杜　勇，李　釗

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

Structure Design of an Airborne SAR Servo Platform

DU Yong，LI Zhao

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

某機(jī)載合成孔徑雷達(dá)伺服平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

杜勇，李釗

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

Structure Design of an Airborne SAR Servo Platform

DU Yong，LI Zhao

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

摘要：基于某機(jī)載合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)所處的工作環(huán)境及設(shè)計(jì)要求，提出了一體化弱剛性驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并對(duì)伺服平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了必要的分析和計(jì)算，主要解決整體空間布局設(shè)計(jì)、掃描器集成化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、掃描器驅(qū)動(dòng)力分析和掃描器傳動(dòng)精度分析等。通過試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞：機(jī)載合成孔徑雷達(dá)；弱剛性；掃描器

中圖分類號(hào)：TJ03

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1001-2257(2015)07-0047-03

收稿日期：2015-04-13

Abstract：According to the work environment and design requirements of the Airborne SAR, an integrated weak rigidity driving system is put forward in this paper. The necessary analysis and calculations of the servo platform structure design are also discussed. The overall spatial layout design, scanner integrated structure design，driving forces of the scanner analysis and transmission precision of the scanner analysis are discussed. The test and measured data validate the detection capability of the system design.

Key words：airborne SAR;weakly rigid;scanner

0引言

合成孔徑雷達(dá)SAR是一種高分辨有源微波遙感成像雷達(dá)。采用一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)高精度，是當(dāng)今合成孔徑雷達(dá)的重要研究內(nèi)容。研究機(jī)載合成孔徑雷達(dá)作為某機(jī)載綜合偵察系統(tǒng)中的一部分，應(yīng)用于情報(bào)搜集和偵察。該雷達(dá)是前期某無人機(jī)機(jī)載雷達(dá)的延伸系列，在充分借鑒繼承原雷達(dá)高可靠性和高集成設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，通過加裝新型的掃描器，提高了合成孔徑雷達(dá)的掃描范圍。針對(duì)機(jī)載雷達(dá)所處的復(fù)雜力學(xué)環(huán)境，優(yōu)化了雷達(dá)系統(tǒng)的空間布局、強(qiáng)化雷達(dá)掃描器的可靠性。

1雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體

合成孔徑雷達(dá)在結(jié)構(gòu)上由有源天線系統(tǒng)、掃描器前端、掃描器后端、伺服控制器、安裝架和轉(zhuǎn)接板等組成。有源天線系統(tǒng)通過其前端框、后端框分別與掃描器前端、掃描器后端連接，掃描器通過安裝架和機(jī)體連接在一起。雷達(dá)總體機(jī)構(gòu)如圖1所示。

圖1　雷達(dá)總體布局

由于本雷達(dá)天線采用有源相控陣體制，因此雷達(dá)整機(jī)的環(huán)控設(shè)計(jì)采用以液體冷卻為主，結(jié)合自然散熱的方案，雷達(dá)散熱的冷卻液由載機(jī)提供。為了使天線框架更緊湊，天線陣面除了滿足電訊要求外，還要成為承力構(gòu)件,天線陣面與天線框架融為一體，天線下片架與液冷進(jìn)水、出水主管路一體化設(shè)計(jì)，天線上片架與盲配轉(zhuǎn)接板一體化設(shè)計(jì), 采用一體化集成設(shè)計(jì)理念可以有效降低雷達(dá)系統(tǒng)的體積和重量。

2掃描器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于在空中動(dòng)態(tài)環(huán)境下天線軸端的變形較大，空中動(dòng)態(tài)時(shí)，天線變形分別作用在掃描器前端與有源天線系統(tǒng)前端框的連接面、掃描器后端與有源天線系統(tǒng)后端框的連接面。前、后連接面的相對(duì)角位移在垂直面內(nèi)為± 0.45°，水平面內(nèi)為± 0.2°，前、后連接面的X、Y、Z向相對(duì)位移為±3 mm。此外還要顧及天線/掃描器制造、安裝引起的兩端軸軸線的不重合問題，因此有必要采用一些特殊的結(jié)構(gòu)來保證傳動(dòng)系統(tǒng)的可靠性和精度。

該掃描器采用一軸分體式結(jié)構(gòu)形式，由掃描器前端和掃描器后端組成。天線安裝在掃描器前端和掃描器后端之間。掃描器在斷電的情況下可適應(yīng)飛行環(huán)境，并且在地面維修時(shí)可由人力轉(zhuǎn)動(dòng)。掃描器采用“半調(diào)心”方案，掃描器前端是驅(qū)動(dòng)端，采用2個(gè)角接觸軸承；掃描器后端為非驅(qū)動(dòng)端，采用1個(gè)調(diào)心軸承，并且在軸向可以“游動(dòng)”。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用單電機(jī)+減速機(jī)+末級(jí)齒輪的驅(qū)動(dòng)形式。考慮天線的熱漲冷縮量(±3.5 mm)、天線兩端軸的位置公差(±0.5 mm)、掃描器的位置公差(±1 mm)，后端軸承“游動(dòng)”量定為±5 mm。本著“空間和重量最小化”原則設(shè)計(jì)整個(gè)掃描器結(jié)構(gòu)，掃描器前端和后端的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　掃描器結(jié)構(gòu)

3掃描器驅(qū)動(dòng)力矩計(jì)算及校核

掃描器驅(qū)動(dòng)的負(fù)載有偏心力矩、慣性力矩、摩擦力矩及干擾力矩等。各力矩分析如下：

Me=nmge=1.5×160×9.8×0.01=

23.52N·m

b.慣性力矩Mβ為天線轉(zhuǎn)速變化時(shí)所產(chǎn)生的力矩。天線轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

