機(jī)載0.45m 天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

趙 望，米宏偉，石偉朝

（中國電子科技集團(tuán)公司 第五十四研究所，河北 石家莊 050081）

機(jī)載0.45m 天線在工作過程中經(jīng)常會(huì)受到飛機(jī)的起降、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)和外部氣動(dòng)擾流等因素產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊作用。面臨如此復(fù)雜的環(huán)境條件，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必須考慮工作過程中的安全性和可靠性問題。其中，天線結(jié)構(gòu)件在振動(dòng)和沖擊環(huán)境下的剛度強(qiáng)度問題尤其重要。天線座架是支撐天線、安裝饋線及伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的載體，是承受飛機(jī)振動(dòng)和沖擊環(huán)境的關(guān)鍵構(gòu)件，通過它實(shí)現(xiàn)天線的運(yùn)轉(zhuǎn)、定位和定向等功能，其結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度的好壞，直接影響到系統(tǒng)的精度和安全性能。因此，在天線座的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段，采用ProE 三維設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用有限元法利用MSC Patran／Nastran 仿真軟件對(duì)天線座結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析、沖擊響應(yīng)分析和隨機(jī)振動(dòng)分析［1］，以提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。

1 系統(tǒng)和整機(jī)要求

根據(jù)系統(tǒng)要求，本天線必須具有的功能：自動(dòng)跟蹤衛(wèi)星；極化自動(dòng)調(diào)整；能夠與導(dǎo)航設(shè)備通信，采集航向、地理位置、姿態(tài)等信息；可以接受遠(yuǎn)控設(shè)備控制，設(shè)置設(shè)備參數(shù)和查詢設(shè)備狀態(tài)。要實(shí)現(xiàn)這些功能則要依靠伺服系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的準(zhǔn)確跟蹤，伺服采用陀螺加前饋補(bǔ)償伺服穩(wěn)定控制策略；單脈沖跟蹤方式。天線及伺服跟蹤系統(tǒng)的基本任務(wù)是：在飛機(jī)飛行過程中始終連續(xù)地對(duì)衛(wèi)星進(jìn)行高精度跟蹤。并且能夠高性能地接收衛(wèi)星的來波信號(hào)和發(fā)射飛機(jī)衛(wèi)星通信站的信號(hào)。天線座架是機(jī)載天線的重要組成部分，它的主要功能是支撐和轉(zhuǎn)動(dòng)天線，在伺服穩(wěn)定控制下實(shí)時(shí)地對(duì)準(zhǔn)衛(wèi)星，從而保證在飛行中衛(wèi)星通信的暢通。為了提高天線整體的諧振頻率，應(yīng)使其結(jié)構(gòu)具有較高的強(qiáng)度和剛度。此外，為滿足天線座可拆裝，搬移要求，天線座結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)簡潔，重量輕。

2 總體結(jié)構(gòu)形式及設(shè)計(jì)特點(diǎn)

0.45 m 天線外形安裝尺寸（直徑×高度）為700mm×500mm（天線罩），重量約為40kg，如圖1所示。天線與天線罩一體安裝在機(jī)體尾梁構(gòu)建的安裝平臺(tái)上。天線的反射體采用低剖面的波導(dǎo)陣列天線，座架采用方位－俯仰型轉(zhuǎn)盤式結(jié)構(gòu)，天線與機(jī)體安裝平臺(tái)間裝有隔振裝置。所有電纜和波導(dǎo)經(jīng)密封處理后通過安裝孔進(jìn)入機(jī)艙內(nèi)部。

2.1 天線反射體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

天線反射體采用鋁合金板的波導(dǎo)陣列天線結(jié)構(gòu)形式，由于采用新型加工成形工藝，具有剖面低、輻射效率高、口徑分布控制精確、低副瓣、波束指向穩(wěn)定、功率容量大、剛度和強(qiáng)度好、結(jié)構(gòu)緊湊、厚度薄、相對(duì)重量輕、可靠性高等優(yōu)異的電器和結(jié)構(gòu)性能［2，3］。

