(中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

機載預警雷達作為預警指揮機的核心傳感器,能夠利用其載機平臺的飛行高度克服地球曲率對觀測視距的限制,消除雷達盲區(qū),擴大低空和超低空探測距離。隨著航空技術的發(fā)展,未來戰(zhàn)場目標的RCS越來越小,為了獲得足夠的作用距離,需要增加雷達的功率口徑積,在載機功率資源一定的情況下,增大天線口徑是最有效的方法。然而,天線口徑受雷達罩外形尺寸限制,雷達罩的氣動外形及尺寸又受制于載機平臺的總體外形尺寸及總體-氣動構型等因素[1]。因此,合理選擇預警機總體-氣動構型并對雷達罩氣動外形進行優(yōu)化;通過合理的結構總體布局設計,有效利用雷達罩的氣動外形,使天線口徑最大化,成為機載預警雷達結構總體設計中需要考慮和研究的工作。隨著雷達技術的發(fā)展,有源相控陣體制已成為機載預警雷達的主要趨勢,本文針對相控陣機載預警雷達的雷達罩氣動外形以及雷達結構總體設計中的主要問題—天線構型設計進行探討。

1 雷達罩氣動外形的選擇與優(yōu)化

1.1 雷達罩氣動外形

隨著有源相控陣技術的應用,不僅使雷達性能得到了很大的提高,也使預警機的總體-氣動構型設計有了更多、更優(yōu)的選擇,目前被采用較多的包括背鰭式、圓盤罩-支架式和貼于機身兩側的機身共形式等幾種構型。

1)背鰭式

該構型目前有兩種形式,其一是以薩伯340預警機(如圖1(a)所示)為代表,天線艙通過支撐桿系安裝于機背上方,裝備的ERIEYEE有源相控陣雷達可進行兩側240°掃描。其二是以波音E-737“楔尾”預警機(如圖1(b)所示)為代表,T形截面的長條天線艙直接安裝在機身上,裝備的多任務電子掃描陣列(Multi-Role Electronically Scanned Array,MESA)有源相控陣雷達,可實現360°掃描。

圖1 背鰭式構型

2)圓盤罩-支架式

該構型以E-3預警機(如圖2(a)所示)為代表,該構型適合于機掃體制雷達,同時也可用于電掃體制雷達。伴隨著有源相控陣技術的應用,在圓盤罩的基礎上又衍生出了類似三角形、水滴形等其他流線形的盤狀雷達罩,如美軍的S-3預警機(如圖2(b)所示)、V-22預警機等驗證機的氣動構型方案。采用非圓形罩,可使天線口徑加大,提高天線的輻射性能,因此,非圓形罩的方案很有研究價值,但必須結合具體情況進行優(yōu)化、綜合分析與權衡[2]。

圖2 圓盤罩支架式構型

3)機身共形式

以色列研制的“費爾康”預警機(如圖3(a)所示)和灣流G550“海雕”預警機(如圖3(b)所示)是該種構型的典型代表,相比之下,后者雷達罩的形狀與機身更加融合,但兩者仍然屬于“準共形”(非理想共形),該構型能大大減小甚至消除雷達罩對飛機氣動性能的影響,成為未來預警機總體-氣動構型發(fā)展的一個方向。

圖3 機身共形式構型

上述三種構型中,圓盤罩-支架式對飛機氣動特性的影響最大;背鰭式由于沿飛行方向整流較為流線,因此對飛機氣動特性的影響比前者要小得多[1];而機身共形式在這三種形式中影響最小。除了以上所列的3種較常采用的構型外,還有腹鰭式(如美軍的E-8)、機身鼓包式(如以色列的“費爾康”前后補盲雷達罩),甚至還有不加整流罩的“裸露式”(如俄羅斯的卡-31預警直升機)等構型[1-4]。

在進行雷達罩與載機的總體氣動構型時,除了考慮對飛機氣動性能的影響外,最重要的要求是減少機體的遮擋,降低機身對天線波束掃描的影響。圓盤罩-支架式和背鰭式構型采用背負高架方式,可以有效減少機身對天線波束掃描的影響,背鰭式具有良好的側視性能,但存在前后盲區(qū),一般結合采用鼓包式構型增加前后補盲天線或采用端射陣天線進行補盲;較前兩者,機身共形式構型目前受機身遮擋的影響比較大,但隨著天線技術的發(fā)展,實現與機身完全共形,可有效利用機身表面積,通過分布口徑合成,增大天線口徑。在工程上,必須把飛機和雷達罩作為一個整體考慮,建立飛機-天線模型,進行仿真計算,選定天線在飛機上的最佳位置。這一工作通常在系統總體設計時完成,然后將天線形式、定位和尺寸一起作為預警雷達天線在飛機上的電磁性能要求提供給飛機改裝設計者,供飛機總體 氣動設計時進行綜合和權衡[2]。

