О.И. Кудрин, Г.Н. Селиванова Открытое акционерное общество «Центральное конструкторское бюро автоматики» 644027, г.Омск, проспект Космический, 24а E-mail: ckba@omsknet.ru ПРОЕКТИРОВАНИЕ РАДИОПРОЗРАЧНЫХ ОБТЕКАТЕЛЕЙ Анализируются проблемы разработки радиопрозрачных обтекателей. Показаны основные этапы проектирования слабонагруженных по тепловым и прочностным характеристикам радиопрозрачных обтекателей. Разработка радиопрозрачных обтекателей (РПО) является сложной комплексной проблемой, включающей в себя вопросы радиотехники, механической и тепловой устойчивости, технологии изготовления, испытаний. Современные тенденции развития бортовой радиоэлектронной аппаратуры ( РЭА) существенно ужесточают требования к вновь разрабатываемым РПО. Все более актуальной становится проблема совместного проектирования систем антенна-обтекатель. ОАО «ЦКБА» традиционно является разработчиком бортовой РЭА. РПО, используемые в изделиях предприятия, как правило, разрабатывались и изготавливались сторонними организациями. На нашем предприятии ранее проводилась только экспериментальная проверка РПО и анализ их радиотехнических характеристик (РТХ). Накопленный опыт, а также развитие технологической базы на предприятии позволяют в настоящее время проводить работы по собственному проектированию и изготовлению РПО. Заметим, что зачастую ОАО «ЦКБА» является одновременно разработчиком и антенной системы, и РПО, что дает нам возможность оценивать и оптимизировать систему антенна-обтекатель в целом для достижения требуемых характеристик. Сконцентрировавшись на данном классе обтекателей, мы создали целый комплекс инструментов проектирования многослойных стенок РПО и освоили технологии их изготовления. Можно выделить следующие основные этапы проектирования РПО: 1. Анализ характеристик РПО на упрощенной модели. Определение геометрии обтекателя. Определение требований к РТХ многослойной стенки. 2. Расчет и оптимизация многослойных стенок РПО. 3. Анализ совместной геометрии системы антенна-обтекатель. 4. Электродинамическое моделирование системы антенна-обтекатель с помощью программного пакета физической оптики. 5. Макетирование стенки. Изготовление локальных образцов стенки. Экспериментальная проверка РТХ. 6. Изготовление макета обтекателя, экспериментальная проверка. Разработка стенда и методики измерений. 7. Изготовление опытного образца, проверка РТХ, механические и климатические испытания. Рассмотрим первый этап проектирования, а именно, анализ характеристик РПО на основе упрощенной модели. В этой модели сделаны следующие допущения и упрощения: рассматриваем антенну как передающую и считаем, что она излучает параллельный пучок лучей по направлению максимального излучения (вдоль оси антенны); каждый луч из пучка попадает на стенку обтекателя в какой-то точке внутренней поверхности обтекателя, в которой мы считаем стенку обтекателя локально плоской. Луч проходит через стенку и отражается от нее согласно законам геометрической оптики. В каждой точке можно построить модель стенки (в общем случае многослойной), электрические параметры которой находим, пользуясь приближенными методами. Характеристики РПО определяются интегральными характеристиками всей стенки (по всей поверхности обтекателя). Анализ сводится к следующему: сначала выбирается форма (геометрия) РПО и определяются возможные углы падения лучей от антенны на стенку обтекателя (из геометрии системы антенна-внутренний контур обтекателя). Затем для стенки РПО определяется амплитудный коэффициент прохождения для определенного выше диапазона углов падения и оценивается общий коэффициент прохождения для обтекателя, усредненный по углам падения. Для анализа формы обтекателя разработана программа (в среде Microsoft Office Excel), позволяющая рассчитать углы падения на стенку и пространственные углы как первого переотражения луча от стенки, попадающего в переднее полупространство обтекателя, так и углы переотражений по цепочке “стенка обтекателя - антенный диск переднее полупространство обтекателя”. В общем случае определение углов падения на стенку обтекателя - это трехмерная задача, причем оценку надо производить для каждой точки на поверхности антенны для всех вариантов расположения антенны под обтекателем. Величина этих углов является критерием выбора формы РПО. Следующим этапом в проектировании РПО является расчет многослойной стенки обтекателя. Создана программа, позволяющая рассчитать