艦載雷達(dá)設(shè)計(jì)考慮因素分析

郝金玉，左艷軍

(1.海軍駐426廠軍代表室，遼寧 大連 116005;2.中國船舶重工集團(tuán)公司第七一四研究所，北京 100192)

0 引言

下一代防空和反導(dǎo)要求艦船具備遠(yuǎn)程探測和跟蹤低雷達(dá)截面積(RCS)目標(biāo)的能力。掠海飛行反艦巡航導(dǎo)彈以及其他空中威脅對雷達(dá)提出了更高的要求。為此，美國海軍正在籌劃發(fā)展比目前裝備在“宙斯盾”艦上的SPY-1雷達(dá)更為強(qiáng)大的艦載雷達(dá)系統(tǒng)。這種雷達(dá)系統(tǒng)將耗費(fèi)更多可用的艦載資源，其巨大陣面將占據(jù)大部分甲板區(qū)域，電源和冷卻設(shè)備體積需要占據(jù)更多的艙室空間。雷達(dá)系統(tǒng)對艦船發(fā)電系統(tǒng)、配電系統(tǒng)以及冷卻系統(tǒng)的需求將大幅度增加。下面將討論艦載雷達(dá)設(shè)計(jì)中對艦船設(shè)計(jì)的影響因素，以及將這些影響因素減到最小的方法。

1 艦載雷達(dá)系統(tǒng)

天線是最容易被人看到的雷達(dá)部分，通常也是雷達(dá)最為復(fù)雜的部分，如圖1所示。支撐天線的各種外圍設(shè)備與天線本身一樣對艦船的影響也很大。雷達(dá)供電設(shè)備必須將艦船配電系統(tǒng)中的交流(AC)電轉(zhuǎn)換為高質(zhì)量的300 V直流(DC)電，輸入到陣列中的DC/DC變換器。轉(zhuǎn)換過程中，首先利用變壓器降低艦船電壓，同時(shí)為減少諧波失真，要將三相電輸入變換為多相電，通常為12或18相。然后，AC/DC整流器將交流轉(zhuǎn)換為直流。利用大型濾波器去除可能出現(xiàn)的電壓波紋。在陣列中或陣列附近使用附加濾波器去除300 V直流線路上任何的附加噪聲或波紋。300 V直流線路主要為雷達(dá)系統(tǒng)供電，但信號處理器、散熱器、抽水泵、冷卻系統(tǒng)以及控制電路也會消耗掉40%的電力。

圖1 艦載雷達(dá)系統(tǒng)組成Fig.1 Shipboard radar system

通常，雷達(dá)系統(tǒng)總功耗中只有不到20%從天線陣面輻射出去。剩余熱量必須靠艦船冷卻系統(tǒng)移除。為促進(jìn)散熱，雷達(dá)陣面通常會含有流通冷卻水的通道。由于雷達(dá)陣列處于極端的環(huán)境溫度中，冷卻液熔點(diǎn)必須足夠低，通常是乙二醇和水的混合物(EGW)或丙二醇和水的混合物(PGW)。熱交換器將熱量從雷達(dá)系統(tǒng)冷卻液輸送到艦船冷卻系統(tǒng)。交換器中的冷卻液可以是艦船淡水、海水、冷水或由溫度控制器控制的上述液體混合物。

2 雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮因素

2.1 冷卻液溫度

雷達(dá)冷卻液溫度是雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中對艦船影響的首要考慮因素，因?yàn)榕灤O(shè)計(jì)中必須考慮到雷達(dá)系統(tǒng)熱交換器需要的條件。若雷達(dá)系統(tǒng)使用冷卻水吸熱，冷卻水按7℃供應(yīng)時(shí)，則進(jìn)入雷達(dá)的冷卻液可以低至10℃。然而，多數(shù)雷達(dá)設(shè)計(jì)人員傾向于20℃的冷卻液溫度，以避免有害的冷凝。另一方面，海水溫度可高達(dá)37℃，以至于冷卻液溫度可能達(dá)到40℃。進(jìn)一步講，冷卻水溫度基本恒定，但海水溫度卻隨著季節(jié)和位置的變化而變化。

