機載雷達天線座線纜布置改進設計

汪磊磊，顧吉豐，喬山林，張為晴

(南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

機載雷達天線座線纜布置改進設計

汪磊磊，顧吉豐，喬山林，張為晴

(南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

機載雷達天線座線纜布置已成為天線座設計的重難點，尤其是低溫下線纜阻力矩急劇增大等問題，亟需解決。文中通過分析機載雷達天線座布線設計常見方式，并就線纜阻力矩對電機性能的影響進行測試，總結出布線設計存在的主要問題。通過設計新型布線裝置改進線纜扭曲，采用新型柔性材料改善低溫下線纜變硬問題，對天線座線纜布局進行優(yōu)化設計，較好地解決了線纜布置設計的常見問題。目前新型設計方法已在多型類似產品上成功運用，取得良好效果，為后續(xù)產品設計提供參考。

線纜阻力矩；線纜布置裝置；天線座

引 言

機載雷達天線座技術經(jīng)過多年的發(fā)展已經(jīng)日趨成熟。隨著載機發(fā)展及技術進步，對天線座系統(tǒng)的要求也愈加苛刻，載機系統(tǒng)的小型化要求天線座系統(tǒng)輕質輕量，復雜多樣的環(huán)境要求天線座系統(tǒng)輕便靈活。在各種結構設計技術日趨成熟精細的情況下，結構件優(yōu)化設計已近完善，作為系統(tǒng)內高度非線性和相對不可控的布線設計成為設計重難點。

機載雷達天線座作為提供天線結構多維運動并傳遞多路電訊信號(驅動、控制、BIT等)的機電一體化機構，在布線設計上具有如下特點[1]：

1)動靜轉換頻繁。天線座系統(tǒng)傳遞多維運動，線纜從載機基礎到活動天線上，需要跟隨天線作多維旋轉運動，運動使線纜產生扯動及摩擦，容易造成磨損。

2)空間有限，傳遞線纜復雜。機載天線座設計緊湊，同時需要傳遞多路線纜穿過天線座，在有限空間內實現(xiàn)各路線纜合理布局并跟隨天線運動，設計難度大。

3)環(huán)境條件復雜。機載平臺振動強度高，活動線纜受力環(huán)境惡劣，容易造成磨損。在極低溫工況下，線纜材料變硬變脆，導致線纜阻力矩增加，而驅動電機受空間重量指標限制，輸出力矩有限。

鑒于上述特點，布線設計已經(jīng)成為機載雷達天線座結構設計的重難點。本文針對線纜布置設計的常見問題，提出改進設計方法，為同類型產品設計提供參考。

1 阻力矩測試試驗

載機系統(tǒng)的小型化要求天線座系統(tǒng)實現(xiàn)輕質敏捷，結構及驅動均需要進行精準的安全系數(shù)設計?；顒泳€纜阻力矩作為天線座各阻力矩中的相對不可控量，對其進行定量標定，對電機選型、結構設計等有重要意義。

1.1 試驗工況

被測天線座重6.5 kg，可實現(xiàn)方位±107°扇掃和一定角度的俯仰運動。方位軸為中空結構，同軸安裝有旋轉關節(jié)，線纜在方位軸內腔旋繞布局。

本次試驗主要針對方位扇掃運動瞬時最大阻力矩進行測試。分析可知，在穩(wěn)定1g重力環(huán)境下，其阻力矩主要由方位轉動副阻力矩(含方位支撐軸承阻力矩及旋轉關節(jié)阻力矩)和線纜扭轉的扭力矩組成。其中線纜包含方位電機、方位旋變、俯仰電機、俯仰旋變、BIT射頻線纜等，這些線纜均從方位軸內腔布線。

測試分別在有線纜擾動和無線纜擾動的情況下進行，對應25 ℃、-40 ℃、-50 ℃各個溫度狀態(tài)時的方位電機啟動力矩值。擬采用開環(huán)電壓法間接測量力矩值，具體方法如下[2]：

用可調電壓的電源為方位電機加電，調高電壓至某臨界值時，天線座方位開始轉動，記錄下此刻的電壓值即可換算出電機的瞬間輸出力矩?？梢哉J為該力矩值即為方位電機所需克服的天線座方位扇掃運動瞬時最大阻力矩。

