某無人機載雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計

唐 敖，虞慶慶

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

某無人機載雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計

唐 敖，虞慶慶

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

文中論述了某型無人機載雷達(dá)的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案, 并具體分析了方案中的關(guān)鍵技術(shù)及其實現(xiàn)途徑。文中闡述了實現(xiàn)雷達(dá)小型化和輕型化的多種技術(shù)措施，提出了利用飛行時機箱外壁散熱器與空氣相對運動產(chǎn)生的強迫對流實現(xiàn)雷達(dá)冷卻的方案。該技術(shù)方案成功解決了無人機載雷達(dá)面臨的空間、重量資源緊張以及無冷卻資源等技術(shù)難題，其設(shè)計思路和方法可供同類無人機載雷達(dá)設(shè)計參考和借鑒。

無人機;雷達(dá);結(jié)構(gòu)設(shè)計;熱設(shè)計

引 言

無人偵察機可深入敵方腹地進(jìn)行偵察，無人員傷亡，且研制及維護(hù)成本低，目前已發(fā)展成為作戰(zhàn)的一種主要機型。世界各國十分重視，先后研制出了多型具有成像功能的無人偵察機。而雷達(dá)具有全天候、全天時、遠(yuǎn)距離和高分辨等優(yōu)點，已成為無人偵察機的主要載荷[1]。近年來，我國無人偵察機及無人機載雷達(dá)的技術(shù)發(fā)展也十分迅速。

與有人機相比，無人機的安裝空間小，載重輕，功耗低，因此無人機載雷達(dá)的小型化、輕型化以及冷卻設(shè)計是結(jié)構(gòu)設(shè)計研究的熱點。

文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]結(jié)合國外各型無人機載雷達(dá)的特點，對其發(fā)展趨勢進(jìn)行了探討。文獻(xiàn)[4]則對無人機載雷達(dá)小型化技術(shù)進(jìn)行了研究。本文通過論述某型無人機載雷達(dá)的結(jié)構(gòu)總體設(shè)計方案，探討了無人機載雷達(dá)小型化、輕型化及冷卻設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)的解決方法。

1 結(jié)構(gòu)方案設(shè)計

為滿足裝機空間和重量需求，雷達(dá)需開展小型化及輕型化設(shè)計。系統(tǒng)設(shè)計時必須突破雷達(dá)常規(guī)的單元劃分概念，提高集成度，減少LRU的種類。經(jīng)優(yōu)化，雷達(dá)由天饋伺接收單元、處理單元、發(fā)射單元3個LRU組成。天饋伺接收單元由天線、天線座和接收等單元組成，整體安裝于機身腹部的載荷艙內(nèi)，其中天線、天線座位于天線罩內(nèi)。處理單元、發(fā)射單元分別置于機身兩側(cè)，如圖1所示。

該雷達(dá)天線為波導(dǎo)裂縫天線，雷達(dá)的伺服傳動系統(tǒng)采用機電驅(qū)動方案，其中天線座采用兩軸轉(zhuǎn)動的結(jié)構(gòu)形式，以滿足驅(qū)動天線兩維掃描的需求。接收單元、處理單元、射頻單元采用小型機載通用模塊，在滿足標(biāo)準(zhǔn)化、通用化要求的同時，實現(xiàn)小型化。

圖1 無人機載雷達(dá)總體布局

文中提出利用載機飛行時機箱外壁與空氣相對運動產(chǎn)生的強迫對流實現(xiàn)雷達(dá)設(shè)備的冷卻，該冷卻方案經(jīng)濟(jì)、高效、零能耗，成功解決了載機在無冷卻資源的條件下雷達(dá)設(shè)備的冷卻難題。

2 關(guān)鍵技術(shù)及解決措施

2.1 小型化設(shè)計技術(shù)

受制于無人機平臺的空間限制，雷達(dá)必須實現(xiàn)小型化，方能滿足適裝性要求。

雷達(dá)的小型化主要采取以下措施：

1)通過合并模塊功能減少模塊種類，從而減少設(shè)備的數(shù)量；

2)通過結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)實現(xiàn)天線、天線座、接收等單元的集成，減少互聯(lián)結(jié)構(gòu)和電纜數(shù)量，減小體積；

3)通過采用小型機載通用模塊，在滿足標(biāo)準(zhǔn)化、通用化要求的同時，實現(xiàn)設(shè)備小型化。

2.2 輕型化設(shè)計技術(shù)

無人機載雷達(dá)對重量的要求也十分苛刻，因此需采用多種措施，方能滿足指標(biāo)要求。上述小型化措施，在減小體積的同時，也減輕了重量。另外，在結(jié)構(gòu)上還采取了多種措施實現(xiàn)輕型化：

