艦載雷達(dá)抗惡劣環(huán)境設(shè)計與發(fā)展

趙靜，沈文軍(南京電子技術(shù)研究所，南京210039)

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艦載雷達(dá)抗惡劣環(huán)境設(shè)計與發(fā)展

趙靜，沈文軍
(南京電子技術(shù)研究所，南京210039)

摘要:基于艦載雷達(dá)環(huán)境，結(jié)合具體雷達(dá)的抗惡劣環(huán)境設(shè)計，從抗氣候環(huán)境、機(jī)械環(huán)境以及生物、電磁等環(huán)境幾個方面總結(jié)了艦載雷達(dá)抗惡劣環(huán)境設(shè)計的方法，并對未來的需求進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞:艦載雷達(dá);抗惡劣環(huán)境;隔振緩沖設(shè)計;熱設(shè)計

0　引言

艦載電子裝備抗惡劣環(huán)境的能力是雷達(dá)可靠工作的重要保障。這些惡劣環(huán)境因素有來自裝備所處海上環(huán)境帶來的沖擊、震動等機(jī)械因素，也有高熱、潮濕、鹽霧等惡劣氣候因素，還存在著由于氣候環(huán)境導(dǎo)致的霉菌等微生物的破壞因素，以及由于艦載復(fù)雜電磁環(huán)境帶來的電磁兼容性因素等。艦載雷達(dá)的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計需從系統(tǒng)和頂層設(shè)計的角度予以重視。

1　艦載的環(huán)境定義與分類

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB2422《電工電子產(chǎn)品基本環(huán)境試驗(yàn)規(guī)程名詞術(shù)語》的規(guī)定，環(huán)境條件的定義是產(chǎn)品所經(jīng)受其周圍的物理、化學(xué)、生物的條件。艦載雷達(dá)經(jīng)受的典型環(huán)境平臺組成如下［1］:

(a)惡劣的氣候環(huán)境:溫度、濕度、氣壓、風(fēng)、雨雪冰霜、凝露、沙塵、油霧、游離氣體;

(b)機(jī)械環(huán)境:周期性振動和顛振、沖擊、離心加速度、碰撞、跌落、搖擺、靜力負(fù)荷、失重、爆炸、沖擊波;

(c)電磁及輻射環(huán)境:電場、磁場、閃電、雷擊、電暈、放電、太陽輻射、核輻射、紫外線輻射、宇宙線輻射;(d)化學(xué)腐蝕環(huán)境:腐蝕性大氣、酸、堿、鹽類等;(e)生物學(xué)環(huán)境:霉菌、微生物、昆蟲、甲殼類和嚙齒類;

(f)人為因素:同一設(shè)備在包裝、維護(hù)保養(yǎng)、使用過程中的人為因素。

1.1抗惡劣環(huán)境的通用分析方法

(a)經(jīng)驗(yàn)估算法

雷達(dá)中所包含的元器件、結(jié)構(gòu)件數(shù)量繁多，它們對不同環(huán)境的適應(yīng)能力也千差萬別。因此，在工程中，對那些比較成熟的、有類同設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性結(jié)果可供參考時，有經(jīng)驗(yàn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計師通常可采用經(jīng)驗(yàn)估算法，對其環(huán)境適應(yīng)性指標(biāo)進(jìn)行修訂，從而形成新設(shè)備的環(huán)境適應(yīng)性平臺。

(b)理論分析法

在現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，對那些環(huán)境與電性能指標(biāo)耦合關(guān)系比較清楚且在理論分析軟件又比較成熟可靠的前提下，可通過各類CAD、CAT技術(shù)進(jìn)行理論分析，建立電子設(shè)備的環(huán)境平臺，如各類天線CAD、振動分析、DDAM、熱設(shè)計，電磁兼容設(shè)計(EMC)等等。

(c)試驗(yàn)法

對于雷達(dá)中某些關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)件或模塊，它們對環(huán)境的影響非常敏感，經(jīng)驗(yàn)估算和理論分析也無法真實(shí)地反映其環(huán)境適應(yīng)性時，只能通過試驗(yàn)法來建立其環(huán)境平臺進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。

