно объяснить тем, что об-
текатель на каждом из углов отворота антенны относи-
тельно его оси вносит в поле излучения антенны линейные
фазовые искажения. Таким образом, пользуясь метода-
ми графической интерполяции, необходимо реальные кри-
вые изменения фазы по раскрыву свести к линейным рас-
пределениям, а затем по максимальным перепадам фазы
на краях найти ожидаемый уровень угловых ошибок.
Свойства материала и толщина стенок выбираются таки-
ми, чтобы эти эквивалентные линейные функции имели
минимально возможные значения угловых коэффициен-
тов ап.
203
Рис. 6. 6. Номограммы фазовых характеристик диэлектриче-
а—Aipi—при перпендикулярной поляризации: б—
204
ского материала с б=3,2 при двух различных поляризациях:
Д'фй'— при параллельной поляризации
205
Рис. 6. 7. Распределение фазы по эквивалентному рас-
крыву для различных углов аант при разных выносах ан-
тенны из центра сферы
206
Очевидно, для остроконечных обтекателей конической
и оживальной форм фазовые искажения нечетных степе-
ней будут безусловно более резко выражены, чем для по-
лусферических обтекателей. При этом кривые распреде-
ления фазы по эквивалентному раскрыву для остроконеч-
ных обтекателей имеют в диапазоне рабочих углов отво-
рота антенны более несимметричный вид, чем у полусфе-
рических обтекателей (рис. 6. 7, 6. 8, 6. 9).
6. 4. КОМПЕНСАЦИЯ УГЛОВЫХ ОШИБОК
Одним из самых сложных требований при проектиро-
вании обтекателей является требование уменьшения ско-
рости изменения угловых ошибок. Для применяемых
форм обтекателей (остроконечных конических и оживаль-
ных) величина угловой ошибки пеленга зависит от угла
поворота антенны относительно продольной оси обтекате-
ля. Градиент угловой ошибки или скорость изменения ха-
рактеристики пеленга также будет зависеть от угла
отворота антенны, закрытой обтекателем.
Любое угловое перемещение снаряда повлечет за со-
бой кажущееся движение цели и может стать причиной
неустойчивости системы управления снарядом. Крутизна
кривой угловой ошибки при выбранной оживальной фор-
ме образующей зависит от размеров обтекателя и длины
волны. На рис. 6. 10 приведена зависимость крутизны
кривой угловой ошибки от удлинения обтекателя (отно-
шение длины к диаметру у основания). Из рисунка видно,
что при удлинении, равном 0,5 (полусферическая форма
обтекателя), крутизна равна нулю. С увеличением удли-
нения обтекателя крутизна кривой угловых ошибок ра-
стет. На рис. 6.10 показана зависимость крутизны от
удлинения на одной фиксированной частоте. При работе
в полосе частот крутизна кривой угловых ошибок увели-
чивается, как показано на рис. 6. 10. Сопоставляя
рис. 6.10 и 6. 11, можно для данной формы обтекателя
предсказать достижимую величину крутизны кривой
угловых ошибок пеленга.
При изменении формы обтекателя изменяется распре-
деление углов падения лучей вдоль по раскрыву. Чем
более заостренная форма обтекателя, тем более неравно-
мерное распределение углов падения.
207
Рис. 6. 8. Распределение углов падения 0 по эквивалентному
раскрыву для обтекателя оживальной формы в рабочем сек-
торе сканирования антенны
208
Возможные формы обтекателей описываются выраже-
нием вида:
y = kxn\
При «=0,5 это будет параболоид, при «=1,0— конус.
Величина «=0,64-0,75 соответствует формам с малым аэ-
Рис. 6.9. Распределение фазы прошедшей волны для оживального
полуволнового обтекателя при параллельной поляризации поля
лей, описываемых выражением y=kxn, для соответству-
ющих значений показателя п. Пользуясь графиками на
рис. 6.10 и 6. 11, можно предсказать величину крутизны
кривой угловых ошибок.
В реальных условиях угловые ошибки и их градиенты
будут отличаться от расчетных. Общая ошибка будет
складываться из ошибки, обусловленной конусностью об-
текателя, и ошибки, обусловленной неравномерностью
свойств стенки. Для достижения требуемого уровня ошиб-
ки всегда требуется практическая доводка обтекателя,
которая выражается в профилировании стенки обтекате-
ля вдоль его образующей. Стенка обтекателя имеет пере-
209
Рис. 6. 10. Зависимость крутизны кривой
угловой ошибки от удлинения обтекателя
Рис. 6. 11. Изменение крутизны угловой
ошибки в полосе частот
210
Мённукэ толщину. Профиль, ее может быть запасай с
помощью уравнения:
/
t=А -^Вх-\-С sin МлхД-D cos TVnx, (6.8)
где А — толщина стенки у основания обтекателя;
В, С, D — коэффициенты, определяющие изменение тол-
щины стенки;
М, N — коэффициенты, определяющие период синусо-
идальной и косинусоидальной функций рас-
пределения толщины.
(L \
Рис. 6. 12. Удлинения обтекателей (—1, опи-
сываемых уравнениями вида y—kxn
С помощью электронно-вычислительной техники мож-
но определить изменение угловой ошибки за счет единич-
ного изменения каждой из этих величин (рис. 6. 13).
Очевидно, что для каждого угла отворота антенны
электрический профиль участка обтекателя, пересекаемо-
го лучом антенны, будет другим. Можно составить си-
стему уравнений, определяющих взаимосвязь между угло-
выми ошибками и их приращениями, вызванными изме-
нениями толщины стенки на каждом угле отворота ан-
тенны.
211
Угловая ошибка
Рис. 6. 13. Влияние переменного профиля на угловые ошибки
212
Up ело уравнений соответствует количеству углов от-
ворота антенны, при которых измеряются угловые
ошй'бки:
а01У1 4“ а02У2 4~ • • • —
апУ1 ~Ьа12Уг~Ь • • • —
\ а'лУг 4" ап2У2 + • • • — Ьп,
где bQ, ...,bn — угловые ошибки, измеренные на углах
отворота антенны а<®> , а<’> а<^ ,.. .а<«>;
х dn 1 dn 1 dil 1 dtl 1
«оь • • •, От — определяют дополнительные ошибки, вы-
званные первым изменением толщины
стенки и измеренные на тех же углах ааНт;
«02, • • • ,«п2 — определяют угловые ошибки, вызванные
вторым изменением толщины стенки на
тех же углах ааНт и т. д.
Неизвестные величины у\,...,уп (положительные и
отрицательные), соответствующие отдельным изменени-
ям толщины, можно найти, решив с помощью матричных
преобразований систему уравнения (6. 9). Этот метод не-
желателен, так как при этом не накладывается ограни-
чений на единичное изменение толщины стенки.
Для проведения линейного программирования необхо-
димо наложить ограничения на величину единичного из-
менения толщины.
Тогда уравнения (6. 9) перепишутся в виде:
а01Уг + «^2^2 • -в- 4“ b0=s0;
апУ1 -\~а12У2~[- • • • + ^i=$i; _
апгУ1 4" ап2У2 4- ... 4- — Sn-
Каждое уравнение является суммой sG, ..., sn,
представляющей собой суммарную ошибку при опреде-
ленном угле ааНт, которая получается сложением состав-
ляющих каждой отдельной ошибки приращения толщины
с ошибкой, получающейся за счет конусности обтека-
теля.
213
Пользуясь методом линейного программирования,
можно подобрать условия, сводящие к минимуму значе-
ния максимально возможных угловых ошибок. При ра-
боте в одной полосе частот характеристику обтекателя
можно рассчитать как функцию частоты. Допустимая ре-
альная полоса частот должна быть шире рабочей полосы
аппаратуры, так как необходимо учитывать возможные
отклонения за счет допусков на толщину стенок, диэлек-
трическую проницаемость материала и т. д.
Проектирование обтекателей, которые должны рабо-
тать в нескольких частотных диапазонах, является еще
более сложной задачей. Задача упрощается в тех случа-
ях, когда частоты кратны друг другу. В противном случае
необходимо исследовать пределы изменения толщины в
заданных диапазонах частот для выбора наилучшего ва-
рианта пределов изменения толщины.
При соблюдении определенных допущений в пределах
главного максимума и первых боковых лепестков диа-
грамма направленности плоского раскрыва может быть
аппроксимирована выражением
Е (а) = j F (£) 8in 'е1?
—а
С учетом всех искажений фазы и амплитуды поля на
раскрыве, создаваемых обтекателем, получим эквива-
лентный раскрыв, распределение амплитуды и фазы поля
на котором характеризует собой действие всей излучаю-
щей системы «антенна — обтекатель» в целом. Тогда вы-
ражение для диаграммы направленности перепишется
в виде:
f / /7 \ *<Pi I е» — »91
Е(а) — \ F^e’^Fj ( е, —, 6 ) е ' х /
J \ X. J
—а
где F(%), 4>(g)—амплитудные и фазовые характеристи-
ки фронта падающей на стенку обтека-
теля волны;
Fi, ф1 — амплитудные и фазовые характеристики
фронта прошедшей через стенку обтека-
теля волны;
g — координата вдоль раскрыва.
214
Выразив величины е, , 6 в виде изменяющихся в
зависимости от угла прокачки антенны функций коорди-
наты эквивалентного раскрыва, можно записать выраже-
ние для диаграммы направленности эквивалентного рас-
крыва в виде функциональной зависимости
а
£(а)= /3)Х
— Л
у ei + slna^
где
Л=^(5), /з = 0®-
Л
Произведя замену (FFi)=f, <p+<pi=i|> и введя обозна-
чение х= — , u=ka sin а, получим обобщенное выраже-
а
ние для диаграммы направленности излучающей системы
«антенна — обтекатель».
+1 +1
Е(и)—а J /(х) ^elaxdx — a j /(х) ez®(xWx=
"J.
=p(«).-|-Z9'(»)=g(«)^₽(“), (6.11)
где g (и) = ]/p2(«)-|-<72(«) — амплитудная диаграмма
направленности;
р (u) = arc tg — фазовая диаграмма на-
правленности.
Разбив эквивалентный раскрыв на п элементарных
участков, выражение для диаграммы направленности
можно преобразовать к виду, удобному для составления
программы для проведения численного интегрирования
на* ЭВМ:
Е (й)=акх f (•*/) [cos Ф (xz)+i sin Ф (xz)].
i—1
215
Это выражение можно преобразовать
п
2/(•*/) sin Ф (X.)
г arc tg !---------
2 A’(*z) совФ (xz)
Хе
где п= ХХ— число точек интегрирования;
I — номер элементарного отрезка на эквива-
лентном раскрыве;
дх—ширина элементарного отрезка.
Если перепады фазы на краях эквивалентного раскры-
ва не превышают величины
[их- ф (х)]шах- [их- ф (х)]ш|п < л2 - 1 < х < +1,
то оказывается справедливым преобразование вида:
+ 1 _ / J f(x){ux-^(x)Ydx
g(u)= jf(x)dxcos I/ ——------------------
-1 F J f(x>dx
—1
f (x)[их — ф (x)] dx
+1
J f (л) dx
J f (•*) lax — Ф (*)]
р(й)=^__-----------
J f (x) dx
—1
При пеленге цели по максимуму диаграммы направ-
ленности или по равносигнальному направлению при ма-
лых пространственных разносах максимумов лучей ди$-
216
Грамм для выяснения уходов напрайления пеленга за счет
обтекателя достаточно выяснить уход максимумов лучей
диаграмм, описанных с помощью выражений (6. 11) и
(6. 12). Направление максимума диаграммы можно опре-
делить, приравняв к нулю первую производную ампли-
тудной диаграммы, т. е. найдя экстремум этой функции.
При этом получается, что условие — 0 соответст-
вует выражению:
4-1 +1 +1 +1
J f (х) dx J f (х) xty (х) dx — \xf (х) dx J f (x) ф (x) dx
„ __________=2_____________________________zl______________
"o +1 +1 (4-1 12 ’
J If (x) dx J f (x) x^dx— j f f (x) x dx\
—1 —1 (—1 J
(6.14)
направление главного максимума определяется соответ-
ственно как
• I 1
a —arc sm —
\ka
(6.15)
Таким способом, зная вид функций распределения ам-
плитуд и фаз по эквивалентному раскрыву, можно легко
определить величину и знак угловой ошибки для каждого
положения антенны под обтекателем.
Для многих частных случаев выражение (6. 14) суще-
ственно упрощается. Рассмотрим несколько из них. До-
пустим, что функции f(x) и ф(х) представлены полино-
мами вида:
/(х)=2 Ф(*)= У,Ьтхт.
n=Q m-=Q
Если функция ф(х) содержит лишь члены четных по-
рядков, величина Uq становится равной нулю при любых
амплитудных распределениях. Рассуждения справедливы
лишь в рамках допущений, при которых справедливы
выражения для диаграммы.
217
Ёсли функция ф (х) — нечетная функция, выражения
для «о принимают вид:
2 й2л*2т+1-*;2"^2т+1 dX
—1 л=О т=О /г* -j г»\
^0— 4-1 сю (6. 16)
J ^x^a2~nx2ndx
—1 л«0
для амплитудного распределения, описываемого четной
функцией, и
f 2 2а2л+1*2/п+1^2П+1-Х2т+1 dX
_ „ —1 л=0 ттг—0
-
f х '^a2n+AXin+1dX
—1 л-0
для амплитудного распределения, описываемого нечетной
функцией.
В качестве примера можно взять часто встречающееся
распределение амплитуды вида /(х) = 1—sx2. Тогда выра-
жение для и0 примет конкретную форму:
При равномерном распределении амплитуды поля по
эквивалентному раскрыву выражение-для и0 будет иметь
вид:
z/q-J- 4Z3 0,6 -J- fZgO,425 "J- * . •
Поскольку, как показывает анализ различных форм
обвода обтекателей, функции f(x) и ф(х) с достаточной
для практики точностью описываются первыми тремя—
пятью членами разложения, то выражения для угловых
смещений максимума (и соответственно для угловых
ошибок пеленга) будут иметь весьма простой вид.
В табл. 6. 1 для примера приведены выражения для
распределения углов падения и фазовых набегов по экви-
валентному раскрыву для оживального обтекателя с
удлинением 2,5.
