Радиопрозрачный обтекатель навигационной антенной системы Российский патент 2024 года по МПК H01Q1/42 

Изобретение относится преимущественно к обтекателям навигационных систем антенно-фидерных устройств вертолетов и других малоскоростных летательных аппаратов.

Практика разработки подобных обтекателей показала, что для активных навигационных систем, работающих в узком частотном диапазоне (менее 1%), в качестве обтекателя используется тонкостенная конструкция, изготовленная из радиопрозрачного материала, средняя толщина стенки которой существенно меньше самой короткой длины волны рабочего диапазона (h ≤ 0,1l_min). Для таких обтекателей существенную роль играет выбор радиопрозрачного материала, форма и конструкция стенки обтекателя, которые определяют потери при приеме-передаче электромагнитного поля, его фазовые искажения, и, как следствие, ухудшающие характеристики диаграммы направленности (далее - ДН) антенного устройства. При этом необходимо учитывать влияние заантенного пространства, поскольку в результате взаимодействия прямой и отраженной волн может происходить нежелательное существенное увеличение боковых лепестков результирующей ДН системы антенна-обтекатель. В настоящее время на практике для изготовления носовых вертолетных обтекателей навигационных радиолокационных станций (далее - РЛС) используют тонкостенные конструкции, выполненные из композиционных материалов на основе различных типов стеклоткани.

Известны антенные обтекатели летательного аппарата с однослойной стенкой из диэлектрического материала, представленные в патентах
RU № 2292101, H01Q 1/42, 23.05.2005 и RU № 2420838, H01Q 1/42, 11.05.2010, где обтекатель в форме цилиндра с полусферической вершиной содержит однослойную стенку из диэлектрического материала, электрически тонкую по отношению к длине волны, близкой к диапазону частот навигационных РЛС вертолетов. Однако указанные в данных патентах значения коэффициентов прохождения электромагнитной волны через стенку обтекателя актуальны только для представленной в них полусферической конструкции.

Поскольку носовые обтекатели вертолетов и других винтокрылых летательных аппаратов имеют не осесимметричную конструкцию,
а конструкцию, отвечающую общим аэродинамическим обводам,
то вышеуказанный минимальный коэффициент прохождения таких обтекателей во всем угловом диапазоне обзора по азимуту и углу места будет значительно ниже (на ≈ 10-15%).

Известно, что использование периодических проводящих структур, размещенных в стенке обтекателя, в виде индуктивной решетки позволяет уменьшать электрическую толщину его стенки. Это, в свою очередь, позволяет менять амплитудные и фазовые характеристики прошедшей волны, (В.А.Каплун, Обтекатели антенн СВЧ, издательство «Советское радио», 1974г., стр.238 на стр.182-183), что можно использовать для улучшения радиотехнических характеристик системы антенна-обтекатель. Кроме того, встроенные металлические решетки, приводят к увеличению жесткости конструкции обтекателя при тонкостенном исполнении.

Известны варианты применения индуктивных решеток для улучшения радиотехнических характеристик обтекателя, например, в патенте
RU № 2459323, H01Q 1/00, 04.05.2011. Недостатками данной модели относительно решаемой задачи заключается в применимости ее для антенных систем, работающих в длиноволновом (дециметровом) диапазоне, а также технологическая сложность изготовления для осенесимметричной тонкостенной конструкции обтекателя.

Известна конструкция стенки обтекателя, описанная в патенте
RU № 2168816 H01Q 1/42, 05.06.2000, в котором предлагается радиопрозрачная стенка обтекателя, состоящая из диэлектрических слоев и металлических элементов в виде решеток с индуктивной проводимостью, выполненных из набора периодически расположенных металлических проводов. При этом, общая электрическая толщина стенки обтекателя должна быть больше половины длины волны рабочего диапазона. Недостатком данной конструкции по отношению к решаемой задаче являются невозможность разработки тонкостенного варианта конструкции обтекателя в необходимой рабочей полосе частот.

Наиболее близкой к предлагаемой конструкции обтекателя является решение, представленное в патенте RU №2789625, 06.02.2023, в котором предлагается носовой обтекатель навигационной антенной системы вертолета, стенка которого выполнена из нескольких слоев препрега композиционного материала с встроенной в середину стеклянной сеткой. Недостатком данного решения относительно предлагаемой конструкции является недостаточная механическая прочность и худшие радиотехнические характеристики системы «антенна РЛС - обтекатель», в частности КП и уровень боковых лепестков ДН.

