氣承式雷達天線罩結構與仿真

袁軍行,成琴,李琦,田越

(中國電子科技集團公司第三十八研究所 工程系統(tǒng)部，安徽 合肥 230088)

摘要：針對目前對大型高性能雷達天線罩的迫切需求，介紹了一種氣承式雷達天線罩。對充氣天線罩四個組成部分——罩體、基座、壓力調節(jié)系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)的設計思路分別進行了闡述，并對天線罩的抗風能力進行了計算分析。結果表明：通過選擇合適的柔性蒙皮材料和合理的充氣內壓，天線罩在46.1m/s風速作用下仍具有較強的剛度，整體變形較小，可以滿足雷達的使用要求。

關鍵詞：雷達天線罩；充氣膜結構；氣承式；抗風能力；剛度

收稿日期：2014-07-25

作者簡介：袁軍行(1982-)，男，河北隆堯人，工程師，主要從事柔性充氣結構設計方向的研究。

中圖分類號：TB43文獻標識碼：A

收稿日期：2014-12-20

基金項目：安徽省高校自然科研項目(KJ2013B179)

近年來隨著我國大型高性能雷達的相繼問世，對大型高性能天線罩的需求也十分迫切，尤其是對天線的低副瓣性能影響較小的大型天線罩需求尤為迫切[1]。近年來，隨著新材料的不斷涌現(xiàn)，工藝水平的提高，大型高性能柔性復合材料天線罩也應運而生。充氣式天線罩屬于充氣膜結構，通過膜內外壓差產生一定的預張力，來保證體系的剛度，從而使膜結構形成和維持膜面形態(tài)承受外載荷[2]。

充氣式天線罩以其優(yōu)異的電性能和抗風能力且安裝拆收方便的特點，具有硬式天線罩不可比擬的優(yōu)勢，越來越受到各國的重視。目前有大量的充氣天線罩為美國軍方服務[3]，其中2005年研制的“海基”X波段的氣承式雷達天線罩[4]便是其中的典型代表。充氣式天線罩屬于充氣膜結構，分為氣承式膜結構和氣囊式膜結構。前者為單層膜，通過膜內外壓差產生一定的預張力，來保證體系的剛度，從而使膜結構形成和維持膜面形態(tài)；后者為雙層膜，通過膜間一系列隔板保形，利用在雙層膜間充氣加壓維持剛度從而承受外載荷。

1系統(tǒng)組成

根據(jù)要求，氣承式雷達天線罩主要由罩體、基座、壓力調節(jié)系統(tǒng)、環(huán)境控制系統(tǒng)四部分組成，雷達天線罩的總體設計如圖1所示，具體參數(shù)見表1。

圖1　充氣天線罩布局圖

項目參數(shù)外形球形半徑31.5m底部直徑31m

2雷達天線罩結構

2.1基座

基座為環(huán)狀混凝土結構，用于安裝罩體、壓力調節(jié)設備和環(huán)境控制設備。基座需要具有較好的密封性能，并配備空氣自鎖進出口通道即氣密門。進出口采用雙層門結構，前后兩座門自動錯位開啟，保證天線罩內氣壓穩(wěn)定，基座與罩體連接界面設計成一定的外傾斜角便于排水。基座及氣密門結構如圖2所示。

圖2　基座及氣密門結構

2.2罩體

罩體為單層氣承式膜結構，由多個平面瓣幅拼接而成，如圖3所示。采用輕質高強浮空器用膜材，該膜材由承力層(高強輕質高分子纖維織物)、阻氣層、耐候層和粘接層復合而成，相對于建筑用玻璃纖維基復合膜材具有強度高、重量輕、氣密好、透波率高、柔韌性好的優(yōu)點，加工運輸方便，適合快速架設拆收。根據(jù)材料工藝性能瓣幅之間采用搭接或對接方式連接。

圖3　罩體結構

2.3壓力調節(jié)系統(tǒng)

壓力調節(jié)系統(tǒng)用于調節(jié)和維持罩體內外壓差以抵御外部環(huán)境的沖擊。

壓力調節(jié)系統(tǒng)根據(jù)外部環(huán)境(如風速)自動調節(jié)罩內充氣壓力，保證罩體維持適當?shù)膭偠?。壓力調節(jié)系統(tǒng)包括壓力采集單元、風速采集單元、測控系統(tǒng)、壓力執(zhí)行單元、能源系統(tǒng)等五部分，如圖4所示。測控系統(tǒng)根據(jù)風速采集單元輸入的外界環(huán)境風速參數(shù)自動控制壓力執(zhí)行單元實施充氣或放氣使罩內充氣壓力與風場匹配，保證罩體具備足夠的剛度抵御風載的沖擊。

圖4　壓力調節(jié)系統(tǒng)原理圖

2.4環(huán)境控制系統(tǒng)

