某無(wú)人機(jī)載監(jiān)視雷達(dá)天線穩(wěn)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳美芳，王 虎

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

某無(wú)人機(jī)載監(jiān)視雷達(dá)天線穩(wěn)定系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳美芳，王 虎

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088)

穩(wěn)定系統(tǒng)是雷達(dá)的重要分系統(tǒng)之一。文中在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上，將結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和伺服控制進(jìn)行高度集成，充分考慮各自的特點(diǎn)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)和精心布局，找到了一種重量輕、體積小、精度高的無(wú)人機(jī)載穩(wěn)定系統(tǒng)。文中對(duì)無(wú)人機(jī)載監(jiān)視雷達(dá)穩(wěn)定系統(tǒng)的組成、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、伺服控制以及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述。實(shí)踐證明，該穩(wěn)定系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)均滿足性能和實(shí)際使用要求。該設(shè)計(jì)為今后類(lèi)似的設(shè)計(jì)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

監(jiān)視雷達(dá)；穩(wěn)定系統(tǒng)；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；伺服控制

引 言

無(wú)論和平時(shí)期還是戰(zhàn)爭(zhēng)時(shí)期，雷達(dá)監(jiān)視裝備在必要的保障和及時(shí)獲知敵情方面一直發(fā)揮著重要的作用。相對(duì)于航天系統(tǒng)，機(jī)載雷達(dá)監(jiān)視系統(tǒng)具有一系列優(yōu)勢(shì)：靈活機(jī)動(dòng)、快速進(jìn)出戰(zhàn)場(chǎng)和熱點(diǎn)地區(qū)、成本較低等[1-2]。世界各國(guó)使用的監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)分為有人機(jī)載和無(wú)人機(jī)載2種。盡管有人機(jī)載監(jiān)視雷達(dá)仍具有相當(dāng)?shù)膽?yīng)用市場(chǎng)，但是無(wú)人機(jī)載監(jiān)視雷達(dá)的作用亦越來(lái)越明顯，發(fā)展也越來(lái)越快。無(wú)人機(jī)載監(jiān)視雷達(dá)天線穩(wěn)定系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中還存在如下諸多難點(diǎn)[3]：

1)受到使用環(huán)境和條件的限制，無(wú)人機(jī)對(duì)雷達(dá)的重量和尺寸有著嚴(yán)格的要求。文中的雷達(dá)天線尺寸為700 mm × 260 mm；天線重量≥17 kg；穩(wěn)定系統(tǒng)的重量要求為伺服控制器≤0.6 kg，掃描器(含轉(zhuǎn)接板)≤4.4 kg。

2)方位、俯仰掃描范圍較大(文中的俯仰轉(zhuǎn)動(dòng)范圍為-95°～ +95°)。

3)系統(tǒng)對(duì)天線座的伺服帶寬、傳動(dòng)精度、指向精度等性能指標(biāo)要求高(文中的指向穩(wěn)定精度為俯仰優(yōu)于0.15°)。

由此可見(jiàn)，無(wú)人機(jī)載監(jiān)視雷達(dá)天線穩(wěn)定平臺(tái)是個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，不僅對(duì)體積和重量有嚴(yán)格的控制，還要能夠?qū)Y(jié)構(gòu)和伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行很好的協(xié)調(diào)和匹配。為了解決上述難題，保證雷達(dá)天線穩(wěn)定系統(tǒng)的各項(xiàng)指標(biāo)滿足要求，本文在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上將機(jī)電進(jìn)行高度集成，充分考慮結(jié)構(gòu)和伺服控制各自的特點(diǎn)，從系統(tǒng)指標(biāo)出發(fā)，為雷達(dá)總體方案的實(shí)現(xiàn)提供了保證。

1 穩(wěn)定系統(tǒng)組成

文中的穩(wěn)定系統(tǒng)由平臺(tái)(掃描器)和伺服控制器2部分構(gòu)成，系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 掃描器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

掃描器為一軸分體式結(jié)構(gòu)形式，由掃描器前端和掃描器后端2部分組成，天線安裝在兩者之間。掃描器前端和掃描器后端固定在天線艙的頂板上。載機(jī)的安裝架剛度一般，由于需同時(shí)考慮溫度的影響，因此采用天線驅(qū)動(dòng)端軸承“固定”、另一端軸承“游動(dòng)”的安裝方式。

