車載雷達布局設(shè)計與運輸仿真

洪林峰

(南京電子技術(shù)研究所，江蘇 南京 210039)

車載雷達因具有運輸轉(zhuǎn)移能力而受到軍方的青睞，提高雷達機動性是提高雷達生存能力的有效手段之一[1]。隨著各種類型車載雷達的出現(xiàn)，車載雷達的形式也越來越多，有單車車載雷達、半掛車車載雷達、特種單車車載雷達等多種形式。車載雷達的總體布局以及設(shè)備在運輸過程中的安全性非常重要，而車載雷達受到車輛的承載質(zhì)量、裝載空間、運輸界限等邊界條件的限制，因此一個優(yōu)秀的布局能充分利用載車的每一寸空間、每一份承載，讓系統(tǒng)變得和諧有序，讓操作更加方便，讓運輸更為安全。本文通過對車載雷達設(shè)備組成和機動性的分析，對車載雷達布局、運輸仿真等方面進行了探討。

1 車載雷達的組成

在進行車載雷達布局設(shè)計時，必須先了解雷達的設(shè)備組成，以及各種設(shè)備的功能和作用，方能在布局設(shè)計中規(guī)劃各設(shè)備的位置。車載雷達主要包括車輛、平臺、天線座、天線、伺服設(shè)備、熱控設(shè)備、調(diào)平腿、抗傾覆腿等設(shè)備。

車輛是雷達的安裝基礎(chǔ)，在進行初步布局時，需要根據(jù)安裝設(shè)備的質(zhì)量、體積，在各車輛生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品目錄中選擇合適的車輛。

平臺上接設(shè)備、下連車輛，需要承受設(shè)備和車輛的重力、工作狀態(tài)下的風(fēng)載荷以及雷達工作時調(diào)平腿的集中載荷，因此必須要有很好的剛度和強度才能滿足雷達對平臺機械性能的要求。平臺是一個重心居中的扁平長方體，在進行初步布局時可以將其簡化為一個質(zhì)量均布的大載荷。

天線座是天線的支撐，驅(qū)動天線進行方位/俯仰旋轉(zhuǎn)，需要有一定的剛度和強度。天線座是一個重心居中的瘦高長方體，在進行初步布局時可以將其簡化為一個質(zhì)量集中的大載荷。

天線是雷達的關(guān)鍵設(shè)備，內(nèi)部包含發(fā)射和接收信號的高發(fā)熱設(shè)備，通常安裝在天線座上，不同口徑、形狀的天線的質(zhì)量分布不同。天線是一個重心居中的扁平長方體，大多數(shù)情況下，在進行初步布局時，可以將其簡化為一個質(zhì)量均布的大載荷。

伺服設(shè)備、熱控設(shè)備等根據(jù)各雷達的需求而設(shè)置，伺服設(shè)備是控制雷達運動的設(shè)備，熱控設(shè)備是保證高發(fā)熱器件正常工作的設(shè)備。在進行初步布局時，可以將它們簡化為一個質(zhì)量集中的小載荷。

調(diào)平腿是車載雷達的支撐，是雷達工作精度的保證；抗傾覆腿是大風(fēng)工況下保障雷達安全的設(shè)備[2]。在進行初步布局時，根據(jù)不同的情況，兩者可以合一設(shè)計，也可獨立設(shè)計。

2 機動性

機動性對車載雷達來說是一個重要指標(biāo)，在車輛布局設(shè)計時必須重點考慮。機動性包括道路的通過性，運輸方式的多樣性以及架設(shè)、拆收的快速性等[3]。

道路的通過性指標(biāo)包括噸功率、最高車速、最小轉(zhuǎn)彎半徑、轉(zhuǎn)彎通道寬度、最大爬坡度、行進穩(wěn)定性等，這些指標(biāo)決定車載雷達能以何種速度行駛在哪種等級的路面上。對單車而言，如無重大的改裝，載荷又滿足車輛的承載要求，車載雷達的道路通過性基本上由車輛本身的性能決定；對半掛車而言，則需要根據(jù)每個半掛車具體的設(shè)計情況進行分析[4]。

