临近空间高超声速飞行器电磁窗关键技术探索研究

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1、临近空间高超声速飞行器电磁窗关键技术探索研究　　临近空间（NearSpace）通常是指20～100千米的高空，随着航空航天技术的迅猛发展和军事斗争领域的不断拓展，临近空间作为未来战争陆海空天电五维一体化战场的重要组成部分，凭借独特的空间和环境优势，其潜在的军事应用价值越来越受到各国的关注。临近空间将传统的航空空间与航天空间连成一体，不仅能在预警探测、侦察监视、通信保障、电子对抗等方面实现空天地信息的有效中继和衔接，还可以为现有的防空反导作战提供新的思路。同时，临近空间极大地拓展了空天战场的范围与纵深，形成了一个崭新的作战领域，上可制天，下可制空、制海、制地，成为未来战争的

2、新高地。临近空间高超声速飞行器是一种运行在临近空间的具有较高声速（Ma≥5）的机动飞行器，飞行高度一般为30～60千米，通过高超声速飞行可以实现快速全球打击。这类飞行器一般无人驾驶、飞行速度快、升空时间短、攻击能力强、突防概率高，可进行天地往返运输，还可用于摧毁敌方空间系统、拦截弹道导弹和对地进行精确打击等。临近空间高超声速飞行器是未来临近空间飞行器系统的重要组成部分，具有很强的打击能力和机动能力，现有的防空反导系统对其也无能为力，因此，发展临近空间高超声速飞行器迫在眉睫。7　　电磁窗（雷达天线罩）是用来保护天线或整个微波系统（雷达、通信系统等等）在恶劣环境下能够正常工作

3、的一种气动/结构/透波功能一体化部件。电磁窗既要承受临近空间高超声速飞行器空气动力载荷和环境热气流、雨流的冲刷及其载荷的振动冲击性能，又要满足微波系统对功率传输效率、瞄准误差、天线方向图畸变等电性能的要求。没有高性能的电磁窗，高性能的微波系统也将失去其应有的效用。因此高性能电磁窗已经成为临近空间高超声速飞行器不可分割的重要组成部分，对临近空间高超声速飞行器性能产生着重要的影响。　　临近空间高超声速飞行器电磁窗必须满足电性能要求、气动性能要求、结构及接口要求、力学性能要求和隐身性能等要求，同时还要满足可靠性要求、维修性要求、保障性要求、测试性要求、安全性要求和环境适应性等要

4、求。因此，电磁窗技术是一项涉及到电磁场学、结构力学、空气动力学、传热学、材料学、工艺学等多学科领域技术的复杂工程。　　国外临近空间高超声速飞行器电磁窗相关信息　　X-43A飞行器是一架超高音速无人驾驶飞行器，设计最高马赫数为10，试飞中X-43A飞行器做出了接近Ma9.8的超高速飞行，飞离地表超过35千米远的高空。为了轨迹追踪和进行温度测量，X-43A高超声速飞行器于尾端部位安装有多部S波段发射机和一部C波段转发器。飞行器上下表面采用厚度大约为1.3cm的氧化铝增强热障陶瓷进行热防护，电磁窗在热防护陶瓷防护下。根据HyTech计划提到研制的热屏蔽及电磁窗用材料耐温要求为不

5、低于927℃，推测天线安装部位的最高温度不高于927℃。　　X-51A“乘波者”7验证机设计速度为Ma7，从X-51A的总体结构分析，弹身后段有一对中单操纵尾翼。弹身内有指控设备、遥测设备，指控设备主要工作在L波段，遥测设备主要工作在S波段。弹身尾端部位装有天线、敏感机、舵机等部件。另外，凸铲形进气口后端有一整流罩，该整流罩一直延伸到弹身尾端，此整流罩存在的目的之一就是为保护位于弹身尾端的电磁窗口。　　X-37B是一种可重复使用的飞行器，轨道高度在204～926千米，能在临近空间中以Ma5～25的速度超声速飞行。X-37B机载多频段通信天线，两组太阳能帆板提供电能，不论飞

6、机的方向、角度和轨道如何变化，太阳能帆板始终对准太阳，通信天线始终对准地球和通信卫星。X-37B装有某种形式的天线桁架，推测或许在这架X-37B上装有没被透漏的更先进的某种天线。　　通过以上对美国X-43A、X-51A和X-37B等高超声速飞行器相关信息研究发现，临近空间高超声速飞行器的应用环境主要是对地侦察、探测等，通信的主要方向为地面及卫星通信。根据临近空间高超声速飞行器气动加热后最低温度分布在后端，初步推测临近空间高超声速飞行器电磁窗口一般安装在飞行器的中后端。考虑X-37B最终的工作环境为太空，临近空间仅仅为其进入太空的路径，认为X-37B的通讯窗口在不工作时处于

7、热防护结构的保护中。　　临近空间高超声速飞行器电磁窗关键技术　　临近空间自然环境复杂，臭氧、紫外线强烈，飞行器在大气层边缘高速飞行时又会产生极高的温度，承受极大的载荷。临近空间高超声速飞行器电磁窗主要涉及电性能设计技术、结构设计技术、强度计算仿真及试验技术和电磁窗用高温材料等关键技术。　　（一）电性能设计及试验关键技术7　　热变形与承载变形联合作用下电磁窗电性能设计方法研究。临近空间高超声速飞行器在高速飞行过程中，电磁窗窗体的温度和承受的载荷变化很大，会使电磁窗的外形发生改变，需对飞行过程引起的不同外形条件电磁窗的电性能设计方