機(jī)載毫米波測云雷達(dá)吊艙關(guān)鍵技術(shù)研究?

錢 軍,牛忠文

(安徽四創(chuàng)電子股份有限公司，安徽合肥230088)

0 引言

機(jī)載W波段測云雷達(dá)探測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上可以分為通用飛行平臺Y7載機(jī)、飛機(jī)機(jī)艙內(nèi)電子設(shè)備和吊艙內(nèi)電子設(shè)備三部分。根據(jù)總體方案要求，吊艙內(nèi)置透鏡天線/饋線、發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、伺服裝置和反射器驅(qū)動機(jī)構(gòu)等主要系統(tǒng)，其余分系統(tǒng)置于飛機(jī)機(jī)艙的客艙內(nèi)。飛機(jī)客艙為氣密艙，客艙空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)和壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)足以保證艙內(nèi)溫度和壓力適宜。

機(jī)艙外掛之吊艙，是雷達(dá)主要設(shè)備安裝的主體結(jié)構(gòu)。內(nèi)置的發(fā)射系統(tǒng)工作于W波段，頻率高達(dá)94 GHz，峰值功率達(dá)1.2 k W。工程研制期間，該發(fā)射機(jī)的放大管只能立足于國外進(jìn)口，同時由于受到許多外界因素的制約，以及適應(yīng)機(jī)載環(huán)境的發(fā)射系統(tǒng)價格太高，我們只能采用國外該系統(tǒng)的民用型發(fā)射系統(tǒng)。因此，國外民用型地基發(fā)射機(jī)系統(tǒng)在機(jī)載平臺下的環(huán)境適應(yīng)性成為吊艙環(huán)控技術(shù)研究的關(guān)鍵。

由于要獲得穩(wěn)定的掃描波束，吊艙內(nèi)天饋系統(tǒng)中透鏡天線、反射板和發(fā)射系統(tǒng)中的發(fā)射管以及接收系統(tǒng)均采用剛性結(jié)構(gòu)連接，其中透鏡天線、發(fā)射管和接收機(jī)均以同一剛性結(jié)構(gòu)件作為固定基礎(chǔ)。內(nèi)置的天饋系統(tǒng)，由于采用透鏡天線及可控掃描的反射板形式，要求吊艙內(nèi)天饋系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計和總體裝配時要有精確的設(shè)計基準(zhǔn)、加工基準(zhǔn)和裝配基準(zhǔn)。因此，保證天線電軸、吊艙軸線、反射板中心及其旋轉(zhuǎn)軸線位于同一基線上是吊艙研制過程中又一關(guān)鍵技術(shù)[1]。

1 發(fā)射機(jī)環(huán)控技術(shù)研究

國外某公司提供的發(fā)射系統(tǒng)所給出的發(fā)射機(jī)工作和儲存環(huán)境要求見表1[2]。對照《軍用地面雷達(dá)通用規(guī)范》可以看出，其發(fā)射機(jī)系統(tǒng)對環(huán)境要求等同于地面雷達(dá)系統(tǒng)的環(huán)境要求指標(biāo)。

吊艙隨載機(jī)飛行于4 000～6 000 m高空，飛行速度為400～500 km/h，工作環(huán)境溫度為-40～+55℃。從整機(jī)對發(fā)射機(jī)的工作環(huán)境要求和發(fā)射機(jī)能夠適應(yīng)的工作環(huán)境條件來看，兩者還是存在較大的區(qū)別，因此在工程實施中必須采用帶環(huán)控系統(tǒng)的吊艙實現(xiàn)溫度、濕度、壓力以及結(jié)構(gòu)抗振、電磁兼容等一系列機(jī)載環(huán)境適應(yīng)性。吊艙內(nèi)設(shè)置密封壓力罐，發(fā)射機(jī)、接收機(jī)和饋線器件安裝在罐內(nèi)，通過波導(dǎo)與透鏡天線連接。壓力罐內(nèi)射頻裝置與外部大氣隔絕，并充有微正壓空氣，保證發(fā)射機(jī)、波導(dǎo)饋線以及接收機(jī)工作在合適的壓力范圍內(nèi)，并且惡劣的外部環(huán)境不會影響到內(nèi)部的射頻裝置的正常工作。壓力罐內(nèi)的速調(diào)管采用風(fēng)機(jī)強(qiáng)迫擾動，壓力罐外采用沖壓空氣冷卻[3-4]。

