高架機(jī)動(dòng)雷達(dá)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)分析

賀 鵬，陳亞峰

(南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

現(xiàn)代高科技局部戰(zhàn)爭(zhēng)中，飛機(jī)低空和超低空突防、巡航導(dǎo)彈超低空襲擊成為空戰(zhàn)常用的攻擊方式，目前對(duì)低空、超低空飛行目標(biāo)和巡航導(dǎo)彈的預(yù)警探測(cè)受到各國(guó)關(guān)注，也成為取得戰(zhàn)爭(zhēng)絕對(duì)主動(dòng)權(quán)必須首先攻克的重要課題之一。高架機(jī)動(dòng)雷達(dá)就是隨現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的需求應(yīng)運(yùn)而生的戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視雷達(dá)，它通過天線舉升機(jī)構(gòu)將天線架設(shè)到一定高度來(lái)克服強(qiáng)地雜波和低空障礙物，提高其作用距離和范圍。同時(shí)，這種雷達(dá)具有較高的機(jī)動(dòng)性，能夠進(jìn)行快速的架設(shè)和撤收以及陣地轉(zhuǎn)移，因而有較強(qiáng)的生存能力。

針對(duì)高架機(jī)動(dòng)雷達(dá)的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文從系統(tǒng)布局優(yōu)化技術(shù)、低風(fēng)阻陣面結(jié)構(gòu)技術(shù)、一體化輕型天線陣面技術(shù)、天線高架技術(shù)和系統(tǒng)機(jī)動(dòng)性設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)高架機(jī)動(dòng)雷達(dá)的結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)進(jìn)行了論述，通過多個(gè)實(shí)例、有限元分析與機(jī)構(gòu)仿真分析探討了幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的解決措施和方法。

1 高架機(jī)動(dòng)雷達(dá)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

高架機(jī)動(dòng)雷達(dá)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于各種不同型號(hào)和功能的雷達(dá)中，國(guó)內(nèi)近期研制的一種低空三坐標(biāo)雷達(dá)由天線車和電站車兩個(gè)運(yùn)輸單元組成，其中天線車上的舉升臂在兩個(gè)油缸的作用下到達(dá)豎直狀態(tài)，之后舉升臂以液壓驅(qū)動(dòng)方式將天線升高至18 m，該系統(tǒng)具有很高的機(jī)動(dòng)性，可在10 min之內(nèi)完成部署。一種多站無(wú)源防空雷達(dá)由5個(gè)運(yùn)輸單元組成，各單元均采用單車方案，天線通過電動(dòng)舉升機(jī)構(gòu)舉升至25 m，系統(tǒng)架設(shè)時(shí)間40 min，撤收時(shí)間30 min。國(guó)外具有代表性的高架機(jī)動(dòng)雷達(dá)如:瑞典的“長(zhǎng)頸鹿”系列雷達(dá)，其中“長(zhǎng)頸鹿”100型機(jī)動(dòng)雷達(dá)工作于G/H波段，雷達(dá)方艙上安裝一個(gè)折疊式天線桅桿，天線升高12 m，部署時(shí)間小于15 min;捷克ERA公司研制“維拉—E”是一部無(wú)源雷達(dá)，它由4個(gè)運(yùn)輸單元組成，天線可升高至17 m，3個(gè)人可在60 min內(nèi)完成雷達(dá)架設(shè)，并能抵御30m/s的大風(fēng)。

從國(guó)內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì)看，高架機(jī)動(dòng)雷達(dá)的天線舉升高度、舉升載荷都有所提高，并朝著高機(jī)動(dòng)方向發(fā)展。然而根據(jù)目前發(fā)展現(xiàn)狀，高架機(jī)動(dòng)雷達(dá)主要存在兩方面的問題，即舉升高度與舉升載荷的矛盾，以及舉升高度和機(jī)動(dòng)性的矛盾。例如:上述的低空三坐標(biāo)雷達(dá)雖然架設(shè)高度達(dá)18 m，但天線質(zhì)量受到限制而制約了雷達(dá)的威力范圍;“長(zhǎng)頸鹿”系列機(jī)動(dòng)性較高，但架設(shè)高度有限。

2 高架機(jī)動(dòng)雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)是雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的源頭，其根本任務(wù)在于將各分系統(tǒng)進(jìn)行集成設(shè)計(jì)。高架機(jī)動(dòng)雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容是將各松散的分系統(tǒng)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，進(jìn)行合理的布局設(shè)計(jì)，解決關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)整機(jī)和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件進(jìn)行仿真計(jì)算;雷達(dá)的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)，就是滿足雷達(dá)的可靠性、維修性、安全性和人機(jī)工程設(shè)計(jì)要求。高架機(jī)動(dòng)雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)的研究?jī)?nèi)容，如圖1所示。

