5.5 m車載測(cè)控雷達(dá)天線自動(dòng)收展的實(shí)現(xiàn)與面精度仿真*

徐德紅，羅嘉宇，寇偉光

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十九研究所，陜西 西安 710065；2.陜西省天線與控制技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065；3.酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，甘肅 酒泉 732750）

引 言

雷達(dá)是信息戰(zhàn)的主要設(shè)備，車載雷達(dá)不需要基礎(chǔ)建設(shè)且可以轉(zhuǎn)場(chǎng)到不同地點(diǎn)執(zhí)行任務(wù)，因此需求日益增多。目前，運(yùn)用較為廣泛的車載雷達(dá)天線主要是口徑較小的2.4 m天線及無(wú)需拆裝的應(yīng)急通信類設(shè)備?？趶?.8 m以上天線的反射體拆裝運(yùn)輸不便，嚴(yán)重制約著其在移動(dòng)載體上的運(yùn)用。文獻(xiàn)[1]設(shè)計(jì)了車載4.5 m自動(dòng)折疊天線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其反射面向上折疊。文獻(xiàn)[2]基于液壓技術(shù)研制了6.2 m自動(dòng)折疊拋物面天線。以上拋物面天線均為遙測(cè)設(shè)備，反射面深度尺寸小，折疊相對(duì)容易。

目前，反射面較深的車載測(cè)控雷達(dá)主要采用拆裝方案，國(guó)內(nèi)外未有自動(dòng)折疊的相關(guān)研究。本文設(shè)計(jì)了面板折疊與高精度定位機(jī)構(gòu)，通過面板邊塊的折疊以及前后面板的翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的高機(jī)動(dòng)性，滿足運(yùn)輸需求，縮短了收展時(shí)間，降低了工作強(qiáng)度。并且，此折疊方案采用電驅(qū)動(dòng)，避免了液壓折疊的漏油隱患。

1 5.5 m測(cè)控天線及指標(biāo)要求

1.1 5.5 m快速拆裝天線

高機(jī)動(dòng)技術(shù)是地面雷達(dá)的一個(gè)重要發(fā)展方向[3]。傳統(tǒng)5.5 m車載天線（圖1）的展開與收藏都采用快速拆裝方案，即將5.5 m 車載測(cè)控雷達(dá)的反射面內(nèi)圈面板固定在中心體上，不用拆卸；外圈分為16塊面板、16根輻射梁和16根環(huán)梁，各部件采用快速連接方式連接，運(yùn)輸時(shí)拆掉。

圖1 5.5 m快速拆裝天線

安裝面板等部件時(shí)，天線傾斜一定角度，根據(jù)需要轉(zhuǎn)動(dòng)方位部分。操作人員站在半掛車鵝頸上，按照中心體上標(biāo)記的序號(hào)首先對(duì)稱安裝相應(yīng)序號(hào)的輻射梁，并利用設(shè)備所配的快速連接件給予固定，然后安裝相應(yīng)序號(hào)的環(huán)梁，再安裝相應(yīng)序號(hào)的面板；安裝面板時(shí)將面板上的定位銷孔安裝在輻射梁的定位銷上，同樣利用快速連接件給予連接固定。天線結(jié)構(gòu)部分展開時(shí)長(zhǎng)大約需要2 h。

1.2 技術(shù)指標(biāo)與要求

1）主面口徑與形式為5.5 m環(huán)焦天線。

2）初裝后天線主面精度≤0.6 mm；副面精度≤0.2 mm；復(fù)裝后天線主面精度≤0.8 mm；副面精度≤0.3 mm。精度均為均方根值。

3）天線座結(jié)構(gòu)形式為方位/俯仰轉(zhuǎn)臺(tái)式。

4）風(fēng)載要求8級(jí)風(fēng)保精度。

5）天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以最大限度降低現(xiàn)場(chǎng)工作強(qiáng)度和減少工作量為指導(dǎo)，盡量減少拆卸單元、縮短天線裝拆時(shí)間以提高設(shè)備機(jī)動(dòng)性，同時(shí)滿足裝車運(yùn)輸規(guī)范及拆卸部件人機(jī)關(guān)系要求，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高工作效率。

2 收展方案

2.1 組成與收展流程

5.5 m車載自動(dòng)折疊天線機(jī)械結(jié)構(gòu)部分主要由天線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、半掛車、牽引車等組成。其中天線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)安裝固定于半掛車上，由牽引車拖動(dòng)實(shí)現(xiàn)地面機(jī)動(dòng)。天線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)包括天線座和反射體。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收展，設(shè)計(jì)的反射體包括固定面板、左面板、右面板、前面板、后面板、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（蝸輪蝸桿減速機(jī)等）、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)（電動(dòng)缸等）、定位鎖緊裝置（電磁吸盤、鎖緊推桿）等。

