艦船用雷達(dá)平板天線(xiàn)外流場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙廣濤，李潤(rùn)林，毛俊東

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

艦船用雷達(dá)平板天線(xiàn)外流場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

趙廣濤，李潤(rùn)林，毛俊東

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

提出了一種艦船用雷達(dá)平板天線(xiàn)外流場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。在雷達(dá)天線(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)階段，該方法將雷達(dá)天線(xiàn)數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)和外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論相結(jié)合，用于雷達(dá)天線(xiàn)的外流場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行比對(duì)和驗(yàn)證，降低雷達(dá)天線(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)所受的風(fēng)載荷，有效地降低了雷達(dá)天線(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的總重量，提高了艦船用雷達(dá)的適裝性和雷達(dá)結(jié)構(gòu)的可靠性。

雷達(dá)；天線(xiàn)系統(tǒng)；外流場(chǎng)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引 言

從上世紀(jì)30年代以來(lái)，艦船用雷達(dá)一直受到各國(guó)海軍的高度重視，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，其性能得到了很大提高，已成為艦船用作戰(zhàn)系統(tǒng)的重要組成部分。隨著作戰(zhàn)環(huán)境的不斷變化，雷達(dá)也面臨著反輻射導(dǎo)彈、隱身目標(biāo)、超低空突防、綜合電子干擾以及多方向、多批次、大密度飽和攻擊的威脅。為了提高在復(fù)雜電磁和作戰(zhàn)環(huán)境下的探測(cè)能力，雷達(dá)正向多功能相控陣、低截獲、一體化、數(shù)字化、分布式和網(wǎng)絡(luò)化、高集成度等方向發(fā)展。這就要求雷達(dá)必須堅(jiān)持“輕型化、小型化、組合化”的設(shè)計(jì)原則。

為此，本文提出了一種能夠幫助促進(jìn)艦船用雷達(dá)天線(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)輕小型化的技術(shù)方法和技術(shù)思路。本方法涉及一種艦船用雷達(dá)天線(xiàn)外流場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。對(duì)于艦船用雷達(dá)天線(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)，它所受的載荷通常包括風(fēng)載荷、慣性載荷、摩擦力(矩)、自重、冰雪載荷和溫度載荷等幾種類(lèi)型。而艦船用雷達(dá)正常工作和不破壞條件下的相對(duì)風(fēng)速都非常高，風(fēng)載荷在艦船用雷達(dá)天線(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)所受的載荷中通常是最大的部分，一般艦船用雷達(dá)的天線(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)需要克服的風(fēng)載荷占總載荷的比例超過(guò)80%。由此可見(jiàn)，降低天線(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的風(fēng)載荷是提高艦船用雷達(dá)適裝性和雷達(dá)結(jié)構(gòu)可靠性的有效途徑。

本方法的特點(diǎn)在于將雷達(dá)天線(xiàn)動(dòng)態(tài)外流場(chǎng)高精度數(shù)值模擬、雷達(dá)天線(xiàn)外形結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和模型風(fēng)洞試驗(yàn)等技術(shù)手段相結(jié)合，用于艦船用雷達(dá)天線(xiàn)外形結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。與目前通過(guò)持續(xù)許多輪次的風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行天線(xiàn)外形結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)不相同，本方法在快速性和成本方面具有優(yōu)勢(shì)。通過(guò)對(duì)本方法的研究，將雷達(dá)天線(xiàn)動(dòng)態(tài)外流場(chǎng)高精度數(shù)值模擬、雷達(dá)天線(xiàn)外形結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)和模型風(fēng)洞試驗(yàn)等技術(shù)手段相結(jié)合，從而有效地提高艦船用雷達(dá)天線(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的適裝性和結(jié)構(gòu)可靠性。

