本公開內(nèi)容涉及容納雷達系統(tǒng)或其他類似的通信系統(tǒng)的航空器、火箭、導彈等的鼻錐體組件或天線罩尖端組件的構(gòu)造。

發(fā)明背景

航空器、火箭、導彈等的鼻錐體通常包括容納航空器、火箭、導彈等的雷達系統(tǒng)或其他類似通信系統(tǒng)的天線罩。在航空器、火箭、導彈等的運轉(zhuǎn)期間，天線罩經(jīng)歷高速，其在天線罩的材料中產(chǎn)生高溫。在火箭和導彈的尖端上的天線罩中是尤其是這樣。

高溫先進的火箭和導彈天線罩通常由單塊陶瓷材料制造。這些單塊陶瓷材料的實例包括玻璃陶瓷(Corning Incorporated的)、氮化硅(Ceradyne，Inc.的)和熔凝硅石。這些材料具有用于良好電力傳輸?shù)牡徒殡姵?shù)。天線罩通常構(gòu)造為具有截錐(truncated cone)配置，其在圓錐配置的頂部具有頂開口和在圓錐配置的底部具有底開口。天線罩具有容納雷達系統(tǒng)的內(nèi)部體積。

天線罩的尖端通常與天線罩分開地構(gòu)造。這樣做的一個原因是天線罩的陶瓷材料在天線罩構(gòu)造期間收縮。天線罩需要具有用于良好電力傳輸和雷達系統(tǒng)預報的精確的橫截面尺寸，以及用于空氣動力學的平滑的外部表面。這需要集中天線罩，和在車床上加工和拋光天線罩的外部表面。形成具有整體尖端的天線罩使得這些制造步驟不實際。另外，形成具有整體尖端的單塊陶瓷材料的天線罩在尖端處產(chǎn)生具有易碎的單塊陶瓷的天線罩。如果尖端通過飛行中的物體——即使為雨——直接沖擊受到撞擊，其可造成尖端和天線罩的嚴重故障。

通常使用單獨的金屬尖端構(gòu)造高速陶瓷天線罩。金屬尖端改善抗沖擊性并且降低天線罩的單塊陶瓷材料在使用期間的嚴重故障的可能性。然而，在天線罩的單塊陶瓷材料上使用金屬尖端產(chǎn)生許多問題。金屬尖端阻礙信號從雷達系統(tǒng)傳輸，并且反射或散射雷達系統(tǒng)的信號，這產(chǎn)生降低雷達系統(tǒng)性能的大的盲點。

另外，金屬尖端的熱膨脹系數(shù)高于用于構(gòu)造天線罩的單塊陶瓷材料的熱膨脹系數(shù)。這使得在金屬尖端和陶瓷天線罩之間難以產(chǎn)生氣密密封，該氣密密封是保持天線罩的內(nèi)部體積中受控環(huán)境以保護雷達系統(tǒng)組件所必需的。隨著時間的推移，在金屬尖端和易碎的陶瓷天線罩之間的熱膨脹系數(shù)差異在天線罩的單塊陶瓷材料中產(chǎn)生微裂隙，其使得金屬尖端和天線罩之間的密封泄露，并且還使得金屬尖端與陶瓷天線罩分離。

使用單獨的單塊陶瓷尖端附接至單塊陶瓷天線罩也是有問題的。單塊陶瓷尖端的易碎性質(zhì)可以使得一旦物體甚至雨沖擊造成嚴重故障。將單獨的單塊陶瓷尖端牢固地附接至易碎的陶瓷天線罩也是困難的。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本公開內(nèi)容的天線罩尖端組件由天線罩、附接至天線罩的單獨尖端和用于將尖端附接至天線罩的套管緊固件組成。尖端具有外部螺紋表面，并且套管緊固件具有內(nèi)部螺紋表面。當將尖端附接至天線罩時，套管緊固件內(nèi)部螺紋表面擰緊在尖端外部螺紋表面上。

