Антенний пристрій для гіперзвукових літальних апаратів

Реферат: Антенний пристрій для гіперзвукових літальних апаратів складається з випромінювача у вигляді відкритого кінця хвилеводу, установленого поперед літального апарата, штиря, що збуджує. Штир, що збуджує, розміщений у центрі металевої стінки, установленої з можливістю вакуумощільного переміщення усередині порожнистого хвилеводу і з'єднаної з електромотором за допомогою рухливого штока, а відкритий кінець порожнистого хвилеводу виконано зі скосом 10°…30°. UA 94963 U (54) АНТЕННИЙ ПРИСТРІЙ ДЛЯ ГІПЕРЗВУКОВИХ ЛІТАЛЬНИХ АПАРАТІВ UA 94963 U UA 94963 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до радіотехніки й може бути використана на літальних апаратах, що рухаються в іоносфері й атмосфері з надзвуковими швидкостями. Відомі різні пристрої для забезпечення зв'язку в умовах утворення перед літальним апаратом потужної ударної хвилі [1]. Ці пристрої засновані на зміні властивостей плазми з наступним випромінюванням радіосигналу [2], на застосуванні випромінювань і часток з великою проникною здатністю (гамма, рентгенівське, нейтронне) [3]. Недоліками цих пристроїв є те, що вони виявляються енергоємними, мають невелику дальність забезпечення зв'язку, вимагають розробки й використання спеціальних бортових і наземних комплексів. Відомі пристрої, що використовують стандартні бортові й наземні радіотехнічні системи, у яких бортова антена оснащена елементами узгодження її параметрів із зовнішньою плазмою [4], електродами для зменшення щільності плазми навколо антени [5], або встановлювана на бічній поверхні літального апарата [6]. Недоліками цих пристроїв є те, що вже на висотах порядку 90 км величина вільного пробігу часток становить одиниці міліметрів, що менше характерного розміру антени. Отже, необхідно використовувати антену такої ж малої величини, що неможливо хоча б через забезпечення теплової й механічної міцності антени. Крім того, при таких розмірах антени відбувається високочастотний пробій в області антени й повне екранування випромінювання. Такий пробій наступає вже при потужностях порядку 10 мВт. Нарешті, на величину шумової температури й шумового опору антени, установленої на бічній поверхні літального апарата, істотний вплив виявляють кут атаки, обертання апарата навколо поздовжньої осі. Найбільш близьким по своїй технічній суті слід вважати антенний пристрій, описаний в роботі [7]. Основними елементами відомого пристрою є відкритий хвилевід, заповнений діелектриком, і твердий фідер, що з'єднує бортовий передавач зі збудливим штирем. Антенний пристрій установлений поперед апарата й співвісний з ним (у носику апарата). Робота цього пристрою відбувається в такий спосіб. Від бортового передавача електромагнітний сигнал по фідеру, жорстко з'єднаному з антеною (відкритий хвилевід), надходить на штир. При цьому усередині хвилеводу збуджуються електромагнітні хвилі, які випромінюються у вільний простір [8]. Недоліками відомого пристрою є: неможливість передачі інформації на висотах польоту нижче 90 кілометрів, недостатня механічна й теплова міцність антени. Це обумовлене тим, що для передачі інформації на етапі спуска за допомогою такої антени, необхідно переходити на менші довжини хвиль або зменшувати концентрацію електронів у плазмі ударної хвилі, наприклад, шляхом інжекції в плазму речовин з великою теплотою фазового переходу, що в умовах космічних польотів здійснити досить важко. В основу корисної моделі поставлено задачу вдосконалити антенний пристрій для гіперзвукових літальних апаратів за рахунок взаємодії зовнішнього потоку газу з нестаціонарними пульсаціями тиску газу, що потрапив усередину антени, що дозволяє забезпечити зв'язок на спадній ділянці польоту в атмосфері й збільшити механічну міцність антени. Поставлена задача вирішується тим, що в антенному пристрою для гіперзвукових літальних апаратів, що складається з випромінювача у вигляді відкритого кінця хвилеводу, установленого поперед літального апарата, штиря, що збуджує, штир, що збуджує, розміщений у центрі металевої стінки, установленої з можливістю вакуумощільного переміщення усередині порожнистого хвилеводу, і з'єднаної з електромотором за допомогою рухливого штока, а відкритий кінець порожнистого хвилеводу виконано зі скосом 10°…30°. Таким чином, розміщення збудливого штиря в центрі металевої стінки, установленої з можливістю вакуумощільного переміщення усередині порожнистого хвилеводу і з'єднаної з електромотором за допомогою рухливого штока, виконання відкритого кінця порожнистого хвилеводу зі скосом 10°…30°, дозволяє