大口徑米波雷達(dá)高機(jī)動(dòng)技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)

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(中國電子科技集團(tuán)公司第38研究所，安徽 合肥 230088)

0 引言

處于戰(zhàn)爭最前沿的目標(biāo)指示雷達(dá)，為了捕捉遠(yuǎn)距離空中移動(dòng)目標(biāo)，特別是高速飛行的隱身目標(biāo)，為后方的武器系統(tǒng)提供盡可能多的預(yù)警時(shí)間，在不增加雷達(dá)功率的前提下要求雷達(dá)的天線口徑盡可能大。同時(shí)，目標(biāo)指示雷達(dá)為了提高自己的戰(zhàn)場(chǎng)生存能力，必須具有很高的機(jī)動(dòng)性[1]。雷達(dá)的機(jī)動(dòng)性能是雷達(dá)在戰(zhàn)場(chǎng)上生存能力的關(guān)鍵，而雷達(dá)機(jī)動(dòng)性能的高低主要取決于雷達(dá)的工作狀態(tài)與運(yùn)輸狀態(tài)的轉(zhuǎn)換時(shí)間和雷達(dá)運(yùn)輸狀態(tài)的適應(yīng)性。一般來說，雷達(dá)的天線口徑與其機(jī)動(dòng)性是一對(duì)矛盾體，大口徑必定帶來機(jī)動(dòng)性的下降。在此，采用一種新穎的天線折疊方式成功解決了大口徑雷達(dá)機(jī)動(dòng)性差的難題，成功實(shí)現(xiàn)大口徑雷達(dá)高機(jī)動(dòng)性。

1 主要技術(shù)指標(biāo)

系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)需求如下:天線陣面口徑為寬×高=15 m×13 m；天線陣面精度，均方根誤差≤15 mm，最大變形≤100 mm工作狀態(tài)與運(yùn)輸狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間≤23 min/6人；抗風(fēng)能力方面要求在風(fēng)速20 m/s以下正常工作，風(fēng)速30 m/s不破壞；實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸方式為公路、鐵路和空運(yùn)。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)方案

為實(shí)現(xiàn)技術(shù)指標(biāo)，系統(tǒng)不能采用成熟的大陣面折疊技術(shù)[2]來折疊天線，而是采用一種全新的垂直伸縮機(jī)構(gòu)[3]來實(shí)現(xiàn)天線的展開與收攏。同時(shí)為再降低天線運(yùn)輸高度，再把縮回后的天線倒伏至水平狀態(tài)。天線陣面由天線背架、21行線源、2根俯仰液壓缸和2根支撐臂組成，天線陣面通過1對(duì)銷軸與天線座連接，如圖1所示。采用俯仰液壓缸來實(shí)現(xiàn)整個(gè)天線的俯仰。21行線源通過滑動(dòng)導(dǎo)軌與天線背架連接，當(dāng)天線背架伸縮時(shí)，背架帶動(dòng)21行線源進(jìn)行拉開或收攏，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)天線陣面在高度方向的伸或縮。

圖1 天線陣面展開

系統(tǒng)架設(shè)時(shí)，天線首先在2個(gè)俯仰液壓缸的驅(qū)動(dòng)下仰起到工作角度，如圖2所示。然后嵌套于天線背架第1節(jié)內(nèi)部的6節(jié)塔在2組液壓缸的驅(qū)動(dòng)下通過鋼絲繩/鏈機(jī)構(gòu)[3]來實(shí)現(xiàn)10 m長的全行程的伸出。在天線背架伸出的同時(shí)，天線陣面的線源及反射網(wǎng)也同步展開，當(dāng)天線背架伸出到位時(shí)，天線陣面也展開到位。在天線仰起及天線背架伸出的同時(shí)，天線陣面的支撐臂同步展開，當(dāng)天線背架的第3塔伸出到位時(shí)，天線陣面的支撐臂展開到位并鎖定，自此天線完成展開并鎖定，天線完成由運(yùn)輸狀態(tài)到工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

