Стеклопластики являются одним из наиболее распространенных композиционных материалов, сочетающих высокую прочность, небольшую плотность, хорошие диэлектрические свойства и приемлемую цену. Стеклопластик состоит из полимерной матрицы, армированной стекловолокнистым материалом. Использование различных сочетаний армирующих и связующих компонентов позволяет создавать материалы с широким диапазоном регулируемых свойств, что предопределяет большое разнообразие сфер применения стеклопластиков. В частности, стеклопластики широко применяются как в России, так и за рубежом для изготовления радиопрозрачных обтекателей и укрытий приемо-передающих радиотехнических комплексов для авиакосмической, морской, сухопутной техники гражданского и специального назначения.

К радиопрозрачным изделиям (РПИ) из стеклопластиков предъявляется комплекс противоречивых требований. РПИ должны обладать, в первую очередь, заданными радиотехническими характеристиками, от которых зависит дальность действия, точность и надежность работы радиолокационного оборудования и средств связи. Одновременно РПИ должны быть достаточно прочными и надежно защищать находящиеся под ними антенны и радиолокационное оборудование от внешних воздействий (силовых, климатических и др.) на протяжении всего срока эксплуатации.

Несмотря на наличие отдельных монографий, посвященных данной тематике, опубликованные книги (в период до 1980-х годов) не охватывают полностью накопленную и, тем более, не освещают появившуюся в последнее время информацию. В известных публикациях диэлектрические свойства отдельных стеклопластиков приводятся, чаще всего, для фиксированных частот. Некоторая часть опубликованных источников содержит лишь отрывочные справочные, не систематизированные сведения о свойствах стеклопластиков в исходном состоянии и, схематично, сведения о технологии изготовления РПИ. Сведений об изменении диэлектрических свойств материалов под воздействием внешних факторов в процессе длительной эксплуатации опубликовано крайне мало, а в литературе, посвященной вопросам радиотехнических расчётов РПИ, как правило, не увязываются материаловедческие и технологические вопросы с радиотехническими характеристиками. Вместе с тем дальнейшее развитие радио-технических средств различного назначения, расширение сферы их применения диктуют необходимость решения новых, сложных и разнообразных задач в области материаловедения, технологии, создания методов инженерных расчетов радиопрозрачных изделий.

7.2. Основные конструкции радиопрозрачных стенок.

РПИ с монолитной однослойной конструкцией стенки находят широкое применение благодаря простоте конструкции и технологии их изготовления, надежности эксплуатации.

С точки зрения электродинамики следует различать РПИ с согласованной (полуволновой) толщиной стенки и РПИ тонкостенные, т.е. с толщиной стенок, не критичной к длине волны (d / l значительно меньше1). Радиопрозрачные изделия последнего типа имеют достаточно хорошие радиотехнические показатели, они обеспечивают возможность работы на нескольких разнесенных частотах или в непрерывной, довольно широкой полосе в относительно большом диапазоне углов падения. Факторами, ограничивающими область применения тонкостенных РПИ, являются длина рабочих радиоволн и прочностные характеристики изделия. При малых длинах волн толщина стенки, обеспечивающая приемлемую радиопрозрачность, становится очень малой и может не обеспечить требования к прочности изделия.

Другой тип однослойных стенок - полуволновых - заметно расширяет область применения однослойных конструкций, особенно в СВЧ-диапазоне. Использование стенок 1-го, 2-го, а иногда и более высокого порядка часто позволяет обеспечить достаточную прочность, хорошие радиотехнические характеристики.

Однако, применение таких конструкций для РПИ, предназначенных для работы в дециметровом диапазоне радиоволн, вряд ли целесообразно, кроме отдельных специфических объектов, в связи с избыточной массой. В самом деле, уже при l = 10 см толщина полуволновой стенки даже 1-го порядка составляет в соответствии с уравнением (7.1-21) примерно 25 мм (при e = 4,0). Кроме того, в случае использования полуволновых стенок не всегда удается подобрать компромиссную толщину для обеспечения приемлемой радиопрозрачности при работе на нескольких частотах.

Несмотря на большое многообразие диэлектрических материалов с различными механическими и диэлектрическими свойствами, часто бывает невозможно спроектировать обтекатель с однослойной конструкцией стенки, удовлетворяющий одновременно всем радиотехническим, механическим, весовым, габаритным и иным требованиям. В связи с этим были разработаны и широко используются другие конструкции радиопрозрачных стенок, рассматриваемых ниже.