圖1 高架機(jī)動(dòng)雷達(dá)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究?jī)?nèi)容

在總體布局設(shè)計(jì)中，布局方案原則上要從雷達(dá)的工作、運(yùn)輸、維修三個(gè)方面綜合考慮，盡量使設(shè)備的集成度和空間利用率高。在高架工作狀態(tài)，布局設(shè)計(jì)應(yīng)確保設(shè)備重心分配合理，天線設(shè)計(jì)三心合一，天線倒豎、舉升和轉(zhuǎn)動(dòng)等動(dòng)作安全可靠無(wú)干涉。在運(yùn)輸狀態(tài)下，布局設(shè)計(jì)應(yīng)滿足各種運(yùn)輸方式的運(yùn)輸界限，同時(shí)不改變?cè)d車相關(guān)運(yùn)輸參數(shù)。在維修狀態(tài)下，要設(shè)計(jì)好安全的維修路徑及維修空間，維修點(diǎn)應(yīng)設(shè)計(jì)在可視可達(dá)的高度范圍內(nèi)。此外，總體布局設(shè)計(jì)應(yīng)結(jié)合雷達(dá)的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)和人機(jī)工程設(shè)計(jì)進(jìn)行，合理的布局應(yīng)美觀大方，符合人機(jī)工程和環(huán)境適應(yīng)性的要求。

前面提到高架機(jī)動(dòng)雷達(dá)的發(fā)展面臨舉升高度與舉升載荷以及舉升高度和機(jī)動(dòng)性的矛盾，要解決這兩個(gè)問題，需要從天線、舉升機(jī)構(gòu)和雷達(dá)機(jī)動(dòng)性三方面統(tǒng)籌考慮。因此，天線設(shè)計(jì)、天線的高架設(shè)計(jì)和機(jī)動(dòng)性設(shè)計(jì)是高架機(jī)動(dòng)雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的三個(gè)重要方面，也是我們需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。

3 高架機(jī)動(dòng)雷達(dá)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 天線設(shè)計(jì)

雷達(dá)在工作時(shí)天線處于一個(gè)居高臨下的位置，會(huì)受到來(lái)自各種環(huán)境負(fù)載的侵害，如風(fēng)、結(jié)構(gòu)自身質(zhì)量、冰雪和溫度變化等都會(huì)以力和力矩的形式作用于天線，其中風(fēng)和自身質(zhì)量構(gòu)成最主要的負(fù)載組合。因此，對(duì)于高架機(jī)動(dòng)雷達(dá)來(lái)說，在滿足電信指標(biāo)性能的前提下，一方面要減小風(fēng)載荷，另一方面追求結(jié)構(gòu)的輕型化、小型化設(shè)計(jì)是天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要任務(wù)。

3.1.1 減小風(fēng)負(fù)載

天線的風(fēng)載荷大小與天線的形狀、截面積以及風(fēng)速等都有關(guān)系，此外還會(huì)受到雷達(dá)陣地所在地理區(qū)域的影響，風(fēng)載荷大小的公式計(jì)算如下［1］

式中:βz和μz取值與天線所處的高度及地理區(qū)域有較大關(guān)系;μs和A分別為體型系數(shù)和迎風(fēng)面積，與天線的設(shè)計(jì)有直接關(guān)系。天線外形盡可能設(shè)計(jì)成平滑的弧形狀，天線曲面、陣面及其背架力求高透空度將有助于減小μs。比如:將天線罩設(shè)計(jì)為圓柱形和球形，其μs值相比于平面外形分別減小1/3～1/2。為了最大程度減小迎風(fēng)面積A，天線設(shè)備布局應(yīng)結(jié)構(gòu)緊湊，采用高度集成化、模塊化、一體化的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)設(shè)備的高密度組裝。如一種相控陣?yán)走_(dá)陣面采用一體化綜合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和模塊化設(shè)計(jì)的同時(shí)將微波、波控、電源三種網(wǎng)絡(luò)集成設(shè)計(jì)在一塊綜合背板上，代替?zhèn)鹘y(tǒng)中采用電纜互聯(lián)的獨(dú)立微波、波控、電源網(wǎng)絡(luò)組件設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)天線陣面高集成、減小陣面尺寸及輕量化的要求。

3.1.2 天線的質(zhì)量和重心控制

居高臨下的位置決定了天線質(zhì)量和重心對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的重大影響，因此，在不損害電性能和剛強(qiáng)度的前提下應(yīng)堅(jiān)持輕質(zhì)量、低重心、無(wú)偏心或少偏心等設(shè)計(jì)原則。具體設(shè)計(jì)從以下3個(gè)方面考慮:

