輪式車載大跨度懸臂薄殼行饋設(shè)計(jì)*

任鳳玲，王金偉

(南京電子技術(shù)研究所， 江蘇 南京 210039)

引 言

某雷達(dá)系統(tǒng)原履帶式車行進(jìn)速度慢，承載重量重，車載系統(tǒng)無法適應(yīng)快速反應(yīng)的現(xiàn)代作戰(zhàn)需要。同時(shí)原履帶式車裝備反射面天線，也無法滿足現(xiàn)代作戰(zhàn)對(duì)多目標(biāo)追蹤的需求。為了適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的需要，輪式戰(zhàn)車工作時(shí)車速高，車載系統(tǒng)可以在行進(jìn)間工作，是未來的發(fā)展方向。相控陣的反應(yīng)速度、目標(biāo)更新速率、多目標(biāo)追蹤能力、分辨率、多功能性等遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)雷達(dá)。行饋是相控陣主天線的核心設(shè)備，并且數(shù)量眾多，行饋的高度和重量決定了主天線的尺寸、重量、重心等指標(biāo)。輪式車承載能力小，其機(jī)械環(huán)境和氣候環(huán)境惡劣，因此輪式車載行饋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要滿足重量輕、剛度好的要求，同時(shí)行饋的電性能穩(wěn)定性也需通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來保證[1-3]。

本文結(jié)合輪式車載系統(tǒng)對(duì)行饋的要求，提供輕量化行饋設(shè)計(jì)方法，提高耐振動(dòng)沖擊能力和耐候性，通過改進(jìn)工藝和加強(qiáng)管理，使大批量生產(chǎn)的質(zhì)量可控。

1 行饋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求

根據(jù)天線總成和運(yùn)輸高度尺寸限制要求，結(jié)合輪式車承載能力小、工作時(shí)車速高的特點(diǎn)，行饋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需滿足以下要求：

a)單條行饋的高度為180 mm，長(zhǎng)度為2 000 mm，重量≤10 kg；

b)能夠承受輪式車的長(zhǎng)期顛簸，具有良好的耐振動(dòng)沖擊能力；

c)在各種環(huán)境綜合作用下，行饋不能開裂、滲水，具有良好的三防密封性能；

d)由于行饋安裝在車輛最高處，在載車行進(jìn)運(yùn)輸過程中，有可能遭遇樹枝和石子的撞擊，因此行饋包封應(yīng)確保強(qiáng)度和防止開裂漏雨；

e)行饋需適應(yīng)紫外線照射、鹽霧、風(fēng)砂等環(huán)境，確保設(shè)備壽命和可靠性；

f)為控制成本和保證生產(chǎn)的可行性，行饋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮批產(chǎn)的工藝性和經(jīng)濟(jì)性。

2 行饋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于行饋的特殊腔體形式和對(duì)工作環(huán)境的嚴(yán)苛要求以及實(shí)際工況下的特殊抗振需求，需要對(duì)行饋進(jìn)行腔體設(shè)計(jì)、外包封設(shè)計(jì)以及安裝和抗振設(shè)計(jì)。

2.1 行饋腔體設(shè)計(jì)

每條行饋包含20多個(gè)天線陣子和功分網(wǎng)絡(luò)。行饋在長(zhǎng)、寬、高方向尺寸較大，腔體設(shè)計(jì)難度高，傳統(tǒng)的腔體設(shè)計(jì)主要有板材銑制加工、拼接結(jié)構(gòu)和焊接結(jié)構(gòu)3種方式，其優(yōu)缺點(diǎn)見表1。

表1 傳統(tǒng)腔體設(shè)計(jì)方式優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比

以上3種傳統(tǒng)腔體設(shè)計(jì)方式都不適合行饋的批量生產(chǎn)?？紤]到行饋數(shù)量多、品種單一的特點(diǎn)，提出利用型材制成腔體的設(shè)計(jì)方式。其優(yōu)點(diǎn)是型材結(jié)構(gòu)重量輕(重量比焊接結(jié)構(gòu)減輕1/3)，型材利用率高、機(jī)加工量??；缺點(diǎn)是拉制的型材是薄壁結(jié)構(gòu)，給印制板的安裝、加裝陣子、電連接器的固定、整根行饋對(duì)外接口設(shè)計(jì)和抗振動(dòng)沖擊設(shè)計(jì)帶來難題。