運輸方式的多樣性要求車載雷達不但能通過公路運輸，還能通過鐵路、飛機進行運輸。由于鐵路、飛機運輸?shù)母叨认拗敌∮诠愤\輸，因此在布局時需考慮鐵路、飛機運輸時雷達設(shè)備拆分運輸?shù)目赡苄院头奖阈?。對于單車而言，一般從平臺處將上裝設(shè)備與車輛拆分；對于半掛車而言，可以采用后橋脫離的方法進行拆分[5-6]，以滿足鐵路、飛機運輸?shù)囊蟆?/p>

架設(shè)、拆收的快速性是指車載雷達在運輸狀態(tài)和工作狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換的快速性。設(shè)計一個能進行快速陣地轉(zhuǎn)移、架拆時間短、操作人員少、勞動強度低的自動架拆系統(tǒng)是提高雷達機動性的有效措施，通常采用取力發(fā)電、半掛車垂直摘掛、自動調(diào)平、天線自動展開、一鍵架設(shè)[1，7]等方法減少人員的工作量，提高架設(shè)、拆收速度。

一般來說，單車的機動性優(yōu)于半掛車，因此在設(shè)計時優(yōu)先考慮使用單車；當(dāng)雷達質(zhì)量、尺寸超出單車性能指標(biāo)時選擇半掛車；當(dāng)上述兩種車輛都不滿足要求或有特殊需求時，選擇特種單車。

3 布局設(shè)計

在知悉雷達設(shè)備組成和機動性要求后，可以根據(jù)需求進行車輛總體布局設(shè)計，這是一個反復(fù)迭代和磨合的過程，在不斷調(diào)整中完成雷達的布局設(shè)計方案。

3.1 單車、特種單車布局

單車前、后橋的承重均有要求，如果前、后橋之一的承重超出額定載荷，即便上裝總質(zhì)量小于車輛的額定載荷，車輛也無法正常行駛。因此在設(shè)備布局時，需要考慮前、后橋的載荷比，通常車輛的前、后橋載荷比為3∶7。

在知悉車輛前后橋載荷比以及設(shè)備的質(zhì)量概況后，優(yōu)先布置質(zhì)量較大和一些主要的設(shè)備，如天線、天線座，然后布置伺服設(shè)備、熱控設(shè)備，最后布置調(diào)平腿、抗傾覆腿以及工具箱等。

車輛后橋承載量大，可將大質(zhì)量的集中載荷放置于車輛后部。大部分雷達都將天線座放置在車輛后橋附近，天線倒向車頭方向，就是這個道理。伺服設(shè)備和熱控設(shè)備通常在車寬方向?qū)ΨQ或居中布置，保證車輛不偏載，并方便工作人員進行操作和維修。

在完成主要設(shè)備的布局后，進行調(diào)平腿、抗傾覆腿、工具箱等設(shè)備的布局，布局時要考慮整車的離去角是否滿足運輸要求。調(diào)平腿、抗傾覆腿對單車來說通常是合一的，主要根據(jù)總質(zhì)量和抗傾覆半徑進行設(shè)計，通常采用四點調(diào)平方式，布置在平臺的兩端。許多單車?yán)走_采用蛙腿機構(gòu)將調(diào)平腿和抗傾覆腿合一，運輸時收藏于平臺上方，工作時展開作為抗傾覆腿，可以兼顧工作時的調(diào)平、抗風(fēng)要求和運輸時的離去角要求。

在上裝設(shè)備布局時還需要注意預(yù)留車輛輪胎的彈跳空間，一般輪胎的彈跳高度為180～200 mm，因此進行平臺設(shè)計和設(shè)備布局時需要在輪胎的正上方留出相應(yīng)的空間。

通過上述分析可知，典型的單車?yán)走_布局有兩種，一種為天線倒向車頭的布局，如圖1所示，另一種為天線倒向車尾的布局，如圖2所示。當(dāng)然具體到某個雷達設(shè)計時，應(yīng)具體問題具體對待，不能一概而論，如整車超高、超重時，可以采用天線座底座與平臺合一設(shè)計，天線折疊設(shè)計，伺服設(shè)備、熱控設(shè)備嵌入平臺等方法，以減輕質(zhì)量和減小體積，使設(shè)計滿足要求。