天線罩由氧化物陶瓷基體(matrix)復合材料構(gòu)造。該材料具有連續(xù)的纖維，其消除天線罩的嚴重故障的可能性。天線罩具有良好的電子信號傳輸特性和低的熱膨脹系數(shù)。天線罩具有截錐。天線罩的截錐配置構(gòu)型由具有圓錐形配置的天線罩的外部表面限定。天線罩具有與外部表面相對的內(nèi)部表面。內(nèi)部表面圍繞天線罩的內(nèi)部體積。天線罩的長度在天線罩長度的相對端處的頂表面和底表面之間延伸。在天線罩的頂表面中提供向天線罩的內(nèi)部體積打開的開口。

尖端被附接至天線罩的頂表面。尖端由氧化鋁陶瓷材料和碳化硅晶須的混合物構(gòu)造。尖端具有圓柱形配置的近端表面和圓錐形配置的遠端表面。外部螺紋表面在尖端的近端表面上形成。外部螺紋表面延伸通過天線罩的頂表面中的開口并且進入天線罩的內(nèi)部體積。

套管緊固件也由氧化鋁陶瓷材料和碳化硅晶須的混合物構(gòu)造。套管緊固件具有外部表面，該外部表面具有截錐配置，該截錐配置與天線罩的內(nèi)部表面的配置互補。套管形成有螺紋內(nèi)部表面，該螺紋內(nèi)部表面與尖端的螺紋外部表面互補。套管螺紋內(nèi)部表面擰緊在尖端的螺紋外部表面上，將尖端附接至天線罩。

在套管緊固件的外部表面和天線罩的內(nèi)部表面之間提供玻璃密封。玻璃密封也在套管緊固件和尖端之間延伸。

用于構(gòu)造尖端和套管緊固件的氧化鋁陶瓷材料和碳化硅晶須晶體材料的混合物具有與用于構(gòu)造天線罩的氧化物陶瓷基體復合材料的熱膨脹系數(shù)緊密匹配的熱膨脹系數(shù)(CTE)。這消除了金屬尖端和單塊陶瓷材料天線罩之間的熱膨脹系數(shù)錯配問題。例如，由具有30％晶須增強的氧化鋁的Greenleaf WG-300制造的尖端和套管具有6.0×10^-6的CTE，和由具有18％晶須增強的WG-150制造的尖端和套管具有7.0×10^-6的CTE。這兩種尖端和套管材料與使用Nextel-720纖維增強的氧化物CMC——其具有6.56ppm/C的平面內(nèi)CTE——或采用Nextel-610纖維的氧化物CMC——其具有7.87×10^-6/C的平面內(nèi)CTE——具有緊密的CTE匹配。由氧化鋁陶瓷材料和碳化硅晶須的混合物構(gòu)造的尖端可承受高沖擊，而沒有嚴重故障。該尖端也不如金屬尖端一樣阻礙或反射雷達。

已討論的特征、功能和優(yōu)勢可以在各種實施方式中單獨地實現(xiàn)或可以在又其他實施方式中組合，其進一步細節(jié)利用以下描述和附圖可見。

附圖說明

圖1是本公開內(nèi)容的尖端的透視圖的表示。

圖2是本公開內(nèi)容的尖端的側(cè)視圖的表示。

圖3是本公開內(nèi)容的緊固件套管的透視圖的表示。

圖4是緊固件套管的近端的平面圖的表示。

圖5是緊固件套管的遠端的平面圖的表示。

圖6是緊固件套管的側(cè)視圖的表示。

圖7是組裝至天線罩的尖端和緊固件套管的橫截面?zhèn)纫晥D的表示。

圖8是表示制造天線罩尖端的方法的流程圖。

具體實施方式

圖1是本公開內(nèi)容的尖端12的透視圖的表示。圖2是尖端12的側(cè)視圖的表示。尖端12具有中心軸14。尖端12的外部表面配置是圍繞中心軸14對稱的。尖端外部表面配置包括近端表面部分16和遠端表面部分18。近端表面部分16由外部螺紋表面22限定。在圖1和2表示的尖端12的實例中，外部螺紋表面22由3/8-16螺紋組成。尖端12的遠端部分18由外部圓錐形表面24限定。圓錐形表面24從圓錐形表面的圓形底邊緣26延伸至圓拱的(rounded)頂表面28。在圖1和2中表示的尖端12的實例中，圓拱的頂表面28具有0.125英寸的曲率半徑。尖端12的總長度為1至6英寸，標稱(nominally)約1.40英寸。外部螺紋表面22的長度為0.25至2英寸，標稱約0.425英寸。取決于尖端12的應(yīng)用，尖端的尺寸可以是不同的。

