飞机天线罩气动外形设计研究

引言

天线罩又称雷达天线罩,是保护天线免受自然环境影响的壳体结构。其使用要求是应具有优异的介电性能,足够的强度和刚度,良好的气动外形。

天线罩的设计要求来源于电、结构、环境、载体等方面。一般根据空气动力学要求,确定天线罩的外形和尺寸:依据电性能指标、载荷分布、载体和环境条件(温度、湿度、高度等),选择天线罩的类型,分析天线罩对天线主要电性能的影响,进行强度和结构稳定性分析,制定设计方案。

1设计准则

飞机天线罩气动外形设计应以满足天线安装与电性能设计要求,减少迎风阻力为原则,根据天线的安装位置和包络,在保证天线罩内形与天线包络之间的安全间隙前提下,构造出曲面外形。具体应遵循以下原则:

(1)天线罩气动外形设计应综合权衡电性能设计要求、总体布置要求、气动设计要求和结构设计要求等因素,形成最佳的设计方案:(2)应优先满足天线的电性能设计要求,如天线的透波率、极化方式、耐功率和方位角要求等:(3)设计的天线罩应具有良好的流线外形,使天线罩引起的气流分离和附加阻力尽可能小,并兼顾对飞机稳定性和操纵性的影响:(4)设计的天线罩应考虑结构设计需求,工艺性和维护性要求:(5)在设计天线罩前,应对各类型天线作分析,考虑天线罩的通用性,适应后续天线换装需求。

2基本构型

依据天线电性能设计要求、内部布置限制条件和飞机可布置区域限制,确定天线罩的基本构型。亚音速特种飞机基本构型一般采用前圆后尖,类似水滴形的外形。

2.1总体布置

对于机身承载,天线罩应尽量选择表面压力梯度较小、流线分布均匀,且对机翼、尾翼流场影响较小的位置,并尽量布置在重心线所在的水平面或对称面内,减小不必要的附加力矩。对于机翼和尾翼承载,天线罩应考虑当地的结构承重能力要求,还需要尽量不改变机翼、尾翼的表面及空间的流场特性,以翼尖布置为主。总体布置对天线罩气动外形设计的主要约束条件如下:

(1)机身头部的天线罩气动外形应与飞机座舱设计相协调,满足座舱的视野要求,并在外形上与机身前段外形光滑、融合过渡:(2)机身前段和中段天线罩气动外形最低点应保持与地面的安全距离,在起落架全压缩、爆胎的情况下,天线罩应与地面保持至少75mm以上距离:(3)机身尾段天线罩最低点应考虑飞机擦地角的限制,避免飞机起飞着陆时,天线罩与地面相碰:(4)布置在机身两侧或悬置于机身上方的天线罩应考虑任务剖面下飞机迎角的影响,尽量保证天线罩的中轴线与飞机水平基准线的夹角与飞机巡航迎角相同:(5)确定天线罩布置位置和气动外形时,应降低对天线罩后方天线和机体结构的不利影响,如振动、气动噪声等。

2.2气动设计

由于二次曲线所组成的部件理论外形已完全能满足气动力性能要求。一般情况下,其形状采用圆柱形、球形或抛物面形,而机身、发动机短舱以及起落架整流罩等双曲度外形可采用指数曲线。通常情况下,为兼顾气动设计和电性能,应遵循以下规定:

(1)综合优化天线罩横向和纵向截面的面积分布,尽可能减小迎风面积和浸润面积:（2)长细比大有利于气动性能,而不利于电性能,选择合适的长细比)天线罩的长度与根部直径之比(2~3),可较好地兼容电性能和气动设计要求:(3)天线罩最小包络面应考虑耐功率要求、天线罩内形与天线包络之间的安全间隙)固定式天线≥20mm,运动式天线≥30mm)、天线罩自身的厚度和受载后的变形量及制造公差要求:(4)一般情况下,天线罩气动外形至少一阶连续,气动特性敏感区域采用二阶连续,曲率变化应均匀,避免曲线局部凹凸波动:(5)如优先考虑气动性能,天线罩与飞机一体化设计,应采用保形设计。

2.3结构设计和工艺性要求

在天线罩气动外形对天线布置进行有效包容的前提下,还应考虑天线安装结构设计空间的需求。天线罩的外形应可偏置,偏置范围应不小于天线罩实际厚度。

在制造工艺性方面,外形设计应考虑以下几个方面:

(1)避免外形特征截面线出现闭斜角,保证脱模的要求:

(2)对于气动力要求不高的部位,宜采用单曲度外形来实现设计意图:

(3)分离面的设置应综合考虑制造性、飞机结构重量、疲劳强度和经济性等因素。

2.4设计程序

飞机天线罩气动外形设计程序如图1所示。

3设计验证

飞机天线罩气动外形设计完成之后应进行验证,验证要求如下：

（1）总体外形设计人员完成天线罩外形设计,满足天线罩设计总体要求:（2）天线罩气动外形设计完成后,气动、结构和强度设计专业应对天线罩布置位置处的气动特性和结构强度进行分析验证,保证天线罩布置满足总体布置要求:（3）气动操稳专业需对初步设计的天线罩进行计算、仿真和风洞试验,保证天线罩满足气动设计、全机性能和操稳设计要求:（4）结构设计专业需对天线罩理论外形进行偏置度和安全间隙检查验证:（5）天线罩结构设计完成后,强度专业需进行天线罩的强度和刚度计算,仿真和试验,要求变形量在允许的范围内:（6）工艺设计需对天线罩理论外形进行拔模角和多切面曲率分析验证,保证天线罩具有较好的工艺制造性:（7）任务系统单位需对天线罩进行电性能测试,保证天线罩满足电性能设计要求。

4结语

本文明确了飞机天线罩气动外形设计要求,提出了相应的设计程序,可以规范和指导设计人员进行天线罩气动外形设计。最后,明确了各专业验证天线罩气动外形设计质量的内容、方法和要求。上述论述为天线罩的顺利研制提供技术思路和技术途径,可提高天线罩研制的质量和经济性。

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