И.Г. Гуртовник. "Радиопрозрачные укрытия из стеклопластиков"

8 октября 2012

Рассматриваются вопросы материаловедения, технологии изготовления, даны электродинамические и прочностные расчеты радиопрозрачных обтекателей и укрытий из стеклопластиков. Приведены данные о механических, диэлектрических и других свойствах исходных компонентов и конечных стеклопластиков. Предлагаемые методики определения свойств стеклопластиков и их рабочих характеристик сопровождаются примерами расчетов.

Радиопрозрачные изделия из стеклопластиков.

И.Г. Гуртовник, В.И. Соколов, Н.Н. Трофимов, С.И. Шалгунов.

Издательство МИР. М. 2003 г. 368 стр. Ил.

Рассматриваются вопросы материаловедения, технологии изготовления, даны электродинамические и прочностные расчеты радиопрозрачных обтекателей и укрытий из стеклопластиков. Приведены данные о механических, диэлектрических и других свойствах исходных компонентов и конечных стеклопластиков. Предлагаемые методики определения свойств стеклопластиков и их рабочих характеристик сопровождаются примерами расчетов.

ПРЕДИСЛОВИЕ

 

 

Стеклопластики являются одним из наиболее распространенных композиционных материалов, сочетающих высокую прочность, небольшую плотность, хорошие диэлектрические свойства и приемлемую цену. Стеклопластик состоит из полимерной матрицы, армированной стекловолокнистым материалом. Использование различных сочетаний армирующих и связующих компонентов позволяет создавать материалы с широким диапазоном регулируемых свойств, что предопределяет большое разнообразие сфер применения стеклопластиков. В частности, стеклопластики широко применяются как в России, так и за рубежом для изготовления радиопрозрачных обтекателей и укрытий приемо-передающих радиотехнических комплексов для авиакосмической, морской, сухопутной техники гражданского и специального назначения.

К радиопрозрачным изделиям (РПИ) из стеклопластиков предъявляется комплекс противоречивых требований. РПИ должны обладать, в первую очередь, заданными радиотехническими характеристиками, от которых зависит дальность действия, точность и надежность работы радиолокационного оборудования и средств связи. Одновременно РПИ должны быть достаточно прочными и надежно защищать находящиеся под ними антенны и радиолокационное оборудование от внешних воздействий (силовых, климатических и др.) на протяжении всего срока эксплуатации.

Несмотря на наличие отдельных монографий, посвященных данной тематике, опубликованные книги (в период до 1980-х годов) не охватывают полностью накопленную и, тем более, не освещают появившуюся в последнее время информацию. В известных публикациях диэлектрические свойства отдельных стеклопластиков приводятся, чаще всего, для фиксированных частот. Некоторая часть опубликованных источников содержит лишь отрывочные справочные, не систематизированные сведения о свойствах стеклопластиков в исходном состоянии и, схематично, сведения о технологии изготовления РПИ. Сведений об изменении диэлектрических свойств материалов под воздействием внешних факторов в процессе длительной эксплуатации опубликовано крайне мало, а в литературе, посвященной вопросам радиотехнических расчётов РПИ, как правило, не увязываются материаловедческие и технологические вопросы с радиотехническими характеристиками. Вместе с тем дальнейшее развитие радио-технических средств различного назначения, расширение сферы их применения диктуют необходимость решения новых, сложных и разнообразных задач в области материаловедения, технологии, создания методов инженерных расчетов радиопрозрачных изделий.

Настоящая монография имеет своей целью частично восполнить имеющийся пробел и систематизированно изложить вопросы изготовления РПИ из стеклопластиков с учетом накопленного опыта и большого числа исследований, проведенных в последние годы в Научно-производственном объединении “Стеклопластик”, являющемся ведущим в России в области разработки стекловолокнистых материалов и стеклопластиков и изделий на их основе.

В главе 1 данной книги рассматриваются основные области применения и основные типы конструкций РПИ.

В главах 2, 3 и 5 приведены основные свойства исходных компонентов (стеклоармирующие и связующие материалы, облегченные заполнители - пенопласты, микросферы, сотопласты и др.), применяемых при производстве РПИ, а в главе 4 - основные характеристики стеклопластиков.

Глава 6 посвящена вопросам изменения свойств стеклопластиков под воздействием внешних факторов (влияние температуры, влаги, солнечной радиации, биологических и других факторов).

