Бортовые антенные устройства

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

Космические аппараты и головные части баллистических ракет входят в плотные слои атмосферы Земли со скоростями более 3 км/с. Начиная с высот 100 -- 110 км перед летящим со сверхзвуковой скоростью космическим аппаратом образуется и непрерывно поддерживается мощная ударная волна. Воздух за ударной волной сильно сжат и нагрет, вследствие чего вокруг объекта образуется оболочка сильно ионизированного воздуха (плазма). Плазменная оболочка, образующаяся в результате тепловой ионизации воздуха, в значительной мере затрудняет радиосвязь наземных станций с бортом космического аппарата. Особенностью возникающих образований является то, что они представляют собой весьма плотную, неоднородную и сильно турбулентную плазму с присутствием различных химически активных веществ.

Основными причинами, затрудняющими нормальную работу радиолиний, являются:

-- резкое ухудшение условий распространения радиоволн через слой плазмы (затухание, отражение, преломление, флуктуации всех параметров сигнала, нелинейные явления);

-- резкое ухудшение условий работы бортовых антенн (расстройка, уменьшение коэффициента усиления, изменение диаграммы направленности, пробой).

Следует также учитывать, что сильный нагрев поверхности космического аппарата приводит к интенсивному обгоранию, оплавлению и абляции защитных покрытий, что может явиться источником дополнительных потерь энергии радиоволн.

Степень влияния образующейся плазменной среды на работу различных радиолиний зависит от многих причин, связанных как с конфигурацией космического аппарата и траекторией его полета на атмосферном участке, так и с параметрами радиолинии.

До настоящего времени проблема обеспечения надежной и бесперебойной связи на пассивном атмосферном участке полета ракет и космических аппаратов является одной из важнейших, но далеко не решенной. Трудность решения этой проблемы связана прежде всего с высокой плотностью плазменных образований, негативным влиянием теплозащитного материала, входящего в состав антенного окна, недостаточной изученностью протекающих процессов и явлений, сравнительной сложностью технических (аппаратурных) реализаций. Однако к настоящему времени накоплен большой теоретический и экспериментальный материал, который позволяет хотя и приближенно оценить основные эффекты возникающие в различных радиолиниях при работе с возвращающимися в плотные слои атмосферы космическими объектами, и рассмотреть пути уменьшения влияния этих эффектов на надежность работы различных радиосредств.

Целью данного проекта является разработка метода исследования заданных характеристик бортовой антенны, а именно диаграммы направленности и коэффициента полезного действия, а также разработать структурную и функциональную схему устройства для исследования характеристик бортовых антенн возвращаемых космических аппаратов.

антенна радиотехническая бортовая апертура

ПАТЕНТНЫЙ ПОИСК

Начиная с 50-60 гг. наши ученые предпринимали попытки для решения задач, связанных с нарушением связи с возвращаемым космическим аппаратом на траектории спуска. Основные исследования в этой области были сделаны еще в 70-е годы прошлого столетия.

Был произведен патентный поиск охватывающий период с 2004 по 2009 года. Никаких новых разработок в исследуемой мной области за этот период найдено не было, но мною был получен большой опыт в сфере поиска патентов.

Патентный поиск был проведен по Реферативным журналам Российской Федерации за последние 5 лет:

Всероссийский институт научной и технической информации (ВИНИТИ).Радиотехника (предметный указатель за 2004 год) /М-во образования

Рос. Федерации. М., 2005. Всероссийский институт научной и технической информации (ВИНИТИ).Радиотехника (предметный указатель за 2005 год) /М-во образования Рос. Федерации. М., 2006;

Всероссийский институт научной и технической информации (ВИНИТИ).Радиотехника (предметный указатель за 2006 год) /М-во образования Рос. Федерации. М., 2007;

Всероссийский институт научной и технической информации (ВИНИТИ).Радиотехника (предметный указатель за 2007 год) /М-во образования Рос. Федерации. М., 2008;

Всероссийский институт научной и технической информации (ВИНИТИ).Радиотехника (предметный указатель за 2008 год) /М-во образования Рос. Федерации. М., 2009;

Всероссийский институт научной и технической информации (ВИНИТИ).Радиотехника Техническая радиотехника. Антенны. Волноводы. Объемные резонаторы. Распространение радиоволн. Сводный том №1,2,3,4,5.. /М-во образования Рос. Федерации. М., 2009.

1 НЕОБХОДИМОСТЬ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК АНТЕНН С ТЕПЛОЗАЩИТОЙ

1.1 Условия эксплуатации антенн, установленных на спускаемых космических аппаратах

Тактико-технические характеристики современных аэрокосмических систем различного назначения, а значит и эффективность их использования во многом определяются техническими характеристиками радиотехнических систем, размещенных на борту. На спускаемых космических аппаратах используются радиотехнические системы связи, телеметрические системы, а на космических аппаратах многократного использования также радиотехническая система управления посадкой, на исследовательских ракетах -- телеметрические системы и многие другие.

Все перечисленные бортовые радиотехнические системы для связи с внешним пространством работают на бортовые антенные устройства. Бортовые антенные устройства ракет и спускаемых космических аппаратов являются слабонаправленными, для защиты от внешних воздействий они закрываются плоской диэлектрической теплозащитой. Причем бортовая антенна вместе с теплозащитой образует единую конструкцию -- антенное окно.

Разработка и реализация антенных окон -- сложная задача, требующая совместных усилий специалистов, работающих в области конструирования, электродинамики, материаловедения, технологии и т. д. Такая ситуация объясняется требованиями, предъявляемыми к характеристикам антенных окон, и сложностью условий их эксплуатации. Безусловно, основными характеристиками окон являются характеристики радиотехнические потери энергии в антенной вставке, диаграмма направленности и ряд других характеристик излучения.

При сверхзвуковых скоростях полета требования к аэродинамическим, механическим и термическим характеристикам антенных окон значительно усложняются. В этом случае учет особенностей эксплуатаций становится совершенно необходим для реализации требуемых радиотехнических характеристик (РТХ). Это объясняется тем, что при сверхзвуковых и особенно гиперзвуковых скоростях полета возникают совершенно новые воздействия, ранее не имевшие места. При этом очень важным становится вопрос аэродинамического нагрева обтекателей и окон.