圖1 單車?yán)走_典型布局1

圖2 單車?yán)走_典型布局2

特種單車其實是標(biāo)準(zhǔn)單車的加長加大版，其布置要素和注意事項與單車基本相同，區(qū)別在于特種車輛較長，易造成雷達工作狀態(tài)重心和運輸狀態(tài)重心相距較遠(yuǎn)，若同樣采用單車的四點調(diào)平模式，調(diào)平腿前后間距過大，雷達工作精度不易保證，故通常采用六點調(diào)平的方法來解決此問題。

3.2 半掛車布局

半掛車相對單車而言，有更大的裝載空間和裝載質(zhì)量，可以安裝更大口徑的雷達。單車有前后橋載荷分配要求，半掛車有鞍座、后橋的承重要求，因此在進行半掛車?yán)走_上裝設(shè)備布局時也需要考慮鞍座、后橋的載荷比。半掛車是通過鞍座的載荷來選擇相應(yīng)牽引車的。

半掛車通常由牽引車和半掛車兩部分組成，可以分為平板式半掛車、凹梁式半掛車等。大型雷達通常采用凹梁式半掛車。凹梁式半掛車由鵝頭、凹梁車身、后橋等部分組成，如圖3所示。凹梁式半掛車有離地間隙小、安裝空間大、運輸重心低、行車安全性高等特點。

圖3 凹梁式半掛車

凹梁式半掛車的車身相當(dāng)于單車的平臺，承受設(shè)備和車輛的重力、工作狀態(tài)下的風(fēng)載荷以及調(diào)平腿的集中載荷，必須要有很好的剛度和強度，因此半掛車的車身厚度一般為400～500 mm。進行半掛車車身設(shè)計時，還應(yīng)注意其鵝頭的長度應(yīng)大于所選用牽引車的后回轉(zhuǎn)半徑，在鵝頸處設(shè)置手搖的約斯特腿，用于無動力提供時人工實現(xiàn)牽引車與半掛車的分離與掛接。由于車身厚度大，其內(nèi)通常布置有水管、電纜、油管、尋北儀等設(shè)備，又由于車身離地間隙小，在設(shè)備安裝完成后需將車身底部用蓋板封閉，防止行車時路面的灰塵、泥漿揚起進入設(shè)備。

半掛車車身的上裝設(shè)備布置要素與單車布置類似，由于凹梁半掛車車身的形狀不適合安裝蛙腿，一般采用H型支撐腿或獨立的抗傾覆腿來滿足雷達架設(shè)時重心變化、工作時調(diào)平、大風(fēng)時抗傾覆的綜合需求。

綜上所述，典型的凹梁式半掛列車?yán)走_布局如圖4所示。同單車一樣，當(dāng)整車超高、超重時，可以將天線座底座與車身進行一體化設(shè)計，以減輕質(zhì)量和減小體積，也可以將伺服設(shè)備、熱控設(shè)備的一部分嵌入車身內(nèi)，使設(shè)計滿足要求。

圖4 凹梁式半掛車?yán)走_典型布置圖

4 運輸仿真

在完成車輛布局后，應(yīng)對車載雷達的各種工況進行力學(xué)分析。目前大部分車載雷達進行的是工作狀態(tài)(車輛靜止)力學(xué)分析，隨著車載雷達執(zhí)行任務(wù)次數(shù)的增多，運輸距離的日漸增加，車輛行駛引起的振動和沖擊對車載設(shè)備的危害也越來越大[5]，應(yīng)加強整車運輸性方面的分析，知悉各設(shè)備在運輸時的受力情況，以便進行針對性設(shè)計，避免運輸時產(chǎn)生的振動沖擊對車載設(shè)備的損傷。

