現(xiàn)代雷達(dá)對電站的新要求及對策

彭繼林

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

柴油發(fā)電機(jī)組是目前應(yīng)用非常廣泛的發(fā)電設(shè)備，通常用作郵電通信部門、財政金融部門、醫(yī)院、學(xué)校、工礦企業(yè)及住宅的應(yīng)急備用電源，野外作業(yè)、車輛及船舶等特殊用途的獨(dú)立電源等【4】，而軍用雷達(dá)電源(以下統(tǒng)稱電站)使其重要的一個分支，相比民用電源來講，軍用電站的技術(shù)指標(biāo)更高。配套軍用電站功率在1kW ～60kW 之間的火控雷達(dá)、炮位偵校雷達(dá)、目標(biāo)搜索雷達(dá)系統(tǒng)。一方面由于PWM 型AC—DC、DC—DC 等開關(guān)電源的大量使用，以固態(tài)電力電子器件控制大功率裝置等，目前已不再使用中頻400Hz 或雙頻50Hz、400Hz 電站，而用與市電供電體制一致的50Hz、380V/220V 柴油電站。另一方面，隨著內(nèi)燃機(jī)電站技術(shù)的發(fā)展，控制模塊的數(shù)字化，無刷發(fā)電機(jī)取代了有刷發(fā)電機(jī)，電站控制趨向智能化，電站動力普遍采用優(yōu)質(zhì)的高速柴油發(fā)動機(jī)，因此，這些雷達(dá)的配套電站在電氣性能指標(biāo)和功能上除要滿足國軍標(biāo)要求(如:GJB235A 軍用交流移動電站通用規(guī)范，GJB5785 軍用內(nèi)燃發(fā)電機(jī)組通用規(guī)范)和雷達(dá)的用電指標(biāo)要求外，軍用雷達(dá)對其配套電站還提出了以下幾方面新的、迫切的要求:電站結(jié)構(gòu)的適配性要求;電站的可靠性和維修性要求;電站的電磁兼容性要求;電站波形的正弦畸變性要求;電站的隱蔽性要求。

1 電站結(jié)構(gòu)的適配性要求

1.1 電站結(jié)構(gòu)的適配性要求

表1 現(xiàn)代雷達(dá)電站結(jié)構(gòu)適配性要求

本文討論的電站都是與雷達(dá)裝在同一輛越野車上的，因此要求電站具有重量輕、體積小、噪聲低等突出特點(diǎn)。電站適配性若能實(shí)現(xiàn)表1 雷達(dá)電站結(jié)構(gòu)適配性要求，將是現(xiàn)代雷達(dá)電站追求的目標(biāo)。

1.2 達(dá)到適配性要求的主要對策

1.2.1 減小電站重量和縮小電站體積的最有效方法【5】

電站中柴油發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)是決定電站體積、重量的關(guān)鍵件。對發(fā)電機(jī)來說，發(fā)電機(jī)的容量為:

式(1)中:S 為發(fā)電機(jī)容量

C 為發(fā)電機(jī)的阿諾爾常數(shù)(表征發(fā)電機(jī)電磁材料利用的常數(shù))

D 為發(fā)電機(jī)的定子內(nèi)徑

L 為發(fā)電機(jī)鐵芯長度

N 為發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速

從上式可知，在發(fā)電機(jī)的容量大小確定后，要有效縮小發(fā)電機(jī)的體積和重量D·L 的乘積，只有提高發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速N。但要保證交流發(fā)電機(jī)輸出頻率F=50Hz 不變，還決定以下因素【7】:

式(2)中:F 為頻率(50Hz)

N 為發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速

P 為發(fā)電機(jī)的磁極對數(shù)

從上式可知，發(fā)電機(jī)磁極對數(shù)取50Hz 發(fā)電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速為3000rpm.

對柴油機(jī)來說，輸出的有效功率Ne 為【4】:

式(3)中:Pe 為發(fā)動機(jī)氣缸內(nèi)的平均有效壓力

Vh 為發(fā)動機(jī)活塞排量

Z 為發(fā)動機(jī)的汽缸數(shù)

τ 為發(fā)動機(jī)工作沖程數(shù)(柴油機(jī)均為4 沖程)

N 為發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速

從上式可知，電站輸出功率確定后，發(fā)動機(jī)的有效功率Ne 是定值，柴油機(jī)壓縮比是一定的，因此Pe也是確定值，對柴油機(jī)來講，它的沖程數(shù)τ 也是定值，要有效縮小發(fā)動機(jī)的體積和重量，只有減小活塞排量和汽缸數(shù)，因此只有用高轉(zhuǎn)速的發(fā)動機(jī)來保證電站的輸出功率達(dá)到要求。為了與發(fā)電機(jī)匹配，因此發(fā)動機(jī)的轉(zhuǎn)速也選3000rpm，可有效減輕發(fā)動機(jī)的體積和重量。