2.2 天線座架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 天線總體結(jié)構(gòu)

天線座為方位－俯仰型座架結(jié)構(gòu)形式，座架又分為方位機(jī)構(gòu)、俯仰機(jī)構(gòu)、滑環(huán)組合三部分。

其中方位機(jī)構(gòu)主要由驅(qū)動(dòng)組合、底座、方位大軸承、方位同步裝置組成。方位大軸承采用四點(diǎn)接觸球軸承，安裝在底座上，連接方位與俯仰機(jī)構(gòu)，具有傳動(dòng)平穩(wěn)、承載能力強(qiáng)、可調(diào)節(jié)齒隙等優(yōu)點(diǎn)。兩側(cè)分別放置方位驅(qū)動(dòng)和方位同步裝置以及伺服控制單元等。方位軸角信息通過雙片齒輪傳遞給同步裝置。

俯仰機(jī)構(gòu)主要由驅(qū)動(dòng)組合、俯仰支臂等組成。驅(qū)動(dòng)鏈末級(jí)采用圓柱齒輪副，具有傳動(dòng)平穩(wěn)、承載能力強(qiáng)、可調(diào)節(jié)齒隙等優(yōu)點(diǎn)，俯仰支臂中每個(gè)軸承座背對(duì)背安裝一對(duì)圓錐滾子軸承，內(nèi)裝俯仰軸構(gòu)成懸臂軸伸。設(shè)計(jì)中優(yōu)化配置俯仰軸跨距與懸臂軸伸的比例系數(shù)，從而保證俯仰軸的剛度。

滑環(huán)組合由上支架、滑環(huán)、安裝附件組成，采用多路滑環(huán)，具有超長壽命、免維護(hù)、無需潤滑、外形緊湊的優(yōu)點(diǎn)。滑環(huán)通過上支架與安裝附件分別與俯仰機(jī)構(gòu)和方位機(jī)構(gòu)連接。

為了減輕天線系統(tǒng)的重量，主要支撐件均由鍛造鋁合金加工而成。支撐件為薄臂加筋并開有多個(gè)減重孔的結(jié)構(gòu)件，它的剛重比較大，因而座架結(jié)構(gòu)整體具有結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、剛度大的特點(diǎn)，滿足了機(jī)載環(huán)境對(duì)設(shè)備體積小、重量輕的苛刻要求。

3 天線結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析

由于天線的質(zhì)量分布不均勻，不能用解析的方法得到其解析解，因此采用美國航天局開發(fā)的有限元分析程序MSC.NASTRAN 和MSC.PATRAN 進(jìn)行力學(xué)計(jì)算分析和仿真。

3.1 有限元模型的建立

天線整體結(jié)構(gòu)的有限元模型包括天線陣子單元、俯仰機(jī)構(gòu)，方位轉(zhuǎn)盤機(jī)構(gòu)等。對(duì)簡化后的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用MSC.PATRAN 軟件分別對(duì)俯仰機(jī)構(gòu)，方位轉(zhuǎn)盤等機(jī)構(gòu)零件單獨(dú)劃分網(wǎng)格，最后進(jìn)行網(wǎng)格的組裝。為了更為準(zhǔn)確地描述俯仰機(jī)構(gòu)，方位轉(zhuǎn)盤等機(jī)構(gòu)的變形位移和應(yīng)力情況，采用六面體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，保證結(jié)構(gòu)的薄壁處含有3 層以上的單元分布。

天線座架的各傳動(dòng)軸、齒輪選用合金鋼40Cr，而其他零件選用鍛鋁5A06－h(huán)112。

機(jī)載0.45m 天線網(wǎng)格劃分模型如圖2所示。

圖2 機(jī)載0.45m 天線網(wǎng)格劃分模型

3.2 模態(tài)分析

天線結(jié)構(gòu)可以等效為一個(gè)多自由度線性系統(tǒng)，在模態(tài)求解過程中將天線座組件視為一無阻尼自由振動(dòng)系統(tǒng)，可據(jù)此得到系統(tǒng)的固有頻率和振型。