.218
Таблица 6.1
а 0 (х), Ф (х) Выражение для полиномов
о О II. 0(х) 70,88+8,296x2+0,206x4
« е ф(х) 142,05+29,420x2—13,36x4
о 00 0(х) 64,31+9,260х+3,95x2—16,5x3+9,6x4+2,79x5
О ф(х) 136,3+17,5х+24,52x2—46,5x3—5,75x4+24,8x5
Из таблицы видно, что для угла отворота антенны
(Xsht^O0 фазовое распределение по эквивалентному рас-
крыву имеет симметричный характер, т. е. описывается
четной функцией. Это означает, что уровень угловых
ошибок вблизи нулевого направления должен быть низ-
ким. Для углов отворота антенны аант = 8° наблюдаются
сильно выраженные нечетные члены разложения, что при-
водит к отклонению максимума диаграммы направлен-
ности и появлению угловых ошибок. Это подтверждается
и на практике. Для очень больших углов отворота антен-
ны распределение фазы по эквивалентному раскрыву бу-
дет также описываться функциями, близкими к четным.
При этом уровень угловых ошибок будет низким.
Таким образом, переменный фазовый профиль стенки
обтекателя в разной степени влияет на уровень угловых
ошибок на разных углах отворота антенны. Естественно,
напрашивается вопрос, а нельзя ли так изменить этот
профиль, чтобы он не вызывал появления угловых оши-
бок пеленга за счет конусности обтекателя и разброса па-
раметров стенки. В настоящее время известны способы
осуществления такого переменного профиля стенки, ко-
торый бы не вызывал появления угловых ошибок'пеленга
во всем рабочем секторе углов прокачки антенны, закры-
той обтекателем. Речь идет о специальных диэлектриче-
ских вставках, которые вводятся в полость обтекателя и
тем самым деформируют его электрический эквивалент-
ный профиль для всех углов отворота антенны.
Поскольку угловые ошибки пеленга появляются за
счет нечетных составляющих фазового распределения, то,
очевидно, вставки должны иметь такой профиль, чтобы
219
скомпенсировать действие этих нечетных составляющих.
На рис. 6. 14 схематически показано, каким образом мож-
но это осуществить. Очевидно, подобного же результата
можно достичь с помощью проточек на внутренней по-
верхности стенки обтекателя (рис. 6. 15).
Рис. 6. 14. Снижение угловой ошибки с помощью вставки
и проточки для обтекателя оживальной формы при фикси-
рованном значении угла аант==120:
АА—электрический профиль обтекателя до доработки; ВВ—электри-
ческий профиль стенки после доработки; Д'Д', В'В'—прямые, харак-
теризующие крутизну эквивалентного линейного распределения фазы^
по раскрыву
Чтобы выбрать форму компенсирующей вставки или
проточки, необходимо найти эквивалентный профиль
стенки, выражающийся сложной функцией, построить
для нее необходимый профиль компенсатора (вставки
или проточки). Подобный метод достаточно эффективен.
При аккуратном исполнении он позволяет снижать угло-
вые ошибки до весьма малых величин. На рис. 6. 15 пока-
зано несколько случаев компенсации для различных обте-
кателей.
Практически компенсация в большинстве случаев осу-
ществляется для того значения аант, при котором имеет
место максимум угловой ошибки пеленга. При этом, как
видно из рис. 6. 14, угловые ошибки на остальных направ-
лениях не превысят заданного уровня.
220
Действительно, поскольку кривая угловых ошибок для
обтекателя с осесимметричной структурой имеет харак-
тер симметричной кривой с выраженными максимумами,
то на углах аант, близких к осевому направлению, угло-
вые ошибки будут иметь малый уровень.
При приближении к углу, при котором имеет место
максимум угловой ошибки, компенсатор начинает все
более и более эффективно действовать, поскольку он вхо-
дит в зону со все большим уровнем поля. При этом дей-
ствие компенсатора будет максимальным, так как коэф-
фициенты при линейном и кубичном членах разложения
фазовой кривой имеют максимальное значение. В этом
положении и угловая ошибка имеет максимальное значе-
ние, поскольку обтекатель вносит максимальные фазовые
искажения нечетных степеней. Так как знаки коэффици-
ентов при соответствующих членах в разложениях для
обтекателя и компенсатора противоположны, то будет
наблюдаться эффект максимальной компенсации угло-
вых искажений.
При дальнейшем увеличении угла аант компенсатор
начинает постепенно занимать положение, симметричное
относительно оси луча антенны. При этом его компенси-
рующее действие будет все меньше и меньше. Уровень
угловых ошибок с увеличением угла аант также иска-
жается.
При пеленге по равносигнальной зоне, когда имеют
место два луча с определенным пространственным угло-
вым разносом, необходимо при выборе места установки
и размеров компенсатора учитывать действие компенса-
тора на отклонение максимумов обоих лучей.
При отработке конкретного типа обтекателя, когда
уже выбрана форма, материал, отработана технология,
обеспечивающая определенную стабильность свойств
и т. д., выбирается тип компенсатора, его размеры и ме-
сто размещения. Обычно используется система из не-
скольких диэлектрических вставок (наклеек) или прото-
чек, расположенных на внутренней стенке обтекателя
(рис. 6. 16 а).
Подбор проводится таким образом. Изготавливается
набор вставок определенной ширины и толщины. Затем
каждая из них поочередно вставляется внутрь обтекателя
и исследуется кривая угловых ошибок в рабочем секторе
углов аайт и в рабочей полосе частот для обтекателя с
221
юо-
мин
80
00
- -<tO -30 -20 -10 0 10 20 30 аант
__I -I .1 I
J2 «З^осант
компенсация производи-
лась путем введения встав-
ки из пенопласта и проточ-
ки в носовой части обтекателя
а)
мин
20
100
16
so-
il
- * ""Г' г "Г" I Т”Т" I-1 ' | г I-1-г—г—г—т—
- -40 -зо -20 -10 О Ю 20 30 WoQht
8
-‘t
-8
-1Z
-16
-tO -36 -3^-28 -24 -20 -16 -12 -8 ~4
Компенсация производилась пу-
тем доработки отдельных час
тей поверхности обтекателя
8-^JZ. 16 20 2^28032^3SO^HT
б)
Стачиваемые
участки
Рис. 6. 15. Компенсация угловых ошибок проточками и вставками:
а—пенопластовая кольцевая вставка в носовой и средней частях обтекателя: б—кольцевые проточки в сред-
ней и носовых частях обтекателя:
/—кривая угловых ошибок до компенсации; 2—кривая угловых ошибок после компенсации
-224
Т] Чо
-W ~36 '32 -28 -U -20 -16/-ГГЧ L \ 8 12 16^21LJ.!l^Xj^32 36 <XaHT
—' -k : компенсация производилась пу- тем введения пенопластовой. ~8 вставки и наклейки из стекло- ' ткани в носовой части одтека- /z. теля ~fg. в) ’
90£S
n %
г)
Рис. 6. 15. Компенсация угловых ошибок проточками и вставками:
в—кольцевая пенопластовая вставка и носовая вставка в виде полуконуса; г—пенопластовая кольцевая
вставка в носовой и средней частях обтекателя;
/—кривая угловых ошибок до компенсации; 2—кривая угловых ошибок после компенсации
вставкой и без нее. В результате получается набор крй-
вых, которые позволяют оценить действие данной вставки
на пеленгационные характеристики данного обтекателя.
Это делается простым графическим вычитанием. Имея
Проточка
б)
Рис. 6. 16. Компенсаторы сложной формы:
а—система проточек и вставок кольцевой формы;
б—система некольцевых проточек для обтекателя
с несимметричной структурой; в—вставка с несим-
метричной формой
набор таких кривых, можно выработать рекомендацию
на практическую доводку любого обтекателя данной се-
рии.
Для примера на рис. 6. 17 приведены кривые угловых
ошибок двух обтекателей одного типа. Поскольку кривые
угловых ошибок отличаются друг от друга, то и компен-
саторы необходимо выбирать различные.
В случае несимметричных кривых угловых ошибок не-
обходимо использовать не кольца, а полукольца сектора
в виде 1/4 части кольца и т. д. На рис. 6.16, б, в приведен
226
пример компенсаторов для обтекателя, имеющего несим-
метричную кривую угловых ошибок пеленга. Очевидно,
эффект от компенсатора получается большим, когда его
толщина увеличивается. С увеличением толщины компен-
сатора растут коэффициенты нечетных членов разложе-
ния. Поэтому при выборе параметров компенсатора не-
обходимо руководствоваться двумя исходными положе-
ниями: место установки компенсирующего кольца влияет
на величину угла аант, при котором проявляется его мак-
симальное действие, а толщина и ширина кольца — на
Рис. 6. 17. Угловые ошибки для двух об-
текателей одного типа
величину угловой ошибки, которая может быть скомпен-
сирована при введении кольца в полость обтекателя.
Кольца могут быть изготовлены из различных диэлек-
трических материалов. Весьма удобно работать с пено-
пластмассами, которые легко поддаются обработке и в
силу малого значения диэлектрической проницаемости не
очень критичны к небольшим изменениям толщины и ме-
ста установки. Однако, их применение ограничивается в
случае обтекателей, призванных работать в условиях по-
вышенных температур. В подобных случаях вставки, как
правило, изготавливают из того же материала, из кото-
рого изготовлен сам обтекатель. Например, в случае стек-
лотекстолитового обтекателя удобно делать кольца, раз-
резав бракованный обтекатель на части и разделив за-
тем каждое кольцо на несколько более тонких слоев.
Прикрепляются кольца к внутренней поверхности обте-
кателя путем приклейки или другими способами.
Если в качестве компенсирующих средств применяют-
ся проточки на внутренней поверхности обтекателя, то
выработка рекомендаций по их размещению производит-
ся аналогичным способом.
8* 227
На бракованном обтекателе проводится исследование
кривых, угловых ошибок, затем последовательно наносят-
ся на внутренней поверхности обтекателя проточки раз-
ной глубины (неглубокие, потом более и более глубокие)
и сравниваются кривые угловых ошибок для всех этих
случаев. Такая кропотливая работа, проведенная на
одном обтекателе, позволяет затем практически осущест-
влять компенсацию на реальных обтекателях. При при-
обретении определенного опыта работы с обтекателями
необязательно полностью проводить такую работу.
Несмотря на различия методов компенсации угловых
искажений, создаваемых обтекателями, все-таки в боль-
шинстве случаев эти методы сводятся к компенсации
той части угловых ошибок, которые возникают за счет
конусности обтекателей.
Иными словами, основная доля искажений равносиг-
нального направления за счет влияния обтекателя прихо-
дится на те искажения, которые обусловлены неравно-
мерным распределением углов падения по эквивалентно-
му раскрыву при сканировании антенны, закрытой обте-
кателем. Остальная часть угловых ошибок, которые по>-
лучаются за счет неравномерности свойств стенки (раз-
нотолщинность, разбросы величины диэлектрической про-
ницаемости) при определенной стабилизации свойств
стенки и технологических процессов, составляет меньшую
долю.
Причина и природа угловых ошибок до некоторой сте-
пени для каждого конкретного обтекателя известны. По-
этому при изготовлении обтекателя компенсирующее уст-
ройство можно заложить непосредственно в структуру
обтекателя с тем, чтобы скомпенсировать влияние конус-
ности обтекателя на интересующем участке углов кача-
ния антенны.
Место, куда необходимо поместить компенсатор, мож-
но определить по следующей методике. Изобразив серию
кривых распределения фаз по эквивалентному раскрыву,
можно по методу наименьших квадратов для каждой из
кривых провести эквивалентную прямую; каждая из ко-
торых будет характеризоваться своим угловым коэффи-
циентом. Точно такими же угловыми коэффициентами мо-
гут характеризоваться размещенные определенным обра-
зом прямоугольные выбросы на эквивалентном раскрыве,
как показано на рис. 6. 18.
228
Максимальным угловым коэффициентом будет, оче-
видно, обладать выброс, помещенный непосредственно
около оси симметрии раскрыва. Для выбросов, располо-
женных на краю эквивалентного раскрыва, угловой коэф-
фициент будет минимальным. Следовательно, для обес-
печения эффективной компенсации при угловой ошибке,
Рис. 6. 18. Приведение П-обратного выброса
фазы на эквивалентном раскрыве к линейно-
му распределению
выраженной кривой с явно выраженным максимумом для
какого-либо угла аант, необходимо так разместить ком-
пенсатор, чтобы на угле, соответствующем максимальной
ошибке, он располагался вблизи центра раскрыва, а при
уходе антенны от этого положения, соответственно и ком-
пенсатор перемещался к краю раскрыва. Вид компенса-
тора (проточка или вставка) зависит от знака ошибки.
Если требуется создать прирост фазы, то применяется
вставка и наоборот, если требуется уменьшение фазы на
определенном участке эквивалентного раскрыва, то при-
меняется проточка.
При разложении П-образных выбросов в степенной
ряд получаются эквивалентные угловые коэффициенты,
229
равные тем, которые получаются за счет обтекателя, но
с обратными знаками. Это обеспечивает компенсацию уг-
ловых ошибок во всем секторе изменения углов отворота
антенны Для более сложных кривых угловых ошибок
одной вставки или проточки недостаточно. В этих случаях
применяется система компенсаторов.
6.5 ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ИСКАЖЕНИЙ ПОЛЯ, СОЗДАВАЕМЫХ
ОБТЕКАТЕЛЯМИ В РЕАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ
Весьма важное значение имеет оценка возможных из-
менений папаметоов обтекателей в процессе их эксплуа-
тации в реальных условиях. Такое прогнозирование необ-
ходимо, чтобы заранее предусмотреть меры, обеспечиваю-
щие нормальную работу всего комплекса в реальных ус-
ловиях. Факторами, которые могут влиять на характери-
стики обтекателя в процессе эксплуатации, могут быть —
высокая температура за счет аэродинамического нагрева
внешней обшивки, старение материала, изменение диэлек-
трической проницаемости материала за счет проникнове-
ния в его структуру влаги и т. д.
Основными факторами безусловно являются измене-
ние свойств стенки при нагреве и за счет увлажнения.
Анализ различных конструкционных материалов, при-
меняемых в обтекателях показывает, что они по-разному
ведут себя при нагреве. У одних диэлектрическая прони-
цаемость мало изменяется при нагреве, у других больше,
у одних материалов наблюдается квазилинейная темпе-
ратурная зависимость диэлектрической проницаемости,
у других более сложная и т. д.
На рис. 6. 19 для примера показано, как меняется в
диапазоне изменения температур от 0 до 450° С диэлек-
трическая проницаемость в и tge некоторых стеклотексто-
литов.