汽車是一個復(fù)雜的振動系統(tǒng)，因此需要進行簡化建模。汽車在平穩(wěn)行駛時，僅考慮汽車輪胎在垂向的運動情況，并將車身及車架質(zhì)量簡化為剛體[8-9]。汽車的簧載質(zhì)量由車身、車架及其上的總成所構(gòu)成，車橋和車輪構(gòu)成了非簧載質(zhì)量，通過具有一定彈性和阻尼的輪胎支承在路面上。在討論平順性時，這一立體模型的簧載質(zhì)量主要考慮垂直、俯仰、側(cè)傾3個自由度。對于三軸卡車來說，由于采用非獨立懸架形式，當(dāng)一邊車輪跳動時，另一側(cè)車輪也作相應(yīng)的跳動，非簧載質(zhì)量中的左右車輪和車橋的振動會有耦合現(xiàn)象，由于僅考慮垂向振動影響，因此單軸非簧載質(zhì)量具有2個自由度(車輪車橋的垂向跳動和側(cè)傾運動)。因此對于整車來說，可以得到簡化的9自由度車輛模型[10]，9個自由度分別為：3根軸的車輪車橋系統(tǒng)(非簧載質(zhì)量)的垂向、側(cè)傾運動共6個自由度，車身及車架(簧載質(zhì)量)的垂向、俯仰及側(cè)傾共3個自由度。

路面載荷和車速的建模對分析結(jié)果影響很大。根據(jù)ISO/TC 108/SC2N67標(biāo)準(zhǔn)中“路面不平度表示方法草案”和GB 7031—1986中標(biāo)準(zhǔn)化的路面不平度要求[11-12]，路面位移功率譜密度可采用冪函數(shù)形式作為擬合表達式：

(1)

式中：Gq(n)為路面功率譜密度；n為空間頻率，m-1；n0為參考空間頻率，n0=0.1 m-1；Gq(n0)為參考空間頻率n0下的路面譜值，稱為路面不平度系數(shù)，m2/m-1；W為頻率指數(shù)，是雙對數(shù)坐標(biāo)上斜線的斜率，決定路面譜的頻率結(jié)構(gòu)。

除了要考慮路面不平度的影響外，還需要考慮車速因素，根據(jù)車速u，將空間頻率譜密度Gq(n)換算為時間頻率密度Gq(f)[13]。

由時間頻率f=u×n，取頻率指數(shù)W=2，得到路面時間位移功率譜密度為：

(2)

根據(jù)上述條件，以某典型單車?yán)走_布局為例，在Virtual.lab軟件中進行建模分析，模型如圖5所示，求解各種路面、車速條件下圖中天線兩端A點的位移和B點的轉(zhuǎn)矩，為后續(xù)布局設(shè)計和天線設(shè)計提供依據(jù)。

圖5 某典型單車?yán)走_分析模型

5 仿真結(jié)果

按照車速40 km/h、60 km/h、80 km/h,對在A、B、C 3個等級(高速公路、一級公路、二級公路)路面上平穩(wěn)行駛的工況進行仿真。對所有工況的仿真結(jié)果進行分析，得到A點最大位移、B點最大轉(zhuǎn)矩，分別見表1，2。

表1 A點最大位移 單位：m

表2 B點最大轉(zhuǎn)矩 單位：N·m

由仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)車速增加或者路面狀況變差時，預(yù)設(shè)點的振動幅度和轉(zhuǎn)矩明顯增加，且路面狀況的影響比車速的影響大，雷達布局詳細(xì)設(shè)計時應(yīng)考慮在A點增加柔性緩沖機構(gòu)，天線設(shè)計時應(yīng)復(fù)核B點運輸時的受力情況。

6 結(jié)束語

車載雷達的布局是一個系統(tǒng)工程，需要從多方面加以綜合考慮。本文通過對車載雷達設(shè)備組成和機動性等方面的分析，探討了單車?yán)走_、半掛車?yán)走_的布局要素，并對典型單車?yán)走_進行運輸仿真，總結(jié)出各種車載雷達的典型布局和運輸仿真要素。這些布局和運輸仿真要素為今后的車載雷達研制提供了參考。

在進行車載雷達布局設(shè)計時應(yīng)進一步加強運輸仿真，以減少運輸振動引起的設(shè)備損傷，同時為車載雷達行進間工作積累經(jīng)驗。