利用型材制成腔體的設(shè)計(jì)方式對(duì)型材提出如下要求：

1)滿足強(qiáng)度、直線度要求，以滿足印制板安裝要求。

2)設(shè)計(jì)異形法蘭盤，便于電連接器的安裝和密封。

由于型材厚度只有1.5 mm，天線陣子及其功分網(wǎng)絡(luò)印制板的固定以及整根行饋的固定均需從內(nèi)部設(shè)計(jì)統(tǒng)籌考慮。

2.2 行饋外包封設(shè)計(jì)

行饋天線陣子及功分網(wǎng)絡(luò)由微帶電路構(gòu)成，對(duì)外界環(huán)境敏感。為保證微帶電路在惡劣環(huán)境中正常工作，采用外包封罩保護(hù)。外包封罩采用U形結(jié)構(gòu)，材料選用復(fù)合材料，為天線電磁波提供發(fā)射和接收的電磁窗口，免使天線陣子和功分網(wǎng)絡(luò)暴露在惡劣的自然環(huán)境中而受到損害。

外包封罩是厚度≤1 mm的薄殼，由玻璃纖維和有機(jī)樹脂等透波材料復(fù)合制成。玻璃纖維和有機(jī)樹脂糊制的包封材料能夠滿足天線性能要求，并且其成型收縮率小、結(jié)構(gòu)輕便，防雨淋、耐高溫、抗鹽霧，具有良好的密封性和化學(xué)穩(wěn)定性。外包封后對(duì)行饋進(jìn)行充氣實(shí)驗(yàn)以檢驗(yàn)其密封性能。

2.3 行饋安裝和抗振設(shè)計(jì)

行饋安裝在高頻箱外，高頻箱的連接點(diǎn)在行饋的中部，形成了大跨度懸臂結(jié)構(gòu)。若采用鋁型材直接安裝易發(fā)生變形，所以在設(shè)計(jì)中預(yù)埋了結(jié)構(gòu)件，以保證與高頻箱的可靠連接。

預(yù)埋結(jié)構(gòu)件和包封薄殼的銜接是行饋耐振動(dòng)沖擊的薄弱環(huán)節(jié)。預(yù)埋結(jié)構(gòu)件的位置和數(shù)量需結(jié)合高頻箱的固定點(diǎn)和抗振性能確定，并通過振動(dòng)沖擊試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。為增強(qiáng)天線陣子的耐振動(dòng)沖擊能力，承受輪式車的長(zhǎng)期顛簸，并在工作時(shí)具有良好的電性能，選用輕質(zhì)透波材料設(shè)計(jì)了支撐結(jié)構(gòu)。行饋的電連接器通過法蘭盤安裝在高頻箱上，穿過高頻箱和內(nèi)部的組件連接。法蘭盤需設(shè)計(jì)定位臺(tái)階以保證行饋的裝配精度并用密封圈密封，保證高頻箱和行饋接口處的防護(hù)性能。采用上述設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)的行饋結(jié)構(gòu)見圖1，單根行饋的質(zhì)量為6.9 kg。

圖1 拉制型材制成的行饋

3 耐振動(dòng)沖擊驗(yàn)證試驗(yàn)

行饋總成直接剛性固定在車頂甲板上方，無任何減振手段，在振動(dòng)環(huán)境下，必然存在諧振，導(dǎo)致部分設(shè)備需承受更大的振動(dòng)加速度。為了保證行饋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性，需對(duì)以下性能進(jìn)行驗(yàn)證：