1.2 雷達罩氣動外形優(yōu)化

在確定了預警機的基本氣動構型后,需要對雷達罩的氣動外形進行優(yōu)化,目的是使天線口面處的有效面積最大化,此項工作主要是雷達天線與飛機氣動兩個專業(yè)設計系統的協調設計過程。首先采用仿真分析手段進行罩體的建模、優(yōu)化,再通過風洞試驗對罩體的氣動性能進行驗證。對于透波部分與整流部分相對獨立的雷達罩構型,該過程較為簡單,雷達天線受氣動設計的約束較少,如背鰭式的長條形雷達罩,直段為雷達透波部分,前后兩端的整流罩通過平滑過渡與直段構成連續(xù)的外形;而對于透波與整流共形的雷達罩,其透波截面形狀會影響天線布陣的有效面積(天線增益)和天線的波瓣寬度指標,從雷達設計的角度,雷達罩氣動外形的選擇應綜合考慮下列因素:

1)氣動性能影響小:在能夠獲得相同口徑的情況下,對飛機氣動性能的影響最小。

2)有效透波截面積大:在同樣能保證飛機安全性的情況下,可獲得的天線口徑最大。

3)天線副瓣影響小:天線罩的不同形狀和厚度對天線副瓣造成的影響也不同,如水滴形罩的插入相移較圓形罩小,對天線副瓣影響也相應較小。

4)天線透波罩重量輕:天線罩電設計時,對于天線副瓣性能影響較大的罩體形狀,一般會對罩壁采用變厚度設計進行優(yōu)化[5],從而會造成天線罩的增重。

以“圓盤罩 支架”構型為例:確定采用該種總體構型后,需要確定雷達罩的氣動外形(圓盤形、水滴形或其他流線形)。優(yōu)化初期,選擇等邊三角形和盾牌形兩種非圓形方案與圓形罩相比較。以同樣的天線有效面積所獲得3種外形的最大尺寸如表1所示。從表中可以看出,在最大厚度不變的情況下,三角形和盾牌形展向最大尺寸都有所減小,其中盾牌形的3個面陣為非等邊的等腰三角形布局(如圖4所示),展向尺寸減小到7.8 m。

表1_相同天線口徑的雷達罩外形比較

圖4 非圓型雷達罩

為了在氣動性能方面對這三種外形方案進行比較,采用CFD計算分析,以下是分析結果:

1)天線罩帶來的阻力增量:圓形＞三角形＞盾牌形,即圓形產生的阻力增加量最大,盾牌形產生的阻力增量最小。

2)天線罩對飛機縱向力矩特性的影響:迎角α=0°時,3個方案均使飛機縱向靜穩(wěn)定性有所增加,相比較為:三角形＞圓形＞盾牌形;α=4°時圓形縱向靜穩(wěn)定性略有減小,三角形和盾牌形仍使飛機縱向靜穩(wěn)定性有所增加。

3)天線罩對飛機偏航力矩特性的影響:側滑角在±6°范圍時,圓形產生的偏航力矩最大,盾牌形次之,三角形最小。航向靜穩(wěn)定性:圓形最好,盾牌形次之,三角形最小。

4)天線罩對方向舵效率的影響:3個天線罩方案均對垂尾前部的壓力分布有所影響,而對垂尾后部的壓力分布影響較小。在小側滑角范圍(β=-6°～+6°),天線罩尾流對垂尾干擾較大,大側滑角時,天線罩尾流對垂尾的干擾迅速減小。對垂尾影響最大的是圓形,而三角形和盾牌形對垂尾的干擾影響相當。

從CFD計算分析結果可以看出,兩種非圓型罩對飛機氣動性能的影響較圓罩小,通過對兩種非圓罩氣動外形優(yōu)化,得出水滴形的最終結果(如圖5所示),罩體外形尺寸:展向＜8.3 m,航向＜8.8 m,最大厚度＜1.8 m。