Зная по данным телеметрических замеров, а также на
основании расчетов распределение температур по всей
массе обтекателя в разные моменты полета, можно про-
вести пересчет диэлектрических проницаемостей при из-
менении температуры. На рис. 6. 20, 6. 21 приведены тем-
пературные характеристики обтекателя при реальных-ус-
ловиях полета (кривые изменения диэлектрических про-
ницаемостей для разных моментов времени).
230
По расположении) антенны под обтекателем и форме
обтекателя легко преобразовать эти кривые в кривые
распределения фазы по эквивалентному раскрыву. Эти
кривые приведены на рис. 6.22.
tg-ff
Рис. 6. 19. Влияние температуры на характе-
ристики стеклотекстолита
Дополнительные угловые ошибки, появляющиеся за
счет нагрева поверхности обтекателя, могут составлять
О—6 угловых минут для крупногабаритного обтекателя
оживальной формы с удлинением —=2,5.
d
При этом максимальный уход величин диэлектриче-
ской проницаемости и фазы имеет место именно в носовой
части обтекателя. Если учесть, что в большинстве слу-
чаев при нагреве материала его диэлектрическая прони-
цаемость растет, то следовательно, растет и набег фазы
в носовой части по сравнению с остальной частью обте-
231
кателя. При этом наблюдается обратный эффект по срав-
нению с тем, что дает конусность оживальных обтекате-
лей, т. е. сдвиг направления пеленга к оси симметрии об-
текателя. Это равносильно компенсации угловой ошибки
непосредственно в полете.
Задача прогнозирования состоит в том, чтобы, зная
траекторию полета реального ЛА, предугадать возмож-
ные изменения угловых ошибок в полете и учесть эти из-
---- наружная поверхность
Рис. 6.20. Изменение диэлектрической проницаемости наружной и
внутренней поверхности обтекателя в процессе полета (т=0ч-200 сек)
менения при выполнении переменного электрического
профиля обтекателя во время его доводки в наземных
условиях.
Аналогично прогнозирование осуществляется и в усло-
виях влажной среды. Предварительно исследуется изме-
нение пеленгационных характеристик, а затем произво-
дится учет этих изменений при осуществлении процесса
доводки. Правда, в силу неравномерности распределе-
ния влаги по массе материала стенки обтекателя учесть
эти изменения в данном случае гораздо труднее. Поэтому
на практике стараются по возможности исключить вред-
ное действие увлажнения материала применением спе-
циальных систем влагозащитных покрытий. На рис. 6. 24
и 6. 25 показаны характеристики обтекателя без покрытий
и с покрытиями в условиях воздействия влаги. Статисти-
232
-----a=Z7° -------сх = /2°
—a =8 ° —x—a=.T/7°
Рис. 6. 21. Изменение диэлектрической проницаемости
по эквивалентному раскрыву для различных моментов
времени в течение полета
233
Рис. 6. 23. Влияние нагрева поверхности обтекателя на его параметры:
до нагрева;
после нагрева
to
co
СЛ
чёская обработка многочисленных эксперймёнФаЛьнЫх
данных исследований влияния влаги показывает, что на-
блюдается линейная зависимость роста угловой ошибки
при увлажнении стенки. Для обтекателя оживальной
формы с размерами 6ОХХ23А, и удлинением 2,5 получена
эмпирическая формула зависимости угловой ошибки для
Рис. 6. 24. Изменение угловой ошибки и КПД обтекателя
без влагозащитных покрытий во влажной среде:
--------------до испытаний во влажной среде;
——— после пяти суток в камере влажности
перпендикулярной поляризации поля от увлажнения
стенки:
Ai=0,00136p, (6.17)
где р — привес влаги на 1 г веса стенки.
Зависимость угловой ошибки от увлажнения для па-
раллельной поляризации менее явно выражена, посколь-
ку кривые зависимости электрической толщины от ди-
электрической проницаемости при постоянной физиче-
ской толщине стенки для этой поляризации имеют посто-
янный наклон.
Вообще при выработке рекомендаций по компенсации
необходимо учитывать характер поляризации поля ан-
тенны по отношению к поверхности обтекателя на всех
углах отворота. В случае отличия фазовых кривых для
перпендикулярной и параллельной поляризаций (по экви-
валентному раскрыву) компенсация осуществляется для
той поляризации, при которой нечетные члены разложе-
236
КПД °/0
Рис. 6. 25. Влияние внешней среды на обтекатель с системой защитных покрытий:
----- перед выдержкой на площадке длительного хранения;
------после выдержки в течение восьми месяцев на площадке длительного хранения
ния выражены сильнее. При этом на Другой поляризации
компенсация автоматически получается удовлетвори-
тельной.
6.6. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ МЕТОДОВ
РАДИОТЕХНИЧЕСКОЙ ДОВОДКИ ОБТЕКАТЕЛЕЙ
В предыдущем разделе были указаны лишь некоторые
методы осуществления компенсации искажений, вноси-
мых обтекателями антенн. В настоящее время таких ме-
тодов разработано» достаточно много. Каждый из них от-
ражает особенности данной конструкции обтекателя и
условий его применения. Общим для всех этих способов
является то, что они позволяют довести радиотехнические
характеристики обтекателя до соответствия заданным
нормам и требованиям. При этом учитываются все от-
клонения, которые могут иметь место в процессе изготов-
ления: разброс допусков по» толщине стенки, несоблюде-
ние технологических норм по операциям, разброс пара-
метров материалов и т. д. При доводке готового обтека-
теля компенсируют при помощи внешнего вмешательства
те недостатки, которые были заложены в конструкцию и
структуру материала в процессе изготовления. Достоин-
ством ряда методов компенсации является то, что при
этом внутренняя структура стенки не затрагивается. Бла-
годаря этому сохраняются механические свойства обтека-
теля. Кроме того, поскольку зачастую доводка осуществ-
ляется уже после производства полного цикла изготов-
ления обтекателя включая такие заключительные опера-
ции как нанесение лакокрасочных покрытий, то при этом
исключается возможность проникновения внутрь стенки
паров влаги из окружающей среды.
В настоящее время процесс доводки автоматизирует-
ся. Доводочное устройство совмещается с автоматическим
измерителем электрической толщины стенки и работает
от программного устройства, в котором заложен закон
изменения электрической толщины, обеспечивающий за-
данный уровень угловых ошибок и их градиентов. По
сравнению с ранее применявшимися способами доводки,
когда проводилась ручная обработка обтекателя по всей
его поверхности для достижения постоянства толщины
стенки, в настоящее время этот процесс доведен до совер-
шенства. Разработаны новые прогрессивные методы до-
238
водки, позволяющие резко сократить затраты времени, а
также добиться снижения требований по допускам на
толщину стенки.
Отпала необходимость выдерживать постоянство тол-
щины стенки по всей поверхности обтекателя с высокой
точностью (до 30—50 мкм).
Это стало возможным благодаря новому подходу к
рассмотрению механизма появления угловых ошибок.
Они рассматриваются не как результат действия на
фронт проходящей волны каждой неоднородности стен-
ки в отдельности, а как результат суммарного воздейст-
вия этих неоднородностей. Угловые ошибки представля-
ют собой своего рода интегральный эффект от воздейст-
вия всех неоднородностей стенки на амплитудные и фа-
зовые характеристики проходящей через стенку обтека-
теля электромагнитной волны.
На основании такого представления делается вывод о
том, что не обязательно сглаживать каждую в отдель-
ности неоднородность стенки. Достаточно учесть общий
эффект, создаваемый всей совокупностью микронеодно-
родностей стенки и внести дополнительную неоднород-
ность в виде, например, фигурной диэлектрической встав-
ки, и скомпенсировать действие всех микронеоднородно-
стей.
Это избавляет от проведения кропотливой работы по
сглаживанию каждой в отдельности неоднородности.
Наряду с методами компенсации путем введения ком-
пенсатора в полость обтекателя, в настоящее время на-
чинают приобретать известное значение прогрессивные
методы доводки с применением автоматических измери-
тельных и доводочных средств. Блок-схема таких устано-
вок сводится к следующему: имеется измерительное уст-
ройство, измеряющее электрическую толщину стенки по
всей поверхности обтекателя последовательно по участ-
кам. На анализирующем устройстве производится срав-
нение измеренной величины с заданным распределением
электрической толщины по* поверхности обтекателя с вы-
работкой сигнала рассогласования в случае отличия из-
меренной величины от заданной. Вслед за измерительным
щупом по поверхности обтекателя перемещается доводоч-
ное устройство, производящее доработку поверхности
стенки. Доработка ведется до полного соответствия тол-
щины стенки заданному распределению.
239
Подобный метод доводки удобно применять в случае
массового производства обтекателей. Сокращение про-
должительности технологического процесса получается за
счет автоматизации, а также за счет того, что процесс
доводки можно осуществлять непосредственно в процессе
изготовления обтекателя.
Применение методов компенсации при изготовлении ра-
диопрозрачных обтекателей дает большую экономиче-
скую эффективность, поскольку все забракованные по ра-
диотехническим характеристикам образцы удается при-
вести в соответствие с существующими нормами и требо-
ваниями. За счет этого процент отбраковки практически
сводится к минимуму.
Глава 7
ИСПЫТАНИЯ МАТЕРИАЛОВ И ОБТЕКАТЕЛЕЙ
Проверка работы обтекателя в реальных условиях по-
лета является весьма сложной задачей. Неправильно
сконструированный обтекатель может просто разрушить-
ся при проведении этих испытаний и быть причиной вы-
хода из строя радиолокационной станции, которую он
должен защищать от внешних воздействий. Поэтому бо-
лее целесообразным является всесторонняя проверка ха-
рактеристик обтекателя (радиотехнических, прочностных
и т.-д.) в наземных условиях. Естественно, что условия
наземных испытаний должны быть максимально прибли-
жены к реальным условиям эксплуатации обтекателя. Это
главное требование, предъявляемое к наземным испыта-
ниям. Только после проведения полного комплекса назем-
ных испытаний принимается решение об установке кон-
кретного обтекателя на летательный аппарат.
Приступая к проектированию обтекателей, в первую
очередь надо выбрать диэлектрический материал. Чтобы
правильно сделать этот выбор, необходимо иметь досто-
верные сведения о всех характеристиках (механических,
теплофизических и электрических) диэлектрических ма-
териалов, которые предполагается применить для изго-
товления обтекателей.
Для оценки электрических свойств диэлектриков в
высокочастотном поле обычно используется относитель-
ная комплексная проницаемость (е) и тангенс угла ди-
электрических потерь (tg б).
е = е'-/е", tgB=4 >
е
где е'— действительная часть;
g" — мвдмая часть или коэффициент потерь.
24J
7.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ
Чтобы правильно произвести расчет стенки обтекате-
ля для обеспечения эффективного прохождения электро-
магнитной энергии, необходимо как можно точнее знать
электрические характеристики (в и tg б) диэлектрическо-
го материала, из которого будет изготовлен обтекатель.
Особенно важно знать закон изменения диэлектрической
постоянной и тангенса угла диэлектрических потерь во
время нагрева этих материалов. Знание этого закона по-1
зволяет более точно произвести радиотехнический расчет
обтекателей и дать правильную оценку имеющихся в на-
личии диэлектрических материалов.
Иногда электрические характеристики могут быть ис-
пользованы для определения других характеристик мате-
риала, если известны соответствующие соотношения. Ис-
следования, устанавливающие подобную связь между
электрическими и физико-механическими свойствами ди-
электрических матералов, в настоящее время находятся
в начальной стадии.
Методы и техника измерений электрических характе-
ристик диэлектрических материалов в радиотехническом
диапазоне чрезвычайно разнообразны. Выбор метода из-
мерений зависит от многих факторов, среди которых
определяющими являются частотный диапазон и свойст-
ва исследуемого материала. Выбор метода также зависит
от имеющегося времени и оборудования. Важно также,
чтобы методика измерений была бы по возможности
простой, а измерения точными. Точность измерений зави-
сит от качества аппаратуры и от допущений, сделанных
при выводе расчетных формул.
В настоящем разделе рассматриваются наиболее рас-
пространенные методы измерения диэлектрической про-
ницаемости и тангенса диэлектрических потерь диэлек-
трических материалов в диапазоне СВЧ.
Эти методы можно классифицировать следующим об-
разом; резонансные, волноводные и оптические.
Резонансные методы
Резонансные методы применяются в широком диапа-
зоне частот и дают Ьравнительно высокую точность изме-
рений. Основная идея резонансных методов заключается
в сравнении резонансной кривой измерительного колеба-
242
ТёлЬнОго контура без исследуемого диэлектрического об-
разца с резонансной кривой этого же колебательного
контура, но с введенным в него исследуемым диэлектри-
ческим образцом. Изучение этих резонансных кривых да-
ет возможность определить действительную и мнимую
часть диэлектрической проницаемости исследуемого об-
разца. Расчетные формулы, которые связывают измеря-
емые параметры колебательного контура (резонансную
частоту и добротность) с электрическими характеристи-
Рис. 7. 1. Конструкция коаксиального резо-
натора, настраиваемого поршнями
ками диэлектрического образца получаются из решений
уравнений Максвелла или Кирхгофа. Применение тех
или других формул зависит от рабочей частоты, на кото-
рой производится измерение.
На дециметровом и сантиметровом диапазоне в каче-
стве измерительных систем широко применяются объем-
ные резонаторы, так как применение колебательных кон-
туров вызывает трудности, связанные с наличием пара-
зитных параметров. Объемные резонаторы по сравнению
с колебательными контурами имеют более высокое зна-
чение добротности. Кроме того, конструкция объемного
резонатора обеспечивает полную экранировку от внешних
воздействий. Благодаря этому можно измерять диэлек-
трики с очень малыми значениями потерь.
‘В дециметровом диапазоне часто применяются коак-
сиальные резонаторы. На рис. 7.1 показана удобная
конструкция резонатора для исследования диэлектриков
в области дециметровых волн. С помощью правого порш-
243
йя, замыкающего правую часть резонатора, производится
настройка измерительной системы в резонанс с исследуе-
мым диэлектрическим образцом, а также без него. Дли-
на отрезка Lb т. е. расстояние между левым поршнем и
левым краем торцевого зазора, равняется %0/2. Это рас-
стояние при всех измерениях остается постоянным.
Поршни, применяемые для настройки, представляют
собой четвертьволновые короткозамыкающие стаканы.