1)采用各種輕質(zhì)的新型材料，有些航空領(lǐng)域材料可直接應(yīng)用于雷達(dá)領(lǐng)域，如鋁鎂合金、鋁鋰合金、蜂窩復(fù)合材料、玻璃鋼材料、碳纖維復(fù)合材料、聚氨酯發(fā)泡填充材料等。一種球載雷達(dá)拋物面反射器內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用蜂窩復(fù)合材料，內(nèi)外蒙皮采用碳纖維，其中蜂窩密度控制在30 kg/m3左右，相比于其他金屬材料其質(zhì)量大幅降低。

2)“三心”合一設(shè)計(jì)原則，即天線轉(zhuǎn)動(dòng)中心、天線風(fēng)力矩中心、天線重心合一，天線在高架工作狀態(tài)下，“三心”合一設(shè)計(jì)可顯著減小其動(dòng)態(tài)晃動(dòng)，提高系統(tǒng)工作穩(wěn)定性，滿足高架高轉(zhuǎn)速要求。

3)應(yīng)用先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)和手段。例如，預(yù)應(yīng)力技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)中已有廣泛應(yīng)用，根據(jù)其基本思想同樣可以應(yīng)用到天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。圖2為一種相控陣天線采用預(yù)應(yīng)力技術(shù)，1為天線骨架，2、3為左右預(yù)應(yīng)力漲拉索，通過采用該技術(shù)天線質(zhì)量由原1.6 t減為1.2 t。

圖2 預(yù)應(yīng)力相控陣天線示意圖

3.2 天線高架設(shè)計(jì)

天線高架是指天線由運(yùn)輸狀態(tài)到工作狀態(tài)被舉升到一定的高度。升降機(jī)構(gòu)作為天饋系統(tǒng)的承載和舉升平臺(tái)，在雷達(dá)工作中起到了舉足輕重的作用，因此，天線高架設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在升降機(jī)構(gòu)上。升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)綜合運(yùn)用機(jī)電液一體化技術(shù)，其設(shè)計(jì)要點(diǎn)和過程如圖3所示。升降機(jī)構(gòu)一般采用兩種方式實(shí)現(xiàn)升降:曲臂升降和垂直升降。曲臂升降通常用于舉升載荷大但高度不高的場(chǎng)合，具有精度高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。相反，垂直升降可滿足舉升高度較高的要求，但精度較低，工作穩(wěn)定性較差，通常要增加輔助拉緊裝置。圖4為一典型垂直升降機(jī)構(gòu)，要求舉升質(zhì)量400 kg，舉升高度23 m，并在25 m/s下穩(wěn)定工作。為此，該升降機(jī)構(gòu)采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，根據(jù)舉升高度，設(shè)計(jì)7節(jié)套疊鋼管，各節(jié)下端設(shè)置絲杠螺母，電機(jī)通過減速器帶動(dòng)絲杠旋轉(zhuǎn)使鋼管上下運(yùn)動(dòng)，節(jié)與節(jié)之間有鎖緊機(jī)構(gòu)，上升時(shí)自動(dòng)鎖緊，下降時(shí)自動(dòng)解鎖，設(shè)置極限位置檢測(cè)，在升、降到位時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停機(jī)。

圖3 升降機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程與要點(diǎn)

圖4 垂直升降機(jī)構(gòu)示意圖

荷質(zhì)比是指最大舉升載荷與升降機(jī)構(gòu)自身質(zhì)量之比，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，在舉升載荷一定的情況下，荷質(zhì)比越大，越有利于進(jìn)一步提高其舉升高度和機(jī)動(dòng)性。為了確定升降機(jī)構(gòu)最佳外形尺寸及荷重比，根據(jù)圖4建立其舉高狀態(tài)下的有限元模型進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算(如圖5所示)，分7級(jí)建模，節(jié)與節(jié)重疊部位節(jié)點(diǎn)耦合，單元類型為PIPE16和MASS21，分別模擬鋼管和頂部質(zhì)量、頂部施加等效風(fēng)載荷。表1給出了該升降機(jī)構(gòu)在不同風(fēng)速和外形尺寸下的位移和應(yīng)力，通過比較，升降機(jī)構(gòu)直徑選用φ400 mm，能夠在自身質(zhì)量和應(yīng)力變形間取得較好的平衡。

圖5 有限元模型(舉高狀態(tài))

表1 不同工況和結(jié)構(gòu)下的應(yīng)力變形比較

3.3 機(jī)動(dòng)性設(shè)計(jì)

