某地面雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

郭向東

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，安徽 合肥230088）

隨著技術(shù)發(fā)展和當(dāng)代戰(zhàn)爭(zhēng)日益現(xiàn)代化和信息化，對(duì)先進(jìn)的地面高機(jī)動(dòng)雷達(dá)的需求也日趨增強(qiáng)。地面雷達(dá)系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)是在滿(mǎn)足雷達(dá)系統(tǒng)威力和精度的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出高集成、高可靠的結(jié)構(gòu)形式是結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)頂層考慮的關(guān)鍵點(diǎn)之一[1,2]。

本文根據(jù)總體設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，從頂層設(shè)計(jì)出發(fā)，在滿(mǎn)足系統(tǒng)運(yùn)輸要求、工作狀態(tài)穩(wěn)定性和剛強(qiáng)度要求等前提條件下，通過(guò)合理的布局和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，將天線(xiàn)系統(tǒng)集成在一個(gè)工作平臺(tái)上。具有集成度高、精度高、可靠性高等特點(diǎn)，可滿(mǎn)足實(shí)際需求。

1 雷達(dá)設(shè)計(jì)指標(biāo)及參數(shù)

1.1 陣面口徑：6.5m×2.5m；

1.2 運(yùn)動(dòng)范圍：方位≤-170°～+170°，

俯仰≤0°～90°；

1.3 調(diào)平精度：≤±6′；

1.4 抗風(fēng)能力：≤13.8m/s（保精度工作）,

≤25m/s（不破壞）；

1.5 架設(shè)時(shí)間：≤30min/4 人；

1.6 運(yùn)輸方式：可移動(dòng)，滿(mǎn)足公路運(yùn)輸。

2 結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

雷達(dá)整機(jī)由1 個(gè)天線(xiàn)系統(tǒng)單元、1 個(gè)電子方艙組成。天線(xiàn)系統(tǒng)單元是整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)的核心部分，其結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)除了滿(mǎn)足基本的電性能指標(biāo)外，還需要結(jié)合平臺(tái)選擇、運(yùn)輸兼容性、架設(shè)撤收時(shí)間、整機(jī)外形尺寸、重量和成本等重要指標(biāo)協(xié)同考慮，以其達(dá)到最優(yōu)的布局效果和用戶(hù)適用性。一般來(lái)說(shuō)，天線(xiàn)系統(tǒng)單元總體布置原則為：

2.1 天線(xiàn)下邊緣離地面盡可能高，以減少地物遮擋，且自身其他設(shè)備對(duì)其無(wú)遮擋；

2.2 天線(xiàn)處工作狀態(tài)時(shí)，其重心應(yīng)盡可能靠近轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)中心；

2.3 設(shè)備位置應(yīng)保證操作方便和維修可達(dá)性，系統(tǒng)集成度盡可能高，整體布局美觀協(xié)調(diào)；

2.4 整機(jī)的運(yùn)輸尺寸應(yīng)符合GJB2948-97《運(yùn)輸裝載尺寸與重量限制》規(guī)定的基本尺寸要求，以滿(mǎn)足研制總要求提出的公路、鐵路、空運(yùn)和海運(yùn)等多種運(yùn)輸方式。

圖1 結(jié)構(gòu)總體布局圖

根據(jù)以上布局原則，該雷達(dá)天線(xiàn)系統(tǒng)單元主要設(shè)備布局如圖1 所示。該雷達(dá)天線(xiàn)系統(tǒng)單元主要由天線(xiàn)陣面、轉(zhuǎn)臺(tái)、工作平臺(tái)、液冷機(jī)組和控制柜等組成，為提高系統(tǒng)集成性，將液冷機(jī)組集成在工作平臺(tái)上，平臺(tái)上還安裝有轉(zhuǎn)臺(tái)、伺服控制柜、和配電等設(shè)備。天線(xiàn)陣面為平面陣列天線(xiàn)，采用結(jié)構(gòu)功能一體化及高密度電子設(shè)備集成設(shè)計(jì)，將電子處理設(shè)備、液冷管路集成安裝在天線(xiàn)骨架內(nèi)。從成本和用戶(hù)使用情況考慮，運(yùn)輸平臺(tái)使用非車(chē)載式工作平臺(tái)，是由高強(qiáng)度鋼板折彎拼焊而成的結(jié)構(gòu)件，具有足夠的剛強(qiáng)度，采用四個(gè)手動(dòng)撐腿實(shí)現(xiàn)6′的調(diào)平要求，平臺(tái)運(yùn)輸固定接口采用6 米標(biāo)準(zhǔn)方艙式接口，可使用6 米方艙運(yùn)輸平板車(chē)實(shí)現(xiàn)通用化運(yùn)輸；天線(xiàn)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為“方位轉(zhuǎn)臺(tái)+俯仰機(jī)構(gòu)”型式，這種結(jié)構(gòu)形式結(jié)構(gòu)緊湊，承載能力大，調(diào)整測(cè)量方便。

3 轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)

3.1 轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)組成

如圖2 所示，轉(zhuǎn)臺(tái)主要由轉(zhuǎn)盤(pán)、底座、回轉(zhuǎn)支承、驅(qū)動(dòng)裝置、角度反饋單元和拖鏈系統(tǒng)等設(shè)備組成[3,4]。其中，底座與平臺(tái)固定，轉(zhuǎn)盤(pán)上有天線(xiàn)骨架和俯仰機(jī)構(gòu)的鉸接孔，轉(zhuǎn)盤(pán)和底座是采用黑色金屬焊接而成的密封腔體，以保證其整體強(qiáng)度和剛性。