撤收流程（圖2）如下：1）電磁吸盤加電，使電磁吸盤消磁，面板折疊準(zhǔn)備工作就緒。2）電動(dòng)缸工作至行程結(jié)束（電動(dòng)缸兩耳環(huán)中心距離最短），使折疊面板（左右面板）與固定面板夾角約2°。此位置狀態(tài)由控制系統(tǒng)延時(shí)保證。3）折疊面板旋轉(zhuǎn)180°，限位開關(guān)閃亮?xí)r旋轉(zhuǎn)停止。4）邊塊的電磁吸盤加電，使電磁吸盤消磁，邊塊張開30°。5）折疊面板翻轉(zhuǎn)55°。6）前后面板電磁吸盤加電，使電磁吸盤消磁，前后邊塊翻轉(zhuǎn)33°。7）松開副面展開鎖定機(jī)構(gòu)，副面順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)158°到位。電動(dòng)推桿工作，鎖緊副面組合。

圖2 撤收流程圖

反射體撤收完成后，天線俯仰旋轉(zhuǎn)90°，天線座臥倒即完成撤收工作。撤收時(shí)間約30 min，天線展開實(shí)際上是天線撤收的逆過程。自動(dòng)折疊天線收藏與展開速度較快，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。收藏后天線整體長(zhǎng)度為15 500 mm，寬度為2 700 mm。運(yùn)輸時(shí)總高度為3 500 mm，面板折疊后頂端寬度約為2 200 mm，下端寬度約為2 700 mm，滿足鐵路和公路運(yùn)輸要求。

2.2 收展方案

2.2.1 反射面

反射面的設(shè)計(jì)和論證是整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和論證的難點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下方面：1）天線的主副面曲線決定了天線的口徑場(chǎng)分布，最終將影響天線的射頻輻射特性，包括增益、副瓣等。2）天線的主面曲線決定了反射面深度，主面深度和饋源高度相互影響，主面深則饋源低，主面淺則饋源高，進(jìn)而影響結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的收藏后高度。3）天線的主面曲線直接影響反射體及背架厚度，反射面深則折疊面板厚，收藏后寬度尺寸大。4）為了使折疊面板不與車體和天線座干涉，運(yùn)輸時(shí)兩側(cè)邊塊需要翻轉(zhuǎn)，反射面深則兩側(cè)邊塊翻轉(zhuǎn)后系統(tǒng)長(zhǎng)度尺寸大。

論證過程中，首先要滿足的是天線的射頻性能，其次是鐵路和公路運(yùn)輸要求。滿足機(jī)動(dòng)性要求首先需滿足高度要求，其次需綜合考慮長(zhǎng)度和寬度。

綜合考慮天線的射頻性能與裝車尺寸，最終選擇賦形旋轉(zhuǎn)曲面。為滿足加工、收展、運(yùn)輸?shù)纫?，將反射面分割成固定面板、左面板、右面板、前面板及后面?部分。為滿足裝車后寬度要求，再將左面板、右面板分割成3塊。面板折疊機(jī)構(gòu)包括電動(dòng)缸、定位機(jī)構(gòu)、定位鎖緊裝置等部件，方案如圖3所示。精心設(shè)計(jì)背架接口和自動(dòng)展開折疊機(jī)構(gòu)兩端接口并明確規(guī)定接口部位的構(gòu)造形式尺寸、約束性質(zhì)等是自動(dòng)展開折疊機(jī)構(gòu)平穩(wěn)、協(xié)調(diào)、可靠地運(yùn)行和鎖固、不與其他設(shè)備構(gòu)件相互干涉的有效保證[4]。

圖3 反射體方案

2.2.2 左右面板折疊與定位機(jī)構(gòu)

為了滿足運(yùn)輸要求，設(shè)計(jì)的反射體折疊部位較多，因此折疊與重復(fù)定位結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。