以目前最先進(jìn)的低噪聲柴油發(fā)電機(jī)，德國熊貓發(fā)電機(jī)組為例【3】，見表(2)。

表2 1500rpm 和3000rpm 德國熊貓電站比較

從上表可見，國外先進(jìn)國家的電站水平已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過我們，并且現(xiàn)在8kW 以下發(fā)電機(jī)傾向用永磁發(fā)電機(jī)，變速變頻發(fā)電來減小電站的體積和重量，這類電站的特點(diǎn)為額定功率時發(fā)電機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)，負(fù)載下降時轉(zhuǎn)速也自動降低，而且頻率和電壓的穩(wěn)定用AC—AC 逆變器來實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)。

1.2.2 降低電站噪聲的途徑【2】

降低電站工作時的噪聲，又能確保體積小，高溫工作可靠，目前解決得好的是Fischer Panda 公司的第二代超靜音電站，它將電站的噪聲源:發(fā)動機(jī)及發(fā)電機(jī)座體用密閉的隔聲和吸音罩來降噪，發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的熱量由流動的水來引出，外部用一體式水散熱器和低噪聲電動風(fēng)機(jī)散熱，配用阻容復(fù)合或消聲器。當(dāng)設(shè)計(jì)選用4DS(五層隔音材料，最大隔音板厚40mm)，電站噪聲可降至70dB(A)以下，可見效果相當(dāng)明顯。

2 提高電站的實(shí)際可靠性和維修性

2.1 提高電站的可靠性

電站的可靠性直接影響雷達(dá)系統(tǒng)的使用狀態(tài)和效率。目前我所裝備部隊(duì)的雷達(dá)產(chǎn)品已很多，所配套的電站有6、7 種之多，就拿近幾年配套的12KW、20KW 和30KW 電站來講，它們的可靠性指標(biāo)為:MTBF≥1000h，符合國軍標(biāo)GJB5785 的要求，也符合產(chǎn)品工程設(shè)計(jì)要求，而且產(chǎn)品鑒定試驗(yàn)時都是合格的，但在批量生產(chǎn)后，暴露的質(zhì)量問題很多，集中表現(xiàn)在零件質(zhì)量差(如:油管、密封件、機(jī)電類器件);工藝不穩(wěn)定(如:裝配、焊接、布線等);加之沒有按時進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)(包括發(fā)動機(jī)和發(fā)電機(jī)，這兩方面均有嚴(yán)格的定期保養(yǎng)流程和規(guī)范);同時還有一些設(shè)計(jì)方面的問題(如超速保護(hù)誤動作、應(yīng)急啟動無時間要求等等方面的設(shè)計(jì)缺陷)，所有這些問題均導(dǎo)致裝備部隊(duì)的產(chǎn)品，其可靠性不盡人意。

除以上設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、維護(hù)保養(yǎng)方面的問題外，電站的可靠性還取決于內(nèi)燃機(jī)的可靠性，據(jù)統(tǒng)計(jì)，內(nèi)燃機(jī)的故障率約占電站故障的60%左右。由于西方發(fā)達(dá)國家工業(yè)制造水平先進(jìn)，內(nèi)燃機(jī)的可靠性指標(biāo)大約為我國的2 倍(我國內(nèi)燃機(jī)MTBF 平均水平為800h，國外平均水平為1500h，先進(jìn)水平為2000h。)，因此要使軍用電站的MTBF 遠(yuǎn)大于1000h，就首先要使用國外先進(jìn)的，成熟的內(nèi)燃機(jī)。就目前來講，與國內(nèi)先進(jìn)電站相比，德國軍用第二代超靜音電站MTBF 已達(dá)到2500h，我們的差距還很大。

