一種自動(dòng)翻轉(zhuǎn)天線罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高亞新

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引言

天線罩是天線系統(tǒng)的重要部件，它在天線周圍形成一個(gè)封閉的空間[1]，主要作用是保護(hù)天線，避免其受到雨雪、冰雹、鹽霧、沙層等環(huán)境因素的侵?jǐn)_，同時(shí)它又具有良好的透波性能。天線罩設(shè)計(jì)時(shí)需要綜合考慮結(jié)構(gòu)形式、罩壁厚度、材料選擇及工藝方法等多種要求[2]。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅能夠提高設(shè)備的維修性，而且使外形與裝備融為一體。

隨著測(cè)控技術(shù)的發(fā)展，天線罩在高性能、高透波、寬頻段、低質(zhì)量等方面提出了更高的要求[3]。某型機(jī)動(dòng)測(cè)控站具備測(cè)控、通信等功能，真正實(shí)現(xiàn)了“一車一站”的設(shè)計(jì)要求。其前段電站艙頂部安裝有S波段衛(wèi)通天線、慣導(dǎo)天線和Ku頻段天線等多種尺寸不等設(shè)備，為了保護(hù)這些天線不受外部環(huán)境的腐蝕，將天線罩設(shè)計(jì)為拱形結(jié)構(gòu)，外形與后段電子設(shè)備方艙一致，既保證了整車外觀，又能滿足系統(tǒng)的偽裝要求。根據(jù)總體要求，在滿足天線透波的前提下，天線罩需具備自動(dòng)開啟與關(guān)閉功能，方便人員進(jìn)入電站艙頂對(duì)設(shè)備進(jìn)行維護(hù)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前使用的天線罩一般分為薄壁罩和夾芯罩，由于拱形罩外形尺寸達(dá)到3 920 mm×2 500 mm×400 mm，所以選用具有較高的彎曲強(qiáng)度和比剛度的夾芯層罩。根據(jù)天線的戰(zhàn)技指標(biāo)，同時(shí)考慮機(jī)械強(qiáng)度等綜合因素，天線罩采用A夾層結(jié)構(gòu)形式，它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)力學(xué)性能好，主要用作對(duì)副瓣天線要求不高的衛(wèi)星通信或者衛(wèi)星遙感天線罩。經(jīng)電訊仿真計(jì)算，確認(rèn)天線罩厚度為10.7 mm，夾層材料選用紙蜂窩，蜂窩芯厚度為10 mm，蜂格長(zhǎng)2 mm；蒙皮材料選SW-210玻璃布預(yù)浸料，固化后單層厚度為0.1 mm，內(nèi)表面鋪2層蒙皮，外表面鋪5層蒙皮。

由于天線罩為復(fù)合材料制成，為了保證舉升過程中具有足夠的剛性，同時(shí)不影響天線的透波性能，在天線罩下口端預(yù)埋鋁制框架，作為天線罩的主要承力區(qū)域，框架內(nèi)鑲嵌鋼絲螺套，作為天線罩的連接接口，為了減輕天線罩整體重量，框架增加減重孔，內(nèi)部填充紙蜂窩；考慮天線罩尺寸較長(zhǎng)，在框架兩端增加支撐桿。經(jīng)過核算，天線罩總重量約為60 kg。天線罩安裝如圖1所示。

圖1 天線罩安裝示意

2 天線罩展開設(shè)計(jì)

由于天線罩內(nèi)部天線較多，為了方便維護(hù)，天線罩展開高度需要具備足夠的人員進(jìn)出空間。天線罩展開主要有兩種動(dòng)作方式：翻轉(zhuǎn)式和升降式。升降式將天線罩垂直舉升，需要考慮舉升裝置同步性問題，為了防止天線罩卡死損壞，往往還需要增加導(dǎo)向裝置；翻轉(zhuǎn)式是天線罩圍繞某一軸進(jìn)行翻轉(zhuǎn)的方式，設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮舉升絞點(diǎn)的布置。相對(duì)升降式而言，翻轉(zhuǎn)式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、占用空間小，可以直接拆除推桿，人為舉升輕便。本設(shè)計(jì)確定天線罩采用翻轉(zhuǎn)方式展開。