圖5 水滴形罩外形

在雷達罩的初步外形確定后,雷達結構也需要對天線進行初步的總體基本構型,并截取天線口面所在的罩體截面,預留透波罩厚度及安全間隙后進行天線單元布陣設計,然后通過天線的電訊仿真對罩體形狀提出修改意見,氣動設計根據天線設計的反饋進行罩體樣條線的優(yōu)化,并進行氣動仿真分析,將優(yōu)化結果返回給天線設計,如此反復迭代,直至達到要求。實際上這是天線口面優(yōu)化與雷達罩氣動外形優(yōu)化的協調設計過程,最終結果是在天線口徑與氣動性能這對矛盾之間找到“兩全其美”的平衡點,圖6為雷達罩氣動外形優(yōu)化流程示意圖。

雷達罩的氣動外形經過優(yōu)化,使雷達天線口面所在截面的面積和形狀達到了最大、最優(yōu)。然而,如何高效利用所得到的口徑面積,則是下一階段機載預警雷達天線結構總體設計所要解決的問題。

2 天線結構總體布局優(yōu)化

圖6 雷達罩氣動外形優(yōu)化流程示意圖

通過對雷達罩氣動外形的優(yōu)化,天線口徑在保證飛機氣動特性指標的前提下得到了最大化,但在后續(xù)的天線結構總體布局設計中,還有可能會因為布局不當造成天線有效口徑面積的得而復失,如何避免或減小這種損失,保證天線預期增益指標的實現,是天線結構總體布局設計需要考慮的一個問題。當然,天線結構總體布局設計要考慮的問題遠遠不止這一個,有源相控陣雷達天線具有設備量大、集成度高、互聯關系復雜等特點,是預警機的核心部分,也是占用載機資源量最大的設備。天線結構總體布局應根據各種設備的功能特點和互聯關系對其進行合理布置,在保證雷達性能指標的同時,設備的重量及重心配置應滿足載機系統的要求,此外還應綜合考慮系統的可靠性、維修性以及載機資源的有效利用等因素。以下僅就如何通過天線陣面與T/R模塊互聯形式的優(yōu)化,減小有效口徑面積的損失這個問題進行討論。

2.1 天線陣面與T/R模塊互聯形式

天線陣面與T/R模塊間互聯形式按輻射單元與對應收/發(fā)通道的連接方式來分,主要有以下三種形式:

1)固定連接

這種互聯形式的天線輻射單元固定在T/R模塊上,T/R模塊的收發(fā)單元間距按天線單元間距布置,陣面精度靠T/R模塊的制造和安裝精度保證。

這種互聯形式的主要優(yōu)點是消除了電纜及連接器所帶來的損耗,但采用這種連接方式,在線校正網絡設計在T/R模塊內,當T/R模塊更換時校正網絡也隨之更換。校正網絡是整個相控陣的基準,是實現超低副瓣的保障。實踐表明,校正基準與天線的陣中環(huán)境、加工安裝精度密切相關,很難僅通過高精度的加工實現天線的超低副瓣,必須通過外場或近場測量的方法進行校正與補償。如果采用天線輻射單元固定在T/R模塊上的設計方式,當更換模塊時校正基準將發(fā)生變化,天線副瓣很難保證,在線校正將失去其應有的低副瓣保證的功能,而退化為僅僅對通道是否失效的監(jiān)測。另外,這種互聯形式對T/R模塊的加工、安裝精度要求高;T/R模塊安裝布局也受限于天線陣面。

2)盲配直連

這種互聯形式的收/發(fā)通道與天線輻射單元通過盲配連接器直接連接。T/R模塊收發(fā)單元間距按天線單元間距布置,因天線陣面與T/R模塊可分,其陣面精度和校正基準不受T/R模塊安裝精度影響;由于校正網絡可集成設計在天線陣面上,T/R模塊的更換不會造成天線校正基準喪失;T/R模塊與天線輻射單元通過連接器直接連接,消除了連接電纜帶來的損耗。但T/R模塊的安裝布局與前種形式一樣受限于天線陣面。

3)電纜過渡連接

T/R模塊與天線陣面通過電纜相連接,T/R模塊上的收發(fā)單元間距可根據設計需要布置,不必與天線單元的間距對應,與前兩種連接形式相比,T/R模塊的安裝布局相對更靈活,并且容易實現天線的共口徑設計;天線陣面輻射單元的布陣也可根據需要靈活設計,如采用矩形布陣、三角形布陣等。但因T/R模塊與天線輻射陣面間通過電纜連接,其損耗與前兩種連接形式相比會有所增加。