因此，內(nèi)置密封壓力罐成為機(jī)載W波段測云雷達(dá)外掛吊艙區(qū)別與一般機(jī)載電子設(shè)備吊艙的最大特點。吊艙及密封罐裝配結(jié)構(gòu)如圖1所示，吊艙環(huán)控方案如圖2所示。

表1 發(fā)射系統(tǒng)環(huán)境要求

圖1 吊艙及密封壓力罐裝配結(jié)構(gòu)圖

圖2 吊艙環(huán)控方案圖

密封壓力罐環(huán)控系統(tǒng)由密封罐罐體、冷卻風(fēng)扇(G3G-108-BB01-02)、換熱風(fēng)扇(G3G140-AV03-02)、電加熱器、控制系統(tǒng)、壓力和溫度傳感器等組成。2臺冷卻風(fēng)扇，直接冷卻電子設(shè)備，將熱量轉(zhuǎn)移到罐內(nèi)空氣中。罐內(nèi)設(shè)計有沿罐體圓周方向的導(dǎo)流板以及1臺換熱風(fēng)扇，形成沿圓周方向的換熱氣流，將罐內(nèi)空氣熱量轉(zhuǎn)移到罐體壁面。同時罐外低溫沖壓空氣吹拂罐體外表面，罐壁熱量隨沖壓空氣排出吊艙外。

當(dāng)環(huán)境溫度過低，導(dǎo)致罐內(nèi)溫度低于控制點(30℃)時，罐內(nèi)循環(huán)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降低;當(dāng)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速降至最低，而罐內(nèi)溫度仍然低于控制點時，加熱器打開，通過調(diào)節(jié)加熱器功率使罐內(nèi)溫度在控制點附近。由于加熱功率有限，因此在極低溫度環(huán)境下，為降低系統(tǒng)成本，采用限制罐外冷空氣流量的方法避免罐內(nèi)溫度過低，具體方法是起飛前在沖壓空氣進(jìn)氣口加裝孔板限流。

控制系統(tǒng)為智能式全自動集中控制的方式，以操作控制按鈕為主，采用可編程控制器(PLC)為控制核心，電源系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)及冷風(fēng)循環(huán)系統(tǒng)、參數(shù)采集系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)及操作顯示系統(tǒng)等高度集中，實現(xiàn)系統(tǒng)正常的艙內(nèi)溫度、壓力等參數(shù)的顯示以及對三個風(fēng)扇狀態(tài)的控制。

密封壓力罐的主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2 密封罐的主要技術(shù)指標(biāo)

經(jīng)計算分析和試驗實測數(shù)據(jù)證明，上述環(huán)控方案操作簡單、工程可實現(xiàn)性強(qiáng)，且有效可靠。試驗實測的熱負(fù)荷性能數(shù)據(jù)表如表3所示。

表3 密封罐熱負(fù)荷性能數(shù)據(jù)表

2 吊艙總裝技術(shù)研究

機(jī)載W波段測云雷達(dá)中波束掃描通過反射板±30°的往返擺動來實現(xiàn)，要求透鏡天線在安裝后和反射板軸線的同軸度不大于0.2 mm，同時要求艙體結(jié)構(gòu)變形導(dǎo)致透鏡喇叭和反射板兩個設(shè)備的軸線夾角不大于0.1°，其中，保證吊艙軸線、透鏡天線軸線、反射板中心和反射板旋轉(zhuǎn)軸線的同軸度是吊艙研制的關(guān)鍵。

