某艦載兩面陣雷達天線總體結(jié)構(gòu)設(shè)計*

陳松松，趙 文，石同武，侯振興，唐君豪，蔣志偉

（上海航天電子技術(shù)研究所，上海 201109）

引 言

艦載雷達是目前獲取海上綜合態(tài)勢和目標特性的重要武器裝備，是海上作戰(zhàn)的重要信息來源。隨著海上作戰(zhàn)環(huán)境、作戰(zhàn)模式和搜索目標特性變得越來越復(fù)雜，艦載雷達在海上艦載作戰(zhàn)體系中的作用日益增強，各國海軍也日益重視艦載雷達的技術(shù)研究和武器系統(tǒng)的能力提升[1]。

近年來，多面陣雷達天線技術(shù)及模塊化設(shè)計的發(fā)展，對雷達天線系統(tǒng)的一體化集成設(shè)計及雷達天線骨架的結(jié)構(gòu)設(shè)計、剛強度及系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)布局設(shè)計提出了越來越高的要求。因此，本文研制了一種新型兩面陣雷達天線系統(tǒng)。該天線系統(tǒng)具有集成度高、精度高和人機工程優(yōu)異的特點[2]。

1 總體布局設(shè)計

1.1 設(shè)計要求

設(shè)計的新型兩面陣雷達天線系統(tǒng)由天線陣面、控制與頻綜設(shè)備、骨架、工作平臺、頂蓋、門等附件組成。其中，兩天線陣面垂直布置，天線陣面和控制與頻綜設(shè)備均作為獨立整件完成了各項環(huán)境試驗。兩面陣雷達天線整體固定安裝于艦船的甲板平臺上，骨架為其主承力結(jié)構(gòu)及安裝結(jié)構(gòu)，同時天線陣面還需經(jīng)受住惡劣的海洋環(huán)境以保證整個雷達系統(tǒng)的平穩(wěn)運行，因此是整個結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)點[3]。另外，由于艦載雷達需要聯(lián)合艦上其他設(shè)備進行瞄星以完成天線陣面在艦船上的水平方位和高度角與艦船基準線的標定，因此本設(shè)計需要考慮頂蓋具有翻合的功能且方便人員操作相關(guān)儀器。具體設(shè)計要求如下：1）單個天線陣面尺寸為1 200 mm×825 mm×670 mm（長×寬×高）；2）單個天線陣面質(zhì)量為185 kg；3）兩面陣夾角為90°；4）兩面陣雷達尺寸不超過3 200 mm×2 000 mm×1 500 mm（長×寬×高）；5）兩面陣雷達質(zhì)量不超過1 200 kg；6）天線陣面基準面安裝水平度≤3′；7）在45 m/s風(fēng)速下正常工作，在60 m/s風(fēng)速下不會發(fā)生永久變形或遭到破壞（生存）；8）所有相關(guān)設(shè)備集成于兩面陣雷達天線內(nèi)，且內(nèi)部至少預(yù)留單人維護保養(yǎng)空間。

1.2 總體布局

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)布局應(yīng)根據(jù)總體給出的各邊界條件，自頂而下地進行系統(tǒng)設(shè)計。需要考慮的邊界條件主要包括系統(tǒng)組成、性能指標要求、外形包絡(luò)、剛強度要求、機動性、可靠性、設(shè)備安裝空間、維修性、運輸要求和工業(yè)造型等，這是決定系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)布局方案成敗的關(guān)鍵[4-5]。綜合各方面因素，某艦載兩面陣雷達天線組成如圖1所示。

圖1 兩面陣雷達天線組成

垂直兩面陣雷達天線對系統(tǒng)集成度和天線陣面安裝精度均有較高的要求，同時還要面臨惡劣的海洋環(huán)境，這給總體結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)。對此，在總體結(jié)構(gòu)布局中，運用一體化集成設(shè)計的理念，設(shè)計剛強度滿足需求的骨架可以保證兩天線陣面呈90°布置，并盡可能地利用空間使兩面陣雷達天線所有設(shè)備都可以按模塊安裝在骨架上。根據(jù)設(shè)計要求，本文提出了如圖2所示的垂直兩面陣雷達天線總體結(jié)構(gòu)布局。

圖2 兩面陣雷達天線總體結(jié)構(gòu)布局

2 關(guān)鍵技術(shù)及總體三維結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 關(guān)鍵技術(shù)

骨架作為兩面陣雷達天線的承力結(jié)構(gòu)件，既要保證兩面陣雷達天線系統(tǒng)各設(shè)備裝入后在海洋環(huán)境下的剛強度要求，又要保證天線陣面安裝后的精度要求。整個骨架采用鋼型材與鋼板焊接的結(jié)構(gòu)形式，骨架外由一體式蒙皮焊接包絡(luò)而成[6-7]。

骨架上設(shè)計的接口包括：1）左右對稱呈90°布置的與天線陣面的安裝接口。該安裝面應(yīng)保證平面度≤0.1 mm，粗糙度為3.2，水平度≤3′的精度要求。2）與上翻蓋連接的安裝接口。骨架上應(yīng)設(shè)計密封圈槽，保證上翻蓋與骨架之間的密封。3）與控制與頻綜設(shè)備及其余設(shè)備連接的安裝接口。4）與前后門等附件連接的安裝接口。5）與艦上甲板平臺相連接的安裝接口。該安裝面應(yīng)保證平面度≤0.1 mm，粗糙度為3.2的精度要求。