1.2 無線纜阻力矩試驗

去除多余線纜，僅保留必須的方位電機、旋變線纜，釋放多余線纜阻力矩，此時可認為轉動副阻力矩為方位電機的主要負載。在此狀態(tài)下，分別測試25℃、-40 ℃、-55 ℃ 3種溫度時天線座方位阻力矩。根據(jù)試驗結果得出無線纜時角度-阻力矩曲線，如圖1所示。

圖1 無線纜時角度-阻力矩曲線

從測試數(shù)據(jù)分析可知：

去除其他線纜干擾因素后，天線座方位轉動副阻力矩值較低，且受角度變化影響不大，具有隨機性。這是因為天線座軸承采用高精度深溝球軸承，安裝有嚴格要求，并采用極低溫潤滑脂進行潤滑，在外界載荷無明顯變化的情況下，阻力矩較低且穩(wěn)定。

隨著溫度降低，阻力矩值會有一定的增大。由于軸承本身已經(jīng)有預緊，在溫度降低材料收縮的情況下，軸承軸向預緊力提高，會造成阻力矩的增大。此外潤滑脂也會受到低溫影響，粘滯阻力變大。

1.3 有線纜阻力矩試驗

保留各線纜完整狀態(tài)，從方位軸內腔布線。在此狀態(tài)下，分別測試25 ℃、-40 ℃、-55 ℃ 3種溫度時天線座方位阻力矩。根據(jù)試驗結果得出有線纜時角度-阻力矩曲線，如圖2所示。

圖2 有線纜時角度-阻力矩曲線

從測試數(shù)據(jù)分析可知：

同溫度下，有線纜時的方位阻力矩相比無線纜時要大，而且受方位軸運動角度影響，距0°越遠阻力矩值越大。當方位角度為0°時，線纜呈自然放松狀態(tài)，對外不施加扭力。隨著天線座轉動，線纜愈加趨向扭曲，阻力矩變大。在低溫狀態(tài)下，這種情況更加明顯。

隨著溫度降低，阻力矩值急劇增大。由于線纜外皮及保護層為普通橡膠制品，隨著溫度的降低，線纜變硬變脆，并在狹小空間內不規(guī)則擾動，造成阻力矩不斷攀升。在-55 ℃條件下，線纜阻力矩已成為天線座主要負載，嚴重影響電機正常工作。

2 改進措施

天線座中常用的布置線纜，無論是射頻線纜、信號線纜還是電源線纜，一般都是圓形截面。這種線纜彎曲力矩大(特別是低溫下)，扭轉后又極易損壞。以往的處理方法中，“甩辨子”的方式帶來了附加的線纜彎曲力矩(低溫時有時會成為天線座電機的沉重負擔)，且外形不夠美觀。在天線座結構件內腔內布線時，天線掃描過程中線纜常呈彎、扭組合的態(tài)勢，影響線纜工作可靠性和使用壽命。

此外機載用線纜規(guī)格要求高，通常需要在線纜外包裹一層金屬網(wǎng)防波套，用以與外界環(huán)境電磁屏蔽，另外還需再套裝一層橡膠材質的耐磨熱縮套管，用以保護線纜不受磨損。由于增加了這些保護層，在極低溫條件下，橡膠制品變硬變脆，導致了線纜阻力矩的急劇攀升。

針對以上2點原因，分別進行改進。

2.1 新型布線裝置

設計一種新型纏繞式線纜布線裝置，主要由內、外穿線環(huán)組成，外形如圖3所示。各線纜自中空軸端面的內穿線環(huán)進線孔中穿入，在外穿線環(huán)上纏繞后再從外穿線環(huán)出線孔穿出。各線纜進入內穿線環(huán)時在相應位置綁扎，穿出外穿線環(huán)后在鄰近的結構件上固定，這樣就避免了扇掃運動時線纜在天線座內部空腔內不規(guī)則扭曲，線纜只是在外穿線環(huán)內變化纏繞直徑。這種布線方式，線纜彎曲半徑大，不會在小角度上反復折彎，線纜帶來的附加力矩小且使用壽命長[3]。

圖3 線纜布線裝置結構示意

為避免線纜相互干擾，外穿線環(huán)用中隔板沿軸向分為兩個腔，設置有獨立的進線孔和出線孔。將通往天線的線纜和通往伺服器件的線纜分別布置在各自獨立的空腔內，每個空腔內線纜的纏繞方向一致，不會相互干擾，線纜布線如圖4所示。