забезпечити зв'язок на спадній ділянці польоту в атмосфері й збільшити механічну міцність антени. Суть корисної моделі пояснюється кресленням, на якому представлена структурна схема запропонованого пристрою. Пропонований пристрій, установлений на літальному апараті 1, перед яким утворюється ударна хвиля 2, складається з порожнистого хвилеводу 3, що відіграє роль випромінювача у вигляді відкритого хвилеводу, установленого в носику літального апарата 1, перед яким при русі літального апарата 1 з гіперзвуковою швидкістю в атмосфері також утворюється ударна хвиля 4. Збудливий штир 5 розміщений у центрі металевої стінки 6, установленої з можливістю вакуумощільного переміщення усередині порожнистого хвилеводу 3, і з'єднаної з 1 UA 94963 U 5 10 15 20 25 електромотором 7 за допомогою рухливого штока 8, а відкритий кінець порожнистого хвилеводу 3 виконано зі скосом 10°…30°. Робота запропонованого технічного розв'язку відбувається в такий спосіб. При спуску літального апарата 1 у щільні шари атмосфери попереднього утворюється потужна ударна хвиля 2, що перешкоджає здійсненню зв'язку. Торець порожнистого хвилеводу 3, що повідомляється із зовнішнім середовищем, винесено поперед апарата 1 на відстань, що перевищує відстань відходу ударної хвилі від поверхні літального апарата. У загальному випадку перед порожнистим хвилеводом 3 також утворюється ударна хвиля 4. Однак за рахунок взаємодії зовнішнього потоку газу з нестаціонарними пульсаціями тиску газу, що потрапив усередину порожнистого хвилеводу 3, відбувається скидання ударної хвилі 4, що дозволяє випромінювати електромагнітні хвилі у вільний простір [9]. Для збудження електромагнітних хвиль, що біжать, у порожнистому хвилеводі 3 використовується збудливий штир 5. У міру спуска апарата 1 змінюється зовнішній тиск середовища й швидкість руху апарата. При цьому на висотах польоту 90…30 км величина потоку часток збільшується незначно. Тому що порушення пульсацій газу усередині порожнистого хвилеводу залежить від потоку газу [10], то необхідно змінювати й обсяг порожнини хвилеводу 3. Тому при спуску апарата 1 металева стінка 6, наприклад, за допомогою електромотора 7, з'єднаного з металевою стінкою 6 за допомогою штока 8, зміщається по довжині порожнистого хвилеводу 3, підтримуючи умову скидання ударної хвилі 4. Покажемо одержання позитивного ефекту за допомогою запропонованого пристрою. Можливість передачі інформації з літального апарата, що спускається, пов'язана з необхідністю усунення ударної хвилі перед антеною, у нашому випадку перед порожнистим хвилеводом. Тут ударна хвиля усувається за рахунок взаємодії самої хвилі з виникаючими в порожнистому хвилеводі пульсаціями тиску. Розглядаючи ці пульсації як зовнішню силу, досліджуємо збурювання ударної хвилі [11]: V V  2V V   2  ƒx - V0 t  , (1) t x x де V0 - швидкість польоту апарата,  - в'язкість, V - швидкість обуреного газу. 30 Уважаючи зовнішню силу як періодичну f  f max Cos , рівняння (1) приводиться до рівняння Риккати, а за умови малості величини Матьє  - до рівняння  ƒ  d 2  C1 1  max Cos   0 , (2) 2   C1    де V  2  35 40 45 50   ln  ,   e . x   V0 / 2 Як відомо, при параметричному резонансі це рівняння описує нестійкі рухи. Саме ці нестійкі рухи, що приводять до усунення ударних хвиль перед антеною, спостерігалися експериментально в роботі [13]. Можливість порушення хвиль тиску в циліндричних порожнинах, розташованих у надзвуковому потоці, спостерігалися в роботі [14]. Тут же вказується на вплив автоколивань газу в порожнині на ударну хвилю перед порожниною. Автори провели розрахунки розмірів порожнини хвилеводу як резонансної системи для порушення коливань газового стовпа за методикою, викладеної в роботі [15]. Ці розрахунки показали, що резонансні розміри хвилевідного каналу із закритою донною частиною, повинні мати наступні порядки: довжина - 1=130…60 см, діаметр d=5…10 см для висот польоту 90…40 км. При цьому не накладається обмежень на товщину стінок h хвилеводу, крім h < d. При товщині стінок хвилеводу h ~ І см антенний пристрій здатний витримати (для зазначеного діапазону висот польоту) теплові, а, отже, і механічні навантаження [16]. Можливість усунення ударної хвилі й плазми в області формування випромінювання запропонованим пристроєм дозволяє підтримувати зв'язок з наземними радіотехнічними станціями. Слід зазначити, що пропонований пристрій усуває ударну хвилю не шляхом вдування робочого тіла (як у відомих пристроях), а шляхом збудження акустичних коливаньнадзвуковим потоком, які й зривають ударну хвилю перед антеною. Запропонований антенний пристрій буде випромінювати електромагнітні хвилі типу Н01, тому що робоча довжина хвилі менше критичної в даному хвилеводі (  раб   кр  2b , де b - ширина широкої стінки хвилеводу) [17]. 