左右面板的收藏與展開執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要有蝸輪蝸桿減速箱和直線電動(dòng)缸，為了結(jié)構(gòu)緊湊，將它們都布置在反射體的背架內(nèi)部。蝸輪蝸桿傳動(dòng)是簡(jiǎn)單機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的重點(diǎn)和最常見的結(jié)構(gòu)之一，主要由蝸輪蝸桿組成，用于傳遞空間兩交錯(cuò)軸之間的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力。蝸輪蝸桿被稱為運(yùn)動(dòng)機(jī)械的杠桿，說(shuō)明它能讓人們費(fèi)很小的勁而產(chǎn)生很大的力量[5]。蝸輪蝸桿減速箱安裝在反射體的固定部分，輸出軸帶動(dòng)支撐塊轉(zhuǎn)動(dòng)，支撐塊與折疊面板相連，因此折疊面板隨支撐塊一起轉(zhuǎn)動(dòng)。直線電動(dòng)缸一端連接支撐塊，另一端固定在梯形架上。梯形架通過銷軸與折疊面板連接，面板與支撐塊也是銷軸連接，兩對(duì)銷軸平行。這樣，當(dāng)直線電動(dòng)缸伸長(zhǎng)或縮短時(shí)，折疊面板可繞支撐塊上的軸旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)折疊。

面板的定位機(jī)構(gòu)由直線電動(dòng)缸、定位軸、定位塊等組成。定位塊安裝于折疊面板的腹板上，直線電動(dòng)缸、定位軸、限位開關(guān)等安裝于固定面板的腹板上。當(dāng)折疊面板旋轉(zhuǎn)180°到位時(shí)，直線電動(dòng)缸伸長(zhǎng)，定位軸進(jìn)入定位塊的定位孔中（軸與孔都為錐面），實(shí)現(xiàn)面板的定位。定位軸與定位塊的安裝位置是在反射面面精度調(diào)整后配作的，滿足反射面的精度要求。定位后，電磁吸盤吸合，鎖緊折疊面板。

2.2.3 前后面板折疊機(jī)構(gòu)

前后面板的收藏與展開執(zhí)行機(jī)構(gòu)由直線電動(dòng)缸、鉸支座及電磁吸盤組成。直線電動(dòng)缸一端通過鉸支座連接在固定面板上，另一端通過鉸支座連接在折疊面板上。當(dāng)直線電動(dòng)缸伸長(zhǎng)或縮短時(shí)，折疊面板可繞安裝在固定面板上的軸翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)折疊。前后面板的折疊只有翻轉(zhuǎn)，因此面板的定位采用電磁吸盤即可。

2.2.4 副面折疊機(jī)構(gòu)

折疊副反射面的目的主要是解決運(yùn)輸超高的問題，組件包括副反射面、軸向與橫向移動(dòng)調(diào)整機(jī)構(gòu)、電機(jī)、減速機(jī)等，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)副面翻轉(zhuǎn)即可，這里不再贅述。

3 仿真分析

為了獲得結(jié)構(gòu)的高比剛度和比強(qiáng)度特性，利用ANSYS的自優(yōu)化模塊，以結(jié)構(gòu)最小變形為優(yōu)化目標(biāo)，以結(jié)構(gòu)系統(tǒng)質(zhì)量和等效應(yīng)力為約束變量，對(duì)5.5 m折疊天線進(jìn)行優(yōu)化仿真分析，得到了最優(yōu)結(jié)構(gòu)模型[6]。該模型主要由5.5 m天線面板、背架、翻轉(zhuǎn)側(cè)電磁吸盤、中心體、副面撐調(diào)機(jī)構(gòu)等組成，如圖4所示。利用優(yōu)化后的模型對(duì)朝天自重加8級(jí)風(fēng)側(cè)吹和指平自重加8級(jí)風(fēng)正吹兩種工況下天線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的強(qiáng)度與剛度進(jìn)行了仿真分析，并計(jì)算了兩種工況下反射面的面精度。

圖4 有限元分析模型

3.1 有限元力學(xué)分析計(jì)算模型

3.1.1 網(wǎng)格劃分

ANSYS軟件建模時(shí)，簡(jiǎn)化處理了對(duì)分析結(jié)果沒有影響或影響很小的部分結(jié)構(gòu)特征。模型共有21 280個(gè)節(jié)點(diǎn)，21 444個(gè)單元。模型中所有物理量的單位采用kg，mm，s和N。

3.1.2 單元類型

模型中采用了兩種單元，天線系統(tǒng)采用梁?jiǎn)卧獊?lái)模擬輻射梁、交叉桿件、翻轉(zhuǎn)側(cè)電子吸盤等桿件，其余部件均采用板殼單元模擬。

3.1.3 材料

整個(gè)模型采用了3種材料，面板及背架腹板采用碳纖維蒙皮加鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，調(diào)整桿、中心體、吸盤等零部件采用鋼材料，材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)表

3.1.4 約束及載荷

載荷只考慮了結(jié)構(gòu)本身的自重以及風(fēng)載荷。根據(jù)實(shí)際安裝邊界條件，對(duì)中心體連接件底面進(jìn)行全約束，約束位置如圖5所示。

