一種戰(zhàn)場偵察雷達的結(jié)構(gòu)總體設(shè)計

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(中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

戰(zhàn)場偵察雷達是指采用超輕設(shè)計,供單元作戰(zhàn)小組或小分隊便攜使用,探測戰(zhàn)場活動目標(biāo)的偵察雷達,主要用于前沿偵察,以為戰(zhàn)場指揮官提供實時、準(zhǔn)確的戰(zhàn)場情報等為目的。除了在戰(zhàn)場的應(yīng)用以外,在和平時期,這類偵察雷達也可以用于邊境偵察、反恐、緝毒與反走私行動、國際維持和平行動等。

為了適應(yīng)使用場合,戰(zhàn)場偵察雷達在使用上必須輕便和人機工程好,便于單兵攜帶和操作[1]。本文以某型戰(zhàn)場偵察雷達的研發(fā)過程為例,闡述在結(jié)構(gòu)頂層規(guī)劃時,合理運用工業(yè)設(shè)計、一體化設(shè)計、商品化設(shè)計等并行式設(shè)計理念,解決產(chǎn)品輕小型化、操作便捷化、架設(shè)快速化[2]的問題。

1 設(shè)計要求

該型雷達的指標(biāo)如下:

手動調(diào)平:簡易調(diào)平(水泡);

天線分檔可調(diào)轉(zhuǎn)速:4°/s,8°/s,16°/s;

架設(shè)、撤收時間:≤5 min/2人 ;

俯仰角度:-4°～4°;

總重量:≤35 kg(單件攜帶重量不超過30 kg);

電子羅盤定北。

該型雷達結(jié)構(gòu)設(shè)計特點要求如下:

1)輕型化、小型化、便攜式設(shè)計

a)采用可折疊、可拆卸技術(shù),減少單元攜行重量及尺寸;

b)使用輕質(zhì)材料減少攜行重量。

2)設(shè)備高度集成化

a)減少各單元間的連線;

b)減少各單元間的接口操作時間和步驟;

c)減少各單元間的連接附屬設(shè)備。

2 工業(yè)設(shè)計與總體布局的并行設(shè)計

2.1 頂層布局設(shè)計

各分系統(tǒng)的布局設(shè)計不是樂高式積木形的拼接,而是采用TOP-DOWN的設(shè)計理念,從頂層布局規(guī)劃邊界條件(運輸要求、系統(tǒng)組成、外形包絡(luò)等),依據(jù)各分系統(tǒng)的邊界條件采用一體化集成化的設(shè)計手段盡可能地壓縮體積、減輕重量[3]。

工業(yè)設(shè)計是在總體布局的基礎(chǔ)上,堅持與結(jié)構(gòu)設(shè)計互相融合的設(shè)計理念,以工業(yè)設(shè)計引導(dǎo)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計,以結(jié)構(gòu)工藝的實現(xiàn)性修正工業(yè)設(shè)計,最終實現(xiàn)在人機工程及產(chǎn)品外形上滿足用戶要求,設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 設(shè)計流程

該型雷達從設(shè)備組成及攜帶單元考慮分為天線頭、終端顯控單元(筆記本)、支撐架單元以及供電單元四部分[4],如圖2所示。其中,天線頭作為一個整體,集成了天饋、收發(fā)、天線座、天線俯仰機構(gòu)等設(shè)備。

圖2 設(shè)備組成及布局

2.2 構(gòu)型設(shè)計

戰(zhàn)場偵察雷達具備軍民兩用的特征,所以外形設(shè)計上不但要考慮便攜性要求,而且同時還要考慮到美觀性要求,所以在構(gòu)型設(shè)計過程中首先要考慮到以下影響因素:

1)機動性:輕小型化、組裝便捷、高生存性;

2)便攜性:人機工程好,單元重量分配合理;

3)環(huán)境適應(yīng)性:從面向用戶的沙漠使用環(huán)境來考慮散熱與配色問題;

4)約束條件:天線的形狀及旋轉(zhuǎn)要求對造型的影響;

