機載預(yù)警相控陣?yán)走_頂罩質(zhì)量及其敏感性分析

虞慶慶，王長武

(南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

在當(dāng)前的陸、海、空、天多維一體的信息化戰(zhàn)爭中，預(yù)警機雷達作為一種全天候、遠距離、高精度的戰(zhàn)場感知手段，在空中預(yù)警探測、戰(zhàn)場態(tài)勢偵察與感知、空中目標(biāo)監(jiān)視、精確打擊武器控制等方面都發(fā)揮著不可替代的作用［1］。

在預(yù)警機中，雷達是最主要的探測設(shè)備和情報來源，是預(yù)警機任務(wù)系統(tǒng)的核心設(shè)備，其探測對象一般為不同高度上的飛行目標(biāo)和海面艦船目標(biāo)［2］。預(yù)警雷達體積龐大，質(zhì)量重達數(shù)噸以上，隨著今后對其功能、性能的要求越來越高，體積質(zhì)量也會隨之變高，會影響到預(yù)警機的作戰(zhàn)能力［3］。

預(yù)警機頂罩的布局和形態(tài)需要保證雷達天線正常的掃描工作方式，并需協(xié)調(diào)好與載機空氣動力學(xué)的關(guān)系，最終獲得“雷達”與“載機”的最優(yōu)平衡。一般頂罩系統(tǒng)的質(zhì)量要占到全機起飛質(zhì)量的3% ～9%，因此該部分的質(zhì)量控制關(guān)系到雷達系統(tǒng)乃至預(yù)警機全系統(tǒng)方案的可行性及其優(yōu)劣程度。

由于特有的優(yōu)勢，有源相控陣(AESA)技術(shù)已成為全世界機載預(yù)警雷達必然的發(fā)展趨勢。本文針對機載預(yù)警中最常規(guī)的圓盤式頂罩，并以有源相控陣?yán)走_為例，從雷達系統(tǒng)角度對頂罩系統(tǒng)的質(zhì)量及其變化敏感因素進行論述和分析。

1 頂罩系統(tǒng)質(zhì)量組成

1.1 主要形態(tài)

縱觀國內(nèi)外裝備現(xiàn)狀，作為預(yù)警機最重要組成部分的預(yù)警雷達頂罩系統(tǒng)，其形態(tài)有圓盤式、背鰭式和其他衍生變異式，如圖1所示。

圖1 四種機載預(yù)警雷達頂罩構(gòu)型

而其中圓盤式頂罩占較大比例，其典型的裝備型號外形，如圖2所示。

圖2 典型圓盤頂罩

1.2 主要組成

一般來說，預(yù)警機上使用的相控陣?yán)走_規(guī)模都相當(dāng)龐大，并且有源相控陣在每個輻射元后都直接連接一個固定的T/R組件。因此，相控陣?yán)走_是載機平臺上有效載荷中最關(guān)鍵的設(shè)備［4］。綜合分析后，頂罩系統(tǒng)主要由“雷達系統(tǒng)”、“平臺系統(tǒng)”和“其他任務(wù)系統(tǒng)”三大部分組成，具體如圖3所示。

圖3 頂罩系統(tǒng)組成框圖

1.3 質(zhì)量影響因素

頂罩系統(tǒng)是預(yù)警機中最關(guān)鍵也是最復(fù)雜的部分，其功能劃分和設(shè)備組成主要是由雷達系統(tǒng)技術(shù)方案決定，而方案又受到頂層戰(zhàn)技需求和載機平臺狀態(tài)約束和牽引。針對典型有源相控陣頂罩系統(tǒng)質(zhì)量，進行迭代論證并歸納后，得到如圖4所示的綜合因素影響框圖。

1.4 主要組成具體分析

在預(yù)警機系統(tǒng)總要求和加裝平臺資源的限制下，給頂罩系統(tǒng)內(nèi)雷達的約束體現(xiàn)在空間、供電、冷卻和質(zhì)量四大方面，其中質(zhì)量限制項與另外三項又是緊密耦合、互相影響。

