某高轉速相控陣雷達抗風能力分析*

劉建軍，沈文軍

(南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

某高轉速相控陣雷達抗風能力分析*

劉建軍，沈文軍

(南京電子技術研究所， 江蘇 南京 210039)

文中論述了引起高轉速雷達車傾覆和滑移的各種外力因素，并給出了具體的計算公式。以某高轉速相控陣雷達為例，分析了高轉速產(chǎn)生的慣性力(矩)占總傾覆力(矩)的比例，并對高風載工況下的抗傾覆能力和抗滑移能力進行了分析和計算。結果表明,雷達車滿足抗傾覆、抗滑移的要求。

高轉速；相控陣雷達；抗傾覆和抗滑移能力

引 言

現(xiàn)代科學技術的迅猛發(fā)展，日益需要現(xiàn)代軍用雷達能提供更短的反應時間以對付高速噴氣飛機、制導導彈、彈道導彈和人造衛(wèi)星。同時反恐、維和、突發(fā)事件應對等小范圍戰(zhàn)場往往面臨來自各個方向、多種威脅目標的攻擊，雷達全向化、高目標探測需要更高的數(shù)據(jù)率，而提高天線轉速是提高數(shù)據(jù)率的一個重要手段。但天線方位轉速的增加會相應增加雷達轉動部分的慣性力和力矩，尤其是天線質量相對較大的相控陣雷達，對雷達的抗傾覆能力提出了更高的要求。一些學者研究了天線轉速對雷達結構設計的影響，提出了高轉速雷達的結構設計要點[1]，對雷達天線結構進行了簡化并建立了有限元模型，分析了關鍵風速下的應力應變，驗證了天線設計的可靠性[2]。

本文分析了雷達在高轉速下引起雷達車傾覆的各種外力因素，對陣面因旋轉產(chǎn)生的附加力矩進行了理論公式推導，計算分析了某相控陣雷達車在高轉速、高風載條件下的抗傾覆、抗滑移能力。

1 雷達傾覆力分析

1.1 某相控陣雷達結構

該雷達設備集成于一輛單車上，天線陣面和天線座轉臺均為箱體結構，有較大的質量及轉動慣量。天線陣面和天線座轉臺作360°無限制轉動，最大轉動角速度達30 r/min。雷達作方位轉動時由4條抗傾覆腿(調平腿)支撐，雷達車的工作狀態(tài)如圖1所示。

圖1 某雷達車工作狀態(tài)

1.2 引起雷達車傾覆的因素

如圖2所示，雷達抗風能力分為克服雷達車所受側向力的抗滑移能力和克服所受傾覆力矩的抗傾覆能力[3]。雷達陣面在高速旋轉時，受到的側向力Fx包括側向風力F1和偏心轉動設備的慣性力F2；傾覆力矩M傾包括風力矩M1、慣性力矩M2和陣面傾斜引起的附加力矩M3。

圖2 雷達車傾覆力、力矩示意圖

1.3 雷達車風力F1、風力矩M1分析

計算風力時，將整車分為陣面、平臺設備、操控艙和載車4個部分，各部分的風力F1和風力矩M1按下式計算[4]：

(1)

式中：C為風阻力系數(shù)，取1.4；A為物體特征面積，m2；V為風速，m/s。

M1=F1H

(2)

式中，H為風力中心距地面的高度，m。

陣面的前后部迎風面積最大，而載車、平臺等不回轉部分的側向迎風面最大。當陣面轉至載車側面時，整車所受風力最大，同時因抗傾覆腿(調平腿)側向間距最小，抗傾覆能力最差，因此整車側向最容易傾覆。計算風力時按側向工況計算，將各個部分的物體特征面積A代入式(1)計算得[2]：

F1=F1,陣面+F1,平臺+F1,操控艙+F1,載車=

將各個部分的物體特征面積A和風力中心距地面的高度H代入式(2)計算得：

M1=M1,陣面+M1,平臺+M1,操控艙+M1,載車=

A載車H載車)=81V2

1.4 慣性力F2、慣性力矩M2分析

轉動設備偏心，在轉動時會產(chǎn)生側向慣性力F2：

F2=m偏ω2R

(3)

式中：m偏為偏心設備質量，kg；ω為陣面角速度，rad/s；R為偏心距，m。

慣性力矩M2為：

M2=F2H2=m偏RH2ω2

(4)

