某型主動(dòng)雷達(dá)導(dǎo)引頭艙發(fā)射機(jī)典型故障分析

郭曉華 吳伊蒙 秦燕鴿

摘要：某型主動(dòng)雷達(dá)空空導(dǎo)彈為第四代空空導(dǎo)彈，發(fā)射機(jī)是該型導(dǎo)彈導(dǎo)引頭艙的重要組成部分。據(jù)統(tǒng)計(jì)，發(fā)射機(jī)為導(dǎo)引頭艙故障率最高的分組件，制約著該型導(dǎo)彈的修理進(jìn)度及周期。通過對(duì)該型導(dǎo)彈導(dǎo)引頭艙的修理，總結(jié)了與發(fā)射機(jī)相關(guān)的典型故障情況，本文從發(fā)射機(jī)工作原理出發(fā)，對(duì)故障原因進(jìn)行分析歸納，進(jìn)一步提出相應(yīng)故障的排除思路，為該型發(fā)射機(jī)或類似型號(hào)發(fā)射機(jī)的修理提供參考。

關(guān)鍵詞：導(dǎo)引頭；發(fā)射機(jī)；速調(diào)管

Keywords：seeker；transmitter；klystron

0 引言

某型發(fā)射機(jī)是某型主動(dòng)雷達(dá)空空導(dǎo)彈導(dǎo)引頭艙的重要組成部分，作用是產(chǎn)生微波探測(cè)信號(hào)、本振信號(hào)以及用于導(dǎo)引頭自檢和參數(shù)自調(diào)整的檢測(cè)信號(hào)等，并對(duì)發(fā)射的微波探測(cè)信號(hào)進(jìn)行功率放大，通過天線向空間輻射，其性能直接影響雷達(dá)導(dǎo)引系統(tǒng)的作用距離及目標(biāo)探測(cè)性能。該型發(fā)射機(jī)為主振放大式，采用小型速調(diào)管功率放大器，具有工作頻率寬、輸出功率大、頻譜純度高、效率高、體積小的特點(diǎn)[1，2]，但電路相對(duì)復(fù)雜。

1 發(fā)射機(jī)組成及工作原理

1.1 發(fā)射機(jī)組成

該型發(fā)射機(jī)由發(fā)射模塊、高壓電源、中頻放大器、控制信號(hào)形成器等組成，如圖1所示。各組成功能如下：

1）發(fā)射模塊。由主振源和速調(diào)管組成，產(chǎn)生射頻信號(hào)。主振源產(chǎn)生射頻振蕩信號(hào)，送到速調(diào)管輸入端作為激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行放大，同時(shí)產(chǎn)生同一振蕩源的本振信號(hào)送到接收機(jī)。

2）高壓電源。由7塊電路板組成，形成速調(diào)管工作所需高壓。

3）中頻放大器。形成供主振源使用的中頻信號(hào)。

4）控制信號(hào)形成器。產(chǎn)生高壓電源中所有變換器的控制信號(hào)，形成點(diǎn)頻代碼。

5）領(lǐng)航信號(hào)形成器。產(chǎn)生領(lǐng)航信號(hào)、測(cè)試信號(hào)。

6）穩(wěn)壓器1和穩(wěn)壓器2。產(chǎn)生發(fā)射機(jī)內(nèi)部分部件工作所需的低壓電源。

7）波導(dǎo)傳輸檢波裝置。對(duì)輸出的射頻探測(cè)信號(hào)進(jìn)行二極管檢波。

8）波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換裝置。將速調(diào)管輸出的探測(cè)信號(hào)傳輸?shù)教炀€環(huán)形器。

1.2 高壓電源工作原理

高壓電源內(nèi)部7塊電路板按功能可分為前置調(diào)制器、穩(wěn)壓器、濾波器、轉(zhuǎn)換裝置1、轉(zhuǎn)換裝置2、整流器1、整流器2，產(chǎn)生速調(diào)管工作需要的燈絲電壓、陰極高壓、柵極高壓及正偏電壓、負(fù)偏電壓。高壓電源工作原理框圖如圖2所示，當(dāng)正偏電壓連至速調(diào)管柵極時(shí)，速調(diào)管導(dǎo)通，形成探測(cè)信號(hào)；負(fù)偏電壓連至速調(diào)管柵極時(shí)，速調(diào)管關(guān)斷。