5)整體協(xié)調(diào)性:天線與支撐之間的造型呼應(yīng)等。

根據(jù)以上影響因素,考慮沙漠中工作的產(chǎn)品形態(tài),該戰(zhàn)場偵察雷達便以沙漠中的蜘蛛形態(tài)進行仿生設(shè)計,根據(jù)其構(gòu)造特點、攻擊形式、環(huán)境色、天線形狀等元素進行演變而成,構(gòu)型設(shè)計過程如圖3所示。

圖3 構(gòu)型設(shè)計理念

2.3 人機工程設(shè)計

人機工程設(shè)計貫穿于戰(zhàn)場偵察雷達的整個設(shè)計流程,對系統(tǒng)機動性、攜行性、維修性等方面起著重要作用,決定著雷達的戰(zhàn)場生存適應(yīng)能力。

1)最佳人機配合高度

操作平臺最佳的離地高度h=0.61H-70,H為人的身高(取平均值1 700 mm計算),0.61H為人的手肘高度,所以電子集成單元安放的最佳位置在1 m左右,如圖4所示。

2)維修及搬運設(shè)計

天線頭是整套雷達系統(tǒng)中最重的攜行單元,所以無論是其維護還是搬運應(yīng)盡可能做到操作方便。其后部蓋板是電子設(shè)備集成區(qū),又是維修窗和散熱通道,通過快鎖裝置與殼體緊固。在殼體的兩側(cè)設(shè)計有搬運把手,可方便單人或兩人搬運,如圖5所示。

3)各單元快連機構(gòu)設(shè)計

天線頭與三腳架的連接、供電箱子與三腳架的連接均不需要任何輔助工具的協(xié)助,全部采用快速連接機構(gòu)實現(xiàn),如圖6所示。

圖4 操作高度

圖5 維修及搬運設(shè)計

圖6 各單元間的快連機構(gòu)

3 一體化設(shè)計

3.1 一體化小型天線平臺的設(shè)備組成

一體化小型天線平臺即天線頭是整個雷達系統(tǒng)的核心,通過一體化設(shè)計合理地把天線座、天線、電子設(shè)備單元及俯仰調(diào)節(jié)機構(gòu)等設(shè)備集成于一個薄壁的鋁殼體中,結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

圖7 天線頭設(shè)備組成

因為天線頭集成了雷達系統(tǒng)的大部分分系統(tǒng),所以重量較重、尺寸較大;為了減重和攜行方便,外觀殼體采用薄壁鑄造件,左右兩側(cè)設(shè)計了搬運把手。其中,收發(fā)單元、天線單元及天線座之間的信號傳輸通過盲配插座實現(xiàn)。

3.2 天線俯仰機構(gòu)的集成化設(shè)計

針對天線-4°～4°的俯仰角要求,在天線殼體內(nèi)置了雙滑塊俯仰連桿機構(gòu),該機構(gòu)集成于天線和殼體之上,實現(xiàn)了小空間內(nèi)的俯仰要求,同時利用天線旋轉(zhuǎn)軸在殼體上安裝有俯仰角度指示標(biāo)牌,如圖8所示。該俯仰機構(gòu)與天線、殼體高度集成,因少了俯仰支撐構(gòu)件、輔助連接附件、架設(shè)/撤收連接單元,具有重量輕、外形整潔、連接簡化的特點。

3.3 電子設(shè)備單元的一體化設(shè)計

集傳熱與承載于一體的多功能電子設(shè)備單元[5]由功放、接收通道、頻綜、信號處理板、伺服驅(qū)動板、電子羅盤、電源模塊、環(huán)行器、電纜、接插件等組成。因考慮防護、散熱、維護等需求,把電子設(shè)備單元統(tǒng)一集成到一塊安裝板上,該安裝板既作為天線殼體的防護蓋板,又作為電子設(shè)備單元的母體基板。該安裝板的后部加工有一定高度的散熱翅片,可把電子設(shè)備單元工作時的熱耗通過它導(dǎo)到外部空間。電子設(shè)備單元作為整體通過10個松不脫螺釘安裝于天線殼體后部,當(dāng)需要維修維護時,可方便地整體拆除。