雷達(dá)的機(jī)動(dòng)性是指雷達(dá)快速隱蔽或轉(zhuǎn)移陣地的能力，包括雷達(dá)整機(jī)架撤時(shí)間、運(yùn)輸及陣地適應(yīng)性要求等［2］。相比于常規(guī)雷達(dá)，天線高架對(duì)高架機(jī)動(dòng)雷達(dá)的機(jī)動(dòng)性設(shè)計(jì)提出了更高的要求，在雷達(dá)的架設(shè)撤收過程中，天線的升降往往要花費(fèi)較多的時(shí)間，因此縮短天線升降時(shí)間并對(duì)架設(shè)撤收操作進(jìn)行統(tǒng)籌規(guī)劃對(duì)提高機(jī)動(dòng)性有較大意義。下面以一種典型高架機(jī)動(dòng)雷達(dá)為例(如圖6所示)，闡述其機(jī)動(dòng)性設(shè)計(jì)思路，該雷達(dá)天線升高至17 m，可在10 min內(nèi)完成架撤，其機(jī)動(dòng)性從運(yùn)輸裝載和自動(dòng)架設(shè)/撤收兩方面展開設(shè)計(jì)論證［3］，如表2所示。

圖6 一種高架機(jī)動(dòng)雷達(dá)

表2 機(jī)動(dòng)性設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析表

升降機(jī)構(gòu)為4層空間箱型框架套疊結(jié)構(gòu)，為了減少天線舉升時(shí)間，采用液壓驅(qū)動(dòng)，鋼絲繩聯(lián)動(dòng)的工作方式。即由液壓缸提供動(dòng)力，各節(jié)設(shè)置若干組鋼絲繩滑輪組控制相鄰兩節(jié)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，工作時(shí)可使各節(jié)以相等的相對(duì)行程同步舉升，此時(shí)頂節(jié)對(duì)地運(yùn)動(dòng)速度最快，因而實(shí)現(xiàn)天線的快速舉升。在MATLAB中對(duì)升降機(jī)構(gòu)的舉升過程進(jìn)行仿真分析，舉升過程的建模包括液壓系統(tǒng)、鋼絲繩以及相鄰兩節(jié)之間的分離建模，其中液壓系統(tǒng)的建模仿真可以分析部件的運(yùn)動(dòng)曲線并了解液壓缸運(yùn)動(dòng)規(guī)律［4］。在15 m/s的風(fēng)速條件下，液壓缸動(dòng)力學(xué)仿真分析結(jié)果如圖7所示，根據(jù)圖中所示油缸運(yùn)動(dòng)規(guī)律，升降機(jī)構(gòu)將在3 min左右達(dá)到舉升行程極限(液壓缸最大行程3 m)，此時(shí)液壓缸的最大壓力約為16.8 MPa。

圖7 升降機(jī)構(gòu)舉升過程仿真分析

4 結(jié)束語(yǔ)

高架機(jī)動(dòng)雷達(dá)是近年來(lái)獲得迅速發(fā)展的戰(zhàn)場(chǎng)監(jiān)視雷達(dá)，因其“高架”和“機(jī)動(dòng)”的特點(diǎn)使其對(duì)于現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力。本文從系統(tǒng)布局優(yōu)化技術(shù)、低風(fēng)阻陣面結(jié)構(gòu)技術(shù)、一體化輕型天線陣面技術(shù)、天線高架技術(shù)和系統(tǒng)機(jī)動(dòng)性設(shè)計(jì)技術(shù)對(duì)高架機(jī)動(dòng)雷達(dá)的結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)進(jìn)行了論述，并提出了高架機(jī)動(dòng)雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所面臨問題的解決方法，對(duì)類似雷達(dá)的研制工作具有一定參考意義。后續(xù)工作中，高架技術(shù)應(yīng)該在舉升質(zhì)量和舉升高度上有新的突破，這需要在升降機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式、結(jié)構(gòu)形式、裝配工藝以及試驗(yàn)與仿真分析等方面開展深入研究。機(jī)動(dòng)式系留氣球作為一種浮空器，具有承載質(zhì)量大、升空高、機(jī)動(dòng)性的特點(diǎn)，是解決高架問題的另一種有效平臺(tái)，如美國(guó)雷聲公司研制的JLENS氣球載預(yù)警系統(tǒng)，升空高度達(dá)5 000 m，有效載荷達(dá)3 000 kg。如果在氣球蒙皮上融合“隱身”技術(shù)，減少雷達(dá)波反射，還可有效提高系統(tǒng)生存能力［5］。

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