1.2雷達(dá)抗惡劣環(huán)境設(shè)計

針對溫度、輻射、鹽霧霉菌潮濕、淋雨、砂塵、浸漬、爆炸性大氣、海況、浪高、搖擺、振動、顛震、沖擊方面的環(huán)境條件要求，雷達(dá)系統(tǒng)在設(shè)計過程中須結(jié)合理論研究、仿真分析和試驗(yàn)，開展抗氣候環(huán)境、抗機(jī)械環(huán)境、抗生物和電磁環(huán)境的研究和設(shè)計，通過采取各種技術(shù)措施，來抵御惡劣環(huán)境對設(shè)備的影響。

艦載雷達(dá)設(shè)備的組成包含有源陣面、各種設(shè)備機(jī)柜。設(shè)備安裝的溫度環(huán)境屬于機(jī)艙內(nèi)設(shè)備，屬于A級設(shè)備。設(shè)備安裝的位置為艦船的III類區(qū)域，機(jī)柜的安裝帶隔離系統(tǒng)，有源陣面直接與基座連接。根據(jù)設(shè)備所處的環(huán)境條件和經(jīng)驗(yàn)積累，主要從環(huán)境控制、隔振緩沖、防護(hù)三個方面開展雷達(dá)的抗惡劣環(huán)境設(shè)計［2］。

1.2.1設(shè)備的環(huán)境控制

(a)陣面的環(huán)控設(shè)計

陣面的環(huán)控設(shè)計包含陣面設(shè)備的熱設(shè)計和除濕設(shè)計。熱設(shè)計的目的是控制陣面內(nèi)組件、模塊、等電子器件的溫度，使陣面在艦上工作時設(shè)備可以可靠工作。陣面采取常溫水冷控制措施，冷卻水系統(tǒng)由末端冷卻裝置為陣面提供一路18℃～40℃的循環(huán)冷卻水，給陣面內(nèi)子陣、電源冷卻。通過冷板熱交換后，冷卻水再回至末端機(jī)組冷卻(見圖1)。通過與海水換熱器與海水交換，將設(shè)備熱量帶走，保證陣面內(nèi)設(shè)備可靠工作。

由于艦船設(shè)備存在高溫高濕的工作環(huán)境，潮濕、鹽霧和霉菌對電子裝備、電氣產(chǎn)品的危害甚大。資料表明，當(dāng)相對濕度低于65%后，就能有效地防止因潮濕、鹽霧和霉菌對電子設(shè)備的腐蝕。為給陣面提供良好的工作環(huán)境，陣面采取了除濕措施，綜合考慮艦上的冷媒水(15℃)資源，除濕箱采用盤管除濕方式，當(dāng)循環(huán)風(fēng)高濕時，盤管除濕箱處于除濕模式，此時除濕箱主要功能為除濕，使循環(huán)風(fēng)在盤管內(nèi)結(jié)露，降低空氣絕對濕度后在送至陣面內(nèi)。采用盤管除濕方案陣面內(nèi)濕度為≤65%。圖2為0～5min的陣面除濕過程。有效的除濕控制保證了陣面內(nèi)設(shè)備能可靠地工作。

圖1　陣面液冷熱設(shè)計

圖2　陣面內(nèi)部除濕過程

(b)機(jī)柜環(huán)控設(shè)計

除陣面外，雷達(dá)電子設(shè)備均安裝在密閉機(jī)柜內(nèi)。密閉機(jī)柜采用鑄鋁密閉機(jī)柜。該機(jī)柜環(huán)控效果好，屏蔽性能優(yōu)，密封性能好，承載能力高。機(jī)柜的環(huán)境控制系統(tǒng)由中心控制單元、冷卻單元和傳感器三部分組成。中心控制單元是本系統(tǒng)的“大腦”，由信息采集模塊、運(yùn)算分析模塊、指令發(fā)送模塊和二次顯示模塊組成。傳感器是本系統(tǒng)的“眼睛”，監(jiān)測機(jī)柜內(nèi)的溫度和濕度信息，將信息實(shí)時傳給中心控制單元。冷卻單元是本系統(tǒng)的執(zhí)行單元，是實(shí)現(xiàn)環(huán)境控制的關(guān)鍵設(shè)備。它是一個制冷冷卻裝置，根據(jù)中心控制單元的指令，通過內(nèi)部控制模塊控制，實(shí)現(xiàn)機(jī)柜內(nèi)部的空氣的加熱、制冷和除濕，并將自身的工作狀態(tài)報告給中心控制單元。設(shè)計雷達(dá)的機(jī)柜帶有1.5 kW和3 kW冷卻單元，可滿足機(jī)柜最大1.5 kW和3 kW的散熱要求，保持機(jī)柜內(nèi)部的空氣溫度控制在0℃～60℃，濕度控制在60%以內(nèi)。見圖3。