1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的技術(shù)思路

根據(jù)艦船用雷達(dá)天線(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)降低風(fēng)載荷的要求，結(jié)合天線(xiàn)外流場(chǎng)數(shù)值模擬的技術(shù)現(xiàn)狀和技術(shù)實(shí)踐，經(jīng)過(guò)反復(fù)論證和分析，提出了雷達(dá)天線(xiàn)外流場(chǎng)高精度數(shù)值模擬、外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論和風(fēng)洞試驗(yàn)相結(jié)合的天線(xiàn)外流場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的技術(shù)思路。優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括以下步驟：

步驟1 初始外形結(jié)構(gòu)方案：根據(jù)艦船總體和雷達(dá)電訊總體的指標(biāo)要求，結(jié)合雷達(dá)工作的環(huán)境條件，給出雷達(dá)天線(xiàn)的初始外形結(jié)構(gòu)方案；

步驟2 三維實(shí)體建模：根據(jù)雷達(dá)天線(xiàn)外形結(jié)構(gòu)方案，進(jìn)行三維實(shí)體建模；

步驟3 根據(jù)CFD特點(diǎn)對(duì)外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化：外形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，使得數(shù)值模擬計(jì)算的效率和準(zhǔn)確性都能兼顧；

步驟4 數(shù)值模擬：進(jìn)行天線(xiàn)外流場(chǎng)數(shù)值模擬計(jì)算；

步驟5 仿真分析結(jié)果輸出：對(duì)仿真分析結(jié)果進(jìn)行后處理后輸出；

步驟6 根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)特點(diǎn)對(duì)外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化：外形結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，使得風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目杉庸ば院驮囼?yàn)準(zhǔn)確性都能兼顧；

步驟7 風(fēng)洞試驗(yàn)：進(jìn)行天線(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)模型風(fēng)洞試驗(yàn)；

步驟8 風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果輸出：對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行處理后輸出；

步驟9 外形結(jié)構(gòu)方案更新：對(duì)天線(xiàn)外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，進(jìn)行新的數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)。

重復(fù)步驟3～8，直至優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)束，通常步驟3～5的重復(fù)次數(shù)要比步驟6～8的重復(fù)次數(shù)多。因?yàn)椴皇敲看螖?shù)值模擬的結(jié)果都有價(jià)值，如果仿真分析結(jié)果表明，某外形結(jié)構(gòu)方案的風(fēng)載荷比初始結(jié)構(gòu)方案的風(fēng)載荷還要大，就不需要進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，而直接進(jìn)入步驟9。

實(shí)施過(guò)程及流程如圖1所示。

圖1 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法實(shí)施過(guò)程及流程

2 數(shù)值模擬和風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)分析

2.1 天線(xiàn)外流場(chǎng)高精度數(shù)值模擬

根據(jù)本文提出的雷達(dá)天線(xiàn)外流場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，結(jié)合某艦船用雷達(dá)天線(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，首先進(jìn)行了天線(xiàn)外流場(chǎng)高精度數(shù)值模擬。并根據(jù)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，對(duì)天線(xiàn)外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，再次進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，反復(fù)幾輪下來(lái)，天線(xiàn)風(fēng)載荷有了一定程度的下降。選取天線(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)方位風(fēng)力矩作為參考對(duì)象，其中某兩次數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果的比對(duì)如圖2所示。實(shí)際進(jìn)行的數(shù)值模擬計(jì)算遠(yuǎn)不止兩輪。根據(jù)圖2所示的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法實(shí)施過(guò)程及流程，不是每次數(shù)值模擬都有價(jià)值，就不必進(jìn)行相應(yīng)的模型風(fēng)洞試驗(yàn)，直接進(jìn)入下一輪數(shù)值模擬計(jì)算。方位風(fēng)力矩是選取方位驅(qū)動(dòng)電機(jī)和齒輪箱的重要依據(jù)。

2.2 天線(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)模型風(fēng)洞試驗(yàn)

按照?qǐng)D2所示的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法實(shí)施過(guò)程及流程，選取其中有價(jià)值的數(shù)值模擬對(duì)應(yīng)的天線(xiàn)外形結(jié)構(gòu)，進(jìn)行模型風(fēng)洞試驗(yàn)。圖3中選取方位風(fēng)力矩系數(shù)作為研究對(duì)象，進(jìn)行了兩次風(fēng)洞試驗(yàn)的試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)。從圖3可以看出，第二次風(fēng)洞試驗(yàn)中的方位風(fēng)力矩系數(shù)的峰值有所下降。