Аэродинамический нагрев тела происходит вследствие того, что кинетическая энергия воздушного потока переходит в тепловую. В тонком пристеночном слое выделяется тепловая энергия трения и происходит в основном конвективный перенос тепла от газа к поверхности летательного аппарата. Наибольшему нагреву подвергаются точки нулевой скорости, т. е. точки, в которых имеет место полное торможение воздушного потока.

Тепловые потоки, действующие на антенное окно, без специальных мер охлаждения неизбежно приведут к его разрушению. На практике частичное разрушение наружной поверхности диэлектрической вставки антенного окна используется для облегчения его теплового режима. Следовательно, воздействие аэродинамического нагрева на антенное окно приводит к изменению его геометрии из-за уноса массы теплозащитного покрытия с поверхности нагретой теплозащиты антенного окна. В этом случае условия эксплуатации оценивать температурой нагрева не представляется возможным, так как температура на поверхности антенного окна будет соответствовать температуре разрушения материала диэлектрика. Эксплуатационные условия целесообразно характеризовать уже не температурой, а плотностью теплового потока, воздействующего на антенное окно.

1.2 Газодинамические и радиофизические параметры оболочки, образующейся вокруг возвращающегося в атмосферу Земли космического аппарата

Картина обтекания тел при их движении в плотных слоях атмосферы является весьма сложной и зависит от многих причин. Достаточно хорошо изучена картина обтекания притупленных конических и цилиндрических тел.

Рисунок 1.1- Изменение плотности теплового потока во времени

Рисунок 1.2- Общая картина обтекания возвращающегося в атмосферу притупленного конического тела

Рисунок 1.3- Примерное распределение термодинамических параметров воздуха вдоль боковой поверхности цилиндрического тела

Общий вид обтекания возвращающегося в атмосферу притупленного конического тела приведен на рисунке 1.2.

В картине обтекания различают следующие характерные области прямой скачок уплотнения, косой скачок уплотнения, область сверхзвуковых течений, пограничный слой, донная область турбулентных потоков.

Прямой скачок уплотнения располагается перед фронтальной частью тела. Характеризуется самыми высокими значениями давления, плотности и температуры воздуха за ним. Вблизи критической точки имеют место дозвуковые скорости течения. Согласно расчетам, прямой скачок отходит от тела на несколько сантиметров. Это расстояние определяется плотностью и скоростью набегающего потока, а также формой тела. Для тел, у которых носовая часть притуплена по сфере радиуса R, расстояние отхода определяется приближенной зависимостью[12].

Косой скачок уплотнения является продолжением и развитием прямого скачка. Давление, плотность и температура воздуха за косым скачком ниже, чем за прямым, и зависит от угла наклона скачка.

Пограничный слой за областью косого скачка примыкает непосредственно к боковой поверхности и представляет собой слой заторможенного газа вблизи поверхности тела. Толщина слоя -- несколько миллиметров. Давление, плотность и температура воздуха в слое гораздо ниже, чем за прямым скачком.

Область сверхзвуковых течений расположена между областью косого скачка и пограничным слоем. Толщина области меняется по длине тела и минимальна вблизи прямого скачка; чем дальше от прямого скачка, тем ниже давление, плотность и температура воздуха в этой области. Температура воздуха растет по направлению от косого скачка к пограничному слою. Во всей области скорость течений больше скорости звука. Примерное распределение термодинамических параметров воздуха вдоль боковой поверхности цилиндрического тела на высоте Н=18,2 км при скорости V_х = 5,3 км/с приведено на рисунке 1.3.

Донная область характеризуется наличием нескольких скачков уплотнения. Давление, плотность и температура воздуха в данной области ниже, чем в других областях.

Обобщение приведенных данных позволяет сделать следующие выводы:

-- антенные окна летательных аппаратов (ЛА) эксплуатируются при весьма высоких температурах, зачастую превышающих несколько тысяч градусов;

-- предсказывается существенный рост эксплуатационных температур антенных окон;

-- характер распределения температур внутри радиопрозрачных конструкций оказывается очень сложным;

-- условия эксплуатации антенных окон при наличии уноса массы покрытия с поверхности антенной вставки целесообразно характеризовать не величиной поверхностной температуры, а плотностью теплового потока, воздействующего на антенное окно;

-- эксплуатация антенных окон происходит не только при интенсивном нагреве, но и при воздействии плазменного образования, параметры которого зачастую точно не известны;

-- при воздействии интенсивных тепловых потоков на поверхности теплозащиты образуется пленка расплава с радиофизическими свойствами, значительно отличающимися от свойств твердого диэлектрика.

В настоящее время существуют значительные расхождения между полетными и расчетными значениями радиотехнических характеристик антенных окон и вследствие этого резком снижении эффективности бортовых радиосистем. Таким образом, существует необходимость повышение эффективности аэрокосмической техники.

Повышение эффективности бортовых радиосистем возможно только за счет уменьшения расхождения между расчетными и полетными значениями радиотехнических характеристик антенных окон. Это в свою очередь возможно лишь на основе совершенствования антенных окон, разработки новых материалов для теплозащиты бортовых антенн и их научно обоснованного выбора, совершенствования методов диагностики плазмы. Для ответа на вопросы о том, какая из новых конструкций или какие из новых материалов позволяют свести к минимуму влияние аэродинамического нагрева на полетные радиотехнические характеристики антенных окон, какое влияние оказывает плазменная оболочка, имеется единственная возможность - исследование полетных характеристик названных изделий. Следовательно, исследование полетных характеристик антенных окон является базой для разработки инженерных методов конструирования антенных окон с улучшенными полетными характеристиками, повышающие эффективность бортовых радиотехнических систем.