1)大跨度鋁合金型材的耐振動(dòng)沖擊能力；

2)振動(dòng)沖擊對(duì)薄殼天線罩密封性能的影響；

3)行饋固定位置對(duì)行饋耐振動(dòng)沖擊能力的影響[4-6]。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果不斷改進(jìn)行饋結(jié)構(gòu)，并對(duì)最終確定的行饋結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)沖擊試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.1 試驗(yàn)條件

振動(dòng)條件參照國(guó)軍標(biāo)GJB 150.16—86。行饋安裝在車輛最高處，其振動(dòng)加速度會(huì)放大到1.2～1.5倍。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.2.1 試驗(yàn)一

電訊要求行饋的支撐點(diǎn)應(yīng)盡量少，并且不能遮擋天線陣子，因此振動(dòng)夾具中間大跨度無連接，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D2所示。

圖2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?大跨度振動(dòng)工裝)

按國(guó)軍標(biāo)GJB 150.16—86振動(dòng)條件正常量級(jí)1.5倍進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，電性能無變化，但中間法蘭和行饋包封處有輕微變形，如果增加振動(dòng)時(shí)間，可能會(huì)造成此處破壞。在試驗(yàn)一的基礎(chǔ)上改進(jìn)法蘭和行饋包封的連接形式，擴(kuò)大法蘭和包封的接觸面積。設(shè)計(jì)新的行饋并進(jìn)行第2次試驗(yàn)。

3.2.2 試驗(yàn)二

重新設(shè)計(jì)的行饋使用卡箍固定，可以移動(dòng)卡箍固定位置和增加卡箍數(shù)量，檢測(cè)固定的最佳位置。試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵妶D3。

圖3 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?卡箍固定振動(dòng)工裝)

按國(guó)軍標(biāo)GJB 150.16—86振動(dòng)條件正常量級(jí)1.5倍進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，電性能無變化，結(jié)構(gòu)功能完好。但因行饋之間的間距較小，試驗(yàn)二的法蘭連接形式被否定。根據(jù)高頻箱固定可行性并繼承試驗(yàn)二的試驗(yàn)結(jié)果，加強(qiáng)法蘭處包封處理，設(shè)計(jì)了新的行饋，再次進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

3.2.3 試驗(yàn)三和試驗(yàn)四

試驗(yàn)三的目的為檢驗(yàn)法蘭和包封的可靠性以及行饋固定位置的合理性。試驗(yàn)四的振動(dòng)頻譜和試驗(yàn)三不同，是對(duì)試驗(yàn)三的補(bǔ)充驗(yàn)證。試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D4所示。

圖4 優(yōu)化后的試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

試驗(yàn)三按國(guó)軍標(biāo)GJB 150.16—86振動(dòng)條件正常量級(jí)1.5倍進(jìn)行。試驗(yàn)結(jié)果表明，電性能無變化，結(jié)構(gòu)功能完好。

試驗(yàn)四的振動(dòng)頻譜見表2，每個(gè)方向振動(dòng)15 min。沖擊試驗(yàn)條件：15g，半正弦波，持續(xù)時(shí)間15 ms，每向7次。

表2 試驗(yàn)四隨機(jī)振動(dòng)的功率譜密度

試驗(yàn)結(jié)果表明，電性能無變化，結(jié)構(gòu)功能完好。優(yōu)化后的行饋結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 優(yōu)化后的行饋結(jié)構(gòu)

4 耐候性驗(yàn)證試驗(yàn)

行饋內(nèi)天線陣子的微帶電路在溫度、濕度、鹽霧、粉塵、霉菌等適應(yīng)性方面都有比較高的要求。我國(guó)地域遼闊，地理?xiàng)l件極其復(fù)雜，行饋一般采用密封方式提高抵御惡劣環(huán)境的能力，但密閉的大跨度薄殼行饋對(duì)溫度的敏感度較大，需通過試驗(yàn)驗(yàn)證行饋的耐候性。

4.1 試驗(yàn)條件

根據(jù)GJB 150等國(guó)軍標(biāo)的相關(guān)要求，使用環(huán)境條件要求工作溫度為-40 ℃ ～ +50 ℃，貯存溫度為-50 ℃ ～ +70 ℃。