掃描器主要由掃描器前端、掃描器后端、俯仰驅(qū)動(dòng)裝置組成，其中俯仰驅(qū)動(dòng)裝置集成在天線單元內(nèi)，如圖2所示。

圖2 穩(wěn)定平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

(1)掃描器前端

如圖3所示，掃描器前端主要由支架、支座、扇齒、軸、軸承以及整體式旋轉(zhuǎn)變壓器等組成。支座與軸通過(guò)一對(duì)深溝球軸承構(gòu)成主體承力結(jié)構(gòu)，固定和支撐整個(gè)天線單元；支架通過(guò)螺栓與支座連接；扇齒與支座固定安裝；俯仰角度信息反饋使用整體式旋轉(zhuǎn)變壓器。該掃描器前端結(jié)構(gòu)緊湊，安裝精度高，同時(shí)方便一端出線。

圖3 掃描器前端結(jié)構(gòu)圖

(2)掃描器后端

如圖4所示，掃描器后端主要由支架、支座、軸、軸承、波紋管以及轉(zhuǎn)接板等組成，主要起固定和支撐整個(gè)天線單元的作用。為保證一端游動(dòng)，軸承外圈通過(guò)支座端面和法蘭固定，控制軸與軸承內(nèi)圈的配合公差，保證軸伸縮時(shí)能自由游動(dòng)。為了減小掃描器在工作時(shí)電纜的纏繞力矩，軸與轉(zhuǎn)接板之間的電纜通過(guò)波紋管走線，經(jīng)過(guò)固定在支架上的轉(zhuǎn)接板，與艙內(nèi)設(shè)備相連。

圖4 掃描器后端結(jié)構(gòu)圖

(3)俯仰結(jié)構(gòu)

通過(guò)前期方案論證，對(duì)直接驅(qū)動(dòng)和間接驅(qū)動(dòng)2種驅(qū)動(dòng)形式進(jìn)行了比較，結(jié)果采用了直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。其優(yōu)點(diǎn)是重量輕、驅(qū)動(dòng)力矩大；缺點(diǎn)是有背隙，精度低。如圖5所示，俯仰驅(qū)動(dòng)裝置由直流電機(jī)、減速機(jī)、驅(qū)動(dòng)齒輪和偏心套組成，集成于天線單元內(nèi)，與天線一起轉(zhuǎn)動(dòng)。為方便走線，伺服控制器也安裝在天線內(nèi)部。

圖5 俯仰結(jié)構(gòu)圖

2.2 伺服系統(tǒng)設(shè)計(jì)

穩(wěn)定平臺(tái)伺服系統(tǒng)是基于計(jì)算機(jī)控制的數(shù)字式控制系統(tǒng)，其原理框圖如圖6所示，主要完成以下功能[4]：

1)接收慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，獲得載機(jī)各姿態(tài)角變化，實(shí)現(xiàn)天線俯仰維的運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償控制。

2)接收任務(wù)管理的工作指令，完成相應(yīng)工作方式的動(dòng)作；同時(shí)，向任務(wù)管理反饋伺服控制分系統(tǒng)的各種狀態(tài)信息。

3)具有零位校正和軟件限位功能。

4)具有自動(dòng)故障檢測(cè)、故障BIT功能。

圖6 伺服控制原理框圖

為了在載機(jī)姿態(tài)變化的情況下，使天線在慣性空間中的指向穩(wěn)定，伺服控制系統(tǒng)需要對(duì)載機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行補(bǔ)償，以隔離載機(jī)姿態(tài)變化對(duì)天線指向的影響。因采用方位相掃和俯仰機(jī)掃，所以伺服控制分系統(tǒng)主要對(duì)天線俯仰進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償。

利用捷聯(lián)式慣性導(dǎo)航穩(wěn)定技術(shù)，根據(jù)載機(jī)的各個(gè)姿態(tài)角進(jìn)行姿態(tài)解算，對(duì)載機(jī)運(yùn)動(dòng)干擾進(jìn)行軟件補(bǔ)償，以隔離載機(jī)的運(yùn)動(dòng)干擾，實(shí)現(xiàn)天線空間指向穩(wěn)定。圖7為運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)目刂品娇驁D。

圖7 控制方框圖

3 關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

3.1 輕、小型化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

使用環(huán)境和條件對(duì)整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的空間尺寸、重量，尤其是機(jī)載穩(wěn)定系統(tǒng)，都提出了苛刻的要求。要設(shè)計(jì)出在有限的空間和重量條件下滿足要求的天線座系統(tǒng)，“輕、小型化”設(shè)計(jì)技術(shù)就顯得極其關(guān)鍵。為了滿足指標(biāo)要求，本文開(kāi)展了以下工作：