Глава 7 посвящена основам электродинамики прохождения электромагнитных волн через диэлектрические стенки и элементам прочностных расчетов РПИ. Приведены инженерные методы расчета основных радиотехнических и прочностных характеристик РПИ с различными конструкциями стенки. Данная глава может быть полезной для специалистов, работающих в области стеклопластиков радиотехнического назначения, а также специализирующихся в области проектирования и изготовления радиотехнических комплексов.

В главах 8-9 рассмотрены наиболее часто используемые технологии изготовления РПИ однослойной и многослойной конструкции (инжекционные методы, контактное, вакуумное, пресскамерное и автоклавное формование и др.).

Из содержания книги можно сделать вывод о том, что для создания современных РПИ из стеклопластиков необходима совместная согласованная работа химиков, радиотехников и конструкторов РПИ, технологов и производственников, выпускающих радиопрозрачные изделия.

Авторы полагают, что книга будет полезной для научных работников НИИ, конструкторов специализированных КБ, инженерно-технических работников промышленных предприятий, студентов и аспирантов, специализирующихся в области стеклопластиков, а также специалистов радиотехнического профиля.

Авторы выражают большую благодарность проф. В.А. Каплуну, одному из ведущих специалистов в области расчетов РПИ, чьи ценные замечания при чтении рукописи, несомненно, способствовали улучшению содержания книги в окончательном варианте. Авторы также считают своим долгом поблагодарить своих коллег-специалистов НПО “Стеклопластик”, которые оказали большую техническую помощь при подготовке рукописи и оформлении данной книги.

Из книги:

 

 

7.2. Основные конструкции радиопрозрачных стенок.

РПИ с монолитной однослойной конструкцией стенки находят широкое применение благодаря простоте конструкции и технологии их изготовления, надежности эксплуатации.

С точки зрения электродинамики следует различать РПИ с согласованной (полуволновой) толщиной стенки и РПИ тонкостенные, т.е. с толщиной стенок, не критичной к длине волны (d / l значительно меньше1). Радиопрозрачные изделия последнего типа имеют достаточно хорошие радиотехнические показатели, они обеспечивают возможность работы на нескольких разнесенных частотах или в непрерывной, довольно широкой полосе в относительно большом диапазоне углов падения. Факторами, ограничивающими область применения тонкостенных РПИ, являются длина рабочих радиоволн и прочностные характеристики изделия. При малых длинах волн толщина стенки, обеспечивающая приемлемую радиопрозрачность, становится очень малой и может не обеспечить требования к прочности изделия.

Другой тип однослойных стенок - полуволновых - заметно расширяет область применения однослойных конструкций, особенно в СВЧ-диапазоне. Использование стенок 1-го, 2-го, а иногда и более высокого порядка часто позволяет обеспечить достаточную прочность, хорошие радиотехнические характеристики.

Однако, применение таких конструкций для РПИ, предназначенных для работы в дециметровом диапазоне радиоволн, вряд ли целесообразно, кроме отдельных специфических объектов, в связи с избыточной массой. В самом деле, уже при l = 10 см толщина полуволновой стенки даже 1-го порядка составляет в соответствии с уравнением (7.1-21) примерно 25 мм (при e = 4,0). Кроме того, в случае использования полуволновых стенок не всегда удается подобрать компромиссную толщину для обеспечения приемлемой радиопрозрачности при работе на нескольких частотах.

Несмотря на большое многообразие диэлектрических материалов с различными механическими и диэлектрическими свойствами, часто бывает невозможно спроектировать обтекатель с однослойной конструкцией стенки, удовлетворяющий одновременно всем радиотехническим, механическим, весовым, габаритным и иным требованиям. В связи с этим были разработаны и широко используются другие конструкции радиопрозрачных стенок, рассматриваемых ниже.

Взаимное уничтожение отраженных волн может быть получено не только в случае использования монолитных однослойных стенок с толщиной, согласованной с длиной волны. В частности, хорошие результаты по радиопрозрачности могут быть достигнуты при использовании многослойных конструкций, содержащих два (или более) тонких листа, разделенных легким заполнителем с низкими значениями e и tgd . В этом случае компенсация отраженных радиоволн обеспечивается тонкими листами плотного диэлектрика при соответствующем выборе толщин легкого заполнителя (расстояния между листами).