圖2 天線陣面收攏

系統(tǒng)收裝時(shí)，天線背架上的液壓缸2驅(qū)動(dòng)第4節(jié)塔收回，在鋼絲繩/鏈機(jī)構(gòu)的作用下帶動(dòng)第5～第7節(jié)塔同步收回。第4～第7節(jié)塔收回時(shí)同步帶動(dòng)第1～第14行線源收回，并同步折疊線源之間的反射網(wǎng)。當(dāng)液壓缸2收回到位時(shí)，第4節(jié)塔也把支撐臂壓彎過死點(diǎn)，為液壓缸1的收回創(chuàng)造了條件。當(dāng)液壓缸1收回時(shí)，在鋼絲繩/鏈機(jī)構(gòu)的作用下帶動(dòng)第2～第3節(jié)塔同步收回，第2～第3節(jié)塔收回時(shí)同步帶動(dòng)第15～第21行線源收回，并同步折疊線源之間的反射網(wǎng)。當(dāng)液壓缸1收回到位時(shí)，整個(gè)天線陣面完全收回到位，為天線俯下創(chuàng)造了條件。在俯仰液壓缸的驅(qū)動(dòng)下整個(gè)天線陣面俯下70°至水平運(yùn)輸狀態(tài)，天線完成由工作狀態(tài)向運(yùn)輸狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

要實(shí)現(xiàn)天線口徑15 m×13 m的米波雷達(dá)的快速架設(shè)及收裝，本系統(tǒng)解決以下幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)[4]：

a.天線展收。為把展開高度達(dá)13 m的天線陣面收攏到高度僅3 m，需要采用伸縮式天線背架和天線線源來實(shí)現(xiàn)天線陣面的展收，同時(shí)天線陣面的反射網(wǎng)也需要同步展收。

b.天線俯仰。完成了天線陣面高壓縮比收攏后，還必須把天線倒伏至水平狀態(tài)使天線陣面平躺于天線座上，達(dá)到最大限度降低運(yùn)輸高度的目的。

c.天線鎖定。為保證天線展開后正常工作，天線俯仰、展開到位后需要自動(dòng)定位和自動(dòng)鎖定。

d.同步控制。為保證天線俯仰、展收動(dòng)作正?？煽?，需要天線俯仰、展收驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的實(shí)時(shí)同步。

2.2.1 天線展收

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)快速架設(shè)與收裝，就不能使用起重機(jī)等特殊設(shè)備，必須采用全自動(dòng)化架設(shè)及收裝。經(jīng)過充分論證，系統(tǒng)采用天線陣面在高度方向可以壓縮的天線展收方案。天線陣面完全展開時(shí)達(dá)到工作高度13 m，完全收攏時(shí)高度只有3 m。運(yùn)輸時(shí)再把天線放平就能使系統(tǒng)在運(yùn)輸狀態(tài)不超高。為便于實(shí)現(xiàn)天線陣面的展收，系統(tǒng)把天線陣面分成天線背架、天線線源和天線反射網(wǎng)3大部分。

天線背架是整個(gè)天線陣面主要支撐部分，上連接天線線源，下與天線座連接，是整個(gè)天線陣面實(shí)現(xiàn)自動(dòng)展開與收攏的關(guān)鍵部分。天線背架由7節(jié)塔組成，第1塔與天線座鉸接，其余采用層層嵌套結(jié)構(gòu)方式，如圖3所示。在第1、第2塔及第3、第4塔之間左右側(cè)各用1對(duì)液壓缸作為驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其余塔之間采用滑輪及鋼絲繩/鏈機(jī)構(gòu)連接。當(dāng)?shù)?、第2塔之間的液壓缸1動(dòng)作時(shí)，第2、第3塔在液壓缸及鋼絲繩/鏈機(jī)構(gòu)作用下同步動(dòng)作，第3塔同時(shí)帶動(dòng)第4至第7塔動(dòng)作，但第5至第7塔相對(duì)于第4塔不動(dòng)。當(dāng)?shù)?、第4塔之間的液壓缸2動(dòng)作時(shí)，其驅(qū)動(dòng)第4塔動(dòng)作。在鋼絲繩/鏈機(jī)構(gòu)作用下，第5至第7塔也同步動(dòng)作。從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)天線背架的同步動(dòng)作。

圖3 天線背架結(jié)構(gòu)

天線線源是用于安裝天線陣面電子設(shè)備、天線振子和輻射棒等，天線線源通過天線背架上的組合導(dǎo)軌的滑塊與天線背架連接起來。天線線源之間的間距通過固定與天線線源背面的連接機(jī)構(gòu)來保證。天線線源的外形尺寸為(長×寬×高)15 m×0.3 m×0.12 m。