1)機箱殼體、天線座等選用高強輕質(zhì)材料，以滿足功能需求，減輕比重量；

2)機箱殼體與散熱肋條結(jié)構(gòu)實行一體化設(shè)計；

3)選擇小型電機、弦變、交連等傳動部件，同時優(yōu)化傳動部件在天線座內(nèi)的布局，實現(xiàn)天線座的輕型化；

4)針對載機的環(huán)境特性，采用力學(xué)仿真優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，充分去除結(jié)構(gòu)件的冗余材料，以減輕機箱、天線座、天線等的結(jié)構(gòu)重量。圖2和圖3分別為機箱的力學(xué)仿真應(yīng)力圖和力學(xué)仿真變形圖。

圖2 機箱力學(xué)仿真應(yīng)力圖

圖3 機箱力學(xué)仿真變形圖

2.3 冷卻設(shè)計技術(shù)

在載機不提供冷卻資源的條件下，雷達(dá)設(shè)備的常規(guī)冷卻方法為自帶風(fēng)機，但自帶風(fēng)機強迫風(fēng)冷不僅增加了雷達(dá)的體積、重量，還需將雷達(dá)的部分功率提供給風(fēng)機，降低了雷達(dá)的威力。

載機的巡航飛行速度為100 km/h左右，且雷達(dá)處理單元、射頻單元均為外掛設(shè)備，接收單元底蓋板也外露，因此可在機箱外壁增加散熱肋條，利用載機飛行時，機箱外壁與空氣相對運動產(chǎn)生的強迫對流實現(xiàn)雷達(dá)設(shè)備的冷卻[5]，具體解決措施如下：

1)在處理單元、射頻單元機箱兩側(cè)及接收單元底蓋板增加散熱肋條，以提高強迫對流的散熱能力；

2)在滿足功能需求的同時，優(yōu)化系統(tǒng)方案，將電源等高功率模塊調(diào)整至兩側(cè)的單元機箱內(nèi)，以提高其冷卻效果；

3)優(yōu)化熱源至模塊、模塊至機箱外壁的傳熱路徑，以減小熱阻；

4)通過專業(yè)熱分析軟件，對設(shè)備建模，進(jìn)行仿真計算，并優(yōu)化散熱肋條的尺寸及密度，以提高散熱效果。圖4和圖5分別為機箱的熱仿真速度矢量圖和熱仿真溫度云圖。

各單元的計算流體力學(xué)仿真結(jié)果表明，雷達(dá)各單元內(nèi)功率模塊的溫度低于額定值。產(chǎn)品順利通過了高溫環(huán)境試驗及飛行試驗，其在試驗中的測量結(jié)果也表明各單元的冷卻效果良好。

圖4 機箱熱仿真速度矢量圖

圖5 機箱熱仿真溫度云圖

3 結(jié)束語

該無人機載雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計針對載機的技術(shù)需求，突破雷達(dá)常規(guī)的單元劃分概念，通過多種技術(shù)措施，實現(xiàn)雷達(dá)的輕小型化，滿足適裝性要求。本文創(chuàng)新性地提出了高效、零能耗的冷卻方案，利用載機飛行時機箱外壁散熱器與空氣相對運動產(chǎn)生的強迫對流實現(xiàn)雷達(dá)設(shè)備的冷卻。該技術(shù)方案成功解決了無人機載雷達(dá)面臨的空間、重量資源緊張以及無冷卻資源等技術(shù)難題，對同類無人機載雷達(dá)的結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的參考價值。

[1] 白光瑞. 軍用無人機載雷達(dá)發(fā)展綜述[J]．雷達(dá)與電子戰(zhàn), 2001(4): 15-22.

[2] 鄧大松．無人機雷達(dá)載荷發(fā)展淺析[J]．飛航導(dǎo)彈, 2010(12): 765-79.

[3] 孫寒冰，曲長文．艦載無人機合成孔徑雷達(dá)[J]．中國雷達(dá), 2009(1): 1-4.

[4] 何均，任培宏．無人機機載合成孔徑雷達(dá)的小型化發(fā)展[J]．無人機, 2008(6): 36-38.

[5] 唐敖，向華平．某機載雷達(dá)的熱設(shè)計及仿真優(yōu)化[J]．電子機械工程, 2011, 27(2): 20-22.

唐 敖(1980-)，男，高級工程師，主要從事機載雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體及熱設(shè)計工作。

虞慶慶(1981-)，男，高級工程師，主要從事機載雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計工作。

Structure Design of a UAV Radar

TANG Ao，YU Qing-qing

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

An innovative scheme for the structure design of a UAV radar is presented in this paper. The key technologies and the corresponding implement methods are also discussed in detail. Several solutions in technology to make the radar smaller and lighter are analyzed. The cooling scheme to add radiators on the radar box is put forward. The cooling problem of the radar can be solved because of the forced convection caused by the relative movement between the radiator and air during flight. The scheme can solve the difficult problems (space, weight and cooling resources) in the structure design of the UAV radar successfully. The ideas and methods to solve these key technological problems can be used as reference for structural design of the similar UAV radar．

UAV; radar; structure design; thermal design

2014-08-28

TN95

A

1008-5300(2015)02-0020-02