Задачей предлагаемого изобретения является получение не осесимметричного носового обтекателя РЛС вертолета и других винтокрылых летательных аппаратов, минимально искажающий ДН антенного устройства РЛС на всех углах сканирования навигационной антенной системы для получения максимального коэффициента прохождения и минимального увеличения боковых лепестков ДН, удовлетворяющего требованиям по прочностным характеристикам конструкции.

Поставленная задача решается следующим образом.

Радиопрозрачный обтекатель навигационной антенной системы, включающий стенку толщиной 1,0-2,5 мм, выполненную из препрега на основе кварцевой ткани с диэлектрической проницаемостью ε = 2,0 - 4,0, отличающийся тем, что стенка обтекателя выполнена из четного количества от 4 до 8 слоев препрега, между средними слоями которого размещена металлическая сетка, толщина нити которой равна 0,2 - 0,25 мм, и размер ячейки равен 9,85 мм, при этом геометрические параметры ячейки определяются исходя из средней длины волны рабочего диапазона, а размеры отдельных элементов металлической сетки не могут быть меньше 10-и ʌ_max, где ʌ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона РЛС, что обусловлено технологичностью изготовления обтекателя. при этом шаг решетки в отдельных элементах из-за разности углов падения электромагнитной волны может быть оптимизирован в зависимости от его расположения на поверхности обтекателя.

Сущность данного изобретения заключается в том, что, при заданных не осесимметричных геометрических внешних обводах и прочности конструкции, стенка обтекателя выполнена из 4-8 слоев препрега композиционного материала на основе кварцевой ткани с диэлектрической проницаемостью равной 2,0-4,0 и тангенсом диэлектрических потерь
0,005 - 0,01 с встроенной индуктивной решеткой, расположенной в середине конструкции стенки (между слоями препрега) и выполненной в виде металлической сетки из медных элементов (проволоки) диаметром и шагом нормированные к средней частоте рабочей полосы частот РЛС, при этом для получения максимального положительного эффекта в рамках РТХ системы антенна-обтекатель от применения индуктивной решетки, металлическая сетка выполняется отдельными элементами с линейными размерами, зависящими от кривизны поверхности внешнего обвода обтекателя и позволяющими максимально сохранить геометрические параметры (шаг и размер ячейки) индуктивной решетки на криволинейной поверхности. Размеры отдельных элементов металлической сетки не могут быть меньше
10 ʌ_max, где ʌ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона РЛС, что обусловлено технологичностью изготовления обтекателя. При этом шаг решетки в отдельных элементах из-за разности углов падения электромагнитной волны может быть оптимизирован в зависимости от его расположения на поверхности обтекателя. Использование металлической сетки, уложенной между препрегами, позволяет многократно увеличить жесткость конструкции.

На фиг.1 а, б изображена конструкция обтекателя заявляемого изобретения, где 1 и 2 - слои препрега, 3 - металлизированная сетка, 4 - строительная ось антенного обтекателя, 5 - антенное устройство.

Для экспериментального подтверждения расчетных данных были созданы:

- стенд, обеспечивающий реальное взаиморасположение РЛС и носового обтекателя на действующем вертолете с использованием действующей РЛС данного вертолета;

- обтекатели, идентичные по геометрическим параметрам внешнего контура, изготовленные: первый по патенту RU 2789625, 06.02.2023, второй выполнен по предлагаемому изобретению из композиционных материалов на основе кварцевой ткани, а именно - из восьми слоев препрега клеевого марки КМКС-4К 175ТС8/3К 37 (ТУ 1-595-14-1064-2009) с встроенным средним слоем (при изготовлении) в виде металлической решетки с шагом 9,85 мм, выполненной из медной проволоки диаметром 0,2 мм. Решетка расположена симметрично относительно внешних поверхностей стенки обтекателя. Общая толщина стенки оболочки составила 2,5 мм. Измерения проводились с обтекателями, покрытыми лакокрасочным составом на эпоксидной основе (ЭП-140), отвечающие эрозионным и влагозащитным требованиям.

На фиг.2 приведены сравнительные графики ДН вышеуказанных обтекателей, где 1 - ДН антенного устройства с обтекателем, изготовленным из композиционных материалов на основе кварцевой ткани со встроенной стеклянной сеткой; 2 - ДН антенного устройства с обтекателем, изготовленным из композиционных материалов на основе кварцевой ткани со встроенной дифракционной структурой по предлагаемому изобретению. Измерения ДН системы антенна-обтекатель представлены в азимутальной плоскости (фиг.2 а), где вектор Е электромагнитного поля лежит в плоскости прокачки, и в угломестной плоскости (фиг.2 б), где вектор Н электромагнитного поля лежит в плоскости прокачки, при совпадающих поляризациях на средней частотной точке рабочего диапазона РЛС.