2 發(fā)射機(jī)的常見故障

導(dǎo)引頭艙發(fā)射機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、組件繁多，故障率高。當(dāng)導(dǎo)引頭艙發(fā)射機(jī)發(fā)生故障時(shí)，導(dǎo)引頭艙整機(jī)測(cè)試時(shí)通常表現(xiàn)為“發(fā)射機(jī)有效輻射功率”不合格、“發(fā)射機(jī)功率指示電平”不合格、“+57V（未開發(fā)射機(jī)）電壓”不合格。下面將針對(duì)這些故障現(xiàn)象，對(duì)發(fā)射機(jī)的故障類型、故障原理及排故措施進(jìn)行分析。

2.1 “發(fā)射機(jī)有效輻射功率”測(cè)試故障

1）故障現(xiàn)象

導(dǎo)引頭艙或發(fā)射機(jī)測(cè)試時(shí)，“發(fā)射機(jī)有效輻射功率”不合格。

2）故障分析

導(dǎo)引頭加高壓時(shí)，發(fā)射機(jī)速調(diào)管產(chǎn)生的微波能量經(jīng)波導(dǎo)傳輸檢波裝置、環(huán)行器和主動(dòng)通道天線輻射出去。發(fā)射機(jī)速調(diào)管有陰極、柵極、燈絲、收集極4個(gè)電壓端，當(dāng)速調(diào)管加上燈絲電壓后，燈絲預(yù)熱，照亮陰極，陰極上的能量積累到一定程度時(shí)釋放電子。當(dāng)柵極加正偏壓時(shí)，陰極釋放的電子在外圍磁場(chǎng)的約束下以電子注的形式向前運(yùn)動(dòng)，穿過柵極的網(wǎng)格進(jìn)入速調(diào)管的諧振腔內(nèi)，與輸入的微波信號(hào)進(jìn)行諧振和碰撞，從而達(dá)到能量交換的目的。經(jīng)過多個(gè)諧振腔后，在輸出腔間隙實(shí)現(xiàn)高頻信號(hào)放大。經(jīng)過高頻互作用的電子注在收集極區(qū)發(fā)散，打到收集極表面，將剩余動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能，通過冷卻媒介帶走[3]。當(dāng)柵極負(fù)偏壓到來時(shí)，電子束被柵極的網(wǎng)格擋回，微波與電子注不能進(jìn)行能量交換，射頻信號(hào)在速調(diào)管內(nèi)不能被放大。此時(shí)若速調(diào)管的燈絲電壓和柵極電壓供電不足或陰極活性不夠，通過柵網(wǎng)的電子會(huì)減少，沒有足夠的電子進(jìn)行能量交換，導(dǎo)致速調(diào)管的輸出功率降低。由上述分析可知，影響該參數(shù)故障的因素有：速調(diào)管故障；高壓電源故障。

3）排故措施

a. 提高燈絲和柵極供電電壓，測(cè)試速調(diào)管輸出信號(hào)功率是否得到改善；

b. 若提高柵極和燈絲電壓后，速調(diào)管輸出功率沒有改變或改變很小，說明該措施不能提高速調(diào)管性能指標(biāo)，判定速調(diào)管故障；

c. 更換合格的速調(diào)管后觀察發(fā)射機(jī)有效輻射功率是否達(dá)到最優(yōu)，若未達(dá)到最優(yōu)，說明速調(diào)管最佳工作點(diǎn)偏移，優(yōu)化不佳，需要重新調(diào)諧速調(diào)管諧振腔。

修理現(xiàn)場(chǎng)該類故障多為速調(diào)管原因造成，將速調(diào)管送生產(chǎn)廠家進(jìn)行失效分析，結(jié)論為速調(diào)管隨使用時(shí)間增長其管內(nèi)殘存氣體逐漸影響陰極活性，引起陰極中毒[4，5]，導(dǎo)致發(fā)射能力下降；或因燈絲電流過高，導(dǎo)致陰極蒸散速度增加[6，7]，發(fā)射物質(zhì)耗盡。