對于這三種連接形式的特點總結如表2所示。

表2 天線陣面與T/R模塊間互聯形式比較

2.2 天線陣面與T/R模塊互聯形式的選擇

從上述三種互聯形式的特點可以看出,其各有優(yōu)、缺點,隨著電子元器件技術的發(fā)展和T/R組件設計水平的提高,有源相控陣天線正逐步朝著輕、薄、柔方向發(fā)展,目前片式組件和瓦片式天線已逐漸在產品中得到應用,而這正是采用了直接連接方式,由此可以看出其優(yōu)越性。但對于一個具體設計來說,最好的并不一定最合適,對于連接方式的選擇,應該從雷達罩氣動外形的特點、天線系統的總體基本構型、技術成熟度、經濟性等方面綜合考慮、權衡并作出選擇。下面以“圓盤罩-支架”構型的某中型有源相控陣預警雷達為例,從天線口面形狀、面陣基本構型和多頻段共面陣布局三個方面進行說明。

1)天線口面形狀

該預警雷達的罩體為橢圓旋轉體,天線系統的總體基本構型采用三面陣布局,天線口面所在位置的截面形狀為近似橢圓形。在預留了透波罩的厚度及天線與罩體內壁的安全間隙后,分別按電纜連接和直接連接兩種方式進行天線單元布陣,其中直接連接方式的T/R模塊采用4×4的16通道構型,分別切得天線陣面外形(如圖7所示),從圖中可以看出,直連方式的天線振子與對應的T/R組件間存在相互約束,每個振子后面必須有完整的空間形成對應的T/R組件;同時,陣面上能布置多少T/R組件,才能有多少個天線振子。這樣,凡是后面不滿足T/R組件安裝空間的面積因無法利而切去;而采用電纜連接方式的天線陣面不受后面T/R組件的條件約束,能夠有效利用截面上的面積布置更多振子,因此較前者的有效面積更大。同時,陣面邊角處的T/R組件形不成完整4×4的16通道構型,如果采用直連方式,必須增加T/R模塊的品種,這無論從維修性還是經濟性方面考慮都難以接受。

2)面陣基本構型

圖7 天線陣面布局(局部)

由于天線系統的總體基本構型采用三面陣布局,當3個陣面輻射面位于圓的內接正三角形3個邊上時(從圓盤上方俯視),其口徑為最大。圖8(a)為采用直連方式的三面陣布局示意圖。由于天線陣面、T/R模塊都有一定厚度,因此在進行設備排布時應為這些設備留出厚度空間以及適當的維護空間,而這必然會使3個面陣在拐角處發(fā)生重疊或干涉如圖8(a)所示,要解決這一問題,可以將3個天線陣面各自沿法線方向外移,如圖8(b)所示,這樣就使輻射面偏離最大口面位置,另一個辦法是將天線陣面與T/R模塊的連接方式改為電纜連接,減小T/R模塊的寬度尺寸并根據需要增加深度尺寸,同時將T/R模塊排布向天線陣面的中間集中,從而減小面陣拐角處的厚度,消除干涉,如圖8(c)所示。

3)多頻段共面陣布局

預警雷達一般都要配備敵我識別/二次雷達,對敵我識別/二次雷達的基本要求是能夠覆蓋預警雷達的覆蓋范圍,精度指標也能夠與雷達匹配,以實現對目標的正確分辨和識別[1]。本文將這兩種雷達天線分別稱作一次天線和二次天線,這兩個不同頻段的天線需要布置在同一面陣上,如果在同一陣面采用分區(qū)排布方式,現有口徑面積無法同時滿足兩個天線的增益要求,在保證一次天線增益的情況下,所剩面積已無法使二次天線的增益達到指標要求。因此考慮將兩個天線采用共口徑設計,這樣可同時實現兩個天線的高增益。但一次、二次天線輸入端口都要對應有一個T/R的安裝空間,造成兩空間重疊,因此,一次天線T/R和二次天線T/R不能同時滿足直接連接。如果將其中一個頻段改為電纜連接,則可解決這一矛盾。

采用電纜連接方式具有布局靈活的特點,但畢竟所增加的電纜會帶來功率損耗,因此在進行總體布局設計時必須優(yōu)化T/R模塊的布置,嚴格控制其與天線陣面間的電纜長度,使其帶來的損耗達到最小。否則有可能得不償失。實踐證明,在設計合理的前提下,采用電纜連接方式所增加的損耗約為0.2 dB。

圖8 三面陣布局示意

3 結束語

機載預警雷達天線的口徑,作為載機提供給雷達的一個間接資源對雷達的威力指標有較大的影響,針對這一問題,在雷達研制的初期就必須與載機做好雷達罩協同設計、充分挖掘載機資源;并在后續(xù)的雷達結構總體布局中,將其列為重點考慮的因素之一,以確保雷達的預期指標。

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