CC BY
20
УДК 658.562.6
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-2-348-353
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ФОРМЫ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ОБТЕКАТЕЛЕЙ НА ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ ПОТЕРЬ ЭНЕРГИИ
В.В. Бодрышев, А.А. Ларин
Критериями качества обтекателей, используемых для защиты антенных устройств радиолокационных станций (РЛС) от воздействий внешней среды, являются требования по обеспечению и сохранению прочностных и защитных свойств при минимальных вносимых потерях проходящей электромагнитной волны (ЭМВ). Одним из широко применяемых методов оценка радиопрозранчости является метод прямого измереня величины потерь в обтекателе. При измерении величины потерь энергии в сферических и сфероцилиндрических обтекателях в результаты измерения величины потерь вносится дополнительная ошибка, в следствии криво-линейности измеряемого сегмента. Важно провести оценку этой ошибки. Приводится методика оценки влияния формы крупногабаритных обтекателей на точность измерения величины потерь энергии.
Ключевые слова: обтекатель, электромагнитная волна, величина потерь, точность измерения величины потерь, погрешность установки.
Для защиты антенных устройств от воздействия внешней среды широкое применения получили радиопрозрачные конструкции выполненные из композитных материалов обладающие высокой механической прочностью - обтекатели. Для контроля их радиопрозрачности используются методы основанные на прямом измерении величины потерь энергии. В известных методах [1-8], при измерении потерь в обтекателе, принято, что измеряемый сегмент (зона обтекателя, находящаяся перед измерительной антенной в процессе измерения) имеет плоскую форму. Однако, обтекатели, в большинстве случаев, проектируются с учетом того, что его, в процессе эксплуатации, должна обтекать внешняя среда, в следствие этого, он содержит криволинейные поверхности. На практике широкое применение получили обтекатели сферической или сфероцилиндрической формы.
При проведении измерений величины потерь энергии вносимых такими обтекателями, в следствии их кривизны, электромагнитная волна (ЭМВ) будет иметь разный путь и угол падения в центре и на краях измеряемого сегмента, что неизбежно вносит дополнительную ошибку в результаты измерений.
Целью данной статьи является описание методики оценки вероятной вносимой ошибки измерения величины потерь в зависимости от радиуса скругления обтекателя.
Основная часть. Распространение ЭМВ в пространстве зависит от ряда факторов (диэлектрических свойств среды распространения, угла падения ЭМВ на границу раздела двух сред и др.). Зависимость величины потерь, от таких факторов в общем виде выглядит следующим образом.
П = f (е, tgS, d,e), (1)
где П - величина потерь; е - диэлектрическая проницаемость материала стенки; tgS - тангенс угла потерь; d - толщина стенки РПУ; e - угол падения ЭМВ (угол между плоскостью поляризации ЭМВ и нормалью к поверхности в точке падения).
Из выражения (1) видно, что измеряемая величина потерь напрямую зависит от толщины обтекателя и угла падения ЭМВ в точке контроля. На рис. 1 схематично изображено распространение фронта электромагнитной волны по поверхности измеряемого сегмента цилиндрической части обтекателя при проведении контроля его радиопрозрачности.
Видно, что при проведении контроля неплоского радиопрозрачного укрытия (РПУ), ЭМВ проходит по нормали только в центре апертуры измерительной антенны. В остальных точках, из-за кривизны стенки, ЭМВ приходит под углом в. Кроме этого, при прохождении волны под углом, увеличивается толщина стенки РПУ (путь волны в стенке) в данной точке. Эти факторы оказывают отрицательное влияние на точность проведения измерений величины потерь.
эмв
1111 V Ф V Ф
Стенка РПУ
Приемная антенна
Рис. 1. Схема распространения плоской ЭМВ по поверхности измерительного сегмента
Для принятия решения о возможности применения такого вида контроля для обтекателей сферической (или сфероцилиндрической) формы рассмотрим указанную проблему на наиболее часто встречаемой конструкцией стенки РПУ - симметричная трехслойная стенка (рис. 2).
ЭМВ
Рис. 2. Схема установки РПУ
Здесь представлено схематичное изображение прохождения фронта волны через трехслойную стенку обтекателя, где I - ширина измеряемого сегмента (равна габариту измерительной антенны); Я - радиус скругления обтекателя; а - точка прохождения ЭМВ через контролируемую стенку РПУ, соответствующая центру измерительной антенны (в этой точке угол падения ЭМВ ва=0, а толщины слоев РПУ минимальны и равны йа1, da2, йаз соответственно), Ь -точка прохождения ЭМВ соответствующая границе сегмента и краю измерительной антенны (в этой точке угол падения ЭМВ 0=0ь, толщины слоев РПУ равны йы, йь2, йьз соответственно).