當(dāng)天線陣面完全展開后，每相鄰兩行線源之間有480 mm的鏤空，這會(huì)對(duì)雷達(dá)電性能產(chǎn)生很大的負(fù)面作用，為此需要設(shè)計(jì)天線反射網(wǎng)來填補(bǔ)此空間。天線反射網(wǎng)位于每2根相鄰線源之間，通過鉸鏈與相應(yīng)線源連接。當(dāng)天線陣面展開后反射網(wǎng)與線源的正面平齊,如圖4所示。當(dāng)天線陣面收攏后反射網(wǎng)向前折疊位于天線振子之間。

圖4 天線反射網(wǎng)展開狀態(tài)

2.2.2 天線俯仰

天線陣面通過鉸接方式與天線座相連接。由于天線陣面收攏高度為3 m，大于天線陣面的厚度2 m，為此系統(tǒng)采用雙液壓缸來實(shí)現(xiàn)整個(gè)天線陣面的俯仰。雙液壓缸布置于天線背架兩側(cè)，液壓缸無桿腔端與天線座通過鉸鏈連接，液壓缸有桿腔端與天線背架第1塔通過鉸鏈連接。當(dāng)液壓缸伸出時(shí)，天線陣面仰起；當(dāng)液壓缸伸出行程走完時(shí)，天線仰起到位。當(dāng)液壓缸收回時(shí)，天線陣面俯下；當(dāng)液壓缸收回行程走完時(shí)，天線俯下到位。此時(shí)，天線陣面處于水平狀態(tài)。

2.2.3 天線鎖定

天線陣面展收和天線俯仰都采用液壓缸來實(shí)現(xiàn)的。對(duì)于液壓缸來說，因其自身固有特性不能長時(shí)間保證天線陣面尺寸和天線仰角不變，為此需要對(duì)天線陣面展開到位后和天線仰起到位進(jìn)行可靠有效的鎖定，不但可以保證天線工作狀態(tài)的機(jī)械特性不變，也能讓液壓缸免于長時(shí)間處于受力狀態(tài)。

a.天線背架伸出到位鎖定。對(duì)于天線背架展開到位，系統(tǒng)在天線背架每組液壓缸驅(qū)動(dòng)塔相應(yīng)設(shè)有電動(dòng)插銷缸。當(dāng)?shù)?、第2塔液壓缸伸出到位后，位于第1塔上電動(dòng)插銷缸伸出鎖定第2塔。當(dāng)?shù)?、第4塔液壓缸伸出到位后，位于第3塔上電動(dòng)缸伸出鎖定第4塔。其余塔在鋼絲繩/鏈機(jī)構(gòu)的作用下不會(huì)下移，從而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)天線背架的鎖定。

b.天線背架仰起到位鎖定。在天線背架兩側(cè)設(shè)有天線陣面仰角支撐臂。天線仰角支撐臂下端通過鉸接與天線座連接，上端通過鉸接與第3塔連接。當(dāng)天線背架仰起到位且第3塔伸出到位時(shí)，天線仰角支撐臂也隨動(dòng)同步伸直并過死點(diǎn)，與天線座、天線背架共同形成一個(gè)穩(wěn)定的三角形結(jié)構(gòu)，從而保證了天線陣面仰角的穩(wěn)定不變。