可靠性工程師傾向于讓電子設(shè)備運(yùn)行在可以達(dá)到的最低溫度中，因而會選擇冷卻水為雷達(dá)散熱。同時(shí)，由于發(fā)送功率和發(fā)射/接收模塊中的大功率放大器的效率隨著溫度的升高而降低，高溫環(huán)境會降低雷達(dá)輸出功率。雷達(dá)系統(tǒng)的噪聲系數(shù)也會隨溫度的升高而升高，進(jìn)一步降低雷達(dá)性能。雷達(dá)性能每個(gè)dB都是以為陣面增加額外的輻射器和發(fā)射/接收模塊，或增加每個(gè)發(fā)射/接收模塊的功率為代價(jià)的。

由于發(fā)射/接收模塊之間以及與其他組件之間存在生產(chǎn)差異，雷達(dá)系統(tǒng)的制造商需對所生產(chǎn)的每個(gè)陣面進(jìn)行校準(zhǔn)。每個(gè)發(fā)射/接收模塊必須包含調(diào)整相位和幅度的方法。然而，這些調(diào)整會因溫度變化而不穩(wěn)定，因此只有在溫度變化范圍非常小時(shí)才有效。所以，使用海水吸熱時(shí)，需要在最高預(yù)期溫度對雷達(dá)進(jìn)行校準(zhǔn)，并且雷達(dá)冷卻系統(tǒng)會在海水溫度變化時(shí)依然維持該溫度。工廠可能會提供幾個(gè)不同溫度范圍的校準(zhǔn)數(shù)據(jù)供客戶選擇。因此，系統(tǒng)軟件將包含調(diào)整陣列校準(zhǔn)值，以供在海水溫度變化時(shí)進(jìn)行選擇性使用。雷達(dá)使用冷卻水吸熱時(shí)，與陣列校準(zhǔn)相關(guān)和軟件開發(fā)的額外成本與附加的機(jī)械、功耗和艦船尺寸的成本此消彼長。

2.2 陣面?zhèn)€數(shù)和形狀

雷達(dá)本身設(shè)計(jì)的考慮因素是天線陣面數(shù)量的確定。單陣面雷達(dá)系統(tǒng)可以滿足某些應(yīng)用，如單目標(biāo)導(dǎo)彈跟蹤，但當(dāng)需要覆蓋360°范圍時(shí)就需要3～4個(gè)陣面。如“宙斯盾”作戰(zhàn)系統(tǒng)需要同時(shí)跟蹤很多快速移動的目標(biāo)，這對于單陣面雷達(dá)來說就是一個(gè)挑戰(zhàn)。雷達(dá)設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)由雷達(dá)功能確定陣面數(shù)量。用于防空和導(dǎo)彈防御的艦載雷達(dá)即使陣面數(shù)量有多有少，但都要求輻射單元總數(shù)保持不變。對于3陣面雷達(dá)系統(tǒng)，由于需要從舷側(cè)掃描60°范圍，掃描損耗比只需掃描45°范圍的4陣面雷達(dá)更大。為補(bǔ)償這種損耗，3陣面雷達(dá)的每個(gè)陣面含有更多輻射單元。也就是說，3陣面雷達(dá)的直徑要比4陣面雷達(dá)直徑約大15%。

類似地，雷達(dá)陣面面積直接影響到甲板室尺寸，因此當(dāng)甲板室寬度受限時(shí)，可采用4陣面雷達(dá)系統(tǒng)，如圖2所示。多數(shù)艦船配置中，除雷達(dá)之外的其他天線也會安裝在甲板室或上層建筑表面，從而增加了對甲板室表面區(qū)域的空間需求。這些配置中的甲板室表面尺寸需要做相應(yīng)增加，以容納其他天線。在本文的后續(xù)分析中，假設(shè)雷達(dá)采用4陣面配置。

陣列形狀是雷達(dá)設(shè)計(jì)人員的另一個(gè)關(guān)注點(diǎn)，因?yàn)樗鼪Q定了電磁輻射波束形狀。有些設(shè)計(jì)人員喜歡采用圓形或八邊形陣面，以便實(shí)現(xiàn)對稱的波束截面。但艦船結(jié)構(gòu)多數(shù)是直角形的，圓形陣列會浪費(fèi)直角結(jié)構(gòu)的各角區(qū)域。方形陣列在甲板室表面區(qū)域利用方面比圓形陣列利用效率更高。

圖2 陣面數(shù)目Fig.2 Number of array faces(Left:3-face;right:4-face)

2.3 發(fā)射/接收模塊功率和有源陣面積

［1］指出，雷達(dá)敏感度正比于發(fā)射/接收模塊功率和陣面輻射單元總數(shù)乘積的立方:

敏感度∝P0×N，其中，P0為發(fā)射/接收模塊的輸出功率;N為陣列中輻射單元總數(shù)。由于每個(gè)輻射單元都有對應(yīng)的面積，因此，敏感度也正比于有源陣面積的立方，或正比于單元直徑6次方。

1)電源

近年來，雷達(dá)設(shè)計(jì)概念中采用300 V直流電源對天線陣供電，并采用DC/DC變流器變換之后為發(fā)射/接收模塊供電。系統(tǒng)發(fā)射脈沖時(shí)的功耗比接收脈沖時(shí)大得多。在執(zhí)行彈道導(dǎo)彈防御任務(wù)時(shí)，雷達(dá)需要比某些傳統(tǒng)雷達(dá)系統(tǒng)用更長的時(shí)間發(fā)射脈沖，其發(fā)射功率會很高。但系統(tǒng)是連續(xù)耗電的，其總功率是發(fā)射/接收模塊功耗的時(shí)間平均。根據(jù)立方關(guān)系，小型陣列必須要有更高功率的發(fā)射/接收模塊才能達(dá)到所需靈敏度。隨著陣面積增加和發(fā)射/接收模塊功率降低，接收功耗在總功耗中變得更加重要，并且總功耗降到最低。

2)冷卻

只有大約20%的雷達(dá)系統(tǒng)功耗由天線發(fā)射出去，艦船的散熱設(shè)施必須將剩余熱能去除。由于散熱負(fù)載與陣列尺寸幾乎無關(guān)，它對艦船的影響與電力有相同的趨勢。圖3給出了冷卻設(shè)備對艦船的潛在影響。

3)覆蓋區(qū)

雷達(dá)外圍設(shè)備所需的甲板區(qū)域主要由電力和冷卻設(shè)備占據(jù)。因此，它對艦船的影響趨勢與電力的相同。圖4給出了改變有源陣面積時(shí)，為維持雷達(dá)性能不變而對甲板空間造成的影響。圖中假設(shè)艦船集成系統(tǒng)擁有足夠的電力，且艦船無需為雷達(dá)功耗安排額外機(jī)組容量。否則，甲板對雷達(dá)系統(tǒng)的可變覆蓋區(qū)則需要大幅增加，因?yàn)槿細(xì)鉁u輪需要穿越幾個(gè)甲板的大型進(jìn)氣和排氣管道系統(tǒng)。

4)陣列重量

敏感度陣列重量隨著面積增大而非線性增加。隨著輻射單元數(shù)量增加，每個(gè)陣元功率會按前述的立方關(guān)系降低。為描述有源陣面積改變對陣列重量的影響，可以將陣列組件歸為2類。

類型1:重量與陣面積成正比的組件;

類型2:特征隨進(jìn)到陣列的總能量變化而變化的組件。

類型1組件包括輻射單元自身、發(fā)射/接收模塊及其相關(guān)電路、一部分最難替換單元(LRU)結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施、數(shù)字波束形成系統(tǒng)、天線屏蔽器、支持電子設(shè)備的天線結(jié)構(gòu)以及安裝輻射單元的結(jié)構(gòu)。

類型2組件包括一些陣列中的組件，如DC/DC變流器，能量存儲組件、電力濾波器和電子結(jié)構(gòu)及基礎(chǔ)設(shè)施等。

5)系統(tǒng)總重量

陣列的大部分外圍設(shè)備都是電源和冷卻設(shè)備組件，陣面積在轉(zhuǎn)折點(diǎn)以下時(shí)，會引起重量的增加。另外，還有些設(shè)備，如處理器，重量決定于雷達(dá)類型及其任務(wù)，并且?guī)缀醪徽撽嚸娣e的大小，重量都一樣。

6)燃料消耗

從圖5可知，維持雷達(dá)系統(tǒng)正常運(yùn)行5天，需要與雷達(dá)本身重量相等的燃料(該分析假設(shè)每千瓦時(shí)需要消耗0.7磅燃料)。圖5給出了典型艦船在維持靈敏度不變時(shí)，陣面積和燃料消耗的關(guān)系。