環(huán)境控制系統(tǒng)用于調節(jié)罩內溫度，保證罩內設備能夠在極端高溫工況下正常工作。

圖5　環(huán)境控制系統(tǒng)原理圖

通過在天線基座四周布置空氣調節(jié)設備通過軟管將冷風送至天線罩頂部，冷風從頂部下沉至底部形成系統(tǒng)散熱循環(huán)，確保罩內空氣溫度的均勻性，最大溫度不超過50℃，環(huán)境控制系統(tǒng)的主要功能包括監(jiān)測罩內、外環(huán)境溫、濕度；調節(jié)罩內環(huán)境溫、濕度，滿足天線工作溫度要求。其主要設備為環(huán)境溫、濕度傳感器，空氣調節(jié)設備若干，環(huán)控測控盒。主要工作原理如圖5所示，環(huán)境參數(shù)采集單元采集環(huán)境參數(shù)，測控確定執(zhí)行動作，并通知執(zhí)行單元進行相應動作，執(zhí)行單元動作結果反饋至測控單元，供電單元負責設備供電。

3抗風能力分析

3.1靜態(tài)氣動載荷分析

在14級風即最大風速為46.1m/s作用下，天線罩表面壓力分布系數(shù)如圖6所示。

圖6　天線罩表面壓力系數(shù)分布

3.2罩體強度及變形分析

雷達充氣式天線罩采用專用膜結構分析軟件進行計算，有限元模型如圖7所示，蒙皮材料參數(shù)見表2。

表2　材料參數(shù)

載荷工況：Z方向風速46.1m/s，膜間內壓10000Pa，天線罩底部固支。

圖7　天線罩有限元模型

計算結果表明，天線罩最大應力出現(xiàn)在天線罩兩側下部，如圖8所示，大小約為40MPa，折算成張力為48kg/cm。

圖8　天線罩Mises應力分布

根據(jù)JIS-93規(guī)定的膜材在各種載荷效應下的安全系數(shù)[6]，短期載荷下的膜材安全系數(shù)為4，則天線罩的膜材強度不能低于48×4=192kg/cm。根據(jù)計算結果，天線罩在極限風速下，天線罩的最大位移為7.5cm，如圖9所示。其中水平方向最大位移為6.4cm，豎直方向最大位移為5.1cm。

圖9　天線罩位移云圖

分析結果表明通過選擇合適的柔性蒙皮材料和合理的充氣內壓，天線罩在46.1m/s風速作用下仍具有較強的剛度，天線罩整體變形較小，可以滿足雷達的使用要求。

4結語

雷達充氣式天線罩具有優(yōu)異的電性能，較好的抗風能力且安裝維護方便，應用前景十分廣闊。充氣雷達天線罩采用氣承式充氣膜結構，罩體固定在基座上，壓力調節(jié)系統(tǒng)根據(jù)風速自動調節(jié)膜間壓力使罩體成形并維持必要的剛度抵御風載對雷達的沖擊，環(huán)境控制系統(tǒng)根據(jù)罩內溫度自動控制制冷設備的啟停保證罩內維持在合適的溫度區(qū)間內從而保證雷達正常工作。分析表明，通過合理地選擇囊體蒙皮材料和充氣內壓，在46.1m/s風速作用下，充氣式天線罩可以保持足夠的剛度，整體變形較小，可以滿足雷達的使用要求。

參考文獻

[1] 李歡,劉鈞,肖加余,等.雷達天線罩技術及其電性能研究綜述[J].材料導報，2012，26(8)：48-52.

[2] 趙大鵬,陳務軍,張麗梅.大型充氣膜結構及膜材的發(fā)展概述[J].建筑施工,2008,30(2)：135-138.

[3] 閻宏濤.大型天線罩的結構工程研究[D].西安：西安電子科技大學,2007：8-9.

[4] 陳曉棟.美國海基X波段雷達發(fā)展現(xiàn)狀[J].現(xiàn)代雷達，2011，33 (6)：29-31.

[5] GB50009-2012 建筑結構荷載規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012：218-219.

[6] 陳務軍.膜結構工程設計[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,2004：81-82.

[責任編輯、校對：張朋毅]

Simulation and Structure of Air-supported Radome

YUANJun-hang,CHENGQin,LIQi,TIANYue

(No. 38 Research Institute of CETC, Hefei 230088, China)

Abstract：An air-supported radome design method is proposed to meet the needs of the high-performance radars. The inflatable radome consists of shield, base, pressure regulation system and environment control system, whose design methods are introduced separately. The wind-proof capacity of radome is analyzed. The simulation shows that the combination of suitable pellicle strength and pressure enable the radome to maintain sufficient stiffness and small deformation when the wind velocity is 46.1m/s, which can meet the requirement of radars.

Key words：radome; inflatable fabric structure; air-supported; wind-proof capacity; stiffness