1.4.1 雷達系統(tǒng)

1)天線為雷達的“眼睛”，它的布局形式在很大程度上成為了雷達及預(yù)警機的鮮明標(biāo)志，比如美國E-2、E-3系列和俄羅斯A-50的雷達天線，均采用單面天線360°機械掃描形式;瑞典的Erieye則采用雙面天線背靠背“平衡木”形式。天線總質(zhì)量由數(shù)量和單個質(zhì)量確定，其單個質(zhì)量主要取決于每塊天線的物理面積和典型輻射單元的結(jié)構(gòu)形式，輻射單元的具體尺寸由雷達工作頻率決定;而最終多個天線經(jīng)合理布局組合后，必須滿足在各自最大可用面積下，綜合探測口徑和掃描角度滿足使用需求。

2)有源組件(也稱T/R)實現(xiàn)收/發(fā)轉(zhuǎn)換、相位控制，對發(fā)射信號進行放大和功率輸出，對接收信號進行低噪聲放大［4］?？傎|(zhì)量同樣由數(shù)量和單個質(zhì)量確定，其單個質(zhì)量主要取決于內(nèi)部功放/濾波等器件的性能指標(biāo)和單個組件內(nèi)的通道數(shù)，器件性能又由雷達頻率/帶寬和功率要求決定;最終所有有源組件的總通道數(shù)量需與天線總輻射單元匹配，且組件單個質(zhì)量必須符合人機工程要求。

3)電源主要實現(xiàn)對載機供電輸入進行分配、變換和整流濾波，并輸出至有源組件及功分、開關(guān)等耗電設(shè)備。電源總質(zhì)量也由數(shù)量和單個質(zhì)量確定，其單個質(zhì)量取決于單個供電功率能力和人機工程要求;而所有電源的總功率能力是由載機平臺已有的可分配供電資源確定的，因此電源部分總質(zhì)量可以按單位功率質(zhì)量進行預(yù)估。

4)功分及開關(guān)控制等設(shè)備主要對有源組件和電源的輸出進行合成、分配/切換和雷達頂罩部分的相關(guān)控制，以實現(xiàn)多陣面協(xié)同/分時切換工作和與雷達艙內(nèi)部分的傳輸互聯(lián);其總質(zhì)量取決于單個設(shè)備的性能指標(biāo)和數(shù)量。

5)電纜和管網(wǎng)主要是指敷設(shè)于頂罩內(nèi)部的雷達供電、控制、光線、射頻及液冷等管線。該部分總質(zhì)量主要取決于單位長度質(zhì)量和總長度，而各類管線單位質(zhì)量由具體傳輸能力(比如耐功率、最大電流/流量等)，長度則由頂罩內(nèi)設(shè)備的總體布局和走線形式確定。

6)雷達綜合安裝結(jié)構(gòu)及附件的總質(zhì)量，則視具體雷達設(shè)備結(jié)構(gòu)安裝形式而定，并且與平臺結(jié)構(gòu)的一體化集成程度密切相關(guān)。

1.4.2 平臺系統(tǒng)

主要由航空頂罩主結(jié)構(gòu)件(DOME)和透波天線罩(RADOME)組成，如圖5所示。DOME結(jié)構(gòu)一般為大型整體金屬件，質(zhì)量主要取決于由全機氣動確定的最大外形、結(jié)構(gòu)綜合載荷和內(nèi)部雷達系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安裝集成方式。RADOME總質(zhì)量則取決于單個質(zhì)量和數(shù)量，其中單個質(zhì)量由罩體復(fù)合材料的單位面積鋪層材料和形式?jīng)Q定，數(shù)量由天線數(shù)量決定;最終RADOME的質(zhì)量可歸結(jié)為由陣面布局形式(天線口徑、數(shù)量及布置方式)和透波頻率/帶寬確定。