圖5 邊界條件加載示意圖

3.2 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過計(jì)算，得到整個(gè)模型的總質(zhì)量為990 kg，其中天線面板的質(zhì)量為135 kg，輻射梁及交叉桿等碳纖維件共260 kg，中心體400 kg，饋源、副面撐調(diào)機(jī)構(gòu)、吸盤等其他件共195 kg。

3.2.1 朝天自重加8級(jí)風(fēng)側(cè)吹工況

天線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在朝天自重加8級(jí)風(fēng)側(cè)吹工況（工況1）下綜合變形與等效應(yīng)力云圖如圖6所示。最大綜合變形為1.054 mm，出現(xiàn)在背風(fēng)側(cè)最遠(yuǎn)端面板的邊緣；最大應(yīng)力為43.123 MPa，出現(xiàn)在背風(fēng)側(cè)面板腹板分塊吸盤的連接處；主面面精度均方根值為0.27。

圖6 工況1綜合變形云圖與等效應(yīng)力云圖

3.2.2 指平自重加8級(jí)風(fēng)正吹工況

天線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在指平自重加8級(jí)風(fēng)正吹工況（工況2）下綜合變形與等效應(yīng)力云圖如圖7所示。最大綜合變形為1.139 mm，出現(xiàn)在副面撐腿上；最大應(yīng)力為37.338 MPa，出現(xiàn)在中心體與背架連接處附近；主面面精度均方根值為0.294。

圖7 工況2綜合變形云圖與等效應(yīng)力云圖

3.3 結(jié)果分析

由以上計(jì)算結(jié)果可知：1）5.5 m天線結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在朝天自重加8級(jí)風(fēng)側(cè)吹和指平自重加8級(jí)風(fēng)正吹兩種工況下結(jié)構(gòu)各部件的強(qiáng)度均能滿足要求，并具有一定的安全余量，可實(shí)現(xiàn)快速收藏與展開。2）天線在指平工況下變形較大，而在朝天工況下應(yīng)力較大。

4 面精度分析與保證

反射面精度是保證天線射頻性能的關(guān)鍵，只有對(duì)系統(tǒng)中各組成部分進(jìn)行合理的指標(biāo)分配并通過有效手段進(jìn)行指標(biāo)控制，才能滿足最終的指標(biāo)要求[7]。

天線主面精度（均方根值）要求為初裝精度≤0.6 mm，復(fù)裝精度≤0.8 mm。為了滿足這一要求，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)主面精度進(jìn)行分解并分別給以保證，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。主面精度劃分為（均為均方根值）：?jiǎn)螇K面板制造精度0.4 mm；檢測(cè)精度0.1 mm；結(jié)構(gòu)變形0.3 mm；復(fù)裝精度0.6 mm。主面精度σ1=

天線副面精度（均方根值）要求為初裝精度≤0.2 mm，復(fù)裝精度≤0.3 mm。副面是在模具上整體成型的，面精度可以達(dá)到0.1 mm。副面精度劃分為（均為均方根值）：副面制造精度0.1 mm；檢測(cè)精度0.1 mm；結(jié)構(gòu)變形0.1 mm；復(fù)裝精度0.2 mm。副面精度0.3 mm。

5 工程應(yīng)用

圖8為5.5 m車載測(cè)控雷達(dá)自動(dòng)收展天線研究成果的實(shí)際工程應(yīng)用。系統(tǒng)收藏狀態(tài)整體長(zhǎng)度為15 500 mm，寬度為2 700 mm，運(yùn)輸時(shí)總高度小于3 500 mm，面板折疊后頂端寬度約為2 200 mm，下端寬度約為2 700 mm，滿足鐵路和公路運(yùn)輸要求。通過照相法檢測(cè)，復(fù)裝后面精度均方根值為0.67 mm。

圖8 5.5 m車載測(cè)控雷達(dá)自動(dòng)收展天線

6 結(jié)束語(yǔ)

本文利用三維設(shè)計(jì)軟件和有限元分析軟件對(duì)5.5 m車載測(cè)控雷達(dá)天線進(jìn)行了仿真，并根據(jù)研究結(jié)果研制了相應(yīng)產(chǎn)品，為測(cè)控類車載天線機(jī)動(dòng)性的改善提供了設(shè)計(jì)思路和理論依據(jù)，具有良好的實(shí)際運(yùn)用價(jià)值。后續(xù)還可在滿足射頻指標(biāo)的前提下改善反射面曲線并進(jìn)一步減小天線座尺寸，使寬度滿足2 550 mm的公路運(yùn)輸標(biāo)準(zhǔn)，相應(yīng)地縮短長(zhǎng)度以進(jìn)一步提高機(jī)動(dòng)性。