Исследуемый образец имеет вид шайбы диаметром 2—
3 мм. В начале измерений исследуемый образец устанав-
ливается в торцевой зазор и с помощью правого порш-
ня, изменяя длину отрезка L2, производится настройка
системы в резонанс. После этого извлекается исследуе-
мый образец и производится повторная настройка изме-
рительной системы в резонанс. Но при этом изменяется
только величина зазора, а расстояние L2 остается неиз-
менным. Это достигается за счет специального кинема-
тического устройства, с помощью которого настройка в
резонанс в этом случае производится движением поршня
одновременно с правой частью центрального проводника.
Диэлектрическая проницаемость вычисляется по фор-
муле
где do —величина зазора без установленного диэлектри-
ческого образца;
de—величина зазора с установленным диэлектриче-
ским образцом.
Тангенс угла диэлектрических потерь определяется
следующим выражением:
tg&- А (де- д0), (7.2)
где А — величина, определяемая из геометрических раз-
меров резонатора Llf L2 и Хо;
Де —ширина резонансной кривой с установленным
диэлектрическим образцом;
До — ширина резонансной кривой без установленного
диэлектрического образца, но при той же емко-
сти, что и с образцом (т. е. с зазором, умень-
шенным в 8 раз).
Величины Д£ и До определяются по шкале микромет-
рического винта при перемещении правого поршня; при
244
0Л7
Рис. 7.2. Конструкция кера-
мического резонатора
Ф16
этом длина отрезка L2 должна быть постоянной. Точность
измерения диэлектрической постоянной составляет не
более 2%, а тангенса угла диэлектрических потерь 10%
(при tg 10“2н-10-3) и около 25% (при tg 6~ 10~4).
Для исследований диэлектрических образцов на высо-
ких температурах коаксиальные резонаторы изготавлива-
ют из специальной керамики с
линейного расширения. Конст-
рукция подобного резонатора,
работающего до температур
порядка 400-^-500° С, показана
на рис. 7. 2. Внутренняя поверх-
ность резонатора покрыта
тонким слоем серебра и все
его отдельные детали спаяны
серебряным припоем. Особен-
ностью этого резонатора яв-
ляется то, что он не имеет
подвижных частей. Поэтому
настройка измерительной си-
стемы в резонанс и снятие ре-
зонансных характеристик про-
изводится путем изменения
частоты генератора. Для ввода
и вывода высокочастотной
энергии применяется коакси-
альный кабель, сделанный из стеатитовых трубок, коэф-
фициент линейного расширения которых близок к коэф-
фициенту линейного расширения керамики. Детектор
выведен за пределы измерительной системы, чтобы ис-
ключить влияние на него нагревательного устройства.
При исследовании диэлектрических образцов в санти-
метровом диапазоне довольно широко применяются пря-
моугольные резонаторы, представляющие собой отрезки
соответствующих прямоугольных волноводов. Одна из
конструкций измерительных систем с использованием
прямоугольного резонатора показана на рис. 7.3. На
этом рисунке изображена нижняя секция резонатора, тер-
мостатируемая в вакуумной колбе, крышкой которой яв-
ляется слюдяная пластинка. В этой конструкции при-
менен прямоугольный резонатор, рассчитанный на коле-
бания Ню. Весь резонатор состоит из двух бесконтактно
сочлененных волноводных секций и замыкается с обеих
245
СТбрбн подвижными Поршнями. Верхний поршень свйзай
с микрометрическим отсчетным винтом. Исследуемый ди-
электрический образец, изготовленный в виде прямо-
угольной пластинки, устанавливается на основание ниж-
него подвижного поршня через окно, сделанное в нижней
секции волновода.
Рис. 7. 3. Конструкция измерительного резо-
натора:
/—слюдяная прокладка; 2—исследуемый образец;
3—поглотитель влаги; 4—колба; 5—термопара
Размеры и плоскопараллельность боковых граней ис-
следуемого образца выполняются с точностью до 0,01 мм.
Измерения в' и tgd производятся на Хо^ЗД? см в интер-
вале температур от —100 до +100° С.
Для того чтобы термически изолировать секцию ре-
зонатора, в которой размещается исследуемый образец,
используется слюдяная или тефлоновая прокладка, отде-
ляющая одну секцию от другой. В качестве поглотителя
водяных паров на дне колбы размещался хлористый
кальций или пятиокись фосфора.
При исследовании диэлектрических материалов, у ко-
торых потери находятся в интервале 3-10-4<tgfi<10”2,
погрешность в определении в' не превышает 3%, a tgfi—
15%. При расширении указанного интервала точность из-
мерений понижается.
246
Волноводные методы
Волноводные методы в последнее время получили
большое распространение. Эти методы основаны на ис-
пользовании электромагнитных волн, направляемых той
или иной передающей линией. В качестве таких передаю-
щих линий обычно применяются коаксиальные линии или
волноводы. Коаксиальные лцнии работают в метровом и
дециметровом диапазоне длин волн. Нижний предел их ис-
пользования колеблется в пределах 5—8 см, т. е. до длин
волн, где еще в линии может распространяться основной
вид колебания. Методы, основанные на применении пря-
моугольных или круглых волноводов, применяются обыч-
но в диапазоне от 10 до 0,5 см длин волн. Верхний предел
ограничен слишком большими поперечными размерами
волноводов, а нижний — слишком малыми размерами.
Большинство волноводных методов основано на изме-
рении импеданса волноводной системы, в которую поме-
щается исследуемый образец диэлектрика. Достоинством
волноводных методов измерения является удобство тер-
мостатирования исследуемых образцов и, следовательно,
возможность проведения измерения в широком интервале
температур. Точность измерения электрических характе-
ристик волноводным методом несколько ниже по срав-
нению с резонансным.
На рис. 7. 4 изображена блок-схема установки для из-
мерения электрических характеристик жидких и твердых
диэлектриков в мертвом и дециметровом диапазоне волн
(40—500 см). При измерениях используется коаксиаль-
ная линия, нагруженная на конце исследуемым образцом
диэлектрика. При работе на таких установках пользуются
обычной методикой работы с измерительными линиями.
Расчетные формулы для определения е' и е" при ра-
боте с этой установкой получены из теории длинных ли-
ний и для диэлектриков с малым значением потерь
(б<15°) и с небольшими значениями е' (е'<30-г-40) име-
ют следующий вид:
s' =------------(7.3)
e-“Cotg₽xOT Со
е"=-------------, (7.4)
Q-o>Cofesin2pxm
где q — волновое сопротивление линии;
247
Со—активная емкость измерительного конденсато-
ра;
Сп — паразитная емкость измерительного конденса-
тора;
«—частота генератора, питающего линию;
о 2л
---волновое число;
к
хт— расстояние от нагрузки до первого узла стоя-
чей волны;
& — коэффициент стоячей волны.
Рис. 7. 4. Блок-схема установки*
/—измерительная линия; 2—коаксиальный переход; 3—
генератор высокой частоты; 4—модулирующий генера-
тор низкой частоты; 5—резонатор зонда; 6—’Кри-
сталлический детектор; 7—усилитель низкой частоты;
8—диодный детектор; 0—прибор постоянного тока; /О—
исследуемый образец; //—механизм перемещения
поршня
В рассматриваемой установке применен плоский ди-
сковый измерительный конденсатор (рис. 7.5), в цен-
тральную часть которого вводится исследуемый диэлект-
рик в жидком виде (например, смола или клей). Одно-
родность электрического поля центральной части измери-
тельного конденсатора зависит от соотношения между D
и 2R. Однородность считается достаточно высокой при
достаточной малости 2R по сравнению с D. В этом случае
емкость центральной части измерительного конденсатора
Со можно определить по формуле плоского конденсатора.
Определенная таким образом емкость Со и будет яв-
ляться активной емкостью измерительного конденсатора.
Емкость остальной части измерительного конденсатора
считается паразитной емкостью Сп. Аналитическое опре-
деление Сп затруднено из-за сложной структуры краевых
248
ЙЬлей. Поэтому эту величину определяют эксперимен-
тальным путем.
Измерительный конденсатор не может быть непосред-
ственно подключен к обычной измерительной линии из-за
ее малого поперечного сечения центрального проводника.
В связи с этим используется конический коаксиальный
переход, обеспечивающий согласование измерительного
конденсатора с измерительной линией. Диаметр обклад-
ки измерительного конденсатора D должен быть равен
диаметру расширенной час-
ти перехода, чтобы в этой ча-
сти перехода между линией
и конденсатором мог рас-
пространяться основной тип
волны для самой высокой
частоты диапазона. В то же
время диаметр обкладки не
должен быть слишком ма-
Рис. 7. 5. Измерительный
конденсатор:
/—исследуемый образец; 2—ме-
таллические обкладки конден-
сатора
лым, так как в этом случае
будет слабо проявляться
влияние исследуемого об-
разца на измеряемые вели-
чины (КСВ и смещение узла стоячей волны). Измери-
тельный конденсатор зажимается между торцевым сре-
зом центрального проводника перехода и фланцем, сое-
диненным с внешним проводником перехода, и является
нагрузкой измерительной линии. Такой согласованный
переход рассматривается как естественное продолжение
линии, для которой соблюдаются соотношения (7. 3) и
(7.4).
При измерении твердого диэлектрика необходимость
в измерительном конденсаторе отпадает. В этом случае
из исследуемого диэлектрика изготавливаются шайбы,
равные по размеру активной части измерительного кон-
денсатора. Активная емкость образца определяется по
его геометрическим размерам, а паразитная — экспери-
ментальным путем. Для исследования диэлектриков при
нагреве коаксиальный переход помещается в термостат.
Точность измерений на установке (см. рис. 7.4) е" со-
ставляет 3%, а г"— 10%. Во избежание ошибок за счет
возможных воздушных зазоров необходимо металлизи-
ровать торцевые поверхности исследуемых диэлектриче-
ских образцов.
249
Ё сантимеТровби диапазоне весьма Широко применя-
ются способы исследования диэлектриков с помощью вол-
новодов методом короткого замыкания и холостого хода.
Блок-схема установки, использующей эти методы, пока-
зана на рйс. 7.6.
При измерении проницаемости по методу короткого
замыкания образец диэлектрика, изготовленный в форме
прямоугольного параллелепипеда, помещается в волно-
воде вплотную к короткозамкнутому концу волновода,
т. е. где напряженность электрического поля минимальна.
Рис. 7. 6. Блок-схема установки:
/—генератор высокой частоты; 2—развязывающий ат»
тен.оатор; 3—измерительная линия; 4—волноводный
отрезок, снабженный электрическим обогревом; 5—
усилитель
Экспериментально измеряемыми величинами явля-
ются:
d — толщина образца;
— длина волны в заполненной воздухом части волно-
вода;
k — коэффициент бегущей волны;
I — расстояние от поверхности раздела диэлектрик —
воздух до положения первого минимума стоячей
волны.
Составляющие е' и г" комплексной диэлектрической
проницаемости определяются следующим образом:
•'=<)2+Ш (7-5)
(7-6)
где Ло — длина волны в свободном пространстве;
Хкр— критическая длина волны для данного волно-
вода.
250
Для материалов с малыми и средними диэлектриче-
скими потерями (tgd<0,1-4-0,15) для определения х и у
можно воспользоваться следующими приближенными
формулами:
tgx ______Xg 2л/ .
х 2лД Xg ’
2лд? 2л/ k— l+tg2 — у Ag Ag (7.8)
У х * 2л/ *
cig л: tgz Sin2x Kg
Ошибки в определении х и у по приближенным фор-
мулам не превышают 1%. Приближенными формулами
можно пользоваться в том случае, если выполнено сле-
дующее требование в отношении выбора толщины об-
разца:
d — (2n+ 1)-=-
_____________4 Юу2
""2/1 + 1 ’
(7.9)
/г = 0, 1, 2,...
где kge — длина волны в волноводе, заполненном диэлек-
триком.
На этой установке можно также исследовать диэлек-
трические образцы и с помощью метода холостого хода.
В этом случае диэлектрический образец располагается в
волноводе на расстоянии /4 от короткозамкнутого кон-
ца волновода, а в остальном эксперимент не отличается
от предыдущего. Надо отметить, что метод холостого хода
обеспечивает большую чувствительность измерений, так
как исследуемый образец находится в области макси-
мальной величины электрического поля стоячей волны.
Этот метод удобен для исследования диэлектрических
свойств тонких диэлектрических образцов. Для определе-
ния е' и г" остаются справедливыми выражения (7. 5) и
(7. 6). Для вычисления х и у получены приближенные за-
висимости:
xtgx
2л д?
1
(7.10)
2 л I
X
251
—— 4-tgx
cos2 X
У
2л/
i+tg2;—
______Ks
2л1
tg2 —
kg
(7.П)
Толщина образца выбирается исходя из следующего
условия:
d~n^
(7.12)
Измерение комплексной диэлектрической проницае-
мости материалов проводилось на волне длиной %о=3,2сл<
Рис. 7. 7. Конструкция отрезка волновода с нагре-
вателем:
1—короткозамыкакицая пластина; 2—термопара; 3—теп-
лоизоляция-. 4—волноводная секция; 5—стирофлексовая
пленка; 5—рубашка охлаждения; 7—электрообогрев; 5—
исследуемый образец
в интервале температур 20—200° С. Суммарные ошибки
при определении е' по результатам исследований не пре-
вышали 3%, а при определении е"— 10%.
Образцы исследуемых матералов помещаются в спе-
циально оборудованный отрезок волновода, снабженный
электрическим обогревом (рис. 7.7).
При резонансных и волноводных методах без приме-
нения специальных мер можно исследовать диэлектриче-
ские материалы только до температур порядка 600—
800° С. Чтобы производить измерения на более высоких
температурах, приходится применять ряд специальных
мер. Например, для предотвращения окисления внутрен-
252
них поверхностей резонаторов и волноводов поиходится
использовать защитную среду. Один из вариантов защит-
ной среды состоит из 90% сухого аргона и 10% водорода.
Применение подобных мер позволило существенно рас-
ширить температурные диапазоны испытательных устано-
вок. Разработаны установки, измеряющие диэлектриче-
скую постоянную и тангенс угла диэлектрических потерь
диэлектрических материалов до температур порядка
1650° С и даже выше.