雷達(dá)在環(huán)境溫度-40 ℃的低溫條件和+50 ℃的高溫條件下能正常工作，在環(huán)境溫度-50 ℃的低溫條件和+70 ℃的高溫條件下貯存不影響產(chǎn)品性能，高溫試驗(yàn)程序及方法參照GJB 150.3。雷達(dá)在環(huán)境溫度(30 ℃±5)℃、相對(duì)濕度95%±3%的恒定濕熱環(huán)境條件下應(yīng)能夠正常工作。試驗(yàn)方法參照GJB 150.9，采用恒溫恒濕試驗(yàn)方法，環(huán)境試驗(yàn)時(shí)間為48 h。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在進(jìn)行-50 ℃低溫24 h貯存試驗(yàn)和+70 ℃高溫48 h貯存試驗(yàn)后，行饋出現(xiàn)比較嚴(yán)重的鼓包現(xiàn)象。

經(jīng)分析，為了膠接后固定修型，便于包封，行饋使用了801膠作為填充材料，但801膠在+70 ℃高溫下會(huì)脫膠，高溫易揮發(fā)，同時(shí)用于支撐的填充材料密度較低，氣體含量大，高溫時(shí)氣體膨脹導(dǎo)致鼓包現(xiàn)象。

為盡量減少鼓包現(xiàn)象，在工藝和選材上應(yīng)嚴(yán)格控制。填充材料要選擇密度高、透波性能好的材料，使用前在大于+70 ℃的烘箱中預(yù)烘2 h，減少包封后高溫時(shí)氣體溢出；內(nèi)部涂膠改為耐候性能好的環(huán)氧膠，膠層應(yīng)均勻涂覆并加壓固化。

4.3 重新驗(yàn)證

選用密度高、透波性能好的填充材料，用2根行饋重新做高低溫篩選試驗(yàn)。篩選條件在原基礎(chǔ)上加強(qiáng)為每2 h一個(gè)循環(huán)(-40 ℃ ～ +50 ℃)，共10個(gè)循環(huán)，行饋無鼓包現(xiàn)象。

用3根行饋進(jìn)行-50 ℃低溫24 h貯存試驗(yàn)和+70 ℃高溫48 h貯存試驗(yàn)。試驗(yàn)后1根行饋表面出現(xiàn)輕微鼓包，鼓包高度約2 mm。

繼續(xù)對(duì)5根行饋進(jìn)行濕熱試驗(yàn)，試驗(yàn)后進(jìn)行充氣檢查，結(jié)果無漏氣現(xiàn)象，電性能無變化。

4.4 試驗(yàn)結(jié)論

在密閉條件非真空環(huán)境下，行饋內(nèi)部的氣體因溫差產(chǎn)生體積膨脹和收縮，鼓包現(xiàn)象不可避免。輕微的鼓包會(huì)在極端貯存溫度條件下發(fā)生，在自然環(huán)境中較少發(fā)生。高溫貯存后，外觀鼓包最高點(diǎn)<2.5 mm為可用，因此行饋通過耐候性試驗(yàn)。

5 結(jié)束語

根據(jù)耐振動(dòng)沖擊驗(yàn)證試驗(yàn)和耐候性驗(yàn)證試驗(yàn)，對(duì)行饋的安裝固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和材料選用進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后單根行饋的質(zhì)量為7.6 kg。經(jīng)環(huán)境試驗(yàn)驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)滿足車載環(huán)境要求。

輪式車載大跨度懸臂薄殼行饋利用型材的腔體設(shè)計(jì)方式，采用外包封罩的環(huán)境保護(hù)設(shè)計(jì)以及針對(duì)安裝方式的抗振設(shè)計(jì)最終實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)質(zhì)量≤8 kg，密封性能良好，抗振動(dòng)沖擊性及耐候性符合要求。經(jīng)過振動(dòng)沖擊和溫度試驗(yàn)驗(yàn)證，行饋滿足輪式車載要求。此輪式車載大跨度懸臂薄殼行饋設(shè)計(jì)能為類似的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)思路和試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)。

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