2 ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКОЙ ЧАСТИ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ

2.1 Основные требования к нагревателям, моделирующим аэродинамический нагрев

Основой устройства является высокотемпературный нагреватель, реализующий условия подобия при моделировании аэродинамического нагрева. Числовые расчеты показывают, что плотность теплового потока для обеспечения максимального темпа нагрева должна быть не менее 1,5*10⁷ Вт/м². Это требование хорошо согласуется с известными величинами плотности теплового потока, имеющими место в реальных условиях полета. Максимальная температура на поверхности нагреваемого объекта, как следует из анализа условий эксплуатации летательных аппаратов, должна быть не менее 4000 К.

Для создания экономичной нагревательной установки желательно производить нагрев на малых участках антенных окон. Для антенных окон поперечный размер теплозащитной диэлектрической вставки определяется конструкцией антенны и рабочей длиной волны. Однако независимо от конструкции антенны размеры диэлектрической вставки не превышают нескольких длин волн.

Распределение температуры в зоне нагрева диэлектрического объекта должно максимально приближаться к равномерному. Допустимая неравномерность распределения поверхностной температуры зависит от температурной стабильности электрических параметров диэлектрического материала и требуемой точности проведения исследований.

Теплофизическая аппаратура в зависимости от вида исследуемых характеристик и объекта исследования должна работать совместно с той или иной СВЧ измерительной установкой. При этом высокотемпературный нагреватель должен обеспечить минимальный уровень помех, вносимых в проводимые СВЧ измерения. Моделирование температурного режима аэродинамического нагрева требует обеспечения управляемости процессом нагрева по величине мощности, подводимой к нагреваемому объекту с тем, чтобы иметь возможность воспроизводить различные во времени температурные режимы.

Источник нагрева должен обеспечивать конвективный нагрев теплопередающим газом, одинаковым по составу и состоянию газа пограничного слоя при аэродинамическом нагреве и не должен оказывать какого-либо побочного существенного воздействия (например, электрического или химического), приводящего к изменению свойств диэлектрика, используемого для изготовления антенных окон.

2.2 Методы и аппаратура моделирования аэродинамического нагрева

Для оценки возможности использования известных высокотемпературных нагревателей в разрабатываемом устройстве были систематизированы методы высокотемпературного нагрева (рис. 1) и проанализированы их технические возможности. Ограничимся лишь основными характеристиками известных нагревателей.

Высокотемпературные нагревательные печи позволяют получить максимальную температуру не более 2900 К, плотность теплового потока не превышает 3*10⁶ Вт/м², но главный недостаток заключается в том, что нагреватели этого типа осуществляют нагрев со всех сторон исследуемого объекта и не обеспечивают одностороннего высокотемпературного нагрева, что необходимо при моделировании аэродинамического нагрева[2].

От этого недостатка свободны локальные источники нагрева, к которым, в частности, относятся и лучистые нагреватели. Оптические нагревательные печи позволяют получить температуру порядка 3000--4000 К, характеризуются чистотой нагрева, возможностью применения любых контролируемых газовых атмосфер и вакуума, полным отсутствием паразитных электрических и магнитных полей. К недостаткам оптических печей относятся сравнительно малая зона нагрева и неравномерность плотности лучистого потока в фокальной плоскости. Инфракрасные лучистые нагреватели не обеспечивают большой скорости нагрева и высоких температур. Практически нагреть диэлектрический образец свыше 2000 К не удается. В известных нагревательных приборах даже при фокусировке излучения ламп специальными системами на нагреваемой поверхности плотность теплового потока при импульсном режиме работы ламп не превышает 1,5*10⁶ Вт/м².

Оптические квантовые генераторы, как непрерывного действия, так и импульсные, имеют относительно низкую среднюю мощность излучения. Однако, принимая во внимание бурный прогресс в области квантовых генераторов, можно считать эти генераторы перспективными нагревателями для моделирования аэродинамического нагрева.

Все рассмотренные источники лучистого нагрева не универсальны, поскольку для прозрачных и сильно отражающих материалов лучистый нагрев малоэффективен.

Нагрев диэлектрического объекта с одной поверхности возможен путем прямого контакта с каким-либо нагретым твердым или жидким телом. В этом случае предельная температура определяется допустимой рабочей температурой нагревателя. Использование метода нагрева теплопроводностью ограничено невысоким темпом нагрева и температурой, а главное, сложностью обеспечения одновременной совместной работы нагревателя и СВЧ измерительной аппаратуры.

Электронный нагрев позволяет получить температуры на поверхности нагреваемого объекта свыше 4000 К, но для нагрева площадей более 10^-4 м² возникают серьезные трудности в выполнении катода и фокусировке электронного луча, до сих пор не преодоленные. Следует учитывать, что непременным условием электронного нагрева является создание в рабочей камере. глубокого вакуума и поэтому возникают конструктивные трудности сочетания электронного нагревателя с измерительной СВЧ аппаратурой.

Кроме отмеченных недостатков источники лучистого, конвективного и электронного нагрева не создают конвективного нагрева с необходимым составом и состоянием теплопередающего газа.

В настоящее время широко используются методы нагрева за счет прямого сгорания топлива. Реакция горения позволяет получить температуру до 3000 К, максимальная достижимая плотность теплового потока равна 2*10⁷ Вт/м². Но при нагреве пламенем возможно окисление нагреваемой поверхности, и величина которой также невелика. Укрупненной и более мощной модификацией газовых горелок является жидкостный реактивный двигатель (ЖРД). ЖРД позволяют нагревать большие поверхности, но температура факела не превышает 2800 К, а процессом нагрева трудно управлять. Факел ЖРД, экранирующий нагреваемую поверхность, может внести значительные ошибки в результаты исследования радиотехнических характеристик. Система нагрева получается сложной, громоздкой, дорогой и является скорее стендовой, нежели лабораторной. Наиболее перспективными для моделирования аэродинамического нагрева следует считать плазмотроны, которые передают тепло к образцу посредством струи ионизированного газа. Плазмотроны могут создавать температуру свыше 20000 К, которая намного превышает температуру плавления любого из существующих диэлектриков. Максимальная плотность теплового потока плазменной струи превышает 7*10⁷ Вт/м², что обеспечивает с запасом нагрев диэлектрических изделий при температуре нагрева, превышающей любую реальную.