圖2 數(shù)值模擬仿真分析結(jié)果比對(duì)

圖3 模型風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)

2.3 數(shù)值模擬及試驗(yàn)結(jié)果比對(duì)分析

根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)得出的風(fēng)載荷系數(shù)，進(jìn)行了天線(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的負(fù)載計(jì)算和有限元分析。分析和計(jì)算表明，方位風(fēng)力矩系數(shù)的下降，使得選取的方位驅(qū)動(dòng)電機(jī)和方位減速箱的額定功率、額定輸出扭矩有所下降，相應(yīng)的方位驅(qū)動(dòng)電機(jī)和方位減速箱的重量都會(huì)有所下降，為雷達(dá)天線(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)的適裝性結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了有力的支撐。

2.4根據(jù)天線(xiàn)外流場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)后的天線(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)重量比較

根據(jù)本文提出的天線(xiàn)外流場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并以外流場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果為基礎(chǔ)，從結(jié)構(gòu)優(yōu)化減重設(shè)計(jì)、適用海洋環(huán)境的輕型材料及其工藝技術(shù)研究等方面進(jìn)行了研究和分析，給出了該艦船用雷達(dá)天線(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)正樣機(jī)和初樣機(jī)的重量比較如表1。

表1 重量(kg)比較表

3 結(jié)束語(yǔ)

本文的研究?jī)?nèi)容涉及一種艦船用雷達(dá)平板天線(xiàn)外流場(chǎng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。本方法通過(guò)將雷達(dá)天線(xiàn)數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)和外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論相結(jié)合，并通過(guò)天線(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)模型風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行了比對(duì)和驗(yàn)證，有效地降低了雷達(dá)天線(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)所受的風(fēng)載荷，有效地指導(dǎo)了雷達(dá)天線(xiàn)轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)。該方法對(duì)提高艦船用雷達(dá)適裝性和雷達(dá)結(jié)構(gòu)可靠性、減少研制風(fēng)險(xiǎn)、降低研制成本、縮短研制周期具有十分重要的意義。

[1] 趙廣濤, 吳洪才. 艦載雷達(dá)適裝性研究[J]. 雷達(dá)與對(duì)抗,2010(1):44-46.

[2] 朱鐘淦, 葉尚輝. 天線(xiàn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社,1979.

[3] 張潤(rùn)逵, 戚仁欣, 張樹(shù)雄. 雷達(dá)結(jié)構(gòu)與工藝(上冊(cè))[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社,2007.

[4] 平麗浩, 黃普慶, 張潤(rùn)逵. 雷達(dá)結(jié)構(gòu)與工藝(下冊(cè))[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社,2007.

Structural optimum design of external flow field of shipborne radar plate antennas

ZHAO Guang-tao, LI Run-lin, MAO Jun-dong

(No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

A structural optimum design method of the external flow field of the shipborne radar plate antenna is proposed. During the design of the structural scheme of radar antenna rotary platform, this method combines the wind tunnel technology and the theory of outline structure design for the structural optimum design of the external flow field of the radar antenna. Besides, the comparison and verification are done through the wind tunnel test. The wind load suffered by radar antenna rotary platform system and the gross weight of the system are greatly reduced, and the installation adaptability and structural reliability of the shipborne radars are enhanced.

radar; antenna system; external flow field; structural optimum design

2013-12-20

趙廣濤(1976-)，男，高級(jí)工程師，博士，研究方向：雷達(dá)結(jié)構(gòu)工藝和總體技術(shù)；李潤(rùn)林(1979-)，男，高級(jí)工程師，研 究方向：結(jié)構(gòu)工藝設(shè)計(jì)；毛俊東(1982-)，男，工程師，碩士，研究方向：雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

TN957.8

A

1009-0401(2014)01-0050-03