В идеальном случае точка а, центр измерительной антенны (ИА) и центр скругления обтекателя должны лежать на одной прямой (рис. 3,а), однако на практике погрешность установки измерительной антенны доходит до I /2 (рис. 3,б).
Центр И А
Центр скругления обтекателя
Центр скругления обтекателя
а б
Рис. 3. Погрешность установки измерительной антенны
Для упрощенной оценки влияния скругления, обтекателя на результат измерения величины потерь, рассмотрим прохождения ЭМВ в двух точках а и Ь для этого необходимо произвести расчет величины потерь для каждой из этих точек. В действительности, из-за сложности закона распространения ЭМВ в разных средах и на границах раздела сред, значение величины потерь в зависимости от изменения угла падения и толщины слоев стенки в следствии скругления РПУ, не является линейным. Поэтому, между двумя выбранными точками (а и Ь), находятся точки, где расчётная величина потерь для одной и той же длины волны может быть
выше или ниже. В связи с тем, что перед нами стоит задача оценки вносимой ошибки в измерения с целью принятия решения о возможности применения такого метода для контроля сферических (или цилиндрических) РПУ, (а не точный расчет измеренной величины потерь) рассмотрим прохождение потерь только в выбранных точках.
Для расчёта необходимы следующие величины: Я, I, йа1, йа2. Значение толщины внешнего слоя обтекателя в расчёте не используется т.к. стенка обтекателя является симметричной (йа1=йа3). Указанные величины необходимо взять из конструкторской документации на РПУ, значение I - из паспорта на измерительную антенну.
Известно, что условия прохождения перпендикулярно поляризованной ЭМВ является наихудшим (по сравнению с параллельно поляризованной ЭМВ) [9], поэтому будет рассмотрен наихудший вариант. Кроме этого, из этого следует, что при контроле обтекателя сферической формы, достаточно рассмотреть его скругление только вдоль плоскости перпендикулярной поляризации.
Расчёт производится в следующем порядке:
Находится значение угла падения на краю измерительной антенны в точке Ь по формуле:
Г I л
вЪ = arcsin
(2)
V 2Я у
Осуществляется расчет величины потерь энергии при прохождении волны в точках а и Ь для этого находится электрическая длина каждого слоя в точках а и Ь:
Рш = , (3)
Ры = е' ~ , 4
где
й = 2 • + й2, (5)
ра., ры - электрическая толщина ¡-ого слоя стенки в точках а и Ь; Х- длина волны в свободном пространстве; е1 - диэлектрическая проницаемость ¡-ого слоя стенки.
Находятся коэффициенты Фринеля для поверхностей раздела между соответствующими средами. При этом «внутренние» углы падения и распространения ЭМВ в поверхностях с разными значениями диэлектрической проницаемости внутри стенки РПУ являются переменными. Для упрощенного расчёта трехслойной стенки поводим расчет коэффициентов Френеля га01, ГЬ01, гаи, гы2 для поверхностей раздела между соответствующими средами (воздух - первая внешняя стенка, внешняя стенка - внутренняя стенка) в точках а и Ь [10]:
г = 1
а01 I '
1+Vgi
cos вЪ -s]gl - sin2 вЪ
ГЪ01 = I ■
cos вЪ +^g1 - Sin вЪ
а12
= -y/g - sin2 6ъ -*Jg2 - sin2 6ъ
гЪ12 = i-:—2— I-•—2— '
yjg1 - sin eb + ^ - sin въ
Находится коэффициенты радиогерметичности без учета внутренних потерь:
(6)
(7)
(8) (9)
\г\2 =--, (10)
1 U (1 -Ра )2 + 4Ра • Ялф )
va 2
2
Tbo=(1 Р)2,?РР> , (11)
(1 -Ръ ) + 4Ръ • sin (ф 2 +Xb)
где
Ра =
Рь =
(г01 + г12 )2 - 4г01 • г12 • sin2 р 1
у 01a 12а/_01д a12_' a 1
(1 + 01 • ^иУ - 4г,01 • Га12 • sin2 Ра1 (гЬ01 + ГЬ12)2- 4гЬ01 • ^^»2 • _
(1 + ГЬ01 • ГЬ12)2 - 4ГЬ01 • ^12 • Sin2 (Ь1 (
Ха = аГС^
Га01 I1 - Га12 )^П2Р,1
(
Хь = а
Га12 (1 + ra201 ) + г 01 (1 + г! ) ) 2Ра1 ГЬ01 V1 - ГЬ12
)т2рм
(12)
(13)
(14)
(15)
ГЬ12 (1 + ГЬ01 ) + ГЬ01 (1+гЦ )cos2Pь
Здесь |т| 20, |Г|Ь0 - коэффициенты радиогерметичности без учета внутренних потерь для точек а
и Ь.