式中，H2為偏心設備質心距地面的高度，m。

圖3為雷達車的慣性力和慣性力矩示意圖。

圖3 雷達車慣性力和慣性力矩示意圖

將陣面及轉臺的相關參數(shù)代入式(3)、式(4)得：

F2=F2,陣面+F2,轉臺=ω2(m陣面R陣面+m轉臺R轉臺)=

2 600R陣面ω2+3 600R轉臺ω2

M2=M2,陣面+M2,轉臺=ω2(m陣面R陣面H2,陣面+

m轉臺R轉臺H2,轉臺)=13 000R陣面ω2+

8 640R轉臺ω2

式中：m陣面和m轉臺分別為陣面和轉臺的質量；R轉臺和R陣面分別為轉臺和陣面的偏心距。

從式(3)和式(4)可以看出：偏心力(距)與偏心距及方位轉動角速度的平方成正比，因角速度為指標要求，所以偏心力(距)與偏心距成正比，如圖4和圖5所示。在結構設計時，應合理布局，盡量減小偏心距，必要時增加配重[1]。

圖4 雷達車不同偏心距下的慣性力

圖5 雷達車不同偏心距下的慣性力矩

考慮到實際與理論設計會存在一定的偏差，如采用配重的方式調整重心的位置會增加整車的重量，因此設計時允許一定的偏心，計算時偏心距R按0.2 m考慮，則：

F2= 2 600R陣面ω2+ 3 600R轉臺ω2= 1 240ω2

M2= 13 000R陣面ω2+ 8 640R轉臺ω2= 4 328ω2

1.5 陣面傾斜引起的附加力矩M3

傾斜安裝的陣面旋轉時，每個質點會產(chǎn)生慣性力Fi。如圖6所示，取陣面幾何中心為原點O，建立三維直角坐標系O-XYZ，則質點(Xi,Yi,Zi)的慣性力可分解為陣面前向Fi,x和陣面?zhèn)认騀i,z2個分力[5]：

Fi,x=miω2ri,x=miω2xi

Fi,z=miω2ri,z=miω2zi

式中：mi為質點的質量；ri,x和ri,z分別為質點在X軸和Z軸方向的回轉半徑。

圖6 陣面各質點慣性力示意圖

由質點(Xi,Yi,Zi)的慣性力Fi產(chǎn)生的相對陣面中心的力矩為：

Mi,x=Fi,xyi=miω2xiyi=ω2tan(θ)miy2i

Mi,z=Fi,zyi=miω2ziyi

式中，θ為陣面傾角。

陣面由X軸方向慣性力產(chǎn)生的相對陣面中心的總力矩為：

m陣面ω2tan(θ)L2cos3(θ)/12=

m陣面ω2L2sin(θ)cos3(θ)/12

陣面由Z軸方向慣性力產(chǎn)生的相對陣面中心的總力矩為：

因陣面左右相對回轉軸對稱，質點陣面?zhèn)认虻姆至膳c對稱位置質點的側向分力相互抵消，因此Mz= 0。

因此，旋轉產(chǎn)生的慣性力形成的傾覆力矩為：

M3=Mx=m陣面ω2L2sin(θ)cos(θ)/12

(5)

式中：ω最大為30r/min；θ=13°；L= 4m。

將各參數(shù)代入式(5)得:

M3=m陣面ω2L2sin(θ)cos2(θ)/12=740ω2

1.6 雷達車所受的側向力Fx

雷達所受到的側向力Fx為側向風力F1和偏心轉動設備的慣性力F2的總和，即：

Fx=F1+F2= 34V2+1 240ω2

(6)

當轉速為30r/min、最大風速為25m/s時，由風引起的側向力為21 125N，占總側向力的63.3%；由轉動慣性力引起的側向力為12 238N，占總側向力的36.7%，表明高轉速雷達更可能產(chǎn)生雷達車滑移。

1.7 雷達車傾覆力矩M傾

雷達傾覆力矩M傾為風力矩M1、慣性力矩M2和陣面傾斜引起的附加力矩M3的總和，即：

M傾=M1+M2+M3= 81V2 + 4 328ω2+740ω2=

81V2 +5 068ω2

當轉速為30r/min、最大風速為25m/s時，由風引起的傾覆力矩M1為50 625 N·m，由轉動引起的傾覆力矩M2+M3為50 019 N·m，占總傾覆力矩的49.7%。除風力矩外，高轉速引起的慣性力矩也是造成雷達車傾覆的一個重要因素。