3.2 方位驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)

方位軸系驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用交流伺服電機(jī)，直交軸型齒輪減速箱，經(jīng)小齒輪嚙合回轉(zhuǎn)支承外齒，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)，并通過(guò)在轉(zhuǎn)盤(pán)和底座上設(shè)置機(jī)械限位塊，實(shí)現(xiàn)方位-170°～+170°的轉(zhuǎn)動(dòng)要求?；剞D(zhuǎn)支承結(jié)合了齒輪和軸承的功能，起到了承上啟下的作用，采用40CrMo 材料，其內(nèi)圈與底座固連，外圈與轉(zhuǎn)盤(pán)固連，連接均采用10.9 級(jí)高強(qiáng)度螺栓?；剞D(zhuǎn)支撐的密封采用V 型旋轉(zhuǎn)密封圈，其安裝在回轉(zhuǎn)支撐外罩上，轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)其配合的旋轉(zhuǎn)面進(jìn)行軸向密封。

圖2 轉(zhuǎn)臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

3.3 角度反饋單元

角度反饋單元采用高精度絕對(duì)值旋轉(zhuǎn)編碼器，同軸安裝于轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)，其中，轉(zhuǎn)軸通過(guò)彈性聯(lián)軸節(jié)與轉(zhuǎn)盤(pán)相連，本體通過(guò)過(guò)渡件安裝在底座上，這種編碼器安裝方式具有占用空間小、維修方便、可靠性高及測(cè)量精度高等特點(diǎn)。

3.4 拖鏈轉(zhuǎn)繞系統(tǒng)

本系統(tǒng)中，天線(xiàn)陣面的方位轉(zhuǎn)動(dòng)不是整周轉(zhuǎn)動(dòng)，采用傳統(tǒng)的匯流環(huán)不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且成本較高，綜合考慮，可采用簡(jiǎn)單經(jīng)濟(jì)的三維拖鏈系統(tǒng)用于線(xiàn)纜轉(zhuǎn)繞。

TRL 系列拖鏈?zhǔn)且环N輕量且經(jīng)濟(jì)的三維拖鏈。其特點(diǎn)是具有高度的靈活性，可實(shí)現(xiàn)多軸轉(zhuǎn)動(dòng)，能夠保證內(nèi)部電纜實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的軌跡運(yùn)動(dòng)。此外，拖鏈截面為兩個(gè)分隔的內(nèi)腔，可將不同類(lèi)型的電纜進(jìn)行分隔。拖鏈的開(kāi)放式缺口設(shè)計(jì)便于裝填電纜。本系統(tǒng)選用的拖鏈型號(hào)為T(mén)RL100，彎曲半徑145 毫米，每個(gè)分隔可容納最大電纜直徑為35.5 毫米，可以很好地兼容轉(zhuǎn)臺(tái)走線(xiàn)空間和走線(xiàn)數(shù)量(圖3)。

圖3 TRL 系列三維拖鏈

4 俯仰機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

俯仰機(jī)構(gòu)采取兩套T 形絲桿機(jī)構(gòu)，T 形絲桿具有較好的機(jī)械自鎖性能，電機(jī)、減速機(jī)驅(qū)動(dòng)絲桿副實(shí)現(xiàn)絲桿運(yùn)動(dòng)，俯仰機(jī)構(gòu)的齒輪箱上安裝有高精度絕對(duì)值編碼器，伺服系統(tǒng)通過(guò)采集編碼器信息，計(jì)算出絲桿運(yùn)動(dòng)距離，實(shí)現(xiàn)兩套俯仰機(jī)構(gòu)的閉環(huán)同步控制。通過(guò)控制T 形絲桿伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)天線(xiàn)俯仰功能，可滿(mǎn)足0°～90°范圍內(nèi)任意角度的定位和機(jī)械鎖定要求。

天線(xiàn)運(yùn)輸狀態(tài)與工作狀態(tài)如圖4 所示，通過(guò)合理布局天線(xiàn)骨架和俯仰機(jī)構(gòu)的鉸接點(diǎn)位置，整體輪廓滿(mǎn)足2.5 米的公路運(yùn)輸寬度。

圖4 天線(xiàn)運(yùn)輸狀態(tài)與工作狀態(tài)

5 力學(xué)分析

底座、轉(zhuǎn)盤(pán)和天線(xiàn)骨架支撐著天線(xiàn)重量和環(huán)境引起的風(fēng)載荷，力學(xué)分析的主要目的是校核其結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求，以及在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。主要承力件采用Q355D，屈服強(qiáng)度355 MPa，力學(xué)仿真結(jié)果如圖5 所示。通過(guò)仿真結(jié)果可以看出，天線(xiàn)在自重+25m/s 風(fēng)速工況下，應(yīng)力較大處出現(xiàn)在回轉(zhuǎn)支承安裝面和骨架主縱梁附近，最大應(yīng)力116.2MPa，安全系數(shù)3，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。

圖5 力學(xué)分析結(jié)果

結(jié)束語(yǔ)

本文從總體布局設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)臺(tái)內(nèi)部走線(xiàn)設(shè)計(jì)和俯仰機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及力學(xué)分析等方面對(duì)某地面雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)闡述，通過(guò)合理的布局和系統(tǒng)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出高集成、高強(qiáng)度、高可靠性的雷達(dá)結(jié)構(gòu)。該雷達(dá)實(shí)際使用效果良好，實(shí)現(xiàn)了整機(jī)各項(xiàng)指標(biāo)要求，為后續(xù)類(lèi)似雷達(dá)結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供借鑒，并具有一定的參考意義。