圖4 線纜布線示意

2.2 材料改進

由于線纜布線的運動特性，必然與布線裝置存在一定摩擦，常用的鋁鋼等金屬材料，對線纜磨損較大。經(jīng)過試驗對比，選用PEI(聚醚酰亞胺)作為布線裝置使用材料。PEI具有良好的機械性能、耐高低溫及耐磨性能，能夠有效降低對線纜的磨損，并減少摩擦阻力。此外PEI 還有高強度、高柔韌等特性，能夠為線纜提供良好的支撐，并抵抗高振動帶來的應力及疲勞。

當前使用的熱縮套管是常見的橡膠材料，低溫性能很差，是造成低溫下線纜變硬變脆的主要原因，但由于天線座環(huán)境條件復雜，線纜外部保護層必不可少。通過對各種新型保護材料的試用選擇，改用新型航空用錦綸絲套管，能夠較好地遏制線纜低溫性能惡化。

2.3 改進后線纜阻力矩試驗

在實施上述改進措施后，再分別測試25 ℃、-40 ℃、-55 ℃ 3種溫度時天線座方位阻力矩。根據(jù)試驗結果得出改進后有線纜時角度-阻力矩曲線，如圖5所示。

圖5 改進后有線纜時角度-阻力矩曲線

可以看出，改進后線纜阻力矩在低溫下的表現(xiàn)已有很大的改善。

2.4 分析對比

對上述3種試驗數(shù)據(jù)進行整合統(tǒng)計，在不同線纜狀態(tài)、不同溫度情況下，對各個角度時測得的阻力矩值取平均后進行對比，如表1所示。

表1 不同線纜狀態(tài)、不同溫度時線纜平均阻力矩 N·m

線纜狀態(tài)25℃-40℃-55℃改進前有線纜0．2870．6381．025無線纜0．1150．1590．222改進后有線纜0．1560．2510．359

單獨以-55 ℃溫度狀態(tài)為例，對改進前后3種線纜狀態(tài)下天線座方位阻力矩進行對比，見圖6。

圖6 -55 ℃時3種線纜狀態(tài)下角度-阻力矩曲線

從統(tǒng)計數(shù)據(jù)可以看出，實施改進措施后，有效地解決了低溫狀態(tài)下線纜阻力矩激增的問題，將阻力矩控制在一個合理范圍內，對方位電機的輸出力矩要求降低，實現(xiàn)了天線座的小型輕量化。此外，良好的布線狀態(tài)也能保證線纜長期使用的可靠性。

3 結束語

機載雷達天線座要求設計輕質敏捷，隨著結構設計技術日趨完善，相對非線性不可控的柔性線纜布線設計，成為天線座設計重難點。以往的處理方法給電機帶來極大的線纜阻力矩，外形不夠美觀，且影響線纜工作可靠性和使用壽命。

通過設計新型的線纜布線裝置，選用合理的材料，對天線座線纜布局進行優(yōu)化設計，能夠較好地解決這些問題。目前新型設計方法已在多型類似產品上成功運用，取得良好效果，為后續(xù)產品設計提供參考。

[1] 曹永新. 機載電子設備機柜布線工藝設計[J]. 現(xiàn)代電子技術, 2003(23): 25-27.

[2] 袁新江, 姜洋, 汪磊磊, 等. 小型機載雷達天線座電纜阻力矩測試分析[J]. 電子機械工程, 2012, 28(6): 30-33.

[3] 類有倫. 電纜扭轉試驗[J]. 電線電纜譯叢, 1992, 8(6): 32-35.

汪磊磊(1984-)，男，工程師，主要研究方向為雷達伺服傳動結構系統(tǒng)。

Cable Wiring Improvement Design for Airborne Radar Antenna Pedestal

WANG Lei-lei，GU Ji-feng，QIAO Shan-lin，ZHANG Wei-qing

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

Cable wiring design has become the key and difficult point of the design of airborne radar antenna pedestal. Especially, problems such as cable resistance torque increasing rapidly at low temperature require prompt solution. The main problems in the cable wiring design are summed up in this paper, through analyzing the usual approaches of cable wiring design of airborne radar antenna pedestal, and testing the influence of cable resistance torque on motor performance. These problems are solved well, through improving cable twist by designing new-style cable wiring device, improving cable stiffening at low temperature by using new flexible materials, optimizing the cable layout on antenna pedestal. The design method which has been successfully used on similar products, and achieved good results, provides a reference for following product design.

cable resistance torque; cable wiring device; antenna pedestal

2014-10-24

TN959.73；TN820.8+2

A

1008-5300(2015)02-0014-03