吊艙結(jié)構(gòu)一般由框、桁和梁等組成。根據(jù)吊艙的受力特點和設(shè)備的安裝精度要求，吊艙采用整體式上梁和整體框結(jié)構(gòu)。環(huán)控密封壓力罐罐體采用2A12鋁合金密封鉚接成型，封頭、法蘭采用7050、2024航空鋁合金機(jī)加成型。

吊艙與密封罐進(jìn)行裝配，在吊艙上配作定位導(dǎo)向裝置和便于密封罐推入吊艙內(nèi)的滑動導(dǎo)軌，保證密封罐與吊艙間的位置要求。

透鏡天線和密封罐的安裝，借助套筒。套筒大端與密封罐相連，下端固定透鏡定位臺階面。由于密封罐和套筒上的安裝連接孔均采用數(shù)控加工，具有精確的位置度，所以，透鏡與密封罐之間軸線位置精度能得以保證。在配裝后，利用定位銷定位，保證重復(fù)定位精度。

透鏡、反射板、密封罐與吊艙配裝工作中，首先組裝了透鏡和密封罐，再將該組件裝入吊艙，配裝擋風(fēng)板，依據(jù)透鏡和密封罐組件的軸線，配裝反射器。

配裝過程中，透鏡和密封罐組件的同軸度是由固定在密封罐上的套筒保證的。套筒上的固定孔均采用數(shù)控加工，具有較高的位置精度，再者，后面反射器的位置是根據(jù)該組件進(jìn)行配裝的，所以，在配裝后要求套筒與密封罐、套筒與透鏡均利用可拆銷釘定位，以保證重復(fù)定位精度。

反射器的配裝，利用經(jīng)緯儀進(jìn)行。首先利用經(jīng)緯儀，以吊艙上的數(shù)控機(jī)加件為基準(zhǔn)進(jìn)行吊艙找平;利用卡蘭姆夾緊反射器，調(diào)整反射器達(dá)水平狀態(tài);找透鏡中心點，利用經(jīng)緯儀讀Z向數(shù)據(jù);找反射器軸線，利用經(jīng)緯儀讀Z向數(shù)據(jù);保證兩Z向數(shù)據(jù)滿足同軸度要求。

吊艙總裝過程中主要工序狀態(tài)如圖3所示。其中圖3(a)為密封罐在吊艙內(nèi)的裝配，圖3(b)為透鏡天線與密封罐及吊艙內(nèi)的裝配，圖3(c)為反射器在吊艙內(nèi)的裝配，圖3(d)為發(fā)射器在吊艙內(nèi)的干涉度檢查。

吊艙通過一對吊耳外掛飛機(jī)左側(cè)艙外，如圖4所示。經(jīng)實測，吊艙軸線和飛機(jī)縱軸的夾角為0.03°(垂直向下)，0.05°(側(cè)向水平)，在軸線的精度上保證了機(jī)載測云雷達(dá)的探測精度。

機(jī)艙外掛吊艙作為一個獨立的系統(tǒng)，包含天饋、伺服、接收和發(fā)射，其主要技術(shù)參數(shù)如表4所示。

表4 吊艙的主要技術(shù)參數(shù)

3 結(jié)束語

機(jī)載W波段測云探測系統(tǒng)已于2013年第4季度在陜西閻良中國飛行試驗研究中心進(jìn)行了飛行試驗，完成試驗架次兩次，并調(diào)整吊艙安裝角度一次，雷達(dá)各系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，穩(wěn)定可靠;飛行試驗的各種數(shù)據(jù)，如雷達(dá)回波數(shù)據(jù)、IQ數(shù)據(jù)等非常好，獲得了中國氣象局專家的認(rèn)可和贊許。機(jī)載W波段測云探測系統(tǒng)發(fā)射機(jī)環(huán)控技術(shù)和吊艙總裝技術(shù)的研究與實現(xiàn)為整機(jī)提供了有效可靠的工作環(huán)境，其中密封壓力罐技術(shù)、環(huán)控技術(shù)、吊艙結(jié)構(gòu)設(shè)計等均值得為今后同類產(chǎn)品提供了設(shè)計借鑒。

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