1.2.2加固隔離設(shè)計

設(shè)備的抗機(jī)械環(huán)境能力包括加固技術(shù)和隔離技術(shù)。加固技術(shù)是經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計技術(shù)，選擇高品質(zhì)的材料和工藝措施，提高和強(qiáng)化產(chǎn)品自身的抗惡劣環(huán)境能力;隔離技術(shù)是采取各種技術(shù)措施將設(shè)備與惡劣環(huán)境隔離。由于陣面的安裝條件限制，陣面采用加固技術(shù)進(jìn)行抗機(jī)械環(huán)境設(shè)計，機(jī)柜采用隔離技術(shù)進(jìn)行抗機(jī)械環(huán)境設(shè)計。

圖3　機(jī)柜環(huán)控設(shè)計

(a)陣面的抗惡劣環(huán)境設(shè)計

陣面直接和基座連接。陣面的模態(tài)、振動、沖擊性能應(yīng)從設(shè)計上充分考慮。應(yīng)用ANSYS軟件對陣面進(jìn)行自重分析、模態(tài)分析、抗沖擊分析、振動分析、顛震分析。陣面整個模型包含1萬多個shell 181單元、3千多個Beam 188單元、4千多個Mass 21單元，共計1萬多個節(jié)點(diǎn)。模型網(wǎng)格見圖4。對內(nèi)的設(shè)備采用等效質(zhì)量進(jìn)行處理。針對各種工況開展了全面的仿真分析，對雷達(dá)陣面進(jìn)行了安全性能整體評估，并對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提出了一些改進(jìn)意見。分析結(jié)果如下:陣面的首階頻率44.7 Hz(見圖5);陣面在沖擊條件下環(huán)境最為惡劣，此時最大應(yīng)力136 MPa(見圖6)，不超過材料的許用應(yīng)力。經(jīng)過仿真驗(yàn)證，該陣面結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足總體的機(jī)械環(huán)境要求。

(b)機(jī)柜的隔震緩沖

根據(jù)已有設(shè)計經(jīng)驗(yàn)，機(jī)柜的隔振緩沖系統(tǒng)采用無諧振峰隔振器、復(fù)合阻尼隔振器組成隔振緩沖系統(tǒng)。根據(jù)振動和沖擊條件，對機(jī)柜樣機(jī)進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)，見圖7。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用復(fù)合阻尼隔振緩沖系統(tǒng)和無諧振峰隔振緩沖系統(tǒng)均能滿足系統(tǒng)緩沖要求。

1.2.3三防設(shè)計

除了采用環(huán)控和隔震緩沖設(shè)計外，對雷達(dá)的材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計和涂裝體系上采取統(tǒng)一要求，具體如下:

(a)陣面采用防銹鋁拼接而成，具有很高的耐腐蝕性能，陣面內(nèi)所有緊固件采用不銹鋼材料;

(b)避免采用不均勻性或多相性的機(jī)構(gòu)設(shè)計，盡量采用密封的結(jié)構(gòu);

(c)采用特征三防油漆和成熟的工藝涂裝體系。

圖4　陣面模型網(wǎng)格

圖5　陣面模態(tài)

圖6　陣面垂向沖擊分析

圖7　機(jī)柜沖擊試驗(yàn)

2　總結(jié)與展望

根據(jù)多型艦載產(chǎn)品的設(shè)計和實(shí)際的應(yīng)用，艦載產(chǎn)品的抗惡劣環(huán)境設(shè)計工作從氣候環(huán)境、機(jī)械環(huán)境、防護(hù)上積累了一定的設(shè)計經(jīng)驗(yàn)和方法，通過梳理和總結(jié)，可以從以下幾個方面開展工作(見表1)，為同類產(chǎn)品提供參考和借鑒。

表1　抗惡劣環(huán)境方法

隨著新技術(shù)的迅速發(fā)展，各種性能優(yōu)良(遠(yuǎn)距離、大范圍、高精度、實(shí)時化)的雷達(dá)不斷涌現(xiàn)，雷達(dá)結(jié)構(gòu)上的高集成、多平臺、反隱身等技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，對雷達(dá)抗惡劣環(huán)境設(shè)計提出更高的要求:

(1)高集成的一體化設(shè)計

由于艦艇的空間有限，要求艦載陣面雷達(dá)應(yīng)盡可能做到體積小和重量輕，降低造價。目前，可采取如下措施:在結(jié)構(gòu)上，采取骨架和水道結(jié)合、單元和骨架結(jié)合、冷板和組件殼體結(jié)合等方式實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計;在微波集成電路技術(shù)上，盡可能地將組件、功放、電源、接收等電子器件結(jié)合建立互連，采用組件的自動化生產(chǎn)和組裝技術(shù)等，從優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計和器件集成防護(hù)設(shè)計上提高抗惡劣環(huán)境性能。

(2)不同平臺的適裝性［2］

根據(jù)不同平臺的不同需求及艦型(大、中、小)的特點(diǎn)和艦上的資源，結(jié)合可能列裝的裝備對象，從環(huán)境適應(yīng)能力、散熱能力、安裝基座等幾個方面，充分利用先進(jìn)的優(yōu)化設(shè)計方法和系統(tǒng)化的創(chuàng)新設(shè)計思想。選用適用海洋環(huán)境的輕型高性能材料和先進(jìn)的散熱冷卻技術(shù)，有效地提高艦載雷達(dá)的適裝性，促進(jìn)艦載雷達(dá)系列化、組合化發(fā)展，從而適應(yīng)艦艇雷達(dá)裝備的輕型化、小型化、系列化的列裝要求。

(3)結(jié)構(gòu)隱身設(shè)計［3］

雷達(dá)波隱身就是盡可能降低目標(biāo)的雷達(dá)波散射截面。根據(jù)雷達(dá)波不同散射波的生成機(jī)理，設(shè)備的隱身設(shè)計途徑包括構(gòu)型隱身設(shè)計和吸波材料應(yīng)用。構(gòu)型隱身技術(shù)是通過目標(biāo)的非常規(guī)結(jié)構(gòu)設(shè)計形式降低其RCS，而雷達(dá)吸波技術(shù)是指利用雷達(dá)吸波材料吸收衰減入射的電磁波。艦載設(shè)備常用的隱身設(shè)計通常有設(shè)備表面電連續(xù);外露的安裝結(jié)合部位采用沉陷方式將被聯(lián)接的兩個結(jié)構(gòu)的外表面齊平;天線罩盡可能多用平面設(shè)計。

3　結(jié)束語

電子設(shè)備抗惡劣環(huán)境設(shè)計是一個巨大的系統(tǒng)工程，它需要各學(xué)科協(xié)同努力。在方案階段必須建立抗惡劣環(huán)境設(shè)計體系和防護(hù)體系，通過相應(yīng)的可靠性試驗(yàn)驗(yàn)證，積累長期的工程經(jīng)驗(yàn)，引用先進(jìn)的技術(shù)和材料，保障雷達(dá)設(shè)備的抗惡劣環(huán)境性能。

參考文獻(xiàn):

［1］季馨.電子設(shè)備抗惡劣環(huán)境設(shè)計概論［J］.電子機(jī)械工程，2014(6).

［2］趙廣濤，吳洪才.艦載雷達(dá)適裝性研究［J］.雷達(dá)與對抗，2010(1).

［3］朱彬.機(jī)載設(shè)備中結(jié)構(gòu)隱身設(shè)計技術(shù)研究［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2011(12).

Design and development of anti-adverse environment for shipborne radars

ZHAO Jing，SHEN Wen-jun
(Nanjing Research Institute of Electronics Technology，Nanjing 210039)

Abstract:Based on the shipborne radar environment，the methods of the anti-adverse environment of specific radars are designed and summarized in terms of the climate，mechanical，biological and electromagnetic environment resistance.Besides，the future demands are analyzed.

Keywords:shipborne radar; anti-adverse environment; vibration isolation buffer design; thermal design

作者簡介:趙靜(1978-)，女，高級工程師，碩士，研究方向:雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計;沈文軍(1970-)，男，研究員級高級工程師，碩士，研究方向:雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計。

收稿日期:2014-12-28

文章編號:1009-0401(2015)01－0054－04

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

中圖分類號:TN957.8