Основные энергетические характеристики рассмотренной аппаратуры нагрева систематизированы на рисунке 2.1, на рисунке 2.2 показаны предельные температуры нагрева и плотности тепловых потоков для различных методов высокотемпературного нагрева. Там же прямой линией, параллельной оси абсцисс, показаны предельные значения температуры и теплового потока, необходимые для воспроизведения температурного режима аэродинамического нагрева. Наглядно видно, что предельный необходимый темп нагрева могут обеспечивать солнечные, дуговые отражательные и оптические печи с ксеноновыми излучателями, пламенные горелки, ЖРД и плазмотроны. Все оптические печи позволяют достичь необходимых температур, но, как отмечалось выше, малоэффективны для нагрева прозрачных и хорошо отражающих тел и, кроме того, не могут обеспечить конвективного нагрева и необходимой площади нагрева.

Плазмотроны позволяют осуществить нагрев на поверхности необходимого размера, безусловно, удовлетворяют всем энергетическим требованиям и являются поэтому наиболее приемлемой системой в физической модели комплекса для прогнозирования полетных характеристик антенных окон.

2.3 Плазменные нагреватели как устройства для моделирования аэродинамического нагрева

Плазменный нагрев в настоящее время находит широкое применение в различных областях техники, в том числе и для воспроизведения условий полета с целью изучения стойкости материалов к тепловому удару. Однако возможность построения физической модели аэродинамического нагрева на основе плазмотронов и обеспечения совместной работы теплофизической и радиотехнической аппаратуры, образующих комплекс для прогнозирования, до сих пор исследована недостаточно, хотя отдельные работы по этим вопросам есть.

Для создания ионизированного потока газа в настоящее время широко применяются два способа: высокочастотная ионизация и ионизация электрическим разрядом.

Для воспроизведения максимального темпа нагрева необходимы плазмотроны с ВЧ генераторами мощностью более 50*10³ Вт. Работа таких генераторов, как показали проведенные исследования, в сильной степени затрудняет проведение СВЧ измерений. Кроме того, генераторы коротковолнового и метрового диапазонов такой мощности являются технически сложными и дорогими устройствами.

Дуговые плазмотроны по сравнению с ВЧ плазмотронами более просты и дешевы и создают при работе меньше помех СВЧ измерениям, позволяют достичь большей равномерности распределения температуры по сечению теплонесущей струи. Поэтому для построения физической модели целесообразно использовать дуговые плазмотроны.

Вопросы конструирования ионизирующей камеры плазмотрона и выбора материалов электродов, обеспечивающих длительную работу без заметной эрозии, вопросы охлаждения плазмотрона достаточно подробно изучены. В этой же работе приводятся данные по способам подачи плазмообразующего газа, позволяющим получить максимальный объем плазменного образования и наибольшую равномерность теплового потока по сечению плазменной струи, а также анализируются способы регулировки мощности, подводимой к нагреваемому объекту. Также показано, что произвести нагрев поверхности в пятне диаметром более 30 мм посредством одной ионизирующей камеры не представляется возможным. Как показали экспериментальные исследования, значительное увеличение поперечных размеров плазменной струи удается получить, используя две ионизирующие камеры при их встречном включении, когда электрическая дуга создается между анодом одной ионизирующей камеры и катодом другой. Еще больший рост поперечных размеров плазменного образования возможен при использовании трех горелок и более, включенных аналогичным образом.

Практические исследования подтвердили, что применение плазмотронного нагревателя гарантирует необходимые темпы, температуру нагрева, плотность теплового потока, площадь нагреваемой поверхности.

2.4 Методы и аппаратура измерения высоких температур

При проектировании устройства прогнозирования полетных характеристик антенных окон одной из сложных задач является задача измерения поверхностной температуры нагреваемых объектов. В научном плане этот вопрос достаточно подробно изучен, но технические трудности, возникающие в данном случае, обусловлены высоким верхним пределом измеряемых температур, требованием большого быстродействия, что связано с высоким темпом нагрева, необходимостью совместной работы измерителя температуры и СВЧ измерительной аппаратуры и требованием внесения минимальных ошибок в работу последней. Допустимая погрешность измерения поверхностной температуры определяется скоростью изменения исследуемых РТХ объектов и их температур. Детально анализируя методы и аппаратуру измерения высоких температур, можно заключить,. что ни один из известных методов не является универсальным, способным решить поставленную задачу. Поэтому возникает необходимость использования нескольких методов. При этом весь диапазон контролируемых температур разбивается на несколько поддиапазонов, в каждом из которых применяется свой, наиболее приемлемый способ измерения температуры. Так, для измерения температур до 1500 К целесообразно применять термопары, а для более высоких температур -- пирометры.

При использовании термопар в теплофизической установке комплекса прогнозирования возникают дополнительные специфические источники, вызывающие погрешности, обусловленные существенным различием коэффициентов теплопроводности термопары и самого материала, физико-химическими превращениями, происходящими в материале при нагреве, отклонением характеристики термопары от стандартной из-за воздействия продуктов разложения диэлектрического материала при высоких температурах; ненадежностью теплового контакта термопары с исследуемым материалом; искажением температурного поля термопарой; шунтированием термопары в электропроводящей зоне. Применяя специально предусмотренные меры, можно добиться проведения измерений температуры посредством термопар с погрешностью не более 10 %.

Пирометрические методы измерения температуры хорошо разработаны и успешно применяются на практике. Для решения поставленных задач целесообразно использование цветового пирометра, так как в этом случае устраняется необходимость пересчета измеренной температуры в истинную, в связи с этим устраняется погрешность измерения из-за неопределенности коэффициента излучения исследуемого объекта. Применение пирометров в разрабатываемых комплексах связано с рядом специфических особенностей. Экранирование струей плазмы нагреваемой поверхности, температура которой должна быть измерена, приводит к необходимости дискретного измерения за время, на которое плазма удаляется от объекта нагрева. Дискретность измерения налагает дополнительные требования на быстродействие аппаратуры. Требуемое быстродействие А зависит от скорости остывания нагретого тела и допустимой погрешности измерения температуры дТ_доп:

А = дТ_допМ/ДТ (2.1)

где М -- коэффициент, определяющий погрешность в измерении.