尖端12由采用晶須增強技術(shù)的陶瓷復合材料構(gòu)造。尖端12的硬陶瓷基體用極其強的、堅硬的碳化硅晶體——通常稱為晶須——增強。尖端12由陶瓷基體復合材料構(gòu)造，該陶瓷基體復合材料為用碳化硅晶須增強的氧化鋁陶瓷材料的混合物。用于構(gòu)造尖端12的陶瓷基體復合材料的一個實例是Greenleaf Corporation的晶須增強的陶瓷材料在中，氧化鋁陶瓷材料粉末和碳化硅晶須的混合物中碳化硅晶須的百分比為約30％。在用于構(gòu)造尖端12的陶瓷復合材料的其他實例中，氧化鋁陶瓷材料粉末和碳化硅晶須的混合物中碳化硅晶須的百分比在混合物的18％-30％的范圍中。

在尖端12的構(gòu)造中，制備了氧化鋁陶瓷材料粉末和碳化硅晶須的混合物。將氧化鋁陶瓷材料粉末和碳化硅晶須的混合物投入高溫/高壓壓機內(nèi)，用于形成將用于構(gòu)造尖端12的坯料(blank)。該壓機具有配置為由混合物的氧化鋁陶瓷材料粉末和碳化硅晶須形成尖端12的模具?；旌衔镂挥趬簷C中模具之間，并且在高溫(高于3,000華氏度)下熱壓和在高壓下壓縮以形成尖端12的坯料。形成尖端12的坯料，其具有為圓柱形的尖端近端部分16和具有圓錐形配置的尖端遠端部分18。坯料是致密的并且具有細粒尺寸(fine grain size)。在與壓機的溫度同時地施加至壓機中的混合物的外部壓力產(chǎn)生氧化鋁陶瓷材料和增強碳化硅晶須的良好固結(jié)。

然后在尖端12的圓柱形近端部分16上加工外部螺紋表面22。螺紋表面22的螺槽(valley)的底部加工為淺的以降低負載下螺紋表面22的切口敏感性。坯料中的晶須有助于防止微裂隙在螺紋表面22加工期間形成和傳播通過尖端近端部分16。

圖3-6顯示了本公開內(nèi)容的套管緊固件32的表示。套管緊固件32具有中心軸34。套管緊固件32的外部表面配置是圍繞中心軸34基本上對稱的。套管緊固件32是基本上圓錐形的螺母。套管緊固件32的外部表面36具有截錐配置。外部表面36從大體環(huán)形近端表面38延伸至環(huán)形遠端表面42。內(nèi)部螺紋表面44從近端表面38延伸通過套管緊固件32的中心至遠端表面42。工具界面槽46延伸跨越近端表面38的中心。在圖3-6中表示的套管緊固件32的實例中，套管緊固件具有0.2至1.25英寸，標稱約0.30英寸的軸長。近端表面38的直徑為0.5至2.0英寸，標稱約0.727英寸。遠端表面42的直徑為0.25至1.75英寸，標稱約0.536英寸。內(nèi)部螺紋表面44可以為1/4-16至1/2-16，標稱3/8-16螺紋。取決于套管緊固件32的應(yīng)用，套管緊固件32的尺寸可以是不同的。