Находится коэффициент ослабления мощности ЭМВ за счет внутренних потерь: Л2 = е
2л1 ¿31 • йа2 ¿а 1 • д •tg
Л I Ур2
Ль2 = е
2я\ ¿Ь1 •д ^ + йь2 •Е2 ^2 + йЬ1 •Е1 1
Л
(76)
(77)
где Ла2 и Ь.
и Ь:
ЛЬ2 - коэффициенты ослабления мощности ЭМВ за счет внутренних потерь для точек а Находятся коэффициенты радиопрозрачности с учетом внутренних потерь для точек а
та=Л2 • тío, 7)
к=ль2 • т1ь20. ^
Оценивается процент вероятно вносимой ошибки на результат измерения величины
потерь.
И2 - \т\2
р = 1 1Ь I а ^100%.
т| а
(20)
Экспериментально было получено, что в большинстве случаев достаточно, чтобы значение Р не превышало 5%. В случае, если по результатам расчета Р > 5%, необходимо уменьшить размер измеряемого сегмента I. Поскольку размер сегмента напрямую связан с размером измерительной антенны, то единственным возможным вариантов является выбор другой измерительной антенны с меньшим габаритом.
С целью демонстрации влияния величины сегмента I на вероятную вносимую ошибку Р на рис. 4 представлен график зависимости относительного габарита измерительной антенны ( Я / I) от F.
Я1
Рис. 4. Зависимость вероятной вносимой ошибки от относительного габарита
измерительной антенны
Из графика видно, что при выборе измерительной антенны, внешний габарит которой меньше внешнего радиуса скругления РПУ по крайней мере в 3.5 раза (т.е. размер ширины сегмента), вероятная вносимая ошибка не превышает 5%.
Показанный график рассчитан для конкретного образца РПУ с его собственными геометрическими толщинами и параметрами слоев стенки. Кроме этого, характер графика зависит от выбранной контрольной частоты ЭМВ. Поэтому, данный расчет необходимо выполнять для каждого конкретного контролируемого РПУ отдельно.
Выводы:
1. Представлена методика оценки вероятной вносимой ошибки измерения величины потерь в зависимости от радиуса скругления обтекателя.
2. Продемонстрирован характер зависимости значения вероятной вносимой ошибки измерения величины потерь от габарита измерительной антенны.
Список литературы
1. Пригода Б.А., Кокунько В.С. Обтекатели антенн летательных аппаратов - М.: Машиностроение, 1970, с. 265.
2. Басков К. М., Федоренко А. М., Федоров С. А. Методика расчёта радиотехнических характеристик системы антенна-обтекатель. Журнал радиоэлектроники №2, 2016.У№
3. Кисель Н. "Моделирование системы антенна обтекатель в пакете программ FEKO" // Современная электроника, № 9, 2011.2
4. Ларин, А.А. Методы экспериментального исследования конструкций радиопрозрачных укрытий, поиска и локализации дефектов / А.А. Ларин // XIX Международная конференция «Авиация и космонавтика». Москва, 23-27 ноября 2020 г. - С. 762-764. Р
5. Бодрышев, В.В. Дефектоскопия крупногабаритных радиопрозрачных укрытий / В.В. Бодрышев, А.А. Ларин // Международная конференция «Космические системы». Москва, 27 апреля 2021 года. Тезисы. - М.: Издательство «Перо», 2021 - C. 29-30.
6. Самбуров, Н.В. Многочастотный способ измерения потерь в обте-кателях / Н.В. Самбуров // Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютер-ные технологии, управление, радиоэлектроника». - 2015. - Т. 15, №3. - С. 83-94.
7. Bodryshev, V.V. Flaw Detection Method for Radomes in Weakly Anechoic Conditions. / V.V. Bodryshev, A.A. Larin, L.N. Rabinskiy // TEM Journal. - 2020. - Vol. 9, iss 1. - P. 169-176.