Для максимально возможной скорости остывания ДТ = 300 град/с при М = 0,2 и дТ_доп = 150° получаем А = 0,1 с. Существующие стандартные цветовые пирометры имеют быстродействие 1 -- 2 с и, следовательно, не подходят для указанных выше целей. Именно поэтому возникла необходимость разработки и создания специального цветового пирометра, отвечающего всем выше приведенным требованиям. Такой пирометр в соответствии с авторским свидетельством был разработан. Эксплуатация прибора показала, что он имеет погрешность измерения 5%, быстродействие не менее 5 мс. Специализированный пирометр хорошо конструктивно стыкуется с радиотехнической частью комплекса для прогнозирования.

2.5 Моделирование аэродинамического нагрева

В нагревательную часть входят кроме собственно плазмотрона и измерителя поверхностной температуры нагреваемого объекта система автоматического управления температурой или плотностью теплового потока, обеспечивающая воспроизведение температуры или теплового потока на нагреваемой поверхности по требуемому закону. Кроме того, используется устройство для измерения плотности теплового потока плазменной струи, базирующееся на калориметрическом принципе, основанном на использовании результатов решения обратной задачи теплопроводности (ОЗТ). В таблице 2.1 представлены некоторые выборочные результаты калориметрических измерений плотности теплового потока.

Результаты, приведенные в таблице 2.1, подтверждают управляемость плотностью теплового потока в широких пределах (в данном случае расходом плазмообразующего газа) и достижение максимальной требуемой плотности теплового потока, обеспечивающей предельный темп нагрева.

Таблица 2.1- Результаты калориметрических измерений плотности плазменных тепловых потоков

Ток дуги I,A	Расстояние от среза ионизирующих камер, м	Расход	Плотность теплового потока, Вт/м2
		Воздуха, м3/ч	Аргона, м3/ч
220	0,18	57	45	1,43*107
220	0,18	94	94	0,86*107



Рисунок 2.1- Методы и аппаратура высокотемпературного нагрева

Рисунок 2.2- Достижимые температуры различных высокотемпературных нагревателей: а - солнечные печи, б - дуговые отражательные печи, в - инфракрасные нагреватели, г - плазменные горелки, д - ЖРД, е - дуговые печи, ж - печи электросопротивлений, з - твердые нагреватели, и - жидкие нагреватели, к - плазмотроны

3 МЕТОДЫ И РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПОЛЕЗНОГО ДЕЙСТВИЯ И ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ

3.1 Технические требования к радиотехнической части радиотехнического комплекса измерения и принципы их построения

Для того, чтобы определить радиотехнические характеристики антенного окна необходимо измерить его диаграмму направленности, коэффициент отражения или входную проводимость, шумовую температуру и коэффициент полезного действия.

Необходимо обеспечить следующие основные технические требования при создании радиотехнического комплекса измерения (при измерении диаграммы направленности и коэффициента отражения):

-- чувствительность диаграммосъемного устройства не хуже 6*10^-2 мВт;

-- динамический диапазон измерения напряженности поля излучения антенного окна (с учетом потерь в плазме теплофизической аппаратуры, равных примерно 10 дБ) не менее 40 дБ;

-- мощность СВЧ генератора с учетом потерь в слое расплава теплозащиты и плазмы не менее 8 мВт;

-- измерение минимального коэффициента отражения от 0,03 при измерении коэффициента полезного действия антенного окна;

-- чувствительность радиометрического тракта не хуже 5К;

-- динамический диапазон радиометрического тракта не менее 40 дБ;

-- размер фокального пятна эталонной антенны не более 2К.

Кроме того, ограничивающим условием при создании радиотехнического комплекса измерения является требование обеспечения совместной работы сверхвысокочастотных устройств и теплофизической аппаратуры как составных частей этого комплекса. Первое требование следует понимать как специальное требование к конструктивному и компоновочному решению радиотехнической аппаратуры с учетом единства конструкции теплофизической аппаратуры и радиотехнических устройств комплексов измерения, дополнительные требования к техническим характеристикам радиотехнических устройств, вытекающие из электрических и геометрических характеристик плазменного образования теплофизической аппаратуры. В результате обеспечения названных требований должна быть достигнута одновременная и совместная работа радиотехнических устройств и теплофизической аппаратуры при неизменном значении их технических характеристик и минимальном уровне взаимных мешающих воздействий. Так, например, исходя из требования совместной работы, было отвергнуто использование высокочастотных плазмотронов в теплофизической аппаратуре из-за их недопустимо большого уровня помех.

3.2 Радиотехнические комплексы моделирования условий адекватных полётным

3.2.1 Комплекс на базе плазмотрона нормального давления

Структурная схема радиотехнического комплекса с плазмотроном нормального давления для исследования параметров бортовых антенных окон приведена на рисунке 3.1. Комплекс состоит из плазмотрона, аппаратуры для измерения теплового потока, воздействующего на антенное окно, и электрофизических параметров плазмы 1 и радиотехнической части 3.

Используемый плазмотрон по типу получения плазмообразования является дуговым постоянного тока. Для увеличения объема плазменной струи использовано встречное включение двух плазменных горелок, когда дуга постоянного тока горит между электродами горелок. В соответствии с газодинамической схемой плазмотрона в качестве плазмообразующего газа в одну горелку подается воздух, а во вторую -- аргон. В конструкции плазмотрона предусмотрена регулировка расхода плазмообразующих газов, причем мощность дуги плазмотрона можно изменять, меняя расход газа и ток дуги, кроме того, конструктивно предусмотрено перемещение горелок плазмотрона относительно испытуемых антенн, т. е. регулировка плотности теплового потока плазменной струи.

Для определения плотности теплового потока плазменной струи используются калориметры 7. В процессе проведения эксперимента предусмотрена полуавтоматическая замена исследуемого образца на калориметр.