圖5 兩種典型圓盤頂罩形式

1.4.3 其他任務(wù)系統(tǒng)

頂罩系統(tǒng)中除了雷達系統(tǒng)外，根據(jù)不同需要會布置比如IFF/SSR、衛(wèi)星通信等其他任務(wù)系統(tǒng)，如圖6所示。該部分質(zhì)量較之雷達部分來說相對較少，主要是解決如何與雷達系統(tǒng)在頂罩內(nèi)的電訊及結(jié)構(gòu)兼容問題。

圖6 頂罩內(nèi)其他任務(wù)系統(tǒng)

結(jié)合圖4和本節(jié)分析可以看出，預(yù)警雷達頂罩是一個復(fù)雜的物理系統(tǒng)。不同類型預(yù)警雷達功能和平臺約束條件差異較大，系統(tǒng)質(zhì)量組成要素繁雜，并且相互影響、制約。因此，為了解頂罩系統(tǒng)中主要質(zhì)量影響因素及由此引起的各體積質(zhì)量(注:原文為比重，比重是廢棄單位，以下按國家標(biāo)準(zhǔn)改為體積質(zhì)量)變化，有必要進行頂罩系統(tǒng)質(zhì)量的敏感性分析。

2 質(zhì)量敏感性分析

2.1 敏感性分析方法

任一頂罩系統(tǒng)，影響其總質(zhì)量的參數(shù)和因素很多，而且這些變量之間的關(guān)系一般是非線性和非結(jié)構(gòu)化的，很難直接用一個明確的數(shù)學(xué)函數(shù)來表示，往往是和其他多種因素交織在一起的多級映射關(guān)系［5］。其中，某些參數(shù)的變化，就引起質(zhì)量組成的顯著改變，可以認(rèn)為頂罩系統(tǒng)質(zhì)量對該參數(shù)變化反應(yīng)敏感;而有的參數(shù)即使發(fā)生較大的變化，質(zhì)量組成變化也比較微弱，可以認(rèn)為其對該參數(shù)反應(yīng)遲鈍(即不敏感)。因此，敏感性分析就是一種定量描述輸入?yún)⒆兞繉ο到y(tǒng)特定總變量的重要性程度的方法。

2.2 敏感性參數(shù)選擇

對頂罩系統(tǒng)質(zhì)量而言，敏感性參數(shù)往往是重要指標(biāo)，找出這些重要的指標(biāo)，分析其對頂罩系統(tǒng)質(zhì)量的影響，以作為確定及優(yōu)化雷達頂罩方案的依據(jù)。在敏感性分析中，不可能也沒必要對所有的參數(shù)進行分析，而應(yīng)根據(jù)特定的雷達系統(tǒng)，結(jié)合其具體的功能、形式和結(jié)構(gòu)等情況，對一些主要的參數(shù)進行分析。

頂罩系統(tǒng)的總重指標(biāo)主要是由載機平臺負(fù)載能力決定，針對某種載機平臺，必須保證不同頂罩方案下的總重不大于某一上限值。從圖4質(zhì)量影響框圖和實際具體分析可知，雷達“構(gòu)型”和“頻帶”這兩個參數(shù)，對雷達及平臺主要結(jié)構(gòu)形式、尺寸、質(zhì)量組成起到關(guān)鍵性決定作用。因此，在盡量保證其他參數(shù)一致的前提下，下面選定此兩項作為敏感性參數(shù)分別進行具體分析。

2.3 應(yīng)用舉例

針對“構(gòu)型”這個參變量，本文以某橢球圓盤形頂罩為例，按雙面和三面兩種構(gòu)型(如圖5所示)進行分析。經(jīng)評估計算，得到圖7兩種構(gòu)型的頂罩系統(tǒng)質(zhì)量組成餅圖。