2.2.4 同步控制

在天線進(jìn)行俯仰、伸縮過程中，系統(tǒng)都采用的雙液壓缸驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)采用雙套驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以保證在對(duì)天線進(jìn)行俯仰、伸縮的時(shí)候受力左右對(duì)稱，并且可以保證當(dāng)一個(gè)液壓缸出故障時(shí)確保天線陣面不會(huì)發(fā)生跌落。但是采用雙液壓缸驅(qū)動(dòng)必然帶來雙缸同步和一個(gè)液壓缸出故障時(shí)另一個(gè)液壓缸對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)帶來的破壞問題，因此液壓系統(tǒng)的同步控制[5]十分關(guān)鍵。對(duì)于兩液壓缸的同步，實(shí)際就是兩液壓缸活塞桿伸出或收回速度的同步問題，也就是兩液壓缸的進(jìn)出液壓油容積相等問題。由于天線背架是嵌套結(jié)構(gòu)，每相鄰兩節(jié)塔之間只有相對(duì)滑動(dòng)，采用鋼絲繩/鏈機(jī)構(gòu)連接并無剛性連接，故天線背架的兩組驅(qū)動(dòng)液壓缸的同步性完全靠液壓缸的同步來保證，并且同步性要求很高，全行程兩液壓缸的同步誤差≤5 mm。當(dāng)天線背架處于完全收回狀態(tài)時(shí)有足夠剛性并與天線座鉸接，可以抵抗適當(dāng)?shù)牟黄胶馔饬?。為此本液壓控制系統(tǒng)中采用了2種同步控制措施：第一種是對(duì)于天線背架伸/縮同步控制，采用拉線位移傳感器、比例閥和MD2控制器構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，全行程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并調(diào)整兩液壓缸的絕對(duì)長度，使兩液壓缸的絕對(duì)長度的實(shí)時(shí)誤差≤5 mm，一旦兩液壓缸的絕對(duì)長度誤差大于5 mm，系統(tǒng)自動(dòng)停機(jī)以保護(hù)天線設(shè)備不受到損害；第二種是對(duì)天線俯/仰同步控制，在天線俯仰液壓缸的液壓回路中加入了高精度容積式的液壓同步馬達(dá)，利用同步馬達(dá)實(shí)時(shí)同流量地給2個(gè)液壓缸供液壓油，同步馬達(dá)分出的流量誤差≤1%，從而使2個(gè)俯仰液壓缸的同步精度能達(dá)到1%，完全滿足系統(tǒng)要求。

2.3 液壓系統(tǒng)

天線伸/縮和俯/仰采用液壓系統(tǒng)[6]來控制。為保證系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)，采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)液壓泵作液壓系統(tǒng)的動(dòng)力源。伺服電機(jī)可以根據(jù)天線仰起或俯下、伸出或收回時(shí)需要調(diào)速進(jìn)行調(diào)速，保證天線在整個(gè)動(dòng)作過程中既無沖擊又無顫抖。在液壓系統(tǒng)中采用了換向閥、流量調(diào)節(jié)閥、溢流閥、同步馬達(dá)、平衡閥、比例閥、拉線位移傳感器、MD2控制器和壓力表等器件。換向閥用于控制液壓缸輸出軸的伸出與收回，從而控制天線陣面的仰起與俯下、伸出與收回。流量調(diào)節(jié)閥用于調(diào)整液壓缸運(yùn)動(dòng)速度。溢流閥用于控制整個(gè)系統(tǒng)的壓力。同步馬達(dá)用于保證平衡重力和風(fēng)載，保證俯仰液壓缸同步運(yùn)行，保證液壓缸運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)可靠。平衡閥用于防止當(dāng)系統(tǒng)管路突然爆裂時(shí)天線上陣面不發(fā)生跌落失效。比例閥用于實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)天線背架上的每組液壓缸流量，保證每組液壓缸的同步誤差不大于規(guī)定值。拉線位移傳感器用實(shí)時(shí)檢測(cè)天線背架上的每組液壓缸的絕對(duì)長度，并把長度信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳給MD2控制器。MD2控制器接收拉線位移傳感器實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)每個(gè)比例閥的開度，用以控制每組液壓缸的伸/縮速度，達(dá)到實(shí)時(shí)控制液壓缸長度的目的。壓力表用于檢測(cè)管路油壓。

2.4 伺服系統(tǒng)