2 UA 94963 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 У запропонованому пристрої використовується рухлива металева стінка, на якій закріплений збудливий штир. Якби стінка була нерухливою, то антена була б непрацездатною. Тому що ударна хвиля перед порожнистим хвилеводом усувається в результаті взаємодії зовнішнього потоку газу з нестаціонарними пульсаціями тиску газу, що потрапив усередину порожнини хвилеводу, що залежать від обсягу порожнини хвилеводу, то необхідно протягом часу спуску апарата міняти цей обсяг. Це робиться за допомогою рухливої металевої стінки. Ударна хвиля, що утворюється перед самим літальним апаратом, не буде впливати на роботу антенного пристрою, тому що воно винесене поперед апарата на відстань, більше відходу ударної хвилі від корпуса апарата. Скіс хвилеводу під кутами 10…30 необхідний для підвищення коефіцієнта хвилі, що біжить, у самому хвилеводі й для напрямку діаграми спрямованості випромінювання антени на землю. Оцінимо необхідну потужність електромотора для пересування металевої стінки в умовах виникаючих тисків при русі літального апарата в атмосфері. Сила, що діє на стінку, може бути розрахована по формулі N  V0 S , де  - щільність повітря, V 0 - швидкість літального апарата, S - площа металевої стінки. Для типового випадку (висота польоту порядку 60 км) 10 -6 3 2 5 маємо: S=10 см/с, ρ = 10 г/см , S=10 см , тоді N=10 Дин ≈100 г. З розрахунків видно, що зусилля, що діє на металеву стінку, не перевищує сотні грам. Зі зменшенням висоти польоту літального апарата ρ буде зростати, але швидкість апарата буде падати, отже зусилля майже не зміниться. Таким чином, розміщення збудливого штиря в центрі металевої стінки, установленої з можливістю вакуумонещільного переміщення усередині порожнистого хвилеводу і з'єднаної з електромотором за допомогою рухливого штока, дозволяє за рахунок взаємодії зовнішнього потоку газу з нестаціонарними пульсаціями тиску газу, що потрапив усередину антени, забезпечити зв'язок на спадній ділянці польоту в атмосфері й збільшити механічну міцність антени. Джерела інформації: 1. Ф.А. Баум и др. Введение в космическую газодинамику. - М.: ФМ, 1958. 2. Тейяор. /Зарубежная радиоэлектроника, 1962. - С. 76-89. 3. Райбек. /Вопросы ракетной техники, 1972. - с. 3-15. 4. Патент США 3827054 от 30.7.74. 5. Патент США 3296531 от 3.01*67. 6. Радиотехнические системы в ракетной технике. // Под редакцией В.И. Галкина. - М: Воениздат, 1974. - С. 287. 7. Радиотехнические системы в ракетной технике. // Под ред. В.И. Галкина. - М.: Воениздат, 1974. - С. 286-287 - прототип. 8. А.М. Кугушев, Н.С. Голубева. Основы радиоэлектроники. Линейные электромагнитные процессы. - М.: Энергия, 1969. - С. 299. - Рис. 3.74. 9. А.С. Лавров, Г.Б. Резников. Антенно-фидерные устройства. - Киев: КВИРТУ, 1968. - С. 336. - Рис. II.б. 10. J. Wilson. J. Aero/ Space Sci., 1959. - V.26. - № 7. 11. Ф.А. Баум и др. Введение в космическую газодинамику. - М.: ФМ, 1958. - С. 14. Формула 1.4. 12. Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц. Механика. - М.:, ФМ, 1958. - С. 103-106. 13. Д. Чжен. Отрывные течения. - М.: Мир, 1974. - Т.2. - С. 222, а также Т.З. - С. 228. 14. Ю.Б. Елисеев, А.Я. Черкез "Экспериментальное исследование аномального аэродинамического нагрева тел с глубокой полостью", в журнале "Известия АН СССР", серия "Механика жидкости и газа", 1978. - № 1. - С. 113-119. 15. Г. Ольсон "Динамические аналогии". - М.: ИЛ, 1947. - С. 36, С. 47-56, С. 115-117. 16. Ю.А. Душин. Работа теплозащитных материалов в горячих газовых потоках. /Химия, 1968. - С. 20-22, примеры 2 и 3. 17. Я.Д. Ширман. Радиоволноводы и резонаторы. - М.: Издательство литературы по вопросам связи и радио* 1959. - С. 112, 253, 275-276, 232-284. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 55 Антенний пристрій для гіперзвукових літальних апаратів, що складається з випромінювача у вигляді відкритого кінця хвилеводу, установленого поперед літального апарата, штиря, що збуджує, який відрізняється тим, що штир, що збуджує, розміщений у центрі металевої стінки, установленої з можливістю вакуумощільного переміщення усередині порожнистого хвилеводу і 3 UA 94963 U з'єднаної з електромотором за допомогою рухливого штока, а відкритий кінець порожнистого хвилеводу виконано зі скосом 10°…30°. Комп’ютерна верстка О. Рябко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4