Рис. 7. 8. Волноводный мост:
/—исследуемый образец; 2—фазовращатель; 3—аттенюатор
Для измерения в и tg б можно применить также мето-
ды волноводных мостов, которые основаны на измерении
затухания и фазового сдвига волны, проходящей через
исследуемый диэлектрик. На рис. 7.8 показана блок-
схема волноводного моста, предназначенного для работы
в сантиметровом диапазоне. В одном плече моста разме-
щается исследуемый образец, а в другом — калиброван-
ный аттенюатор и фазовращатель, служащие для полу-
чения нулевого баланса. Измерение происходит просто.
Устанавливается нулевой баланс без образца, а затем с
установленным образцом. Записываются показания атте-
нюатора и фазовращателя в обоих случаях, а затем по
сравнительно несложным расчетным формулам вычисля-
ют диэлектрическую постоянную и тангенс угла диэлек-
трических потерь исследуемого материала.
Оптические методы
Для оценки диэлектрических свойств материалов, при-
меняемых для изготовления антенных обтекателей, пред-
ставляют значительный интерес оптические методы, при-
меняемые в миллиметровом и сантиметровом диапазоне
253
длин волн. Для этих методов характерно широкое исполь-
зование устройств, типичных для оптических устройств
(зеркала, линзы, диафрагмы). Отсюда и возникло назва-
ние метода. Идея оптических методов состоит в сравнении
проходящих или отраженных от исследуемого диэлектри-
ческого образца электромагнитных волн.
Если рассмотренные выше методы (резонансный и
волноводный) основывались на использовании направлен-
ных электромагнитных волн, то оптические методы осно-
ваны на использовании электромагнитных волн в свобод-
ном пространстве, в котором размещается исследуемый
образец. Это дает большие возможности для проведения
исследований диэлектриков при очень высоких темпера-
турах, так как исследуемый образец не имеет непосред-
ственного теплового контакта с измерительной аппара-
турой.
Кроме того, такой способ нагрева приближает усло-
вия измерений к реальным условиям работы материала
в конструкции антенных обтекателей.
К достоинствам оптического метода исследования ди-
электриков в свободном пространстве следует отнести
еще следующее обстоятельство. В приведенных ранее
методах исследуемые образцы изготовлялись определен-
ной формы, чтобы их можно было поместить в волноводы
или резонаторы. В некоторых случаях на подготовку та-
кого образца приходится затрачивать больше времени,
чем на само измерение этого образца. Это создает опре-
деленные трудности при проведении большого количест-
ва измерений.
При оптических методах плоский лист исследуемого
образца диэлектрика в большинстве случаев может быть
любой конфигурации. Метод замера в свободном про-
странстве весьма удобен для быстрой оценки большого
количества образцов.
Рассмотрим несколько установок, работающих на ис-
пользовании оптических методов. Принцип простейшей
из них основан на измерении угла Брюстера. Как извест-
но, при падении плоской параллельно-поляризованной
электромагнитной волны на плоский образец диэлектри-
ка отсутствует отраженное излучение, если падающее из-
лучение было направлено на диэлектрик под углом Брю-
стера.
В этот момент диэлектрическая постоянная и угол
254
Брюстера связаны между собой следующим соотноше-
нием:
e'=tg2?B. (7.13)
Это выражение верно для случая диэлектрического ма-
териала без потерь. Если же диэлектрик обладает поте-
рями, то отраженное излучение при угле Брюстера не ис-
чезает полностью, а только проходит через минимум.
Установка, работающая на этом принципе, показана
на рис. 7. 9. Для удобства передатчик и приемник распо-
Рис. 7. 9. Блок-схема установки для определения диэлек-
трической проницаемости с помощью измерения угла
Брюстера
лагаются на поворачивающихся плечах гониометра.
В случае исследования диэлектриков с небольшими поте-
рями (tg 6<0,2) подобная установка позволяет опреде-
лять е' с точностью не ниже 2%. Тангенс угла диэлектри-
ческих потерь определяется путем измерения поглощения
при прохождении электромагнитного излучения через ис-
следуемый образец под углом Брюстера. Тангенс угла ди-
электрических потерь (при tg б<0,5) можно рассчитать
по формуле:
tg8=8.№/rrr’
где L — потери, выраженные в децибеллах, на единицу
толщины образца.
В установках, использующих метод измерений в сво-
бодном пространстве, можно измерить также изменение
фазы, вызванное диэлектрическим образцом, при прохож-
дении через него электромагнитной волны. Блок-схема
255
^акой установки, работающей в сантиметровом диапазо-
не волн, показана на рис. 7. 10. Источником высокоча-
стотной энергии является клистронный генератор. От кли-
стронного генератора высокочастотная энергия поступа-
ет в первый тройник и разветвляется на два канала.
Рис. 7. 10. Блок-схема установки:
/—исследуемый образец; 2—рупор; 3—ферритовый вентиль; 4—вол-
новодный тройник; 5— клистронный генератор высокой частоты; 5-—
измерительный фазовращатель; 7—развязывающий аттенюатор: 8—•
индикатор
Обе части высокочастотной энергии соединяются во
втором тройнике; причем одна часть при этом проходит
свободное пространство между двумя одинаковыми ру-
порными излучателями. Второй тройник через кристалли-
ческий детектор имеет выход на индикаторное устройст-
во. С помощью фазовращателя производится регулиров-
ка фазы до получения нуля на индикаторе. Аттенюатор
служит для регулировки затухания проходящей высоко-
частотной энергии. Ферритовые вентили служат для за-
щиты клистронного генератора, а также для развязки
двух каналов.
25.6
Измерение проводится в два этапа: без образца и с
образцом. Вначале фиксируется показание фазовраща-
теля фь Затем в пространстве между рупорами пер-
пендикулярно их оси устанавливается исследуемый обра-
зец (размером 10X10 см) и с помощью фазовращателя
устанавливается нуль на индикаторе, при этом фиксиру-
ется его второе показание фг- При установке нуля не
рекомендуется трогать аттенюатор, так как это может
Рис. 7. 11. Блок-схема установки:
/—отражатель; 2—исследуемый образец; 3—рупорный излучатель;
4—клистронный генератор; 5—индикатор
привести к некоторому изменению фазы. Разность (на-
бег) фаз Дф, вызванная введением диэлектрического об-
разца, вычисляется по формуле:
—(7.15)
По значению Дф затем определяется величина е.
При помощи клистронного генератора — автодина
можно простым способом измерить диэлектрическую по-
стоянную по разности фаз колебаний, распространяю-
щихся в свободном пространстве и в испытуемом диэлек-
трике. Блок-схема установки изображена на рис. 7.11.
Высокочастотная энергия от клистронного генератора из-
лучается рупором в свободное пространство. Вращаю-
щийся с низкой частотой отражатель рассеивает высоко-
частотную энергию назад, в сторону излучателя. В ре-
зультате этого на генератор воздействует отраженная
волна и на нагрузке автодина выделяется низкочастот-
ное напряжение, фиксируемое индикатором. Введение в
пространство между отражателем и антенной исследуе-
мого образца приводит к изменению фазы отраженной
9
5306
257
йолны,, а следовательно, к йзМейенйю йокйзаний ййдйка-
тора. Перемещая отражатель, можно добиться первона-
чального показания индикатора. По полученным показа-
ниям рассчитывается диэлектрическая постоянная иссле-
дуемого материала:
\ « /
где А — смещение фазы;
d — толщина исследуемого диэлектрического об-
разца.
Рис. 7. 12. Интерферометры Фабри-Перо:
а—интерферометр Фабри-Перо, работающий на отраженном излучении:
/—рупор; 2—частично прозрачное зеркало; 3—отражающее зеркало;
б—интерферометр Фабри-Перо проходного типа:
/—излучающий рупор; 2, 3—частично прозрачные зеркала; -/^-приемный рупор
Точность измерения диэлектрической постоянной по-
вышается, если для отсчета перемещения отражателя ис-
пользовать микрометрический винт.
С помощью клистронного генератора можно измерять
диэлектрические образцы различной толщины, а также
полые диэлектрические конусы и цилиндры. В последнем
случае необходимо подвижный отражатель разместить
внутри диэлектрического изделия.
Представляет интерес применение так называемых
«открытых резонаторов» для исследования диэлектриков.
Примером такой установки является интерферометр Фаб-
ри— Перо. Существуют два типа таких интерферомет-
ров: интерферометры, работающие на отраженном излу-
чении (рис. 7.12, а) и интерферометры проходного типа
(рис. 7. 12, б).
Интерферометр первого типа работает следующим об-
разом. Энергия источника излучается рупором на систе-
258
му зеркал, многократные отражения от которых вновь
попадают в рупор и регистрируются индикатором.
Более совершенным типом является интерферометр
Фабри — Перо, работающий в проходящих лучах. Энер-
гия, попавшая в этот интерферометр, испытывает между
зеркалами многократные отражения и образует систему
когерентных выходящих лучей, попадающих в приемное
устройство. Изменяя длину волны или регулируя расстоя-
ния между зеркалами, добиваются резонанса. В это время
с помощью приемного устройства может быть обнаружен
острый максимум отраженной энергии.
Если поместить между зеркалами исследуемый ди-
электрический лист, то резонатор расстроится. По вели-
чине этой расстройки определяется диэлектрическая про-
ницаемость материала, а по ширине интерференционных
максимумов, регистрируемых приемником, определяются
потери исследуемых диэлектриков.
В заключение рассмотрения открытых резонаторов
следует сказать, что многократность пробега волн между
зеркалами выгодно отличает интерферометр Фабри —
Перо от известного интерферометра Майкельсона. В при-
емном устройстве последнего складываются только две
волны, а для получения удовлетворительной чувствитель-
ности требуется очень точная подгонка фаз складывае-
мых колебаний.
Установки, использующие метод измерения в свобод-
ном пространстве, дают возможность исследовать диэлек-
трики на очень высоких температурах. Очевидно, что в
таких случаях удобнее всего применять бесконтактный
контроль температуры. В настоящее время основными ме-
тодами бесконтактного измерения температуры являют-
ся: метод радиационной пирометрии, метод яркостной
пирометрии и метод цветовой пирометрии.
7.2. РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ
Оценку радиотехнических параметров обтекателя
удобнее производить в наземных условиях. В этом случае
можно по отдельности оценить работу обтекателя и за-
щищаемой им антенны и после этого произвести соответ-
ствующие доработки. При этом необходимо по возмож-
ности максимально приблизить условия наземных испы-
таний к летным условиям.
9*
259
Основные принципы испытаний
Измерения радиотехнических параметров производят-
ся на специальных радиотехнических стендах, состоящих
из двух частей: передающей и приемной. В приемной
части стенда размещается антенна радиолокационной
станции, на которую может надеваться и сниматься ис-
следуемый обтекатель. В передающей части стенда на-
ходится передающая антенна, имитирующая цель. Обе
части стенда имеют соответствующее радиотехническое и
механическое оборудование для создания условий рабо-
ты обтекателя, приближающихся к реальным. Иногда
обтекатель с антенной размещают на макете летатель-
ного аппарата или даже на реальном летательном аппа-
рате.
Радиотехнические измерения проводятся в два этапа.
Сначала производятся измерения без обтекателя, затем с
обтекателем. После окончания испытаний путем сравне-
ния двух замеров производится расчет искажающих
свойств обтекателя.
При измерениях используется стандартная радиотех-
ническая аппаратура (передающая антенна, генераторы,
измерительные усилители, аттенюаторы, детекторные сек-
ции и др.). Приемное устройство можно подобрать путем
сравнения его чувствительности N с минимальным уров-
нем принимаемой мощности РПртш. Для уверенной рабо-
ты приемного устройства необходимо выполнение условия
Величину мощности, принимаемой приемной
ной, можно вычислить по следующей формуле:
D ___ Рпер^пер^пр^2
П₽— (4л)2/?2 ’
где РПер — мощность передатчика;
Спер, Спр — коэффициенты усиления передающей
емной антенны соответственно;
— расстояние между передающей и приемной
антенной.
Чтобы полученные замеры были близкими к реаль-
ным, необходимо использовать приемную антенну с ре-
альной радиолокационной станции, так как прохождение
антен-
(7.18)
и при-
260
энергии через обтекатель зависит от размера пучка па-
раллельных лучей, а также от распределения фазы и ам-
плитуды в раскрыве антенны.
Для качественного проведения радиотехнических ис-
пытаний существенное значение имеет правильный выбор
расстояния 7? между передающей и приемной антенной.
Это расстояние должно быть достаточно большим, чтобы
приемная антенна находилась в дальней зоне, т. е. что-
Рис. 7. 13. К определению минимально возможного
расстояния между антеннами:
/—передающая антенна; 2—приемная антенна
бы к раскрыву приемной антенны приходил плоский
фронт волны. Для получения идеального плоского фрон-
та пришлось бы антенны разнести на бесконечно большое
расстояние.
Однако на практике можно ограничиться сравнитель-
но небольшим расстоянием. Это расстояние выбирается
таким образом, чтобы отклонение от плоского фронта
волны по раскрыву приемной антенны было в допустимых
пределах.
Из рассмотрения рис. 7. 13 видно, что это отклонение
(т. е. несинфазность поля в раскрыве приемной антенны)
зависит от расстояния R. Можно полагать, что точность
испытаний будет удовлетворительной при — в слу-
16
чае использования приемной антенны с распределением
поля по раскрыву, близким к равномерному. Из этого ус-
ловия теперь можно определить минимально возможную
величину /?.
261
Так как
(/? +Дг)2=Я2+ т-)2>
ТО
п (Д?1г + ^2г)2
8Дг
Принимая дг = —, получим R , (7.19)
16 АО
где 7? — минимально возможное расстояние между антен-
нами;
dir — величина раскрыва передающей антенны в го-
ризонтальной плоскости раскрыва;
d2r — величина раскрыва приемной антенны в горизон-
тальной плоскости раскрыва;
Хо — длина волны передатчика.
Очень многие антенны имеют косинусоидальное рас-
пределение по раскрыву. В этом случае можно допустить
несколько большие отклонения от плоского фронта, при-
няв Лг= . Тогда формула запишется в следующем
виде:
7? W + rf2r)2' 20)
Ьо
Если передающая антенна имеет небольшие размеры,
то величиной djr в формулах (7. 19) и (7. 20) можно пре-
небречь. Приведенные формулы будут справедливы, если
передающая антенна будет создавать равномерное поле
в раскрыве приемной антенны. Поэтому в этом случае .
следует применять передающие антенны с широкими ди- .