2.4 電源系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)和占空比

雷達(dá)實(shí)際發(fā)射時(shí)間所占的比例，是雷達(dá)功率需求的主要決定因素。多數(shù)情況下，彈道導(dǎo)彈防御比防空作戰(zhàn)需要更大的脈沖寬度，因此占空比更大。但彈道導(dǎo)彈防御每次使用一個(gè)雷達(dá)陣面，而防空作戰(zhàn)使用所有可用的陣面。因此，一個(gè)好的配電管理系統(tǒng)能夠按需配電，可以為單一雷達(dá)陣面分配所需電量，或同時(shí)為所有雷達(dá)陣面分配相對較小的等額電量。為實(shí)現(xiàn)這種功能，雷達(dá)設(shè)計(jì)人員需要確保，采用4陣面雷達(dá)的防空作戰(zhàn)任務(wù)使用占空比是采用單一陣面雷達(dá)導(dǎo)彈防御任務(wù)所需占空比的1/4或更小。理論分析表明，雷達(dá)無法時(shí)分復(fù)用一個(gè)陣面同時(shí)充分完成彈道導(dǎo)彈防御任務(wù)和防空作戰(zhàn)任務(wù)。因此，有必要同時(shí)保證防空作戰(zhàn)和導(dǎo)彈防御雷達(dá)陣面能夠有效發(fā)射，進(jìn)而增加雷達(dá)所需的總發(fā)射功率，影響艦船總體設(shè)計(jì)。

2.5 受約束的艦船

下一代艦載雷達(dá)系統(tǒng)可以安裝在新艦船上，也可以安裝在現(xiàn)有海軍平臺上。當(dāng)將新型先進(jìn)雷達(dá)系統(tǒng)集成到現(xiàn)有的艦船上時(shí)，就需對雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)嚴(yán)格限制，包括發(fā)電能力、冷卻能力、陣列尺寸、艦船穩(wěn)定性和總排水量限制，以及可用的甲板室和機(jī)械空間。

現(xiàn)有艦船將限制新型雷達(dá)的設(shè)計(jì)對雷達(dá)系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。在受限制的艦船上，為實(shí)現(xiàn)最佳性能，雷達(dá)系統(tǒng)可能不得不選擇非最優(yōu)設(shè)計(jì)，如在陣列尺寸受限時(shí)，可能需要增加電源模塊來滿足雷達(dá)性能需求，從而對電源、制冷和重量造成負(fù)面影響。

在艦載雷達(dá)設(shè)計(jì)中，需要從各種決策角度考慮艦船限制。為了在受限制的艦船上實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的雷達(dá)性能，就需要在雷達(dá)和艦船設(shè)計(jì)人員之間進(jìn)行設(shè)計(jì)迭代。需要進(jìn)行平衡研究，以在各種限制下實(shí)現(xiàn)雷達(dá)性能最優(yōu)。因此，艦船和雷達(dá)設(shè)計(jì)之間需要進(jìn)行緊密協(xié)作。

3 結(jié)語

雷達(dá)設(shè)計(jì)人員能夠減少大型先進(jìn)雷達(dá)系統(tǒng)對艦船的影響。對于艦船的影響，4陣面雷達(dá)系統(tǒng)可能比3陣面雷達(dá)有一定的優(yōu)勢。雷達(dá)設(shè)計(jì)人員應(yīng)該考慮與艦船冷卻系統(tǒng)獨(dú)立的系統(tǒng)。雷達(dá)電力體系結(jié)構(gòu)應(yīng)該兼顧彈道導(dǎo)彈防御任務(wù)和防空作戰(zhàn)任務(wù)。總之，減少這些對艦船影響的工作對艦船設(shè)計(jì)大有裨益。下一代雷達(dá)系統(tǒng)將對艦船設(shè)計(jì)的諸多方面產(chǎn)生影響。為實(shí)現(xiàn)性能和成本的最優(yōu)化，必須綜合考慮雷達(dá)和艦船設(shè)計(jì)。二者分別獨(dú)立的設(shè)計(jì)將無法實(shí)現(xiàn)最優(yōu)雷達(dá)/艦船設(shè)計(jì)。雖然雷達(dá)和艦船設(shè)計(jì)人員之間的協(xié)作有困難需要克服，但這對海軍獲得整體最優(yōu)的系統(tǒng)來講卻是至關(guān)重要的。

參考文獻(xiàn):

［1］FRANK J，et al.Impact of T/R module power level on the attributes of active phased array radars［A］.Proceedings of the 50th Tri-Service Radar Symposium，Monterey，CA，June 2004.

［2］TRUNK G V.Optimal number of phased array faces and signal processors for horizon and volume surveillancerevisited［A］.2003 Tri-Service Radar Symposium，Boulder，Colorado 23 －27 June，2003.