Трехслойные обтекатели обладают малой массой, хорошими прочностными показателями и имеют высокие радиотехнические характеристики. Следует отметить также хорошие теплоизоляционные свойства трехслойных стенок. Таким образом, обтекатели трехслойной конструкции с легкими заполнителями имеют целый ряд положительных качеств. Именно поэтому они находят в настоящее время широкое применение в наземных и судовых станциях, а также для гражданских и некоторых военных самолетов. Для обеспечения хорошей радиопрозрачности толщину наружных слоев (обшивок) выбирают, как правило, весьма малой по сравнению с длиной волны. Поэтому границы применения трехслойных стенок с легким заполнителем определяются, в первую очередь, именно рабочим диапазоном частот.

В современных самолетах трехслойные сотовые обтекатели нашли широкое применение в трех и более сантиметровом диапазоне, так как они сочетают удовлетворительные радиотехнические свойства в достаточно большом интервале углов падения ЭМВ (до 65-70 °) с высокой механической прочностью и малой массой. При переходе к более коротким волнам создание трехслойной стенки первого порядка становится в большинстве случаев нецелесообразным - стенки получаются очень тонкими и, соответственно, прочность изделия резко падает.

Для расширения области применения радиопрозрачных устройств с легким заполнителем, улучшения их радиотехнических характеристик и, в частности, для обеспечения работы многоволновых (широкополосных) приемо-передающих комплексов разработаны более сложные стенки: пяти-, семислойные и т.п. Повышенные прочность, жесткость и радиопрозрачность позволяют применять многослойные стенки с ячеистым заполнителем для обтекателей остроконечной формы с углом при вершине до -35 °. Кроме того, такие стенки расширяют возможность получения многоволновых обтекателей, хорошо работающих при различных длинах волн и в относительно широком диапазоне углов падения. Однако изготовление пяти-, семислойных и т.п. обтекателей с ячеистым заполнителем требует больших затрат ручного труда, и поэтому они применяются лишь в отдельных, наиболее ответственных объектах морской, авиационной и ракетной техники.

Разновидностью радиопрозрачных стенок многослойной конструкции являются стенки с усредненной диэлектрической проницаемостью, в которых чередуются слои армирующих материалов с низкой и высокой диэлектрической проницаемостью. При изготовлении таких конструкций для наружных обшивок используют стеклоткани сатинового или полотняного переплетения, а в качестве внутренних слоев - стеклоткани разреженных структур (стеклосетки).

В обтекателях, работающих в широком диапазоне волн, могут также применяться стенки, имеющие плавное изменение диэлектрической проницаемости по толщине. Повышение уровня радиопрозрачности (снижения уровня отражения ЭМЭ) может быть обеспечено также и при использовании известного эффекта просветления оптики. Для реализации этого эффекта на основном (силовом) слое диэлектрика должен располагаться дополнительный просветляющий слой с диэлектрической проницаемостью и толщиной в соответствии с уравнениями (7.1-24) и (7.1-25). Однако последние варианты, широко используемые для оптических приборов, не нашли широкого практического применения для изделий радиотехнического назначения. Наибольшие трудности при практической реализации этих вариантов возникают в процессе подбора материалов с соответствующими показателями диэлектрической проницаемости, а также при защите наружных слоев, особенно, в случае их малой плотности.

Весьма перспективными являются диэлектрические стенки с введенными в них реактивными компенсирующими элементами в виде металлических проводников. Указанные элементы создают отраженную волну, равную по мощности и обратную по знаку волне, отраженной от диэлектрический стенки. В данном случае появляется возможность выбирать толщину стенки из условий обеспечения механической прочности. Возможно размещение одной, двух, трех и более реактивных сеток по толщине диэлектрика на определенном расстоянии друг от друга.

Компенсирующие металлические сетки могут быть использованы и в многослойных конструкциях. В этом случае сетки вводят в обшивки. Применение компенсационных сеток в многослойных стенках с ячеистым заполнителем позволяет при хорошей радиопрозрачности повысить механическую прочность за счет возможности увеличения толщин обшивок.

Каждый тип радиопрозрачных стенок обладает присущим только ему сочетанием радиотехнических, прочностных, эксплуатационных и др. специфических свойств, поэтому в каждом конкретном случае при выборе оптимальной конструкции следует отдавать предпочтение такому варианту, который в максимальной степени отвечает предъявляемым требованиям.

 

© 2017, НПО Радиоволна. РПУ для нужд авиации, обороны и флота.
Россия, Санкт-Петербург, ул. Галерная, д. 5 литер А, пом. 5-Н;
Тел./факс: +7 (812) 640-78-32