[发明专利]一种适用于长时气动热环境的天线窗组件及其设计方法

说明书

本发明提供了一种适用于长时气动热环境的天线窗组件及其设计方法。开展天线窗组件一维防隔热仿真与设计，获得天线窗组件气动外形面中心部位的防热口框理论厚度和隔热层理论厚度。并结合防热口框和隔热层厚度的工艺可行性，确定天线窗组件的防热口框气动外形面部位厚度和隔热层厚度。将防热口框与周边防热结构接触部位掏空改为四个支撑柱。利用三维造型软件，建立天线窗组件的三维数字模型。利用温度场仿真软件建立三维温度场仿真模型，获得天线窗组件的温度分布。对天线窗组件的隔热层厚度进行优化设计，重直至温度满足天线耐温要求。

技术领域

本发明专利涉及一种适用于长时气动热环境的天线窗组件及其设计方法，尤其涉及一种适用于千秒量级及以上气动热环境的飞行器轻质天线窗组件，属于飞行器天线窗组件设计领域。

背景技术

天线窗组件属于局部防热透波结构一体化部件，是高超声速飞行器结构的重要组成部分。在高超声速飞行器飞行过程中，它除了需要满足力热性能要求外，还需要满足电磁波穿透的功能。随着高超声速技术的发展，飞行器飞行时间越来越长，达到了千秒量级及以上，面临的气动加热环境也更加恶劣。同时，出于高超声速飞行器总体性能的考虑，天线窗组件的质量指标也逐渐成为了天线窗组件设计的重要指标。如果还采用传统的天线窗组件设计方法，天线窗组件将难以满足高超声速飞行器的总体设计要求。

传统的天线窗组件主要针对十秒量级和百秒量级的飞行环境，普遍采用防热层加隔热层的双层结构形式，防热层和隔热层之间采用“面传导”形式传热，隔热设计只需要满足天线窗组件中心部位厚度在一维传热条件下内部温度不超过天线温度要求即可，主要是由于飞行器飞行时间较短，天线窗组件的三维传热效应不显著，在工程设计中可以假设为一维传热。而随着飞行时间增加到千秒量级及以上，原有的“面传导”传热形式存在较为严重的热短路现象，三维传热效应变得十分明显，一方面，一维防隔热假设已经在理论上不成立，更为重要的是，若还采用原有的结构形式，即使采用了三维防隔热设计方法，天线窗组件的厚度将无法满足飞行器的总体设计要求。传统的天线窗组件不涉及轻质化设计，原因是天线窗组件的数量较少，不是飞行器增重的主要因素，质量一般也不作为天线窗组件设计的约束性指标。

因此，传统的天线窗组件设计方法较难实现千秒量级及以上热环境的天线窗组件防隔热及轻质化设计。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术不足，提供一种适用于长时气动热环境的天线窗组件及其设计方法，解决了千秒量级及以上热环境下“面传导”的热短路问题和轻质化问题。

本发明的技术解决方案是：一种适用于长时气动热环境的天线窗组件，该组件包括防热口框和隔热层，所述防热口框由防热气动结构、N个支撑柱和翻边结构组成，防热气动结构表面与飞行器上天线窗所在的气动外形表面匹配，翻边结构与飞行器天线窗周边结构匹配，用于固定安装天线窗组件，N个支撑柱固定连接防热气动结构与翻边结构，用于支撑防热气动结构，所述隔热层位于防热口框内与防热气动结构层叠安装，所述N大于等于2。

所述隔热层和防热口框防热气动结构的厚度根据飞行器飞行全程的热环境、天线耐温、隔热层和天线窗组件防热气动结构的材料物性，针对天线窗组件防热气动结构及隔热层组成的层叠结构，开展一维防隔热仿真确定。所述材料物性包括热导率、密度、比热容和辐射系数。

所述隔热层由隔热透波材料制成。

所述隔热透波材料为石英纤维基陶瓷隔热瓦或氧化铝纤维基陶瓷隔热瓦。

所述隔热层的密度低于0.5g/cm³。

所述防热口框由防热透波材料制成，在1400度以下超过1千秒不发生烧蚀。

所述防热口框一体成型。

一种适用于长时气动热环境的天线窗组件的设计方法，该方法包括如下步骤：