受電站艙內(nèi)部電站和液冷源設(shè)備布局影響，可供天線罩舉升的空間有限，只能將執(zhí)行機(jī)構(gòu)布置于電站和液冷機(jī)組中間區(qū)域，狹縫寬度為50 mm。常規(guī)的舉升方式主要有液壓式和電動(dòng)式兩種，但是采用液壓舉升方法還要考慮泵站的布局，無(wú)疑增加了設(shè)計(jì)難度。綜合考慮推桿的推力、行程及動(dòng)作空間，選用直流電動(dòng)推桿作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

本系統(tǒng)選用電動(dòng)推桿型號(hào)為HLZ31，其額定推力1 200 N，行程800 mm，舉升速度30 mm/s。天線罩及電動(dòng)推桿受力如圖2所示。

圖2 推桿舉升

所選電動(dòng)推桿的推力完全滿足舉升需求，且有一定的安全系數(shù)保證。

將天線罩翻轉(zhuǎn)到30度后，電動(dòng)推桿停止，此時(shí)天線罩最大開口尺寸為1 093 mm，方便人員進(jìn)出電站艙頂部，具備足夠的人員維修空間。

3 力學(xué)分析

由于天線罩呈拱形結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)度為3 920 mm，且舉升連接點(diǎn)僅有一個(gè)，天線罩內(nèi)部懸空，其剛性較差，所以在舉升過程中需要充分考慮受力情況，防止天線罩受損。

建模時(shí)，將天線罩作為柔性部分，電動(dòng)推桿采用剛性體建模，柔性部分復(fù)合材料與鋁框架采用殼單元建模，總網(wǎng)格數(shù)12 000。天線罩邊界在銷軸位置，釋放軸向旋轉(zhuǎn)自由度，剛性體一端與地面約束，另一端與天線罩支撐點(diǎn)鉸接。

天線罩相關(guān)材料力學(xué)信息如表1所示。

通過仿真軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算，結(jié)果如圖3所示。

很明顯，推桿在啟動(dòng)初始過程應(yīng)力和變形最大，天線罩受力和變形隨時(shí)間變化如圖4所示。

根據(jù)受力特性判斷，在展開瞬間時(shí)，電動(dòng)推桿力臂最小，推桿需要的最大推力約為800 N，平均推力在400 N左右，此時(shí)天線罩與推桿鉸接點(diǎn)受力最大，天線罩前端點(diǎn)最大變形為8 mm。在整個(gè)舉升過程會(huì)存在高頻的小振動(dòng)，振幅在4 mm左右，主要是天線罩尺寸

表1 材料力學(xué)信息

圖3 啟動(dòng)時(shí)應(yīng)力

較大，舉升點(diǎn)較少導(dǎo)致。通過力學(xué)分析，天線罩最大應(yīng)力達(dá)到31.1 MPa，最大變形為8 mm，滿足材料強(qiáng)度。

圖4 翻轉(zhuǎn)過程推桿前端點(diǎn)的受力和變形隨時(shí)間變化曲線

4 生產(chǎn)工藝流程

生產(chǎn)過程的關(guān)鍵在于蒙皮固化溫度的控制。該天線罩在兩次固化過程中溫度控制相同，升溫速度為2 ℃/min，溫度升至80 ℃時(shí)保溫0.5 h，后再升溫至130 ℃，保溫2 h；在降溫過程中，速度控制為2 ℃/min，冷卻至室溫。

天線罩生產(chǎn)工藝流程如圖5所示。

圖5 天線罩生產(chǎn)工藝流程

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)某型一車一站式測(cè)控設(shè)備的總體結(jié)構(gòu)要求，設(shè)計(jì)了一種可翻轉(zhuǎn)天線罩，并對(duì)舉升過程中的受力情況進(jìn)行了詳細(xì)分析，解決了小空間內(nèi)舉升布局和多天線防護(hù)與維修難題。經(jīng)過整機(jī)系統(tǒng)使用驗(yàn)證，天線罩升降穩(wěn)定，剛強(qiáng)度滿足要求。