аграммами направленности, т. е. с малым размером рас- ‘
крыва. Расстояния, вычисленные по формуле (7.20), по-
лучаются сравнительно небольшими. Поэтому можно
производить радиотехнические измерения в помещении.
Очень важно правильно выбрать высоту передающей
и приемной антенн, так как при неправильно выбранной
высоте в приемную антенну кроме прямых лучей могут
попасть также лучи, отраженные от земли. Это вызовет
искажение диаграммы направленности. Минимально воз-
можную высоту антенны над землей определяют соглас-
но рис. 7. 14. При правильно выбранной высоте Н отра7
262
жённые лучи не попадают в зону диаграммы направлен-
ности (в крайнем случае они могут попасть в первый
нуль диаграммы направленности), а при неправильно вы-
бранной высоте Н\ отраженные лучи имеют возможность
попасть в приемную антенну и, следовательно, внести
погрешность в производимые измерения. Из геометриче-
. Рис. 7. 14. К определению минимально возможной высо-
ты над уровнем земли:
/—передающая антенна; 2—приемная антенна
ского построения, показанного на рис. 7.14, можно запи-
сать
#tg 6О2 •
tg%2 *
+ tg 601
(7.21)
где Н—минимально возможная высота расположения
антенны над землей;
R— расстояние между передающей и приемной ан-
теннами;
001 — угол между направлением максимального излу-
чения и направлением, соответствующим перво-
му нулю диаграммы направленности передаю-
щей антенны в вертикальной плоскости;
‘ 002 — угол между направлением максимального излу-
чения и направлением, соответствующим пер-
вому нулю диаграммы направленности прием-
ной антенны в вертикальной плоскости.
263
На углах падения не более 30° (при этом ошибка бу-
дет приблизительно равна 10%) можно записать
tgfy)l —%1 и Ш®02-“®02‘
Кроме того, известно, что при равномерном распреде-
лении поля по раскрыву антенны 0О= —, а при косину-
се
соидальном распределении 0=-— Учитывая все это,
Св
можно записать:
— при равномерном распределении поля
X
Н >------; (7.22)
1 + ^-
<*2в
— при косинусоидальном распределении поля
к —
, (7.23)
rf2s
где diB — величина раскрыва передающей антенны в вер-
тикальной плоскости;
dzB — величина раскрыва приемной антенны в верти-
кальной плоскости.
Если при измерениях применяются антенны с прибли-
зительно одинаковыми раскрывами (diB=d2B), то форму-
лы (7.22) и (7.23) можно соответственно записать в сле-
дующем виде:
(7.24)
Св
Н (U5W. . (7 25)
Св
При радиотехнических измерениях иногда в силу раз-
личных причин бывает трудно обеспечить рассчитанную
максимально возможную высоту. В этом случае пользу-
ются специальными металлическими отражателями, ко-
торые устанавливают между передающей и приемной ан-
264
тенной. Их размещают таким образом, чтобы отражен-
ный от земли луч попадал вместо приемной антенны на
отражатель и, отразившись от него, уходил вверх.
Для исключения влияния земли можно применять
также радиопоглощающие материалы, которые настила-
ют в зоне между передающей и приемной антеннами. Ча-
сто оба эти способа применяют одновременно. При изме-
рениях необходимо убрать все посторонние предметы из
рабочей зоны облучения. Если отдельные части конст-
рукции стенда попадают в зону облучения, то рекомен-
дуется их обклеить радиопоглощающими материалами.
Вообще при проведении измерений в помещении жела-
тельно стены, пол и потолок закрывать этими материа-
лами. Применение радиопоглощающих материалов дает
следующие преимущества: уменьшается вредное воздей-
ствие электромагнитных волн на обслуживающий персо-
нал, улучшается точность проводимых испытаний и со-
блюдается радиомаскировка.
Помещения, полностью закрытые поглощающими ма-
териалами, часто называют эхокамерой. В хорошо спро-
ектированной эхокамере уровень сигнала понижается до
60 дб по мощности.
Измерения радиотехнических параметров обтекателей
Самые высокие радиотехнические требования предъ-
являются к обтекателям, устанавливаемым в головной
части летательного аппарата. Обычно у таких обтекате-
лей на специальных стендах измеряются коэффициенты
прохождения и угловые ошибки прицеливания.
На рис. 7. 15 показан один из стендов, на котором
проводятся измерения радиотехнических параметров об-
текателя. Передающая часть стенда состоит из передаю-
щего рупора с соответствующим радиотехническим обо-
рудованием. Рупор запитается от высокостабильного кли-
стронного генератора. Приемная часть стенда состоит из
поворотного устройства, на котором укреплен обтекатель,
и приемная антенна. С помощью поворотного устройства
обтекатель может поворачиваться в азимутальной пло-
скости относительно приемной антенны, а также вокруг
своей строительной оси. По индикатору, который соеди-
нен через детекторную секцию с приемной антенной, про-
изводится замер уровня принимаемого сигнала.
265
Определение направления на цель производится с по-
мощью метода равносигнальной зоны.
Как уже говорилось выше, желательно, чтобы при-
емная антенна стенда была с реальной радиолокацион-
ной станцией летательного аппарата. По этим же сооб-
ражениям необходимо добиваться, чтобы перемещения
обтекателя и приемной антенны относительно друг друга
полностью соответствовали рабочим эксплуатационным
условиям.
Рис. 7. 15. Стенд проверки радиотехнических параметров обтекателей:
/—передающая антенна; 2— приемная антенна; 3—обтекатель; 4—поворотный
стол
Измерение коэффициента прохождения т] производит-
ся в два этапа. Вначале измеряется уровень сигнала Р2
без обтекателя, затем измеряется уровень сигнала с уста-
новленным обтекателем Pi (на всех углах поворота ан-
тенны относительно строительной оси обтекателя). После
этого обтекатель снимается со стенда и проверяется ис-
ходный уровень сигнала. По полученным замерам Р2 и Pi
производится расчет коэффициента прохождения на всех
углах отворота антенны по формуле (2. 3).
Значение коэффициента прохождения можно получить
и другим методом. После установки обтекателя на стенд
с помощью прецизионного градуированного аттенюатора
устанавливается прежний уровень сигнала. По введенной
развязке можно сразу определить величину коэффициен-
та прохождения. По полученным данным строится гра*
266
фик прохождения в зависимости от угла поворота антен-
ны относительно строительной оси обтекателя. На
рис. 7. 16 показан примерный вид такого графика.
Измерение величины угловой ошибки происходит так-
же путем сравнения результатов, полученных без обте-
кателя и с обтекателем. Порядок измерений следующий.
Оптическую ось передающего рупора ориентировочно сов-
мещают с оптической осью приемной антенны. Затем пе-
ремещая по вертикали и горизонтали передающий рупор
-I-------1------!------1______I I I_______________ I *.
~чо -зо -го ~ю о ю го зо цо
06 а. нт оеант угл глад
Рис. 7. 16. График зависимости КПД ч от угла
отворота антенны аант
и одновременно переключая лепестки диаграммы направ-
ленности находят исходное положение равносигнальной
зоны. При этом положении показания индикатора долж-
ны быть одинаковыми для обоих лепестков. После уста-
новки обтекателя из-за вносимого им искажения пока-
зания индикатора станут при переключении лепестков
разными. Повторяя первоначальную операцию, т. е. пе-
ремещая передающий рупор и переключая лепестки,
вновь находят равносигнальное положение и замечают
при этом смещение передающего рупора. Линейное пере-
мещение х рупора нетрудно пересчитать в угловое сме-
щение (угловую ошибку) по формуле:
A = arctg-J- ,
К
где А — угловая ошибка;
х — линейное смещение передающего рупора;
/? — расстояние между передающей и приемной ан-
теннами.
Измерение и расчет производятся для каждого угла
отворота антенны относительно строительной оси обтека-
теля. По полученным данным строится график зависимо-
267
сти величины угловой ошибки от углов отворота антенны.
Примерный вид такого графика показан на рис. 2. 7.
Несмотря на то, что диаграмма направленности пред-
ставляет тело вращения, обычно бывает достаточно про-
вести измерения в двух взаимно перпендикулярных пло-
скостях: в азимутальной и угломестной. Для измерения
угловых ошибок в угломестной плоскости необходимо из-
менить на 90° поляризацию передающей и приемной ан-
тенн и провести все операции в прежнем порядке.
При современном уровне техники, когда скорости ле-
тательных аппаратов растут и резко изменяется воздуш-
ная обстановка, в ряде случаев становится нецелесооб-
разным применять сканирующие антенны, поскольку за
время одного периода сканирования луча из правого по- <
ложения в левое, верхнее и нижнее отражательные свой-
ства цели могут изменяться.
Поэтому при сравнении сигнала, приходящего, на-
пример, от цели при правом и левом положении луча,
можно получить ложное представление о цели; иными
словами, при определении угловых координат методом
равносигнальной зоны при сканировании луча в прост-
ранстве неизбежно появляются ошибки пеленга, обус-
ловленные «мерцанием» цели. Чтобы избежать этого яв-
ления, применяют антенны без сканирования луча. Эти
антенны формируют в пространстве за счет одновремен-
ного применения нескольких облучателей два или четыре
луча электромагнитной энергии. Благодаря этому можно
одновременно сравнивать и анализировать принятые от
цели сигналы. Такие антенны называются моноимпульс-
ными.
При использовании на стенде моноимпульсной антен-
ны принцип измерения остается прежним. Только при
измерении коэффициента прохождения детекторная сек-
ция подключается в суммарный канал, а при измерении
угловых ошибок — поочередно к разностному азимуталь-
ному каналу и к разностному угломестному каналу.
После окончания радиотехнических измерений полу-
ченные значения коэффициента прохождения и угловых
ошибок сравниваются с заданными и делается вывод о
годности данного обтекателя. Если полученные величины
не соответствуют требуемым нормам, то необходимо при-
менять те или иные методы компенсации. В связи с этим
один и тот же обтекатель приходится подвергать повтор-
268
ньш радиотехническим испытаниям на стенде. Поэтому
в серийном производстве необходимо применять автома-
тические стенды для измерения радиотехнических пара-
метров обтекателей.
При перевозке и хранении в складских помещениях у
обтекателей могут появиться небольшие дефекты (цара-
пины, небольшие сколы и др.). После ликвидации этих
дефектов обтекатели вновь подвергаются радиотехниче-
ским испытаниям и, если нужно, корректируются. Это
приводит к большим дополнительным затратам из-за
сложности и длительности радиотехнических испытаний.
Кроме того, обычно добавляются еще транспортные рас-
ходы, связанные с доставкой обтекателя на место испы-
тания и обратно. В таких случаях рекомендуется приме-
нять упрощенный качественный радиотехнический кон-
троль обтекателей на месте их хранения. Это можно сде-
лать с помощью простой переносной установки, состоя-
щей из зондирующего рупора и несложной радиоаппара-
туры. Установка при контакте рупора с одной стороной
стенки обтекателя регистрирует относительную величину
отраженной мощности от исследуемой части поверхности
обтекателя. Вывод о годности обтекателя делается после
сравнения величины отраженной мощности от стенки ис-
пытываемого обтекателя с величиной отраженной мощно-
сти от этой же части поверхности эталонного обтекателя.
Если параметры соответствуют норме, то обтекатель по-
сле устранения дефектов нет необходимости отправлять
для проведения полного комплекса радиотехнических ис-
пытаний.
Корректировка обтекателей
После проведения измерений, если радиотехнические
параметры несоответствуют- нцрш^лйи^
тировка об^^ртеля^Обычно коррекция производится с
помЫцыо компшсирукхшж^^
ческих наклеек.или^путем-механичеххой.„шжфовкиОбте-
кателя в определенных местах. Разновидностью первого
способа является нанесение корректирующего диэлектри-
ка пульверизатором. В этом случае процесс можно меха-
низировать. Откорректированный обтекатель вновь по-
ступает на стенд радиотехнических проверок и т. д.
269
Механическая обработка й доработка обтекателей
йроизводится на специально приспособленных для этих
целей станках. Для обработки твердых.керамических ма-
териалов применяется алмазный инструмент.
Керамические обтекатели с высоким значением ди-
электрической проницаемости приходится обрабатывать
с очень высокой степенью точности (до 0,025 мм). При
таких точностях контроль геометрической толщины стен-
ки обтекателя обычными способами становится трудо-
емок и занимает очень много времени. Например, при
контроле геометрической толщины больших обтекателей
приходится делать несколько тысяч замеров. Из новых
способов контроля геометрической толщины хорошие ре-
зультаты дает применение ультразвуковых приборов, с
помощью которых можно производить замеры при одно-
стороннем подходе к обтекателю. Это дает возможность
измерять с необходимой точностью геометрическую тол-
щину стенки обтекателя даже не снимая его с формы.
При этом эти приборы портативны и удобны в эксплуа-
тации.
В последнее время делаются попытки автоматизиро-
вать процессы корректировки. Эта проблема довольно
сложна, так как диэлектрическая постоянная хаотически
изменяется в стенке обтекателя по всем направлениям.
Геометрическая толщина стенки обтекателя, определяе-
мая технологией производства, также изменяется по все-
му обтекателю. Неоднородность материала и неточности
в изготовлении приводят к изменению электрической тол-
щины, это в свою очередь приводит к изменению радио-
технических параметров обтекателя (коэффициента про-
хождения и угловых ошибок).
Из рассмотрения известного выражения для электри-
ческой толщины видно, что изменения этой величины
можно добиться путем изменения (совместного или раз-
дельного) геометрической толщины и диэлектрической
проницаемости.
Следовательно, воздействуя на эти величины, можно
добиться корректировки обтекателя.
На рис. 7.17 показана блок-схема автоматической
установки, работающей на этом принципе. Метод изме-
рения электрической толщины аналогичен методу изме-
рения электрической толщины на установке уже рассмот-
ренной в разд. 7. 1 (рис. 7. 10). Разница состоит лишь в
270
том, что в последней установке измерительный фазовра-
щатель управляет корректирующей установкой.
Работа установки происходит следующим образом.