圖7 兩種構(gòu)型頂罩系統(tǒng)質(zhì)量組成

圖8為兩種構(gòu)型頂罩質(zhì)量組成百分比變化對照圖。其中天線由于數(shù)量及總面積的增加，導(dǎo)致體積質(zhì)量增加了4%;有源組件隨著天線總輻射通道數(shù)的增加而數(shù)量大幅增加，而實際為了保證頂罩總質(zhì)量不超限，多面陣系統(tǒng)必要時需進行組件的專/共用合理分配，以減少設(shè)備總數(shù)量及總質(zhì)量，這里體積質(zhì)量上升了6%;由于載機供電一致，因而電源部分變化不大;功分及開關(guān)控制等部分由原來1%提升至3%，原因是由于面陣數(shù)量增加而引起的系統(tǒng)控制復(fù)雜、如有源組件中共用部分的切換設(shè)備增加等;電纜及管網(wǎng)的體積質(zhì)量上升5%，同樣是由天線總通道數(shù)及有源組件等設(shè)備量的增加，加之各設(shè)備在DOME空間內(nèi)分布間隔更大、路徑更長，導(dǎo)致以射頻、供電、液冷三類為主的管線質(zhì)量增加;綜合安裝結(jié)構(gòu)及附件部分差別最大，體積質(zhì)量相差18%，關(guān)鍵是不同于三面構(gòu)型，雙面構(gòu)型頂罩存在驅(qū)動頂罩旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺部分及用于電、液等信號傳輸?shù)慕贿B部分，而這兩部分的質(zhì)量占綜合安裝結(jié)構(gòu)及附件總重的近75%，其他25%為罩內(nèi)相關(guān)設(shè)備安裝用結(jié)構(gòu)件;平臺結(jié)構(gòu)及其他任務(wù)系統(tǒng)二者體積質(zhì)量差別不大，其中雖然三面構(gòu)型DOME結(jié)構(gòu)質(zhì)量要大于雙面構(gòu)型DOME質(zhì)量，但加上各自對應(yīng)的天線罩總質(zhì)量后，整體質(zhì)量基本相當(dāng)。

圖8 兩種構(gòu)型頂罩系統(tǒng)質(zhì)量組成百分比變化圖

以其中的“有源組件”為例，進行具體敏感性分析。雙面構(gòu)型中，由于采用兩套天線背靠背分時工作，故只需一套組件通過開關(guān)即可滿足切換工作，其總質(zhì)量約1 800 kg。三面構(gòu)型中，因電訊因素有一套有源組件不滿足切換三陣面工作，同時若采用三套組件將突破頂罩質(zhì)量上限，故這里采用1∶1的專/共用組件比例規(guī)劃方案。此時，除了組件總數(shù)量有顯著增多外;由于三面構(gòu)型中單個天線輻射通道數(shù)較雙面構(gòu)型要小近20%，在總輸出功率不變的前提下，導(dǎo)致組件內(nèi)的每個通道功率要相應(yīng)增加進而組件質(zhì)量增加。最終，三面構(gòu)型中有源組件總重達到2 500 kg，較雙面構(gòu)型中組件增幅近40%。

若針對“頻帶”這個參變量(細(xì)分為頻率和帶寬兩個參數(shù))，以某橢球三面構(gòu)型圓盤頂罩為例，并按高/窄頻、中頻及低/寬頻三種頻段系統(tǒng)進行分析。經(jīng)評估計算，得到圖9的頂罩系統(tǒng)質(zhì)量組成餅圖。