1)準(zhǔn)確分析雷達(dá)系統(tǒng)的運(yùn)行工況，降低負(fù)載，確定最佳的外形布局；

2)通過(guò)合理的集成，優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，充分利用空間；

3)利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)各零部件的鋼強(qiáng)度進(jìn)行分析，去除冗余部分，減輕重量。

3.2 自適應(yīng)支承技術(shù)

針對(duì)天線俯仰支承跨距大、軸系變形大的情況，在掃描器中采用2個(gè)調(diào)心滾子軸承作為支承。調(diào)心滾子軸承具有優(yōu)越的調(diào)心性能，可以自動(dòng)補(bǔ)償由軸系撓曲變形等各種原因?qū)е碌妮S線偏斜，當(dāng)軸系變形較大時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)軸承摩擦力矩增大、甚至轉(zhuǎn)不動(dòng)的現(xiàn)象[5]。

天線與兩端軸連接成一個(gè)整體，在兩端采用兩調(diào)心軸承支承，兩軸承的中心是固定的，與兩端軸承座的安裝中心重合，在兩軸承座的同軸度指標(biāo)很高的情況下，天線軸線與軸承座軸線保持一致，能達(dá)到很高的回轉(zhuǎn)精度。

這種支承方式的優(yōu)點(diǎn)是自適應(yīng)能力強(qiáng)，能適應(yīng)軸系因加工、裝配、結(jié)構(gòu)變形、外力、溫差產(chǎn)生的偏斜，增加軸系抵抗變形的能力。但支承精度取決于兩支承座孔的同軸度，對(duì)軸承座的加工、裝配和調(diào)整精度以及地基的環(huán)境適應(yīng)性提出了一定的要求。

3.3 剛強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)

穩(wěn)定平臺(tái)是雷達(dá)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中的重要環(huán)節(jié)，它在支撐雷達(dá)天線及相關(guān)配件重量的同時(shí)將驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出的驅(qū)動(dòng)力矩逐級(jí)放大[6]。此外，當(dāng)雷達(dá)系統(tǒng)工作時(shí)，因受環(huán)境因素的影響，無(wú)人機(jī)載天線座還要承受飛機(jī)過(guò)載、沖擊等影響。因此，非常有必要對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛強(qiáng)度力學(xué)性能分析。

本文采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)的各個(gè)零部件在不同工況下(加速度響應(yīng)、正弦振動(dòng)載荷)進(jìn)行了較為詳實(shí)的靜力學(xué)分析。在1g加速度作用下的變形如圖8所示(最大變形為0.042 mm)，正弦振動(dòng)載荷下應(yīng)力分布如圖9所示(最大應(yīng)力為21.2 MPa)，滿足結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度要求。

圖8 加速度響應(yīng)下天線座的變形圖

圖9 正弦振動(dòng)載荷下天線座的應(yīng)力分布圖

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，穩(wěn)定平臺(tái)的重量和體積均能達(dá)到總體指標(biāo)要求，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；經(jīng)過(guò)分系統(tǒng)調(diào)試和雷達(dá)全機(jī)聯(lián)調(diào)，該穩(wěn)定平臺(tái)滿滿足雷達(dá)的性能和精度指標(biāo)要求，且性能良好、穩(wěn)定。本文提供了一種可靠而又有效的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，可為無(wú)人機(jī)載雷達(dá)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研究奠定理論和實(shí)踐基礎(chǔ)，具有可觀的應(yīng)用前景。

[1] 劉亮, 吉波. 無(wú)人機(jī)載雷達(dá)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]. 現(xiàn)代導(dǎo)航, 2014(3): 227-230.

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陳美芳(1981-)，女，工程師，主要從事雷達(dá)系統(tǒng)機(jī)械傳動(dòng)方面的研制工作。

王 虎(1986-)，男，工程師，主要從事雷達(dá)機(jī)電傳動(dòng)設(shè)計(jì)工作。

Design of a Stabilization System of Unmanned Airborne Surveillance Radar Antenna

CHEN Mei-fang，WANG Hu

(The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China)

The stabilization system is one of the most important parts of the radar. In this paper, the structure design and servo control are highly integrated based on the traditional design, with their characteristics considered fully. The light-weight, small-volume and high-precision stabilization system of an unmanned airborne surveillance radar antenna is completed through reasonable design and careful layout. The system composition, structure design, servo control and key technologies for the stabilization system are described. The test shows that all the technical parameters meet the performance and application requirements. It provides valuable experience for the design of similar systems.

surveillance radar; stabilization system; structure design; servo control

2014-11-05

國(guó)家科技支撐計(jì)劃(2011BAH24B05)

TN820.8

A

1008-5300(2015)02-0026-03