天線座架的振動(dòng)可以表示為系統(tǒng)各階固有振型的線性組合，其中低階固有振型對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的影響更大，同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性起決定性作用［3］。本文提取了天線座組件的前4 階振動(dòng)模態(tài)，表1中給出了其固有頻率和振型描述。

天線座組件的前4 階模態(tài)均為整體振動(dòng)。其中，第1階固有頻率28.7Hz，遠(yuǎn)大于伺服系統(tǒng)的帶寬2.7 Hz，伺服噪聲不會(huì)激發(fā)天線發(fā)生諧振。天線座組件第1、2階整體振動(dòng)的振型如圖3所示。

表1 天線座架固有頻率及振型描述

3.3 沖擊振動(dòng)分析

圖3 天線的第1、2階振型

按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，沖擊試驗(yàn)條件為：采用半正弦脈沖，峰值加速度15g，脈沖寬度11ms，3個(gè)互相垂直軸，6個(gè)軸向，每個(gè)方向施加3次（共18次）［5］。

對(duì)天線座架施加載荷并進(jìn)行有限元分析，得到了如下分析結(jié)果。最大應(yīng)力出現(xiàn)在z軸正向（圖4），可以看出最大應(yīng)力處位于俯仰機(jī)構(gòu)與方位轉(zhuǎn)盤連接處，最大應(yīng)力值為109MPa，小于材料的屈服極限σ0.2＝275MPa。所以，在沖擊載荷作用下，天線座結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是滿足要求的。

圖4 沿z軸正向沖擊時(shí)天線的應(yīng)力云圖

振動(dòng)實(shí)驗(yàn)條件見圖5振動(dòng)譜，其中迭加的4處振動(dòng)峰值依次為1.6g、2.8g、1.9g、1.3g。

對(duì)天線座組件施加載荷并進(jìn)行有限元分析，得到了如下分析結(jié)果。最大應(yīng)力出現(xiàn)在y軸（圖6），同樣位于俯仰機(jī)構(gòu)與方位轉(zhuǎn)盤連接處，其高斯分布規(guī)律的應(yīng)力3σ 值為178MPa，小 于 材 料 的 屈 服 極 限 值σ0.2＝275MPa。因此，在隨機(jī)振動(dòng)情況下，天線座結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度是滿足要求的。

圖5 天線振動(dòng)譜

圖6 沿y軸隨機(jī)振動(dòng)時(shí)天線的3σ 應(yīng)力云圖

4 結(jié)論

從航空電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的專業(yè)角度，根據(jù)載機(jī)平臺(tái)的工作模式和環(huán)境空間要求，對(duì)機(jī)載0.45m 天線座架進(jìn)行結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)中采用各種機(jī)載設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的成熟經(jīng)驗(yàn)和力學(xué)分析仿真等軟件較好地解決了結(jié)構(gòu)形式、防沖擊、振動(dòng)等主要問題，完成了天線座結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析及變形，從而保證了整套機(jī)載天線具有較輕的重量和較高的傳動(dòng)精度與可靠性。具備快速拆裝，搬移等優(yōu)點(diǎn)。從實(shí)際應(yīng)用來看，機(jī)載0.45m 天線座架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保證了天線高性能地接收衛(wèi)星的來波信號(hào)和發(fā)射飛機(jī)衛(wèi)星通信站的信號(hào)。

［1］南雁，郭建平，張婭妮.某機(jī)載電子設(shè)備總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，航空計(jì)算技術(shù)，2011，41（3）：97－100.

［2］洪長滿，段勇軍.機(jī)載雷達(dá)天線座結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度性能評(píng)估，現(xiàn)代雷達(dá)，2011，33（6）：72－75.

［3］洪長滿.某機(jī)載雷達(dá)中鋼絲繩隔振器的隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)研究，電子機(jī)械工程，2011，27（3）：8－11.

［4］譚貴紅，張志毅，宋志行，程林.機(jī)載雷達(dá)吊艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2010，（3）：284－288.

［5］趙汝嘉.機(jī)械結(jié)構(gòu)有限元分析［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，1990.