Электрофизические параметры плазмы определяют с помощью спектрометрической установки, которая позволяет измерять температуру электронов плазмы Т_е. Измерения проводят в том же сечении плазмообразования, где установлена исследуемая антенна. При проведении экспериментов фиксируется режим работы плазмотрона -- ток дуги, расход плазмообразующих газов, а также геометрия эксперимента: величина плазмообразования, расстояние от ионизирующих камер до исследуемых образцов.

3.2.2 Комплекс на базе плазмотрона низкого давления

В данном комплексе теплофизическая часть представляет электродуговой плазмотрон, в котором в качестве рабочего тела используется воздух. Конструктивно плазмотрон выполнен в виде цилиндрической герметичной камеры диаметром 2.5 м и длиной 5.35 м, в торце которой расположено сверхзвуковое сопло диаметром 100 мм. Режим работы плазмотрона зависит от динамического давления в камере, расхода воздуха и тока дуги. Интенсивность теплового потока, создаваемого плазмотроном, q~10⁷ Вт/м² при давлении с~0.2 МПа на расстоянии 100 мм от сопла. При перемещении от сопла вдоль струи тепловой поток и давление падают по экспоненциальному закону и на расстоянии 1000 мм от сопла составляют 10⁵ Вт/м² и 1.33*10² Па. Скорость движения потока плазмы -- порядка 10⁴ м/с. На данном плазмотроне можно моделировать полетные характеристики плазмы для высот более 40 км. Экспериментально установлено, что при помощи перемещения вдоль и поперек струи можно задавать характеристики плазмообразования, адекватные полетным, что позволяет реализовать концентрацию электронов в слое от 5*10⁹ 1/см³ до 3*10¹³ 1/см³ и варьировать толщину слоя плазмы в диапазоне от 10 до 300 мм. Функциональная схема радиотехнического комплекса представлена на рисунке 3.4. Комплекс состоит из плазмотрона и радиотехнической части, представляющей собой два радиометрических канала: измерительный и внешний.

3.2.3 Комплекс на базе плазмотрона высокого давления

Газодинамической основой комплекса является электродуговой плазмотрон высокого давления, у которого воздух нагревается и ионизируется внутри камеры при помощи дуги и истекает через сверхзвуковое сопло диаметром от 14 до 50 мм. Плазмотрон обеспечивает плотность потока на образце от 0.47*10⁷ до 5*10⁷ Вт/м² при давлении 0.18 10 МПа. Значения давления и плотность теплового потока задаются углом атаки (0 -- 90)° исследуемого объекта относительно струи и расстоянием от сопла. Габариты плазмы достигают 60 мм на расстоянии 180 мм от сопла при Т_е?900 К и N_е?10¹⁰ 1/см³, длительность воздействия составляет порядка 5 с.

Радиотехническая часть комплекса, функциональная схема которого приведена на рисунке 3.6, позволяет определить коэффициент полезного действия антенного окна при внешнем воздействии плазмообразования, а также энергетический коэффициент отражения, электрофизические параметры плазмы и расплава. Принцип работы установки заключается в одновременном (за счет использования амплитудной модуляции) определении параметров двух антенн, находящихся под слоем плазмы. При этом за счет конструкции и различных углов атаки исследуемая антенна находится под внешним воздействием теплового потока и скоростного напора плазмы, а опорная антенна -- нет. Изменения коэффициента полезного действия антенного окна, находящегося под внешним воздействием, определяются методом сравнения его характеристик с характеристиками опорной антенны внешнего канала в двух состояниях: под слоем плазмы и без нее. Схема включает в себя также два канала измерения проводимости плазмы и расплава с помощью зондовых датчиков проводимости. Регистрация выходных уровней проводится при помощи быстродействующего самописца.

Для определения коэффициента полезного действия антенного окна со слоем расплавленного диэлектрика з_р, образующегося при воздействии на антенну высокоскоростного потока ионизированного газа, необходимо определить изменение мощности принимаемой антенной без теплозащиты внешнего канала при воздействии на нее плазмы, изменение мощности принимаемой антенной с теплозащитой при воздействии на нее плазмы, сопротивления зондовых датчиков проводимости.

Исходя из всего выше перечисленного для создания условий адекватных полетным наиболее подходящим является плазмотрон нормального давления, так как он с большей точностью способен воссоздать нужные для исследования радиотехнических характеристик антенного окна условия, а следовательно, и с более высокой точностью произвести необходимые исследования.

3.3 Метод исследования коэффициента полезного действия на базе плазмотрона нормального давления

Сущность предлагаемого метода экспериментального исследования радиотехнических характеристик антенных окон в условиях моделирования на них аэродинамического нагрева, являющегося основной частью процедуры измерения, показывает рисунке 3.3. Как видно из рисунка 3.3(а), на наружной поверхности теплозащиты антенного окна посредством плазмотрона воспроизводится нагрев, адекватный наружному. Одновременно с этим воздействием измеряются диаграмма направленности антенного окна и коэффициент отражения на его входе. Структурная схема устройства для экспериментального исследования коэффициента полезного действия антенного окна при моделировании на нем аэродинамического нагрева и плазмы представлена на рисунке 3.3(б).

Именно из условия совместной работы радиотехнических устройств и теплофизической аппаратуры был предложен и разработан способ измерения полетных значений коэффициента полезного действия антенных окон. В предложенном способе плазма теплофизической аппаратуры используется не только как нагреватель, но и как источник сверхвысокочастотного излучения, по ослаблению которого в нагреваемом антенном окне судят о полетном значении его коэффициента полезного действия. Функциональная схема устройства, реализующего предложенный способ, которая удовлетворяет разработанным техническим требованиям, представлена на рисунке 3.4. Наряду с этим устройством в радиотехническую часть радиотехнического комплекса измерения входит устройство для измерения диаграммы направленности и коэффициента отражения антенного окна при условиях моделирования на нем аэродинамического нагрева и плазмы. Функциональная схема этого устройства, показана на рисунке 3.5. Оба названных устройства используются независимо друг от друга. Устройство для измерения коэффициента полезного действия антенных окон состоит из трех каналов (рисунок 3.4):

-- для измерения энергетического коэффициента отражения антенного окна (R²) (рефлектометра);

-- для измерения антенной температуры антенного окна (Т_А);

--для измерения радиояркостной температуры плазмы (Т_{я. пл}) с использованием эталонной антенны.