構(gòu)造套管緊固件32的方法與構(gòu)造尖端12的方法類似。在構(gòu)造套管緊固件32中，制備了氧化鋁陶瓷材料粉末和碳化硅晶須的混合物。將氧化鋁陶瓷材料粉末和碳化硅晶須的混合物投入高溫/高壓壓機內(nèi)，用于形成將用于構(gòu)造套管緊固件32的坯料。壓機具有配置用來形成套管緊固件32的坯料的模具。為了形成套管緊固件32的內(nèi)部螺紋表面44，用外部螺紋加工石墨預制件，該外部螺紋與套管緊固件32的內(nèi)部螺紋表面44互補。在壓機加熱和壓縮混合物之前，將預制件放置在氧化鋁陶瓷材料粉末和碳化硅晶須的混合物的中心。在壓機中加熱和壓縮混合物為套管緊固件32的致密的、完成的陶瓷坯料期間，圍繞預制件形成套管緊固件32的內(nèi)部螺紋表面44。在熱壓形成套管緊固件坯料的混合物完成之后，具有外部螺紋表面的柔軟的石墨預制件從套管緊固件坯料中清理，在套管緊固件32中留下成本有效的、清潔的、精確的內(nèi)部螺紋表面44。因為內(nèi)部螺紋表面44在壓機中熱壓氧化鋁陶瓷材料粉末和碳化硅晶須期間形成，所以不發(fā)生內(nèi)部螺紋表面44的收縮。這使得能夠生產(chǎn)高耐受內(nèi)部螺紋表面44，該內(nèi)部螺紋表面44與尖端12的加工的外部螺紋表面22緊密匹配。

作為使用氧化鋁陶瓷材料粉末和碳化硅晶須的混合物構(gòu)造天線罩尖端12和套管緊固件32的可選方案，氮化硅(Si₃N₄)可替代其使用。因為與WG-300材料(6.0×10^-6/C)或甚至更高的金屬相比，氮化硅材料具有通常3.0至3.5×10^-6/C的低熱膨脹，所以其與低CTE天線罩52材料是良好的，如通常的單塊陶瓷材料，包括玻璃陶瓷(Corning Incorporated的)、熔凝硅石和較新的單塊、高溫的氮化硅天線罩(Ceradyne，Inc.的)。

圖7是尖端12和套管緊固件32與其一起使用的天線罩52的橫截面圖的表示。天線罩52具有截錐配置。天線罩52的截錐配置由具有圓錐形配置的天線罩的外部表面54限定。天線罩52具有與外部表面54相對的內(nèi)部表面56，其也具有圖7的天線罩的表示中的圓錐形配置。內(nèi)部表面56圍繞包含雷達系統(tǒng)的天線罩的內(nèi)部體積58。外部表面54和內(nèi)部表面56從頂表面62延伸至天線罩52長度的相對端處的底表面64。在頂表面62中提供向天線罩52的內(nèi)部體積58打開的開口66。

天線罩52由氧化物陶瓷基體復合材料構(gòu)造。該材料具有連續(xù)的纖維，其消除天線罩52的嚴重故障的可能性。天線罩52具有良好的電子信號傳輸特性和低的熱膨脹系數(shù)，這歸功于用于構(gòu)造天線罩的材料。

圖7表示包括尖端12、套管緊固件32和天線罩52的天線罩尖端組件68。在圖7中，尖端12的近端部分16插入通過天線罩52的頂表面32中的開口66。在套管緊固件32螺紋擰緊(screw threaded)在尖端近端部分16的外部螺紋表面22之前，將玻璃72粘合至套管緊固件32的內(nèi)部螺紋表面44以及套管緊固件32的環(huán)形遠端表面42和套管緊固件32的外部表面36。套管緊固件32接著被螺紋擰緊在尖端12的外部螺紋表面22上。套管緊固件32被繼續(xù)螺紋擰緊在尖端12的外部螺紋表面22上，直到尖端遠端部分18與天線罩頂表面62接合，和套管緊固件的外部表面36與天線罩52的內(nèi)部表面56接合。