8. Калинин, А.В. Многочастотные методики измерения характеристик антенн и аттестации измерительных установок / А.В. Калинин // Антенны. - 2004. - Вып.12(91). - C. 28-33.
9. Шалгунов С. И., Соколов В. И., Морозова И. В., Прохорова Ю. С. — Особенности проектирования и разработки радиопрозрачных обтекателей и укрытий, работающих в сантиметровом и миллиметровом диапазонах радиоволн. // Антенны. - 2015г, (214), Выпуск 3.
10. Радиопрозрачные изделия из стеклопластиков / И.Г. Гуртовник, В.И. Соколов, Н.Н. Трофимов, С.И. Шалгунов; под ред. В.И. Соколова. - М.: Мир, 2003. - 368 с.
Бодрышев Валерий Васильевич, канд. техн. наук, доцент, soplom@mail. ru, Россия, Москва, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет),
Ларин Артем Андреевич, инженер, аспирант, larintema@gmail.com, Россия, Москва, Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)
ANALYSIS OF THE INFLUENCE OF THE SHAPE OF LARGE-SIZED FAIRINGS ON THE ACCURACY OF MEASURING THE AMOUNT OF ENERGY LOSS
V.B. Bodryshev, А.А. Larin
The criteria for the quality of fairings used to protect radar antenna devices from environmental influences are the requirements for ensuring and maintaining strength and protective properties with minimal insertion losses of a passing electromagnetic wave (EMW). One of the widely used methods for assessing radio frequency is the method of direct measurement of the amount of losses in the fairing. When measuring the amount of energy loss in spherical and spherocylindrical fairings, an additional error is introduced into the results of measuring the amount of loss, due to the curvature of
352
the measured segment. It is important to evaluate this error. The method of assessing the influence of the shape of large-sized fairings on the accuracy of measuring the amount of energy loss is given.
Key words: fairing, electromagnetic wave, loss value, accuracy of measurement of loss value, installation error.
Bodryshev Valerij Vasilevich, candidate of technical sciences, docent, soplom@mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University),
Larin Artem Andreevich, postgraduate, larintema@gmail.com, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute
УДК 51.74
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-2-353-358
МОДЕЛЬ ВОЗДЕЙСТВИЯ КОМПОНЕНТОВ РАКЕТНОГО ТОПЛИВА НА РАСЧЁТ СТАРТОВОГО КОМПЛЕКСА
П.Ю. Бугайченко, А.В. Смирнов, М.С. Токарев
В статье рассмотрены особенности постановки и решения задачи определения степень угрозы для личного состава расчета стартового комплекса в условиях нештатной ситуации, связанной с разливом компонентов ракетного топлива. Предложена модель воздействия компонентов ракетного топлива на расчёт стартового комплекса, позволяющая определить пути его эвакуации из помещений, основанная на модели клеточного автомата, рассмотрены частные случаи её применения.
Ключевые слова: компоненты ракетного топлива, клеточный автомат, имитационная модель.
Эксплуатация стартовых комплексов подразумевает выполнение большого количества сложных организационно-технических мероприятий, нарушение которых может привести к возникновению аварии. В данной статье будет рассмотрен такой тип аварий, как пролив компонентов ракетного топлива (КРТ), которое приводит к частичной или полной эвакуации личного состава расчёта. При этом жизнь и здоровье личного состава при возникновении подобных нештатных ситуаций напрямую зависят от воздействия КРТ на человека. Например, такой КРТ, как несимметричный диметилгидразин является крайне ядовитым (в четыре раза токсичнее синильной кислоты). Пролив данного КРТ может привести к потере сознания, летальному исходу личного состава расчета стартового комплекса. Это всё говорит о необходимости правильно организовать эвакуацию личного состава расчёта, и поэтому целью данного исследования является повышение безопасности личного состава расчёта при возникновении пролива компонентов ракетного топлива, требующая эвакуации из помещения стартового комплекса. Для достижения этого будет построена модель оценивания воздействия поражающего фактора на личный состав расчёта стартового комплекса (СК).
При постановке задачи на разработку модели воздействия компонентов ракетного топлива на расчёт стартового комплекса исходными данными выбраны:
1. Модель среды (сооружения ПУ) [3]:
S = W,XY,R,<p,v,), где R - множество помещений здания (сооружения СК); W - множество стен помещений; X,Y - множество координат; у- отображение, задающее координаты стен
у:W X х Y, X х Y); о - определяющее отношение для помещений
p = (R,W ,Y);