Обтекатель вращается по спирали между двумя измери-
тельными рупорами. Фазометрическая часть установки
Рис. 7. 17. Блок-схема автоматической установ-
ки для корректировки обтекателей:
/—самописец (запоминание фазы); 2—усилитель по-
стоянного тока; 5—датчик (преобразователь механи-
ческих перемещений фазовращателя в электрические
напряжения); 4—сервомотор; 5—сервоусилитель; 6—
клистрон; 7—ферритовая развязка; 8—измерительный
фазовращатель; 9—ферритовая развязка; 10—аттенюа-
тор; //—волноводный тройник; 12—кристаллический
детектор; 13, /4—рупор; /5—корректирующее устройст-
во; 16—управление корректирующим устройством; 17-
закон изменения фазы; 18—обтекатель
измеряет электрическую толщину просвечиваемой поверх-
ности обтекателя. Полученное значение электрической
толщины сравнивается с эталонным значением электри-
ческой толщины. Полученная разность между этими ве-
л-ичинами преобразовывается в напряжение сигнала
ошибки, которое управляет корректирующим механиз-
мом. Если на установку ставится обтекатель с при-
пуском по толщине, то корректирующее устройство со-
держит шлифовальный механизм для стачивания поверх-
271
ности обтекателя, если же обтекатель делается с зани-
женной толщиной, то корректирующее устройство содер-
жит пульверизатор для напыления диэлектрика. Коррек-
ция обтекателя проводится методом последовательных
приближений с использованием стенда измерений радио-
технических параметров.
Как было показано, диэлектрическая постоянная ди-
электрических материалов изменяется при нагреве. Так
как величина диэлектрической постоянной входит во мно-
гие формулы, используемые при радиотехническом рас-
чете, то можно показать, что изменение этой величины
приводит к изменению радиотехнических параметров.
Покажем это на простейшем примере. При заданных
Хо=3,8; е=4,5 и 0=72° полуволновая стенка обтекателя
будет иметь 10 мм. Теперь допустим, что при нагреве
диэлектрическая постоянная обтекателя увеличилась до
4,9, что вполне реально в полетных условиях. Несложный
подсчет показывает, что толщина стенки обтекателя в
этом случае будет равной d=9,5 мм. Как известно, обте-
катель с полуволновой стенкой имеет оптимальные ра-
диотехнические параметры. Следовательно, подобное из-
менение толщины стенки приведет к ухудшению этих
параметров.
Описанные выше стенды радиотехнических измерений
обтекателей не дают возможность учитывать изменения
радиотехнических параметров, возникающие при нагреве
обтекателя. Поэтому представляет большой интерес кон-
струирование таких стендов, на которых измерение ра-
диотехнических параметров обтекателей происходило бы
в условиях, близких к реальным. Существуют, например,
стенды, на которых измерение радиотехнических пара-
метров обтекателя происходит одновременно с обдувом
горячим газом. Но при таком методе измерения трудно
обеспечить заданный закон распределения температуры
по поверхности обтекателя. Кроме того, изменение потока
горячего газа существенно усложняет процесс радиотех-
нических измерений. Поэтому большими достоинствами
обладает стенд, в котором нагрев обтекателя может осу-
ществляться, например, с помощью инфракрасных нагре-
вателей. В этом стенде существенное повышение точности
измерений и упрощение процесса измерений достигнуто
использованием в качестве источника нагрева трубчатых
инфракрасных нагревателей, размещенных на внутренней
272
поверхности обхватывающего обтекатель двухстворчато-
го кожуха.
На рис. 7.18, а показана блок-схема такого стенда,
а на рис. 7. 18, б — его конструктивное выполнение. На
Рис. 7. 18. Стенд проверки радиотехнических параметров
обтекателей при нагреве:
/—поворотный стол; 2—исследуемый обтекатель; 3—'приемная ан-
тенна; 4—детектор; 5—измерительный прибор; 6—передающая ан-
тенна; 7—высокочастотный кабель; 8—генератор высокой частоты;
9—счетная линейка; 10—двухстворчатый кожух; //—инфракрасные
нагреватели; 12—пневмопривод
поворотном устройстве установлен исследуемый обтека-
тель, внутри которого находится приемная антенна, со-
единенная через детектор с измерительным прибором.
273
Перед обтекателем на определенном расстоянии разме-
щена передающая антенна, соединенная специальным
кабелем с генератором. Под передающей антенной распо-
ложена счетная линейка, отградуированная^ в угловых
минутах. Обтекатель заключен внутрь двухстворчатого
кожуха, на внутренней поверхности которого размещены
инфракрасные нагреватели. Управление положением ство-
рок кожуха происходит при помощи пневмопривода.
Определение коэффициента прохождения обтекателя
производится посредством сравнения мощности, принятой
антенной, с обтекателем и без обтекателя. Угловые ошиб-
ки определяются по смещению равносигнального направ-
ления, которое регистрируется перемещением передаю-
щей антенны в горизонтальной плоскости вдоль счетной
линейки. Заданное распределение температуры нагрева
поверхности обтекателя достигается соответствующим
размещением нагревателей и регулировкой их мощности.
В процессе нагрева створки кожуха закрыты. После
достижения заданной температуры, которая контролиру-
ется расположенными на поверхности обтекателя термо-
парами, створки кожуха раскрываются и производится
измерение радиотехнических параметров обтекателя при
различных углах отворота антенны относительно строи-
тельной оси обтекателя. Затем створки кожуха опять за-
крывают, нагревают поверхность обтекателя до более вы-
сокой температуры и вновь производят измерение при
открытых створках и т. д.
Достоинством подобного стенда является то, что одно-
временно с радиотехническими испытаниями можно оце-
нить термостойкость испытуемого обтекателя. Такой
стенд может быть использован также для контроля ра-
диотехнических параметров, производимого без нагрева
обтекателя.
7.3. МЕХАНИЧЕСКИЕ ИСПЫТАНИЯ
Для выбора диэлектрических материалов, способных
обеспечить надежную работу обтекателя в сложных экс-
плуатационных условиях, необходимо правильно оценить
их характеристики путем проведения испытаний на об-
разцах, сделанных из исследуемых материалов.
Обычные механические испытания, проведенные на
образцах, дают значения пределов прочности под воздей-
274
ствйем статических механических нагрузок: растягиваю-
щих (ор), сжимающих (ос) и изгибающих (сги)- Эти вели-
чины имеют размерность кГ/см2. При проведении испы-
таний с анизотропными диэлектрическими материалами
(например, стеклопластики) необходимо учитывать, что
их прочностные свойства значительно различаются, в за-
висимости от направления приложения нагрузки.
Для керамических материалов очень важным являет-
ся их ударная прочность. Эти материалы, выдерживая
сравнительно высокие значения статических нагрузок,
легко разрушаются динамическими нагрузками (удары,
вибрация и т. д.). Оценку способности диэлектрических
материалов сопротивляться динамическим нагрузкам
обычно делают путем проведения испытаний на ударный
изгиб. При этом определяется удельная ударная вязкость
материала буд. Эта величина определяется путем испыта-
ния образцов ударом на изгиб (излом). Удельная удар-
ная вязкость определяется отношением энергии, затрачен-
ной на изгиб (излом) исследуемого образца, к площади
поперечного сечения этого образца. Поэтому удельная
ударная вязкость измеряется в кГм)см2,
Упругие свойства диэлектрических материалов оценива-
ются с помощью модуля упругости (модуль Юнга) Е и ко-
эффициента Пуассона р. Величину модуля упругости мож-
но найти из рассмотрения выражения для закона Гука:
о=8-£, (7.27)
где о — нормальное напряжение;
8 — относительное удлинение образца;
Е — модуль упругости (модуль Юнга).
Следовательно, модуль упругости является коэффи-
циентом пропорциональности, связывающим нормальное
напряжение и относительное удлинение. Физически мо-
дуль упругости характеризует способность материала со-
противляться упругой деформации. Чем больше величина
модуля упругости, тем меньше может растягиваться об-
разец при одинаковом напряжении. Так как е является
безразмерной величиной, то Е выражается в тех же еди-
ницах, что и о, т. е. в кГ!см\
* При работе на растяжение или сжатие образцы кроме
продольных деформаций испытывают также поперечные
деформации. Отношение величины относительной попе-
речной деформации к величине относительной продоль-
275
йои деформации называется коэффициентом Йуассдна
или коэффициентом поперечной деформации:
|* = —, (7.28)
епр
где ц — коэффициент Пуассона;
еп— поперечная деформация;
Епр — продольная деформация.
Из рассмотрения этого выражения видно, что коэф-
фициент Пуассона является безразмерной величиной.
Для измерения р. необходимо одновременно измерять еп
и еВр- Измерения производятся с помощью точных изме-
рительных приборов — тензометров.
Известно, что диэлектрические материалы изменяют
свои характеристики при нагреве. Поэтому, чтобы иметь
более полное представление о свойствах исследуемых
материалов, желательно знать, как ведут себя эти мате-
риалы в рабочем диапазоне температур.
При проведении температурных испытаний можно
определить теплостойкость материала. Определение этой
величины имеет большое значение для диэлектрических
Материалов, используемых для изготовления обтекателей,
работающих при высоких температурах. Существует мно-
го способов определения теплостойкости. Обычно тепло-
стойкость определяется той максимальной температурой,
при которой исследуемые характеристики диэлектриче-
ского материала находятся еще в пределах нормы. Для
оценки теплостойкости стеклопластиков часто применяют
способ Мартенса. При этом способе теплостойкость опре-
деляется значением температуры, при которой приложен-
ные изгибающие напряжения (<ти=50 кГ/см?) -уже вызы-
вают заметную деформацию диэлектрического образца.
Способность диэлектрического материала работать
при высоких температурах также зависит от коэффици-
ента линейного расширения, который выражается фор-
мулой:
Цград, (7.29)
ZqZ
где a — коэффициент линейного расширения;
It — длина тела, нагретого на / °C;
/о — начальная длина тела.
276
При прочих равных условиях обтекатель с меньшим
значением коэффициента а будет лучше работать при вы-
соких температурах. Для многих диэлектрических мате-
риалов, в особенности хрупких, важно знать их способ-
ность выдерживать резкие изменения температуры, т. е.
их термостойкость. Термостойкостью называется показа-
тель, характеризующий способность образца выдержи-
вать без разрушения резкие смены температур. Мерой
термостойкости является максимальная температура при
быстрой их смене, выдерживаемая образцом без разру-
шения. В настоящее время для листового неорганическо-
го стекла и стеклокристаллических материалов принят
единый метод определения термостойкости (ГОСТ
11103—64).
Сущность метода состоит в быстром охлаждении на-
гретого образца и определении максимально выдерживае-
мой им разности температур. Исследуемые образцы име-
ют размеры (30±0,5) X (30±0,5) X (4±0,1) мм. Нагрев
образцов осуществляется в трубчатой вертикальной печи,
а охлаждение — в сосуде с водой емкостью не менее 0,5 л.
Вначале определяется ориентировочная термостой-
кость на двух образцах. Для этого образцы нагреваются
в печи до температуры, превышающей на 50° С темпера-
туру охлаждающей воды, и выдерживают в течение
20 мин при этой температуре. Затем образцы опускают в
сосуд с водой, имеющей температуру 15—20° С. Образцы
погружают в воду ребром и выдерживают в ней не менее
30 сек. После этого образцы вынимают из воды и, если
'на них визуально не обнаружено трещин, то весь процесс
повторяется вновь до разрушения образца, причем тем-
пература в печи поднимается ступенчато через 50° С.
Величину ориентировочной термостойкости определя-
ют как разность между наивысшей температурой, кото-
рую выдержали образцы, и температурой охлаждающей
воды. Если образцы разрушились при разных темпера-
турах, то ориентировочная термостойкость определяется
по низшему результату.
Зная величину ориентировочной термостойкости, мож-
но приступить к определению средней термостойкости.
Эта величина определяется путем испытаний 10 образцов.
Порядок определения термостойкости остается прежним,
только начальная разность температур берется на 50° С
ниже по сравнению с разностью температур, полученной
277
йри определении ориёнтйровочной термостойкости. Тем-
пература поднимается ступенчато согласно табл. 7. 1 до
полного разрушения всех образцов.
Таблица 7.1
Величина найденной ориентировоч- Ступени подъема
ной термостойкости температуры
°C °C
Менее 200 10
В интервале от 200 до 400 20
В интервале от 400 до 600 30
В интервале от 600 до 800 40
В интервале от 800 до 1000 50
Более 1000 50
После окончания испытаний производится расчет
средней термостойкости по формуле:
(7.30)
ю v ’
где 0 — средняя термостойкость;
Xt — термостойкость отдельного образца.
При необходимости сравнения материалов с одинако-
выми значениями средней термостойкости производятся
уточняющие испытания пяти образцов на число выдержи-
ваемых ими теплосмен.
Способность диэлектрических материалов противо-
стоять воздействию теплового удара можно ориентиро-
вочно определить с помощью следующей формулы:
, (7.31)
Еа
где А/ — разность температур нагретого образца и
охлаждающей среды, при которой разрушается
исследуемый образец;
о — разрушающее растягивающее напряжение;
Е — модуль упругости;
р — коэффициент Пуассона;
а — коэффициент линейного расширения.
278
Подставляя в эту формулу характеристики исследуе-
мого диэлектрического материала, можно определить
максимальный перепад температур, который сможет вы-
держать этот материал. Однако эта формула дает только
общую ориентировочную оценку способности материала
сопротивляться тепловому удару, так как она не учиты-
вает ряд существенных факторов.
При попадании влаги на диэлектрический материал
могут измениться его прочностные и электрические ха-
рактеристики. Следовательно, необходимо исследовать
влияние влаги на характеристики исследуемого матери-
ала. При испытаниях на влагостойкость диэлектрические
образцы подвергаются каким-либо способом воздействию
влаги и затем проверяются на прочностные и электриче-
ские характеристики.
Обтекатели в условиях эксплуатации могут подвер-
гаться сильному радиационному облучению. Это может
произойти при прохождении летательным аппаратом
зоны атомного взрыва или при его полете в космическом
пространстве. Исследования показали, что радиационное
облучение изменяет прочностные и электрические свой-
ства обтекателей. Следовательно, при разработке новых
диэлектрических материалов необходимо обращать вни-
мание на их радиационную стойкость.
Данные, полученные при исследованиях диэлектриче-
ских образцов, не дают полного представления о качест-
ве обтекателей, изготовленных из этих материалов. Это
можно объяснить рядом причин: например, влиянием
масштабного фактора, различием технологии в изготов-
лении образцов и целых изделий и т. д.