2.2 “發(fā)射機(jī)功率指示電平”測(cè)試故障

1）故障現(xiàn)象

導(dǎo)引頭艙或發(fā)射機(jī)測(cè)試時(shí)，“發(fā)射機(jī)功率指示電平”不合格。

2）故障分析

導(dǎo)引頭加高壓時(shí)，發(fā)射機(jī)速調(diào)管產(chǎn)生的微波能量經(jīng)波導(dǎo)傳輸檢波裝置、環(huán)行器和主通道天線輻射出去。波導(dǎo)傳輸檢波裝置內(nèi)有一個(gè)檢波二極管，可以將速調(diào)管輸出的射頻信號(hào)耦合出一部分到發(fā)射機(jī)控制信號(hào)形成器板進(jìn)行積分放大，產(chǎn)生表征射頻信號(hào)功率的直流電平[8]?！鞍l(fā)射機(jī)功率指示電平”是反映發(fā)射機(jī)輸出功率相對(duì)大小的一個(gè)電壓值，也是導(dǎo)引頭計(jì)算機(jī)的一個(gè)輸入模擬量。計(jì)算機(jī)利用此模擬量進(jìn)行發(fā)射機(jī)的功率優(yōu)化，從而使發(fā)射機(jī)功率輸出最大。從發(fā)射機(jī)波導(dǎo)傳輸檢波裝置輸出的檢波信號(hào)，通過射頻電纜進(jìn)入控制信號(hào)形成器，在控制信號(hào)形成器內(nèi)積分放大后輸出，該直流電平即為發(fā)射機(jī)功率指示電壓。當(dāng)速調(diào)管輸出的功率變小時(shí)，發(fā)射機(jī)功率指示電壓隨之變小。通過以上分析可得出影響該參數(shù)故障的因素有：速調(diào)管故障；高壓電源故障；波導(dǎo)傳輸檢波裝置故障。

3）排故措施

a. “發(fā)射機(jī)功率指示電平”故障和“發(fā)射機(jī)有效輻射功率”故障同時(shí)出現(xiàn)時(shí)，首先調(diào)高燈絲電壓和柵極電壓，若故障仍然存在，則為速調(diào)管故障，更換合格速調(diào)管；

b. “發(fā)射機(jī)功率指示電平”故障單獨(dú)存在時(shí)，應(yīng)考慮控制信號(hào)形成器或波導(dǎo)傳輸檢波裝置。若“發(fā)射機(jī)功率指示電平”測(cè)試值超出或小于規(guī)定值，則更換控制信號(hào)形成器內(nèi)用于調(diào)節(jié)放大倍數(shù)的調(diào)試電阻；當(dāng)測(cè)試值為0V時(shí)，檢測(cè)波導(dǎo)傳輸檢波裝置檢波二極管的輸出信號(hào)，若無脈沖波輸出，則為波導(dǎo)傳輸檢波裝置故障，更換合格波導(dǎo)傳輸檢波裝置。

2.3 “+57V（未開發(fā)射機(jī)）電壓”測(cè)試故障1

1）故障現(xiàn)象

導(dǎo)引頭或發(fā)射機(jī)測(cè)試時(shí)，“+57V（未開發(fā)射機(jī)）電壓”測(cè)試值為0V左右，遠(yuǎn)小于正常值。

2）故障分析

在發(fā)射機(jī)處于加溫、準(zhǔn)備工作狀態(tài)時(shí)，高壓電源內(nèi)產(chǎn)生燈絲電壓給速調(diào)管預(yù)熱，同時(shí)高壓電源內(nèi)的前置調(diào)制器板產(chǎn)生預(yù)調(diào)制電壓、脈沖調(diào)制信號(hào)，使后級(jí)電路產(chǎn)生一千多伏的預(yù)高壓，以保證加高壓時(shí)高壓電源輸出電壓快速達(dá)到發(fā)射所需電壓。