Взаимное уничтожение отраженных волн может быть получено не только в случае использования монолитных однослойных стенок с толщиной, согласованной с длиной волны. В частности, хорошие результаты по радиопрозрачности могут быть достигнуты при использовании многослойных конструкций, содержащих два (или более) тонких листа, разделенных легким заполнителем с низкими значениями e и tgd . В этом случае компенсация отраженных радиоволн обеспечивается тонкими листами плотного диэлектрика при соответствующем выборе толщин легкого заполнителя (расстояния между листами).

Трехслойные обтекатели обладают малой массой, хорошими прочностными показателями и имеют высокие радиотехнические характеристики. Следует отметить также хорошие теплоизоляционные свойства трехслойных стенок. Таким образом, обтекатели трехслойной конструкции с легкими заполнителями имеют целый ряд положительных качеств. Именно поэтому они находят в настоящее время широкое применение в наземных и судовых станциях, а также для гражданских и некоторых военных самолетов. Для обеспечения хорошей радиопрозрачности толщину наружных слоев (обшивок) выбирают, как правило, весьма малой по сравнению с длиной волны. Поэтому границы применения трехслойных стенок с легким заполнителем определяются, в первую очередь, именно рабочим диапазоном частот.

В современных самолетах трехслойные сотовые обтекатели нашли широкое применение в трех и более сантиметровом диапазоне, так как они сочетают удовлетворительные радиотехнические свойства в достаточно большом интервале углов падения ЭМВ (до 65-70 °) с высокой механической прочностью и малой массой. При переходе к более коротким волнам создание трехслойной стенки первого порядка становится в большинстве случаев нецелесообразным - стенки получаются очень тонкими и, соответственно, прочность изделия резко падает.

Для расширения области применения радиопрозрачных устройств с легким заполнителем, улучшения их радиотехнических характеристик и, в частности, для обеспечения работы многоволновых (широкополосных) приемо-передающих комплексов разработаны более сложные стенки: пяти-, семислойные и т.п. Повышенные прочность, жесткость и радиопрозрачность позволяют применять многослойные стенки с ячеистым заполнителем для обтекателей остроконечной формы с углом при вершине до -35 °. Кроме того, такие стенки расширяют возможность получения многоволновых обтекателей, хорошо работающих при различных длинах волн и в относительно широком диапазоне углов падения. Однако изготовление пяти-, семислойных и т.п. обтекателей с ячеистым заполнителем требует больших затрат ручного труда, и поэтому они применяются лишь в отдельных, наиболее ответственных объектах морской, авиационной и ракетной техники.

Разновидностью радиопрозрачных стенок многослойной конструкции являются стенки с усредненной диэлектрической проницаемостью, в которых чередуются слои армирующих материалов с низкой и высокой диэлектрической проницаемостью. При изготовлении таких конструкций для наружных обшивок используют стеклоткани сатинового или полотняного переплетения, а в качестве внутренних слоев - стеклоткани разреженных структур (стеклосетки).

В обтекателях, работающих в широком диапазоне волн, могут также применяться стенки, имеющие плавное изменение диэлектрической проницаемости по толщине. Повышение уровня радиопрозрачности (снижения уровня отражения ЭМЭ) может быть обеспечено также и при использовании известного эффекта просветления оптики. Для реализации этого эффекта на основном (силовом) слое диэлектрика должен располагаться дополнительный просветляющий слой с диэлектрической проницаемостью и толщиной в соответствии с уравнениями (7.1-24) и (7.1-25). Однако последние варианты, широко используемые для оптических приборов, не нашли широкого практического применения для изделий радиотехнического назначения. Наибольшие трудности при практической реализации этих вариантов возникают в процессе подбора материалов с соответствующими показателями диэлектрической проницаемости, а также при защите наружных слоев, особенно, в случае их малой плотности.

Весьма перспективными являются диэлектрические стенки с введенными в них реактивными компенсирующими элементами в виде металлических проводников. Указанные элементы создают отраженную волну, равную по мощности и обратную по знаку волне, отраженной от диэлектрический стенки. В данном случае появляется возможность выбирать толщину стенки из условий обеспечения механической прочности. Возможно размещение одной, двух, трех и более реактивных сеток по толщине диэлектрика на определенном расстоянии друг от друга.

Компенсирующие металлические сетки могут быть использованы и в многослойных конструкциях. В этом случае сетки вводят в обшивки. Применение компенсационных сеток в многослойных стенках с ячеистым заполнителем позволяет при хорошей радиопрозрачности повысить механическую прочность за счет возможности увеличения толщин обшивок.

Каждый тип радиопрозрачных стенок обладает присущим только ему сочетанием радиотехнических, прочностных, эксплуатационных и др. специфических свойств, поэтому в каждом конкретном случае при выборе оптимальной конструкции следует отдавать предпочтение такому варианту, который в максимальной степени отвечает предъявляемым требованиям.