2.2 提高電站的可維修性

雷達(dá)電站在設(shè)計(jì)定型前的任務(wù)書或技術(shù)要求中都要規(guī)定可維修性MTTR 指標(biāo)，我所目前配套的12kW、20kW 和30kW 電站MTTR≤1 小時，但這些指標(biāo)也只是文字上的規(guī)定，對實(shí)際工作指導(dǎo)作用有多大卻值得商榷，況且現(xiàn)在的雷達(dá)系統(tǒng)為了追求小型化，提高戰(zhàn)場生存能力，都采用了機(jī)動性很好的車載移動形式，但同時給雷達(dá)電站的維修卻帶來極大的不便。我們知道，電站多數(shù)維修是對發(fā)動機(jī)的維修和保養(yǎng)，并且經(jīng)常要更換三濾(空氣濾清器、機(jī)油濾清器、燃油濾清器)，若電站放置在地面或?qū)㈦娬痉旁谥車臻g比較大的車上，維修保養(yǎng)還是可以的，但現(xiàn)在電站一上雷達(dá)車，電站周圍的可用空間很小，維修或維護(hù)都發(fā)生困難，電站只要發(fā)生故障，就得將電站吊下雷達(dá)車，這肯定不能滿足雷達(dá)MTTR 指標(biāo)要求，也不滿足雷達(dá)適配性要求。因此，電站設(shè)計(jì)、定型和生產(chǎn)時應(yīng)考慮電站在雷達(dá)車上的維修模式。另外，電站采用模塊化設(shè)計(jì)，比如電站外罩考慮可快速拆卸等綜合因素的話，相信我們的電站維修性可大大改善和提高。

3 提高電站的電磁兼容性

電磁兼容性是指電站在其環(huán)境中能正常工作且不對其他設(shè)備構(gòu)成不能承受的電磁干擾。該定義有三個含義:一是電站電站對外界的干擾有一定的承受能力，不失效;二是電站在工作中所產(chǎn)生的電磁干擾在一定限值內(nèi)，對其它設(shè)備或系統(tǒng)不會造成有害影響;三是電站產(chǎn)生的電磁干擾和承受電磁干擾(抗干擾度)是可測的【1】。軍用電站標(biāo)準(zhǔn)GJB235A—97、GJB2815—97、GJB425—88 等在電磁兼容性方面只規(guī)定了電站產(chǎn)生的無線電干擾，包括傳導(dǎo)干擾和輻射干擾【6】(電站的干擾值應(yīng)不大于表3、表4 的規(guī)定值)，但沒有規(guī)定CS101 電源線傳導(dǎo)敏感度;CS114 電纜束注入傳導(dǎo)敏感度;RS103 電場輻射敏感度要求。

表3 電站的傳導(dǎo)干擾允許值

表4 電站的輻射干擾允許值

電站研制時，在新電站適配性試驗(yàn)中也發(fā)生過如:無故障停機(jī);啟動液壓馬達(dá)時掉電;偶而發(fā)生電壓或轉(zhuǎn)速不穩(wěn)，電力儀表上顯示出有波動不穩(wěn)等現(xiàn)象。經(jīng)過對轉(zhuǎn)速傳感器輸出引線改用屏蔽線;電子調(diào)速器輸出線改用屏蔽線;發(fā)電機(jī)輸出端加裝三相干擾抑制模塊;繼電器改用JQX 及JZC 型航天密封繼電器等措施后，這些問題就不再發(fā)生，電站工作穩(wěn)定，充分說明對電站的電磁場及端子干擾敏感度嚴(yán)格要求是十分必要的。

雷達(dá)與電站在同一車上，現(xiàn)代雷達(dá)的負(fù)載特性十分復(fù)雜。在機(jī)場、靶場或作戰(zhàn)環(huán)境中，電磁環(huán)境的復(fù)雜性可想而知，因此雷達(dá)總體對電站的電磁兼容性提出更高的要求是很有必要的。

4 電站輸出電壓波形的正弦性要求

電站輸出電壓的波形應(yīng)為無尖刺、無浪涌的正弦波，其正弦波的正弦畸變率計(jì)算公式為【3】:

式(4)中:U1為基波電壓有效值，U2、U3、U4、U5為各次諧波電壓有效值

電站三相線電壓的空載波形正弦性畸變率一般要求為δ≤5%，圖1 為某火控雷達(dá)電站空載時的電壓波形，其正弦性畸變率為4.2% 。圖2 為火控雷達(dá)電站負(fù)載時的電壓波形，其正弦性畸變率為13.5% 。

圖1 電站空載電壓波形

圖2 電站負(fù)載電壓波形

由以上的實(shí)際拍攝波形來看，因雷達(dá)的負(fù)載較復(fù)雜:有大量的開關(guān)電源、整流負(fù)載、電磁負(fù)載、固態(tài)大功率脈沖負(fù)載等，它們的特性都是非線性的，因此當(dāng)各自負(fù)載中的多次高頻諧波電流進(jìn)入電站的發(fā)電機(jī)中時，將造成發(fā)電機(jī)內(nèi)的合成磁場發(fā)生正弦性畸變，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電壓波形正弦性畸變率大增，這樣會出現(xiàn)兩方面的不良后果:

第1，發(fā)電機(jī)內(nèi)的高次諧波(磁場、電流、電壓)使發(fā)電機(jī)發(fā)熱嚴(yán)重，發(fā)電機(jī)效率下降，可靠性降低，也直接影響自動電壓調(diào)節(jié)器的穩(wěn)定工作。

第2，各次高次諧波電流在雷達(dá)系統(tǒng)內(nèi)到處串?dāng)_，會給系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾，影響雷達(dá)系統(tǒng)的可靠、穩(wěn)定工作。

因此為了使電站的電壓波形與雷達(dá)的負(fù)載更匹配，電站配用的發(fā)電機(jī)應(yīng)達(dá)到以下要求【6】:

a.電站輸出電壓波形正弦性畸變率δ 應(yīng)符合新軍標(biāo)GJB5785 的規(guī)定，由原δ≤5%降至δ≤3% 。

b.發(fā)電機(jī)上必須加裝R791 型三相干擾抑制模塊。

c.自動電壓調(diào)節(jié)模塊選用三相有效值測量的模塊。

d.發(fā)電機(jī)定子繞組采用分?jǐn)?shù)槽，鐵芯改用斜槽，以削弱齒諧波，以改善發(fā)電機(jī)電壓波形的正弦度。

e.電站定型時應(yīng)考核電壓波形正弦性畸變率是否適配雷達(dá)站。

5 電站的隱蔽性要求

由于野戰(zhàn)條件下軍用電站是現(xiàn)代武器裝備系統(tǒng)的唯一電源，也是對方偵察和打擊的重要目標(biāo)，電站一旦被摧毀或失效，再先進(jìn)的武器系統(tǒng)將陷于癱瘓狀態(tài)，無法發(fā)揮其作戰(zhàn)效能。因此除努力提高軍用電站的機(jī)動性、可靠性、維修性和環(huán)境適應(yīng)性以外，電站的隱蔽性或隱身性也是未來軍用電站的一大必然要求。

隱身技術(shù)又稱隱形技術(shù)，是通過降低目標(biāo)的信號特征，使其難以被發(fā)現(xiàn)、識別、跟蹤和攻擊的技術(shù)。就像雷達(dá)有跳頻等隱身、防干擾手段一樣，電站也要有自己的一套隱身辦法，以提高武器裝備的戰(zhàn)場生存能力。電站隱身技術(shù)主要概括為紅外隱身技術(shù)和聲波隱身技術(shù)。

5.1 電站的紅外隱身技術(shù)

當(dāng)溫度高于絕對零度(即-273℃)時，任何物體均會向外發(fā)出紅外輻射，溫度越高，紅外輻射越強(qiáng)。軍用電站均以內(nèi)燃機(jī)為動力，是強(qiáng)紅外輻射目標(biāo)。紅外隱身技術(shù)的途徑是改變目標(biāo)的紅外輻射特征;降低目標(biāo)的紅外輻射強(qiáng)度;調(diào)節(jié)或調(diào)整紅外輻射傳播途徑。以增加敵方依靠軍用電站熱源為目標(biāo)進(jìn)行偵查、監(jiān)視、定位的難度。

目前，紅外隱身技術(shù)有:在電站表面涂裝模擬植物和沙土背景染料;涂加低發(fā)射涂層;采用絕熱措施，降低電站表面溫度;采用熱效率高、熱損失小的發(fā)動機(jī)(如陶瓷發(fā)動機(jī));改進(jìn)發(fā)動機(jī)燃燒室結(jié)構(gòu)，改善燃燒狀況，減少排氣中的紅外輻射成分等【1】。

5.2 電站的聲波隱身技術(shù)

聲波隱身技術(shù)又稱聲頻特征信號控制技術(shù)，就是控制目標(biāo)的聲頻特征，降低聲波探測系統(tǒng)的探測概率。由于電站的噪聲主要來源于發(fā)動機(jī)的燃燒噪聲、空氣動力噪聲和機(jī)械噪聲，因此，實(shí)現(xiàn)吸音和阻尼材料、采用減震隔聲裝置;采用低噪聲發(fā)動機(jī)將是我們未來發(fā)展軍用隱形低噪音電站的有效途徑和方法。

6 結(jié)論

現(xiàn)代雷達(dá)對電站的新要求，是科學(xué)技術(shù)發(fā)展的必然，也是推動電站技術(shù)發(fā)展的動力。雷達(dá)電站的設(shè)計(jì)、制造和配套要密切關(guān)注新型雷達(dá)的各種要求，使電站更符合雷達(dá)系統(tǒng)的要求。

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