對照圖10所示三種頻帶頂罩質(zhì)量組成百分比變化趨勢可以得到:隨著頻率的降低和頻帶的加寬，天線和有源組件兩部分的體積質(zhì)量均有所升高，其中有源組件的體積質(zhì)量最大上升了10%。這主要有兩方面原因:1)對應(yīng)的主要結(jié)構(gòu)尺寸與波長成非線性的正比關(guān)系，即可簡單理解為頻率越低(即波長越長)，相應(yīng)尺寸越大。2)頻帶越寬導(dǎo)致后端主要有源器件的性能要求和功率容量越高，也直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)尺寸和質(zhì)量的較大增加。電源和功分及開關(guān)控制等相比前兩項對頻帶變化的敏感性較弱，且各自總質(zhì)量有限，因此所占頂罩體積質(zhì)量變化差異不大;電纜及管網(wǎng)和綜合安裝結(jié)構(gòu)及附件兩部分的體積質(zhì)量僅在4%范圍內(nèi)浮動，該兩部分的變化主要是由有源組件、電源等設(shè)備的尺寸/數(shù)量和安裝布局不同而引起的，另外受到各自頂罩系統(tǒng)中某些組成占比較大差異而引起的體積質(zhì)量變化牽連影響;同樣，該原因也能用來解釋平臺結(jié)構(gòu)及其他任務(wù)系統(tǒng)部分的體積質(zhì)量差異。

圖9 三種頻帶頂罩系統(tǒng)質(zhì)量組成

圖10 三種頻帶頂罩系統(tǒng)質(zhì)量組成百分比變化圖

同樣，以“有源組件”為例，進行具體敏感性分析。高/窄頻系統(tǒng)中，有源組件的總質(zhì)量約1 600 kg。隨著頻率/頻帶逐級降低/加寬，導(dǎo)致組件單重逐步增加;且受主要元器件的功率和尺寸的影響，增幅也逐步增加。最終，中頻、寬/低頻系統(tǒng)中有源組件的總質(zhì)量分別達到2 500 kg和4 000 kg，較高/窄頻系統(tǒng)中組件增幅分別達到56%和150%。這里需要說明的是，為了保證頂罩總質(zhì)量和罩內(nèi)布局空間限制，對應(yīng)三種頻帶系統(tǒng)的有源組件專/共用規(guī)劃比例并不相同。

除了“構(gòu)型”和“頻帶”兩個主要參變量外，影響到頂罩系統(tǒng)質(zhì)量組成的還有比如“有源組件單臺通道數(shù)”、“專/共用規(guī)劃比例”、“多陣面不同頻段組合”、“配電及整流劃分形式”等變量。但這些變量間的耦合更加復(fù)雜、與具體的雷達系統(tǒng)實施方案密切相關(guān)，因此本文不作展開分析。

3 結(jié)束語

通過以上對頂罩系統(tǒng)的質(zhì)量組成及其敏感性案例分析，形成以下主要結(jié)論:

(1)機載預(yù)警相控陣?yán)走_頂罩是規(guī)模龐大、組成復(fù)雜的系統(tǒng)，受到頂層需求、總體方案和平臺能力資源的多維度制約。

(2)該系統(tǒng)主要由雷達系統(tǒng)、平臺系統(tǒng)和其他任務(wù)系統(tǒng)三大部分組成，其影響質(zhì)量及組成的參變量數(shù)量多、牽涉廣、耦合強，暫無可供質(zhì)量組成參考的通用評估方法。

(3)敏感性分析是一種有效的系統(tǒng)級分析方法。本文對頂罩系統(tǒng)采用此法，優(yōu)選主要參變量，探尋最佳的質(zhì)量組成控制方式手段，以獲得對雷達方案決策/優(yōu)化、系統(tǒng)輕量化、工程設(shè)計等諸方面的有用結(jié)論。

(4)針對相控陣?yán)走_頂罩的具體分析評估，得到“構(gòu)型”和“頻帶”是對頂罩質(zhì)量組成影響的關(guān)鍵參數(shù)，尤其對“構(gòu)型”的敏感性程度更高;另外，該類頂罩系統(tǒng)總重中“雷達”和“平臺結(jié)構(gòu)及其他任務(wù)系統(tǒng)”分別約占60%和40%(偏差±5%)。

上述結(jié)論將對相關(guān)雷達系統(tǒng)的方案論證、詳細(xì)設(shè)計及具體的系統(tǒng)質(zhì)量控制，提供一定的參考及借鑒作用。

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