伺服系統(tǒng)[7]采用PLC控制器[8]作為控制核心，所有控制指令都有PLC控制器發(fā)出，所有傳感器信號(hào)都反饋到PLC控制器。PLC控制器包含I/Q開關(guān)量模塊和AI/AQ模擬量模塊。I/Q開關(guān)量模塊中I口用于接收各種位置傳感器反饋回來的開關(guān)量信息，Q口用于輸出控制液壓控制系統(tǒng)中各換向閥的交流接觸器的閉合與斷開。AI/AQ模擬量模塊用于控制液壓控制系統(tǒng)中伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)采用了全數(shù)字式交流伺服電機(jī)系統(tǒng)，與PLC控制器接口兼容。伺服控制系統(tǒng)中天線仰起、天線俯下、天線伸出、天線收攏、插銷鎖定和插銷解鎖6個(gè)指令來自動(dòng)伺服控制系統(tǒng)的操作面板上的操作按鍵。伺服控制系統(tǒng)一旦接收到某個(gè)動(dòng)作指令，其在判斷條件滿足的情況下立即執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，但只要有任意一個(gè)條件不滿足，伺服控制系統(tǒng)都就不執(zhí)行任何動(dòng)作。伺服控制系統(tǒng)時(shí)刻監(jiān)測(cè)各動(dòng)作到位傳感器的狀態(tài)信息，當(dāng)伺服控制系統(tǒng)一旦收到某個(gè)動(dòng)作到位傳感器傳回的到位信息，將立即對(duì)相關(guān)動(dòng)作發(fā)出停止指令。

3 天線剛強(qiáng)度

天線進(jìn)行剛強(qiáng)度分析時(shí)以天線作為分析對(duì)象，分析狀態(tài)為天線工作狀態(tài)，天線的負(fù)載包括自重和風(fēng)載荷，約束關(guān)系與天線工作狀態(tài)的機(jī)械約束同。采用HyperWorks進(jìn)行建模[9]，采用Abaqus作為求解器進(jìn)行有限元分析，分析時(shí)天線支耳以及相關(guān)連接件等厚材料處采用solid單元(實(shí)體單元)，其余薄壁材料部分為shell單元(殼單元)。分析天線在20 m/s風(fēng)速并以6 r/min轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的剛度和30 m/s風(fēng)速不轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的強(qiáng)度。天線剛度、強(qiáng)度分析結(jié)果分別見圖5和圖6所示。分析結(jié)果表明，天線的剛度和強(qiáng)度滿足指標(biāo)要求。

圖5 天線剛度(εmax=73 mm)

圖6 天線強(qiáng)度(σmax=180 MPa)

4 天線面精度

為驗(yàn)證天線剛強(qiáng)度分析的真實(shí)性及偏差，對(duì)天線工作狀態(tài)時(shí)的面精度進(jìn)行了實(shí)測(cè)。天線上共有504個(gè)天線陣子，分成21行24列，形成一個(gè)完整的天線面。測(cè)試時(shí)在水平方向等間距選擇9個(gè)天線陣子，垂直方向等間距選擇21個(gè)天線陣子，共計(jì)測(cè)試189個(gè)天線陣子相對(duì)于基準(zhǔn)平面的誤差值，測(cè)試結(jié)果如圖7所示。測(cè)試結(jié)果表明，天線實(shí)際面精度均方根值為12.2 mm，小于指標(biāo)要求值15 mm；最大變形量為77.7 mm，小于指標(biāo)要求值100 mm。測(cè)試結(jié)果表明，天線具有較高的面精度、較小的相對(duì)變形，完全滿足指標(biāo)要求。測(cè)試結(jié)果也驗(yàn)證了天線剛強(qiáng)度分析的正確性。

圖7 天線陣子相對(duì)于基準(zhǔn)平面誤差曲線

5 結(jié)束語

針對(duì)大口徑米波雷達(dá)在不需要借助外部起重設(shè)備的情況下實(shí)現(xiàn)快速架設(shè)、撤收和滿足公路、鐵路、海運(yùn)和空運(yùn)多種運(yùn)輸方式兼容性研究，根據(jù)米波雷達(dá)對(duì)天線陣面面精度、剛度和天線陣子單元位置精度要求不高等特點(diǎn)，采用垂直伸縮式天線技術(shù)、天線展開隨動(dòng)鎖定技術(shù)和液壓閉環(huán)同步控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了大口徑米波雷達(dá)天線工作狀態(tài)和運(yùn)輸狀態(tài)之間的相互快速轉(zhuǎn)換。經(jīng)實(shí)際檢驗(yàn)證明，該種天線在工作狀態(tài)的面精度和剛度滿足要求，運(yùn)輸時(shí)滿足雷達(dá)公路、鐵路、海運(yùn)和空運(yùn)多種運(yùn)輸方式要求。垂直伸縮式天線結(jié)構(gòu)形式可以應(yīng)用到高機(jī)動(dòng)性大口徑米波雷達(dá)的設(shè)計(jì)中，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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