圖8 集成化天線俯仰機構(gòu)

在環(huán)境溫度55℃、太陽輻射、無風(fēng)條件下,對電子設(shè)備單元進行熱分析,功放芯片溫度約82℃(見圖9(a)),滿足使用要求。同時,為模擬沙漠高溫下太陽輻射對雷達工作狀態(tài)的影響,在安裝板的散熱片上和內(nèi)部安裝溫度測量裝置在外場進行了反推試驗(見圖9(b)),進一步證明分析設(shè)計滿足使用指標(biāo)要求。

圖9 溫度設(shè)計驗證

3.4 多功能一體化的小型天線座設(shè)計

天線座設(shè)計采用一體化的并行設(shè)計理念,集成設(shè)計了多功能小型天線轉(zhuǎn)臺,具有尺寸小、重量輕、功能全的特點,集成了驅(qū)動單元、角度反饋單元、匯流環(huán)等(見圖10),可實現(xiàn)雷達扇掃、環(huán)掃以及跟蹤等多模式運動,滿足天線轉(zhuǎn)速4°/s,8°/s,16°/s的要求。

圖10 一體化天線座

天線座系統(tǒng)由轉(zhuǎn)盤、底座、驅(qū)動單元、匯流環(huán)、編碼器等組成,安裝在天線殼體內(nèi),渾然一體。該天線座設(shè)計時考慮整體布局,為了壓縮系統(tǒng)尺寸,將驅(qū)動單元安裝于轉(zhuǎn)盤上倒置驅(qū)動轉(zhuǎn)盤,結(jié)構(gòu)上采用大齒輪固定,電機帶動小齒輪圍繞大齒輪旋轉(zhuǎn)。

4 商品化設(shè)計

因便攜式雷達是一款軍民兩用的探測設(shè)備且主要以出口為主,所以其成本要低、外形要美觀、人機工程要合理;綜合以上特點,本雷達設(shè)備在設(shè)計時要多以外購成熟的、商品化的產(chǎn)品為主。選擇商品化的產(chǎn)品要堅持以下原則:

1)市場銷量大、用戶多的商品:這種產(chǎn)品一般人機工程好、價格便宜,如攝像機三腳架等。

2)專業(yè)生產(chǎn)廠家的庫存產(chǎn)品(非訂制產(chǎn)品):這種產(chǎn)品一般批量生產(chǎn),且質(zhì)量可靠、價格低,如齒輪、軸承等。

3)對于影響產(chǎn)品性能的重要設(shè)備,且市場銷售較少,無法把握可靠性的,要設(shè)計師自己設(shè)計。

比如該雷達采用的三腳架即為市場上常用的碳素纖維材質(zhì)三腳架,除價格便宜外,各項功能均滿足指標(biāo)要求,如高低溫、振動、防腐蝕等;監(jiān)控電源機箱為市場上型材機箱的改裝設(shè)計,如圖11所示。

圖11 商品化產(chǎn)品

5 結(jié)束語

該戰(zhàn)場偵察雷達以實戰(zhàn)需求為牽引[5],從頂層設(shè)計入手,全流程設(shè)計融入構(gòu)型設(shè)計、一體化設(shè)計、商品化設(shè)計等并行設(shè)計理念,使雷達結(jié)構(gòu)除滿足電訊指標(biāo)要求外,還在美觀性、人機性等多方面取得了一定的進步和突破;解決了系統(tǒng)間連接多、環(huán)控難度大、集成度復(fù)雜等多重難題。

該產(chǎn)品通過設(shè)計及材料選型,最終實物達到的重量約33 kg,架設(shè)和撤收時間約4 min,滿足性能指標(biāo)要求。樣機經(jīng)過烤機及聯(lián)調(diào)之后交付給用戶單位試用,基本上得到了用戶的肯定和認同。

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