Более точное представление о качестве дают наземные
испытания, проведенные, на самих обтекателях. Эти ис-
пытания позволяют проверить правильность конструктив-
ного решения и качество примененного диэлектрического
материала. Для приближения к реальным условиям на-
земные испытания необходимо производить под нагруз-
кой. Величину нагрузок можно получить расчетным пу-
тем, а также используя результаты исследований лета-
тельных аппаратов в аэродинамической трубе или в усло-
виях полета. Полученные значения нагрузок надо
как можно точнее воспроизвести на испытываемых об-
текателях. От этого будет зависеть достоверность
испытаний,
279
Существует несколько приближенных способов рас-
пределения эксплуатационного давления на обтекатель.
Одним из наиболее простых способов является способ
приложения нагрузки на обтекатель с помощью какого-
нибудь груза, например, песка или-дроби. Однако такой
способ дает равномерное распределение нагрузки, имею-
щей в основном лишь вертикальную составляющую, так
как боковое давление песка или дроби незначительно.
Кроме того, при этом способе можно получить лишь один
вид нагрузки: положительную или отрицательную на-
грузку. Лучшую имитацию эксплуатационного давления
на обтекатель дает способ одновременного воздействия
на обтекатель двух видов нагрузок: положительной с по-
мощью нагрузочных брусков и отрицательной с помощью
гидростатического давления.
Контроль положительной нагрузки осуществляется с
помощью тензометров^ установленных на нагрузочных
брусках. Лучшее приближение к эксплуатационным на-
грузкам достигается при уменьшении размеров нагрузоч-
ных брусков до оптимальных размеров в зависимости от
формы и размеров обтекателя.
С помощью приложенных нагрузок можно определить
прогиб поверхности обтекателя под действием давления.
Определив эту величину, можно оценить жесткость иссле-
дуемого диэлектрического материала, а также найти ми-
нимально возможный зазор между внутренней поверхно-
стью обтекателя и антенной радиолокационной станции.
Увеличивая прикладываемые нагрузки, можно добиться
разрушения обтекателя и определить его коэффициент
безопасности, или коэффициент запаса прочности
(7.32)
где Рщах — нагрузка, при которой происходит разруше-
ние обтекателя;
Р — расчетная нагрузка.
На рис. 7.19 показано испытание стеклопластикового
обтекателя на разрушение под максимальной нагрузкой.
Давление на обтекатель осуществлялось с помощью гид-
равлического домкрата. Нагрузка прикладывалась через
массивный деревянный блок, обитый в нижней части мяГ’
кой пористой резиной,
280
Небольшие обтекатели антенн радиомаяков при ма-
неврах самолетов испытывают значительные боковые
давления. Величина такого давления намного больше
давления, испытываемого маячковым обтекателем при
нормальном прямолинейном полете. Это объясняется тем,
что маячковый обтекатель в боковом направлении имеет
Рис. 7. 19. Испытание стеклопла-
стикового обтекателя на разруше-
ние
Рис. 7.20. Механиче-
ское испытание кера-
мического обтекателя
очень большое аэродинамические сопротивление. Следо-
вательно, эти обтекатели необходимо испытывать на
прочность и на изгиб в боковом направлении.
Керамические обтекатели плохо работают на растя-
жение, поэтому их подвергают обычно этому виду испы-
таний.
На рис. 7.20 показано испытание керамического обте-
кателя, изготовленного из материала на основе плавлен-
ного кварца, с помощью гидростатического давления.
При испытаниях обтекателя на тепловой удар с по-
мощью специального оборудования создается перепад
температур по толщине его стенки. Этого можно, напри-
мер, достигнуть с помощью инфракрасных излучателей,
281
и другие спосооы испытания,
Рис. 7. 21. Конструкция вибрацион-
ного стенда инерционного типа:
/—рабочий стол; 2—главная ось; 3—пру-
жина; 4—регулировочный винт; 5—виб-
ратор; 6, 7—зубчатые колеса; 8—вал
вибратора; Р—клиноременная передача;
10—электродвигатель
располагая йх вокруг исследуемого обтекателя. При этом
надо стараться воспроизводить реальный темп нагрева.
Контроль за изменением температуры обычно произво-
дится с помощью термопар и пирометров. Применяются
например, испытываемый
обтекатель погружается в
ванну с солевым раство-
ром.
Проведенные испыта-
ния показали, что обтека-
тели, изготовленные из
материала на основе плав-
леного кварца, облада-
ют самой высокой способ-
ностью выдерживать теп-
ловой удар по сравнению
с обтекателями, изготов-
ленными из других извест-
ных в настоящее время
материалов.
Кроме того, обтекате-
ли необходимо испыты-
вать на динамические на-
грузки, возникающие в ре-
альных условиях от воз-
действия вибрационных,
линейных и ударных уско-
рений, а также от ускоре-
ний, вызываемых транс-
портировкой.
Испытание обтекате-
лей на виброустойчивость проводится на вибростендах.
Вибростенды имеют следующие основные характеристи-
ки: амплитуду смещения, амплитуду ускорения и частоту
вибрации. Испытываемый обтекатель закрепляется на ра-
бочем столе вибростенда и подвергается воздействию
вибрации заданной величины. Контроль параметров виб-
рации осуществляется с помощью частотомера, имеюще-
го визуальную индикацию, и микроскопа для отсчета ам-
плитуд вибрационных смещений рабочего стола. Некото-
рые вибростенды имеют устройство автоматически пре-
рывающее испытание при случайных превышениях за-
данных величин вибраций.
'282
На рис. 7.21 показана конструкция вибрационного
стенда. Вибрация рабочего стола происходит под дейст-
вием результирующей центробежной силы, создаваемой
двумя неуравновешенными массами, вращающимися в
противоположных направлениях. В зависимости от раз-
мера, формы и назначения обтекателей испытания произ-
водятся на соответствующих вибростендах.
Рис. 7 22. Конструкция центрифуги:
/—электродвигатель; 2—редуктор; 3—несущая балка; 4—коллектор; 5—
сварная рама
Обтекатели на воздействие линейных (центробежных)
ускорений испытываются на специальных установках
(центрифугах), которые создают в горизонтальной пло-
скости линейные радиально направленные ускорения. Эти
установки характеризуются следующими основными па-
раметрами: максимальной величиной линейного ускоре-
ния, скоростью нарастания линейных ускорений и допу-
скаемой нагрузкой.
При проведении испытаний изменение амплитуды
ускорения можно получить изменением скорости враще-
ния несущей балки центрифуги или путем смещения ис-
пытываемого изделия вдоль несущей балки, т. е. измене-
нием радиуса вращения. На рис. 7. 22 показана конструк-
283
ция центрифуги. При испытаниях изделий на центрифу-
ге необходимо обращать внимание на технику безопас-
Рис. 7. 23. Установка для испытания изделий
на воздействие ударных ускорений:
/—сальниковые стаканы; 2—шкив двигателя; 3—
ремень; 4—регулятор скоростей; 5— шкив; 6—про-
межуточный вал; 7—подшипник; 8—счетчик; Р—
планки; 10—ролик; //—рабочая платформа-; 12—вал
кулачка; /3—ударник; 14—шкалы высоты падения;
/5—наборные пластины; 16—станина; /7—упругий
элемент; 18—подъемный кулачок; 19, 20—зубчатые
колеса; 21—выключатель; 22—электродвигатель;
23—направляющие штанги; 24— штепсель источника
питания; 25—амортизатор; 26—основание
ности. Установка должна быть закрыта надежным за-
щитным ограждением с входом, снабженным блокиро-
вочным устройством.
284
Рис. 7.24. Установка для испытания
изделий на воздействие ускорений,
возникающих при транспортировании:
1—кулачок; 2—рабочий стол: 3—испытывае-
мое изделие; 4—электродвигатель; 5— пру-
жины
Воздействие ударных ускорений проверяется на спе-
циальных установках, которые имитируют ударные на-
грузки. Ударные ускорения в этих установках создаются
при ударе рабочего стола с испытываемым изделием об
упругие наковальни. Движение стола происходит в вер-
тикальной плоскости. Установки характеризуются сле-
дующими основными параметрами: длительностью удар-
ного импульса, частотой воздействия ударных импуль-
сов и максималь-
ной грузоподъемно-
стью. Конструкция
установки для испы-
тания изделия на
воздействие ударных
ускорений показана
на рис. 7.23.
После изготовле-
ния обтекатель до-
ставляют в склад-
ское помещение или
на место, где проис-
ходит его установка
на летательный ап-
парат. При этих пе-
ревозках обтекатель
подвергается самым
различным транс-
портным воздей-
ствиям.
На рис. 7. 24 показана установка, имитирующая тран-
спортные воздействия. Рабочий стол с установленным из-
делием с помощью кулачков получает периодическое
скачкообразное движение. Вибрационные и ударные на-
грузки при этом достигают 50g.
В эксплуатационных условиях обтекатели подверга-
ются самым разнообразным климатическим воздействи-
ям. В результате этого прочностные и радиотехнические
характеристики обтекателей могут ухудшиться. Поэтому
обтекатели на специальном оборудовании проходят ис-
пытания на устойчивость к климатическим воздействи-
ям. С помощью этого оборудования создаются условия,
близкие к тем, в которых находятся обтекатели в реаль-
ных условиях.
ЛИТЕРАТУРА
1. Айзенберг Г. 3., Антенны ультракоротких волн, Связьиз-
дат, 1957.
2. Б е р е ж н о й А. И., Ситаллы и фотоситаллы, изд-во «Маши-
ностроение», 1966.
3. Б р а н д т А. А., Исследование диэлектриков на сверхвысо-
ких частотах, Физматгиз, 1963.
4. Бреховских Л. М., Волны в^слоистых средах, АН СССР,
1957.
5. Л а з а р е в Л. П., Инфракрасные и световые приборы само-
наведения и наведения летательных аппаратов, изд-во «Машино-
строение», 1966,.
6. Под редакцией Ф е л ь д а Я. Н., Антенны сантиметровых
волн, т. I и II, изд-во «Советское радио», 1950.
7. Под редакцией Шпунтов а А. И., Обтекатели антенн,
изд-во «Советское радио», 1950.
Хиппель А. Р., Диэлектрики и волны, ИЛ, 1960,
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Предисловие...................................... . . . 3
Глава 1. Волны.............................................. 6
1. 1. Плоские электромагнитные волны в однородной изо-
тропной среде...................................... 5
1.2. Скорости распространения электромагнитной волны. . 10
1.3. Граничные условия...............................
1. 4. Уравнения Френеля................................ 21
1. 5. Отражение и преломление плоских волн диэлектриками
без потерь . . » '..................................... 24
1.6. Плоские электромагнитные волны в среде с потерями 28
1.7. Поведение плоской волны на границе двух сред с уче-
том потерь............................................. 33
1.8. Прохождение электромагнитной волны через сложные
диэлектрические среды.................................. 36
Глава 2. Обтекатели антенн ................................ 43
2. 1. Назначение обтекателей........................... 43
2. 2. Размещение обтекателей на летательных аппаратах . 45
2.3. Влияние обтекателя на ^работу бортового, радиоэлек-
тронного оборудования ................................. 49
2. 4. Обтекатель как активный элемент системы управления 56
2. 5. Подход к выбору конструкции обтекателей......... 58
2. 6. Однослойные обтекатели........................... 61
2. 7. Многослойные обтекатели.......................... 63
2.8. Обтекатели инфракрасных систем < s ............... 67
2. 9. Обтекатели с металлическими включениями.......... 70
Глава 3. Эксплуатационные условия работы обтекателей ... 74
3. 1. Свойства атмосферы.............................. 74
3.2. Аэродинамические силы, действующие на обтекатель . 79
3. 3. Аэродинамический нагрев обтекателя............... 83
3. 4. Климатические воздействия........................ 95
Глава 4. Материалы и методы изготовления обтекателей ... 99
4. 1. Стеклопластики^................................. 100
4. 2. Методы изготовления обтекателей из стеклопластика 105
4. 3. Керамические , материалы....................... 118
4. 4. Материалы для обтекателей инфракрасных систем . . 133
4. 5. Соединение обтекателя с корпусом летательного аппа-
рата ............................................. ... 140
Глава 5. Прохождение электромагнитных волн через стенку об-
текателя ............................................ 145
5. 1. Причины ослабления энергии радиоволн, проходящих
через стенку обтекателя............................... 145
287
C l I).
5. 2. Прохождение плоской электромагнитной волны через
однородный лист диэлектрика.......................... 149
5. 3. Прохождение электромагнитной волны через плоскую
трехслойную диэлектрическую стенку................... 158
5. 4. Расчет стенки обтекателя трехслойной конструкции . 165
5. 5. Прохождение плоской электромагнитной волны через
плоскую диэлектрическую стенку двойной трехслойной
конструкции.......................................... 176
5. 6. Прохождение электромагнитной волны через криволи-
нейную диэлектрическую стенку........................ 181
5. 7. Расчет обтекателя оптимальной прозрачности .... 185
Глава 6. Угловые ошибки пеленга и методы их компенсации . 193
6. 1. Влияние угловых ошибок пеленга на точность борто-
вых РЛС.............................................. 193
6. 2. Причины появления угловых ошибок............... 196
6.3. Фазовые искажения в криволинейных стенках....... 202
6. 4. Компенсация угловых ошибок..................... 207
6. 5. Прогнозирование искажений поля, создаваемых обте-
кателями в реальных условиях эксплуатации .... 230
6. 6. Экономическая эффективность методов радиотехниче-
ской доводки обтекателей ........................ 238
Глава 7. Испытания материалов и обтекателей.............. 241
7. 1. Электрические испытания........................ 242
7. 2. Радиотехнические испытания..................... 259
7. 3. Механические испытания......................... 274
Литература............................................ <286
Борис Алексеевич Привода,
Валентин Сергеевич Кокунько
ОБТЕКАТЕЛИ АНТЕНН ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Редактор Л. Ф. Ермилова Художник Н. Т. Дворников
Техн, редактор В. И. Орешкина Корректор А. И. Карамышкина
Г—77543 Сдано в набор 8/XII 1969 г. Подписано в печать 10/111 1970 г.
Формат 84X108733 Печ. л. 9,00 (Усл. печ. л. 15,12) Уч.-изд. л. 13,30
Бум. л. 4,5 Бумага № 2 Тираж 2200 экз. Зак. Кз 2004
Цена 77 коп. Тем. план 1970 г. № 252
Издательство «Машиностроение», Москва, К-51, Петровка, 24
Московская типография № 8 Главполиграфпрома
Комитета по печати при Совете Министров СССР,
Хохловский пер., 7. Зак. 5306