электрические параметры многослойной (до 7 слоев) стенки обтекателя, основанная на приближении прохождения плоской волны через бесконечно большой плоский лист и на представлении стенки в виде набора эквивалентных линий передач. Принципиально нового в данной программе ничего нет, эти методы давно известны и широко применяются. Основное внимание при создании программы уделялось разработке удобного пользовательского интерфейса, позволяющего рассчитывать параметры стенки в диапазоне частот и углов падения. Наиболее важные параметры - толщина слоев и диэлектрическая проницаемость - выведены на движки, что позволяет легко и наглядно просматривать различные варианты стенки РПО. Программа реализована в среде Microsoft Office Excel с расчетными подпрограммами, написанными на встроенном языке Visual Basic for application (VBA). Для синтеза многослойной стенки создана еще одна программа (более мощная, чем предыдущая), написанная в среде Microwave Office. Она позволяет не только рассчитывать, но и оптимизировать стенку, используя стандартный набор инструментов Microwave Office, в том числе и численную оптимизацию. Расчет стенки РПО на данном этапе может быть осуществлен только в первом приближении, в основном потому, что отсутствуют достоверные (определенные с требуемой точностью) эквивалентные электрические параметры материалов стенки. Эквивалентная толщина и диэлектрическая проницаемость материала зависит не только от паспортных значений этих величин на применяемый материал, но и от технологии изготовления. Отметим, что реальная конструкция стенки ограничена имеющейся номенклатурой материалов. Можно рассчитать требуемую стенку, но не найти соответствующих материалов для ее реализации. С помощью программ синтеза многослойной стенки можно оценить влияние погрешности толщины каждого слоя на электрические характеристики РПО. Также стоит отметить, что был создан набор программ, в которых анализируется совместная геометрия системы антенна-обтекатель без проведения электродинамических расчетов. Была сделана попытка создать пакет полного математического моделирования системы антенна-обтекатель методом физической оптики. Пакет включает в себя следующие компоненты: - задание модели антенны (излучателя) на основе расчетных или экспериментальных данных; - задание геометрии обтекателя и стенки; - расчетное ядро (программа интегрирования полей на поверхности обтекателя с учетом многократных переотражений от стенок и основания); - программа расчета полей в дальней зоне; - программа графического отображения полей и диаграмм направленности (амплитудных и фазовых). Но для проведения строгого электродинамического расчета достаточно больших систем антенна-обтекатель мы используем стандартные программы трехмерного электродинамического моделирования. Следующим этапом при проектировании РПО является изготовление плоского образца многослойной стенки с целью экспериментального подтверждения теоретически рассчитанных характеристик. Изготовлена установка в виде волноводной камеры (10×23 мм) для измерения коэффициентов прохождения и отражения помещенного внутрь нее образца и написана методика измерений. Методика заключается в построении полной трехмерной математической модели камеры с помещенным внутрь нее композитным образцом и подборе характеристик образца до максимального совпадения расчетных данных с экспериментальными. Кроме программного обеспечения мы имеем практически полный комплект измерительной аппаратуры для создания рабочего места проверки антенной системы вместе с РПО: безэховая камера, поворотные устройства, генераторы (вплоть до миллиметрового диапазона), облучающие антенны, приспособление для пристрелки, импульсное рабочее место и др. В заключении еще раз отметим, что развитие технологической базы на предприятии, накопленный опыт, использование разработанного нами программного обеспечения и методик проектирования РПО позволяют в настоящее время проводить работы по собственному проектированию и изготовлению слабонагруженных по тепловым и прочностным характеристикам РПО. На предприятии в интересах потребителя уже разработан и изготовлен целый ряд обтекателей различного назначения. Следующим этапом развития методик проектирования РПО может стать освоение тепловых и прочностных расчетов, а также анализ стенок обтекателей из метаматериалов и перспективных материалов с высокими диэлектрическими и магнитными проницаемостями.