Экспериментальное исследование коэффициента полезного действия антенного окна на радиотехническом комплексе проводится в четыре этапа:

-- определение коэффициента передачи антенны внешнего канала и фонового излучения;

-- определение радиояркостной температуры плазмы;

-- определение шумовой температуры теплозащиты;

-- определение коэффициента полезного действия.

На первом этапе на место антенного окна устанавливается антенна с толстостенным медным рупором, позволяющим находится ей в непосредственном контакте с плазмой. При помощи этой антенны определяется радиояркостная температура плазмы. При этом одновременно по измерениям шумовой температуры антенны внешнего канала и по радиояркостной температуре плазмы определяется коэффициент передачи антенны внешнего канала. В процессе эксперимента при включении плазмы определяется прирост шумовой температуры ДТ_Апл у антенны без теплозащиты, находящейся в непосредственном контакте с плазмой. Эту величину рассчитывают через абсолютное значение антенной шумовой температуры с плазмой Т'_Апл и без нее Т'_А0. Учитывая, что плазма плотная, с потерями 10 дБ, и полностью перекрывает апертуру антенны, можно записать

(3.1)

(3.2)

где Т'_ф--радиояркостная температура фона при включенной плазме; з и R² -- КПД и энергетический коэффициент отражения антенного окна без теплозащиты соответственно; Т₁ -- термодинамическая температура антенного окна; Т_{с н} -- шумовая температура согласованной нагрузки радиометра.

Радиояркостную температуру плазмы можно определить следующим образом

 (3.3)

Расчётная формула имеет вид

(3.4)

где l'_{A. пл}, l'_A0 --уровни регистратора, соответствующие шумовой температуре антенного окна с плазмой и без нее; Дl'_к -- перепад уровня регистратора от калибровочного генератора шума; Т_к -- шумовая температура калибровочного генератора шума, приведенная ко входу антенного окна.

Для определения коэффициента передачи одновременно измеряют прирост шумовых температур (за счет включения плазмы) внешнего канала T''_{A. пл} и антенного окна теплозащиты Т'_{Я. пл}, находящегося в непосредственном контакте с плазмой.

Выражение для шумовой температуры антенны внешнего канала при наличии плазмы во втором фокусе Т'_{A. пл}, при затенении факела плазмы металлическим экраном Т'_{A. ф} и при включённой плазме Т''_{A. ф}, записывается в виде

(3.5)

где Т_В -- термодинамическая температура антенны внешнего канала; з_В-- КПД антенны внешнего канала; в* -- эффективный коэффициент рассеяния внешнего канала в области фокуса; S_ГЛ -- площадь, занимаемая фокальным пятном по нулевому уровню; S_ПЛ -- площадь, которую занимает плазма в фокальном пятне.

Выражение для прироста антенной температуры за счет плазмы представим в виде

(3.6)

Выражение з_В (1 -- в*) (S_ПЛ/S_ГЛ) характеризует коэффициент передачи антенны внешнего канала для соответствующей конструкции и долю энергии, воспринимаемую антенной внешнего канала из плазмы и передаваемую на согласованную нагрузку. При в>0 и S_пл>S_гл значение этого коэффициента (в дальнейшем обозначаемого через А) стремится к величине з_В.

Используя выражение (3.3), определяем величину А

(3.7)

Расчетная формула для определения коэффициента передачи антенны внешнего канала запишется в виде

(3.8)

где - уровни регистратора, соответствующие шумовой температуре антенны внешнего канала при включенной плазме и расположении во втором фокусе и при затенении плазмы металлическим листом; -- перепад уровня регистратора от калибровочного генератора шума; Т_к --шумовая температура от калибровочного генератора шума, приведенная по входу антенного внешнего канала.

Величина Т_ф запишется в виде

(3.9)

Рассчитанная формула имеет вид

(3.10)

На втором этапе эксперимента определяется радиояркостная температура по выражению (3.6). При этом расчетная формула будет иметь вид

(3.11)

где -- уровни регистратора, соответствующие шумовой температуре антенны внешнего канала при включении плазмы.

Определение КПД антенного окна при включении плазмы производится следующим образом.

Считая, что Т_{я. пл} > Т_ф, получаем

(3.12)

Полагая, что плазма достаточно плотная и полностью перекрывает апертуру антенного окна, записываем

 (3.13)

где -- КПД антенного окна в холодном состоянии; -- КПД антенного окна при воздействии плазменного нагрева.

Использовав (3.12) и (3.13), запишем выражение для КПД антенного окна, находящегося под слоем плазмы, в виде

(3.14)

Полученная формула универсальна, она позволяет определить КПД антенного окна при воздействии интенсивного теплового потока для известных значений радиояркостной температуры расплавленного слоя диэлектрика.

На третьем этапе для модели расплавленного слоя с равномерным распределением термодинамической температуры и поглощения ЭМВ по слою его радиояркостную температуру можно описать общим выражением. Тогда формула для определения КПД преобразуется к виду

(3.16)



Рисунок 3.1- Функциональная схема радиотехнического комплекса на базе плазмотрона 1 - спектрограф; 2 - исследуемая антенна; 3 - радиотехническая установка; 4 - антенна внешнего канала; 5 - плазмотрон; 6 плазма; 7 - калориметр

Рисунок 3.2- Функциональная схема радиотехнического комплекса на базе плазмотрона низкого давления 1 - антенна внешнего канала А1; 2 - гермоввод; 3 - согласованная нагрузка; 4 - диодный генератор шума М305; 5 гермоввод; 6 - антенна исследуемая А2; 7 - блок питания Б5-7; 8 - гермоввод; 9 - приемник ПК7-18; 10 - гермоввод; 11 - блок питания Б5-7; 12 самописец; 13 - диодный генератор шума; 14 - согласованная нагрузка

а)

Рисунок 3.3- Схемы построения комплекса измерения: а - амплитудной диаграммы направленности и коэффициента отражения: б - коэффициента полезного действия антенного окна