分解該類故障發(fā)射機(jī)，發(fā)現(xiàn)高壓電源前置調(diào)制器板1R29電阻（47Ω，額定功率1W）燒毀，致使導(dǎo)引頭“+57V（未開發(fā)射機(jī)）電壓”測(cè)試時(shí)為0V，電路如圖3所示。進(jìn)行“+57V（未開發(fā)射機(jī)）電壓”參數(shù)測(cè)試時(shí)，前置調(diào)制器13引腳輸入“+27V加溫”電，在發(fā)射機(jī)加高壓“+57V”引腳測(cè)量“+57V（未開發(fā)射機(jī)）電壓”。經(jīng)電路分析，電阻1R29燒毀原因?yàn)橥ㄟ^電流過大造成，造成電流過大的因素有：高壓電源內(nèi)部電路板故障；速調(diào)管故障（陰柵熱短路）。

3）排故措施

a. 排查高壓電源，該類故障中大部分高壓電源電路板工作正常；

b. 更換合格速調(diào)管。拆下故障發(fā)射機(jī)速調(diào)管送生產(chǎn)廠家進(jìn)行失效分析，結(jié)論為該型速調(diào)管電子槍的柵極、陰極罩等電極均為金屬薄壁結(jié)構(gòu)，隨使用時(shí)間的增長，其晶格逐漸增大，影響零件強(qiáng)度，同時(shí)速調(diào)管反復(fù)加燈絲電壓后熱輻射使柵網(wǎng)輕微變形，晶格增大的柵網(wǎng)和陰極罩在熱應(yīng)力作用下破損，造成陰柵熱短路故障。

修理現(xiàn)場(chǎng)該類故障多為速調(diào)管原因造成，由于速調(diào)管陰柵熱短路故障，變壓器通過電流增大，致使電阻1R29燒毀。

2.4 “+57V（未開發(fā)射機(jī)）電壓”測(cè)試故障2

1）故障現(xiàn)象

發(fā)射機(jī)“+57V（未開發(fā)射機(jī)）電壓”測(cè)試值為26V左右，超過正常值，同時(shí)“+27V加溫”電消耗電流遠(yuǎn)小于正常值。

2）故障分析

產(chǎn)品在“加溫”電時(shí)，發(fā)射機(jī)高壓電源內(nèi)部前置調(diào)制器、穩(wěn)壓器、濾波器、轉(zhuǎn)換裝置1、整流器1、整流器2工作，速調(diào)管工作。高壓電源產(chǎn)生燈絲電壓，速調(diào)管預(yù)熱。

該故障現(xiàn)象中“+27V加溫”電消耗電流遠(yuǎn)小于正常值，表明消耗電流最大的速調(diào)管沒有預(yù)熱，高壓電源沒有產(chǎn)生速調(diào)管預(yù)熱所需的燈絲電流。“+27V加溫”電壓輸入到穩(wěn)壓器，生成轉(zhuǎn)換裝置1工作所需的+12V左右電壓，轉(zhuǎn)換裝置1再產(chǎn)生控制變壓器工作的脈沖信號(hào)，整流器2產(chǎn)生燈絲電壓（見圖2）。通過電路分析，影響該參數(shù)故障的因素有：穩(wěn)壓器故障；轉(zhuǎn)換裝置1故障。

3）排故措施

首先，給穩(wěn)壓器單板供+27V，檢測(cè)穩(wěn)壓器輸出電壓，若輸出正常，說明穩(wěn)壓器工作正常。其次，檢測(cè)轉(zhuǎn)換裝置1輸出，若無輸出脈沖信號(hào)，說明轉(zhuǎn)換裝置1故障?？筛鶕?jù)具體故障分析定位到元器件級(jí)。

3 結(jié)論

某型發(fā)射機(jī)故障率為該型主動(dòng)雷達(dá)空空導(dǎo)彈導(dǎo)引頭故障率最高的部件，通過以上對(duì)該型發(fā)射機(jī)典型故障的分析，掌握了發(fā)射機(jī)工作原理，能夠?qū)收宵c(diǎn)快速、準(zhǔn)確定位，為該型發(fā)射機(jī)修理或類似型號(hào)發(fā)射機(jī)修理提供參考。

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