然后加熱天線罩尖端組件68，使得尖端12和天線罩52膨脹。尖端12的熱膨脹系數(shù)稍微小于天線罩52的熱膨脹系數(shù)。由于熱膨脹系數(shù)的輕微差異，這使得尖端12在天線罩52中變得松動。加熱使得玻璃72融化并融合套管緊固件32至尖端12以及融合套管緊固件32和尖端12二者至天線罩52。當冷卻天線罩尖端組件68時，天線罩52略微高的熱膨脹系數(shù)將使玻璃密封72壓縮，形成沿著套管緊固件32的外部表面62和天線罩52的內(nèi)部表面56，以及套管緊固件32的遠端表面42和尖端12的遠端部分18之間的良好密封。玻璃密封72還將尖端12的外部螺紋表面22鎖緊至套管緊固件32的內(nèi)部螺紋表面44。當在飛行期間加熱尖端12時，其將不會與天線罩52松開。

此外，本公開內(nèi)容包括根據(jù)下述條款的實施方式：

條款1.一種天線罩尖端組件，其包括：

天線罩(52)，所述天線罩(52)具有外部表面和與外部表面相對的內(nèi)部表面，所述天線罩(52)具有由內(nèi)部表面包圍的內(nèi)部體積，并且所述天線罩(52)具有通過外部表面至內(nèi)部體積的開口；

尖端(12)，所述尖端(12)具有圓柱形配置的近端表面和圓錐形配置的遠端表面，所述尖端(12)的近端表面延伸通過所述天線罩(52)的開口并且進入所述天線罩(52)的內(nèi)部體積；和，

所述天線罩(52)的內(nèi)部體積中所述尖端(12)的近端表面上的套管(32)，所述套管(32)使所述尖端(12)附接至所述天線罩(52)。

條款2.根據(jù)條款1所述的天線罩尖端組件，進一步包括：

所述套管(32)施加壓縮力至所述天線罩(52)的內(nèi)部表面，和所述套管(32)施加張力至所述尖端(12)的近端表面。

條款3.根據(jù)條款1所述的天線罩尖端組件，進一步包括：

所述天線罩(52)的內(nèi)部表面具有圓錐形配置；和，

所述套管(32)具有圓錐形配置的外部表面，其與所述天線罩(52)內(nèi)部表面的圓錐形配置互補。

條款3.根據(jù)條款1或2所述的天線罩尖端組件，進一步包括：

在所述套管(32)和所述天線罩(52)的內(nèi)部表面之間的玻璃密封(72)。

條款4.根據(jù)條款1所述的天線罩尖端組件，進一步包括：

所述尖端(12)的近端表面配置為外部螺紋表面；

所述套管(32)具有通過所述套管(32)的內(nèi)部螺紋表面；和，

所述套管(32)的內(nèi)部螺紋表面擰緊在所述尖端(12)的外部螺紋表面上。

條款5.根據(jù)條款4所述的天線罩尖端組件，進一步包括：

所述天線罩(52)具有圓錐形配置的長度，所述天線罩(52)的長度在所述天線罩(52)的長度的相對端處的頂表面和底表面之間延伸；和，

所述尖端(12)被附接至所述天線罩(52)的頂表面。

條款6.根據(jù)條款5所述的天線罩尖端組件，進一步包括：

所述尖端(12)由氧化鋁陶瓷材料和碳化硅晶須的混合物構(gòu)造。

條款7.根據(jù)條款5所述的天線罩尖端組件，進一步包括：

所述尖端(12)由氮化硅構(gòu)造。

條款8.根據(jù)條款7所述的天線罩尖端組件，進一步包括：

所述天線罩(52)由陶瓷基體復合材料構(gòu)造。

條款9.根據(jù)條款8所述的天線罩尖端組件，進一步包括：

所述套管(32)由氧化鋁陶瓷材料和碳化硅晶須的混合物構(gòu)造。

條款10.根據(jù)條款8所述的天線罩尖端組件，進一步包括：

所述套管(32)由氮化硅構(gòu)造。

可以對本文描述和闡明的裝置構(gòu)造和其操作方法做出各種改進，而不背離本發(fā)明的范圍，以上描述所包含的或在附圖中所顯示的所有物質(zhì)旨在被闡釋為示意性地，而不是限制性的。因此，本公開內(nèi)容的寬度和范圍不應(yīng)被任一種以上描述的示例性實施方式限制，而應(yīng)該僅由所附權(quán)利要求和其等價物限定。