實現(xiàn)天線陣面安裝精度要求的途徑包括：1）靠設(shè)計、仿真及機械加工來保證；2）在天線陣面與骨架連接的安裝板上開設(shè)螺紋孔，運用起腳螺釘?shù)脑?，在安裝調(diào)試的過程中，通過調(diào)節(jié)螺釘使天線陣面與骨架之間形成一定縫隙，在縫隙中加塞調(diào)整墊片，以使天線陣面的基準面達到精度要求。

2.2 總體三維設(shè)計

根據(jù)圖2 所示的兩面陣雷達天線總體結(jié)構(gòu)布局進行模塊化三維設(shè)計，提出如圖3 所示的三維模型設(shè)計。該兩面陣雷達天線的總體尺寸為3 090 mm× 1 700 mm× 1 200 mm（長×寬×高），質(zhì)量不超過1 200 kg（含天線陣面及控制與頻綜設(shè)備等）。

圖3 兩面陣雷達天線總體三維示意圖

該兩面陣雷達天線總體結(jié)構(gòu)設(shè)計具有如下特點：1）將兩面陣雷達天線的各單元設(shè)備進行集成設(shè)計，布局緊湊，集成度高；2）骨架由鋼型材整體焊接而成，通過仿真分析，在保證剛強度要求的情況下（在海洋環(huán)境60 m/s風(fēng)速下不被破壞），滿足天線陣面的安裝精度要求；3）通過三維造型及工作狀態(tài)模擬分析，該設(shè)計在保證整體兩面陣雷達天線的外形包絡(luò)尺寸最小的情況下，使人員工作區(qū)最大化，預(yù)留了雙人的維護保養(yǎng)空間，高于指標提出的單人維護保養(yǎng)空間，以便調(diào)試、觀測及維修保養(yǎng)，人機工程優(yōu)異。

3 仿真分析及工程驗證

3.1 仿真分析

風(fēng)載荷是雷達天線工作時承受的主要負載之一（其中天線陣面作為獨立整件已完成了天線罩抗風(fēng)載荷的校核及各項環(huán)境試驗），它帶來的雷達天線骨架變形是影響雷達性能指標的重要因素。風(fēng)載荷數(shù)值F可通過以下公式求得[8]：

根據(jù)三維模型可得到兩面陣雷達天線的最大迎風(fēng)面積，代入公式（1），可以得到風(fēng)速為45 m/s和60 m/s時的最大風(fēng)載荷。除風(fēng)載荷外，還有天線陣面及內(nèi)部各設(shè)備的重力，采用有限元分析軟件NX對雷達天線骨架進行力學(xué)分析仿真。

仿真云圖如圖4所示。風(fēng)速為45 m/s時，最大的位移變形量為0.286 mm，最大的位移變形處位于天線陣面與骨架的安裝接觸面中心附近；風(fēng)速為60 m/s時，最大的位移變形量為0.435 mm，天線陣面與骨架的安裝接觸面中心附近的位移變形量為0.425 mm。根據(jù)天線陣面安裝基準面3′的水平度精度要求，在天線陣面與骨架的安裝接觸面中心附近位移最大處可允許的最大變形量為0.52 mm，因此根據(jù)仿真結(jié)果，兩面陣雷達天線骨架設(shè)計滿足安裝精度要求。

圖4 仿真云圖

風(fēng)速為45 m/s時，最大應(yīng)力為28.22 MPa，風(fēng)速為60 m/s 時，最大應(yīng)力為44.32 MPa。骨架由槽鋼整體焊接而成，槽鋼的材料為Q235，其彈性模量為210×109Pa，泊松比為0.33，密度為7 850 kg/m3,理論屈服極限為235 MPa，斷裂延伸率不小于26%。仿真結(jié)果表明，最大應(yīng)力不會超過材料的屈服極限。綜上所述，兩面陣雷達天線骨架風(fēng)載荷的力學(xué)仿真結(jié)果表明，該設(shè)計滿足安全使用要求。

3.2 工程驗證

為進行工程驗證，將組裝調(diào)試后的垂直兩面陣雷達天線安裝于某試驗艦上。該兩面陣雷達天線已在海洋環(huán)境下正常工作了2年，在使用過程中，每隔一段時間對天線陣面的基準面進行了水平度測量。對艦面設(shè)備而言，艦艏方向即為0°，艦艉方向即為180°，通過與艦艏艉線成一定夾角等分而成的8個方向（圖5）的水平度測試（測試日期依次為2019年1月、2019年7月和2020年1月），得到雷達天線基準面的水平度，結(jié)果見表1和表2。從表1和表2中的數(shù)據(jù)可知，兩個陣面的基準面上8個方向的水平度均滿足3′的精度要求。

表2 天線陣面2基準面水平度測量表

圖5 水平度測試方向

表1 天線陣面1基準面水平度測量表

4 結(jié)束語

本文結(jié)合某型艦載兩面陣雷達天線的設(shè)計要求，提出了一種垂直布置的兩面陣雷達天線，通過上面的設(shè)計仿真分析，可以得出以下結(jié)論：

1）多面陣雷達天線骨架可采用鋼型材與鋼板焊接的結(jié)構(gòu)形式，骨架外由一體式蒙皮焊接包絡(luò)而成。仿真分析結(jié)果及整機工程實施驗證表明，該結(jié)構(gòu)形式性能穩(wěn)定，精度可靠。后續(xù)研究可選用鋁材來減輕整體骨架的質(zhì)量。

2）本文在對骨架進行力學(xué)仿真分析計算時，作用在基座上的載荷主要考慮相對風(fēng)速為最大值（系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不被破壞所允許的最大相對風(fēng)速）時的風(fēng)載荷及系統(tǒng)的自重。后續(xù)研究要考慮多種工況下的組合載荷，并對其進行仿真分析計算。