На фиг.3 приведены сравнительные графики коэффициента прохождения (далее - КП) вышеуказанных обтекателей, где 1 - график КП антенного устройства с обтекателем, изготовленным из композиционных материалов на основе кварцевой ткани со встроенной стеклянной сеткой;
2 - график КП антенного устройства с обтекателем, изготовленным из композиционных материалов на основе кварцевой ткани со встроенной дифракционной структурой по предлагаемому изобретению. Измерения КП представлены в азимутальной плоскости (фиг.3 а), где вектор Е электромагнитного поля лежит в плоскости прокачки, и в угломестной плоскости (фиг.3 б), где вектор Н электромагнитного поля лежит в плоскости прокачки, при совпадающих поляризациях на средней частотной точке рабочего диапазона РЛС.

Проведенные экспериментальные исследования подтверждают, что обтекатель РЛС вертолета, изготовленный из композиционного материала на основе кварцевой ткани по предлагаемому изобретению, повышает КП системы антенна-обтекатель в среднем на 5% в зависимости от режима измерения (поляризация, диапазон частот, направление сканирования).

Следует также отметить, что использование индуктивной решетки заметно снижает зависимость значения коэффициента прохождения от угла падения поля СВЧ (сверхвысокие частоты) на исследуемый объект, что положительно сказывается на уменьшении влияния на боковые лепестки ДН антенного устройства с обтекателем, так как именно увеличение боковых лепестков ДН антенного устройства, связанные с многократными переотражениями сигнала в заантенной области, внутренней стенки обтекателя и апертуры антенны, приводят к ухудшению направленности антенны за счет перераспределения энергетической составляющей сигнала.

Таким образом, применив теоретические расчеты и проведя экспериментальные исследования, получена конструкция носового обтекателя РЛС вертолета, которая позволяет получить КП в среднем не менее 90 - 92 % и боковые лепестки ДН не выше минус 23-25 дБ системы навигационная РЛС-обтекатель, что удовлетворяет современным требованиям по радиотехническим параметрам, предъявляемым к вертолетам и другим малоскоростным летательным аппаратам, а также значительно повышает прочность конструкции обтекателя, подтверждаемая коэффициентом запаса устойчивости не менее 10, за счет встроенной металлической сетки.

Изобретение относится к антенной технике, в частности к обтекателям навигационных антенных систем вертолетов. Технический результат - минимальное искажение ДН антенного устройства РЛС на всех углах сканирования навигационной антенной системы, максимальный коэффициент прохождения, увеличение прочности. Результат достигается тем, что предложен радиопрозрачный обтекатель навигационной антенной системы, включающий стенку толщиной 1,0-2,5 мм, выполненную из препрега на основе кварцевой ткани с диэлектрической проницаемостью ε=2,0-4,0, отличающийся тем, что стенка обтекателя выполнена из четного количества от 4 до 8 слоев препрега, между средними слоями которого размещена металлическая сетка, толщина нити которой равна 0,2-0,25 мм, и размер ячейки равен 9,85 мм, при этом геометрические параметры ячейки определены исходя из средней длины волны рабочего диапазона, а размеры отдельных элементов металлической сетки - не меньше 10 где - максимальная длина волны рабочего диапазона РЛС, что обусловлено технологичностью изготовления обтекателя, при этом шаг решетки в отдельных элементах из-за разности углов падения электромагнитной волны оптимизирован в зависимости от его расположения на поверхности обтекателя. 3 ил.

Радиопрозрачный обтекатель навигационной антенной системы, включающий стенку толщиной 1,0-2,5 мм, выполненную из препрега на основе кварцевой ткани с диэлектрической проницаемостью ε = 2,0-4,0, отличающийся тем, что стенка обтекателя выполнена из четного количества от 4 до 8 слоев препрега, между средними слоями которого размещена металлическая сетка, толщина нити которой равна 0,2-0,25 мм, и размер ячейки равен 9,85 мм, при этом геометрические параметры ячейки определены исходя из средней длины волны рабочего диапазона, а размеры отдельных элементов металлической сетки - не меньше 10 ʌ_max, где ʌ_max - максимальная длина волны рабочего диапазона РЛС, что обусловлено технологичностью изготовления обтекателя, при этом шаг решетки в отдельных элементах из-за разности углов падения электромагнитной волны оптимизирован в зависимости от его расположения на поверхности обтекателя.