Рисунок 3.4- Функциональная схема части радиотехнического комплекса измерения коэффициента полезного действия антенного окна

Рисунок 3.5- Функциональная схема части радиотехнического комплекса измерения диаграммы направленности антенного окна



Рисунок 3.6- Функциональная схема радиотехнического комплекса на базе плазмотрона высокого давления

1 - магнетрон; 2 - модулятор передающего внешнего канала; 3 - модулятор исследуемого канала; 4 - генератор опорных напряжений; 5 - рефлектометр внешнего канала; 6 - рефлектометр исследуемого канала; 7 - исследуемая антенна А1; 8 - антенна внешнего канала А2; 9 - диаграммосъёмная схема; 10 - электронный коммутатор; 11, 12, 13, 14 - синхронные детекторы; 15 - регистратор

4 РАСЧЕТ ДИАГРАММЫ НАПРАВЛЕННОСТИ ПИРАМИДАЛЬНОГО РУПОРА И АПЕРТУРЫ ЗЕРКАЛЬНОЙ АНТЕННЫ

Определим и обоснуем критерии, которым должен удовлетворять внешний канал. Одним из основных требований является обеспечение совместной работы при минимальном уровне взаимных помех теплофизической аппаратуры, моделирующей аэродинамический нагрев, и радиотехнической части радиотехнического комплекса исследования. Важно, чтобы внешний канал обеспечивал на антенном окне электродинамические условия, адекватные реальным, а именно:

- плоскую волну,

- однородную волну,

- волну того же типа, что и в реальном антенном окне.

Учитывая ещё ряд требований, можно сказать, что критериями выбора оптимального решения внешнего канала должны стать так же:

1) возможность проведения СВЧ измерений на исследуемом объекте минимальных размеров;

2)обеспечение максимальной чувствительности к изменениям радиотехнических характеристик антенного окна.

4.1 Расчет геометрических размеров и характеристик пирамидального рупора

Рассмотрим расчет параметров пирамидального рупора. Размеры волновода выбираются из условия распространения в волноводе волны основного типа, т. е. волны Н₁₀ и отсутствие высших типов волн. Будем использовать прямоугольный волновод, размерами 23 мм на 10мм.

Как было сказано ранее для обеспечения наиболее точной фокусировки зеркальной антенны распределение поля в ней должно быть равномерно. Поэтому форму диаграммы направленности пирамидального рупора целесообразно приблизить к прямоугольной.

Функции направленности (ДН) пирамидального рупорного облучателя в Е-плоскости и в Н-плоскости определяются соответственно выражениями[10]

(4.1)

(4.2)

Подставляя в выражения (4.1) и (4.2) значение углов(,) и внешние размеры пирамидального рупора(= 36 мм, = 27 мм), мы получим формы диаграмм направленности в Н- и Е-плоскостях соответственно.

Определим длину пирамидального рупора R. Она рассчитывается исходя из условия отсутствия в раскрыве рупора фазовых искажений по формулам

(4.3)

(4.4)

где R_H,E - длина рупора соответственно в Н- и Е-плоскостях.

Из двух рассчитанных значений выбираем максимальное значение оптимальной длины рупора с тем, чтобы фазовые искажения в раскрыве не превысили допустимых величин.

R_H = 0.001296/0.096 = 0.0135 (м),

R_E = 0,000729/0,064 = 0,0114 (м),

R_max = R_H =0.0135 (м).

Рисунок 4.1- Диаграмма направленности пирамидального рупора в Е-плоскости.



Рисунок 4.2- Диаграмма направленности пирамидального рупора в Н-плоскости.

4.2 Расчет формы апертуры зеркальной антенны эллипсоидной формы

На рисунке 4.3 представлена форма эллипса. Расстояния F₁(-c,0) и F₂(0,c) называются фокусными расстояниями. a, b - главные полуоси эллипса.

Расстояние от точки «F₁» до точки «а» должно быть не меньше 1-1.5 м, чтобы антенна не получила температурных повреждений при нагревании антенного окна, установленного в фокусе F₁. Раскрыв антенны выбираем приблизительно равным 1 м.

Исходя из выше сказанного, выбираем значение (а,с): а=0,6 м, с=0,4 м, b=0.45 м.

Следовательно, можно записать формулу для расчета формы эллипса:

x²b²+y²a²=a²b² (4.5)

Подставляя значения (a,b,c) в выражение (4.5) получаем:

Таблица 4.1- Форма апертуры эллипсоидной антенны

X, м	0.6	0.61	0.62	0.63	0.64	0.65	0.66	0.67	0.68	0.69	0.7	0.71	0.72	0.73	0.74	0.75	0.76	0.77	0.78	0.79	0.8
Y(Х), м	0.5123	0.5012	0.4895	0.4774	0.4648	0.4516	0.4377	0.4233	0.4080	0.3920	0.3750	0.3569	0.3376	0.3169	0.2943	0.2695	0.2419	0.2101	0.1721	0.1221	0

Рисунок 4.3- Эллипс



Рисунок 4.4- Форма апертуры зеркальной антенны

5 РАСЧЕТ ПОГЛОЩАЮЩЕГО АТТЕНЮАТОРА

5.1 Назначение аттенюаторов и их параметры

Аттенюаторами СВЧ называются устройства, предназначенные для уменьшения мощности сигналов, распространяющихся по СВЧ тракту, в заданное число раз или для изменения ее в заданных пределах. Основной причиной уменьшения мощности на выходе аттенюатора по сравнению с ее уровнем на входе является поглощение части мощности, тем или иным способом отделенной от основного потока, в элементах конструкции аттенюатора, выполненных из материала с большим коэффициентом поглощения. Кроме того, некоторое уменьшение мощности может происходить из-за отражения ее от входа аттенюатора, и из-за влияния аттенюатора на режим работы неразвязанного Неразвязанным назовём генератор, мощность падающей волны на выходе которого зависит от входного сопротивления тракта. и несогласованного с трактом генератора СВЧ. Это дополнительное уменьшение мощности является нежелательным, поэтому при конструировании аттенюатора принимаются специальные меры, для того чтобы максимально уменьшить его входной коэффициент отражения.