2 雷達車抗風能力分析

2.1 抗滑移能力分析

雷達車側向穩(wěn)定力為:

F穩(wěn)=mgμ

式中：m為雷達車整車質量，m= 27 705 kg；g為重力加速度；μ為摩擦系數(shù)，取μ= 0.35。

則抗滑移安全系數(shù)為：

當ω= 30 r/min時，不同風速下抗滑移安全系數(shù)如圖7所示。當風速為25 m/s時，nc= 1.77，雷達車不會產(chǎn)生側向滑動。

圖7 雷達車抗滑移安全系數(shù)

2.2 抗傾覆能力分析

雷達車穩(wěn)定力矩為：

M穩(wěn)=mgR

式中：雷達車整車質量m=27 705 kg； 最小抗傾覆半徑R= 1.03 m。

則抗傾覆安全系數(shù)為：

當ω= 30 r/min時，不同風速下抗傾覆安全系數(shù)如圖8所示。當風速為25 m/s時，Nc= 2.8，雷達車不會傾覆。

圖8 雷達車抗傾覆安全系數(shù)

3 提高整車抗風能力的設計要點

從分析計算可以看出：雷達車產(chǎn)生滑移的因素有側向風力和慣性力；雷達車產(chǎn)生傾覆的因素有風力矩、慣性力矩和陣面傾斜引起的附加力矩。在設計過程中應盡量減小回轉部分的偏心距，降低設備的重心，設計合適的傾覆腿間距。

4 抗風試驗情況

該雷達在最大風速25 m/s時，以30 r/min的轉速高速轉動，未出現(xiàn)側向滑移、調平腿離地現(xiàn)象。對整車進行應力測試，最大應力為185 MPa，小于該處材料Q345的屈服強度，滿足強度要求。試驗表明，該雷達在高轉速、高風速條件下工作是穩(wěn)定安全的。

5 結束語

本文根據(jù)高轉速引起雷達傾覆和滑移的各種外力進行了分析，對某高轉速相控陣雷達抗傾覆、抗滑移能力進行了分析計算。結果表明：該雷達在高轉速和高風速工況下具備抗傾覆和抗滑移的能力；同時，由高速轉動產(chǎn)生的慣性力(矩)與最大工作風速產(chǎn)生的風力(矩)相關。在結構設計時，應嚴格控制各旋轉設備重心的位置。文中的計算方法，特別是推導的陣面旋轉時產(chǎn)生的附加力矩的計算公式可為類似產(chǎn)品的分析計算提供參考。

[1] 趙新舟. 提高天線轉速對某雷達結構設計的影響[C]//2006年全國電子機械和微波結構工藝學術會議論文集. 南京: 中國電子學會電子機械工程分會, 2006.

[2] 侯學兵, 高鋒華. 某雷達天線的風載荷分析[J]. 電子機械工程, 2010, 26(3): 40-42.

[3] 趙德昌. 地面高機動雷達結構總體設計探討[J]. 電子機械工程, 2007, 23(3): 19-23.

[4] 沈文軍. 大型天線艙風載作用下力學特性及穩(wěn)定性分析[J]. 機械設計與研究, 2010(3): 108-111.

[5] 哈爾濱工業(yè)大學理論力學教研室.理論力學(上、下) [M]. 北京: 高等教育出版社, 1981.

劉建軍(1976-)，男，碩士，高級工程師，主要從事雷達結構總體設計工作。

Anti-overturn Stability Analysis of a Phased Array Radar with High Rotation Speed

LIU Jian-jun，SHEN Wen-jun

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

In this paper, different types of external forces that cause overturning and slipping of the radar vehicles with high rotation speed are analyzed and the formulas are deduced. Taking a phased array radar as an example, its anti-overturn and anti-slip stability under high rotation speed and large wind load is analyzed and calculated. The results show that the anti-overturn and anti-slip stability of the phased array radar meets the design requirement.

high rotation speed; phased array radar; anti-overturn and anti-slip stability

2016-11-20

TN956

A

1008-5300(2017)02-0037-04