3.12kg·m2

根據(jù)平行軸定理得天線對(duì)轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量為：

J=J1+me2=3.12+160×0.012=

3.136kg·m2

由上述條件得出天線的慣性力矩為：

c.摩擦力矩主要由軸承的滾動(dòng)摩擦、齒輪傳遞的滑動(dòng)摩擦構(gòu)成，由于摩擦力矩非常小，可忽略不記。

d.干擾力矩M0主要是指冷卻液管路、電纜的纏繞力矩。干擾力矩計(jì)為M0=5N·m

求三項(xiàng)和，即M=Me+Mβ+Mo=23.52+3.28+5=31.8N·m。

考慮到適當(dāng)?shù)挠嗔?，掃描器?qū)動(dòng)力矩取M=35N·m。

驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用MaxonMotor公司的直流電機(jī)，主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1電機(jī)參數(shù)

型號(hào)輸出功率/W額定電壓/V額定轉(zhuǎn)矩/(N·m)額定轉(zhuǎn)速/(r/min)重量/g136204150240.1699290850

減速機(jī)選用GPL52(200∶1)型號(hào)，主要技術(shù)指標(biāo)如表2所示。

表2減速機(jī)參數(shù)

級(jí)數(shù)減速比能承受轉(zhuǎn)矩/(N·m)重量/g傳遞效率/%3級(jí)200∶13072585

考慮到低溫啟動(dòng)時(shí)的所需力矩增大，需要對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩進(jìn)行校核。

電機(jī)經(jīng)過減速機(jī)構(gòu)輸出驅(qū)動(dòng)力矩：

Mm=T·η·i·ii·ηi=

0.169×0.85×200×4×0.97=111.5N·m

T為電機(jī)額定輸出扭矩；i為減速機(jī)減速比；η為減速機(jī)效率；ii為末級(jí)齒輪減速比；ηi為末級(jí)齒輪效率。

在低溫環(huán)境(-55 ℃)下，減速機(jī)摩擦力矩大大增加，為使減速機(jī)在低溫環(huán)境下能持續(xù)正常工作，電機(jī)力矩冗余系數(shù)應(yīng)不小于3。由于n>3且Mmm>35N·m，故電機(jī)驅(qū)動(dòng)力矩滿足正常使用要求。

4掃描器傳動(dòng)精度分析

a.傳動(dòng)鏈回差。傳動(dòng)鏈回差主要由減速機(jī)回差和末級(jí)齒輪嚙合間隙產(chǎn)生。

Δθ=Δθ減速機(jī)/ii+Δθ齒輪=9.75arcmin

Δθ為傳動(dòng)鏈總回差；Δθ減速機(jī)為減速機(jī)回差(為15arcmin)；Δθ齒輪為末級(jí)齒輪回差(控制在6arcmin內(nèi))。b.軸扭轉(zhuǎn)角度。軸在受到外部扭矩時(shí)，在承載范圍內(nèi)會(huì)發(fā)生彈性扭轉(zhuǎn)變形。在本傳動(dòng)鏈中，主要有減速機(jī)輸出軸和天線軸會(huì)有扭轉(zhuǎn)變形。

Δφ=M總/(i末級(jí)·k減速機(jī))+M總/k天線軸=

35/(4×1.4)+35/460=6.33arcmin

Δφ為軸扭轉(zhuǎn)角度；M總為天線所受總扭矩；k減速機(jī)為減速機(jī)的扭轉(zhuǎn)剛度；k天線軸為天線軸扭剛度；i末級(jí)為末級(jí)嚙合齒輪減速比。則總傳動(dòng)精度為Δ=Δθ+Δφ=16.08arcmin。

5力學(xué)分析

機(jī)載設(shè)備對(duì)空間和重量的要求非?？量?，為滿足小型輕質(zhì)的設(shè)計(jì)要求，掃描器的主要承力結(jié)構(gòu)件使用的是高強(qiáng)度鋁合金，并且由于機(jī)載環(huán)境非常的惡劣，因此有必要分析在模擬各種振動(dòng)和過載環(huán)境下，掃描器的主承力件的應(yīng)力分布情況。

力學(xué)仿真分析是采用整體建模的方式，重點(diǎn)分析掃描器前端軸和連接支架的應(yīng)力分布。建模對(duì)象是天線框架、陣面、后蓋板、掃描器承力件以及安裝支架，材料為鋁合金，見表3。

表3分析對(duì)象的材料參數(shù)

材料名稱彈性模量/GPa泊松比密度/(t/mm3)熱膨脹系數(shù)/K-1屈服極限/MPa強(qiáng)度極限/MPa5A06710.332.7×10-922.8×10-6155315

根據(jù)雷達(dá)結(jié)構(gòu)的具體結(jié)構(gòu)形式，天線框架、陣面、后蓋板等采用殼單元模擬，掃描器承力件、安裝支架等采用實(shí)體單元模擬，SAM采用殼單元和實(shí)體單元描述，陣面電源、數(shù)據(jù)分配器和組合電源等插件采用實(shí)體單元模擬，結(jié)構(gòu)中其它非承力組件采用質(zhì)量單元進(jìn)行等效。整個(gè)有限元模型總重約為185 kg，其中天線單元160 kg，模型共有527 828個(gè)單元和380 107個(gè)節(jié)點(diǎn)。雷達(dá)的整體有限元模型如圖3所示。

圖3　雷達(dá)整體有限元模型

通過仿真分析可以看出，掃描器在受到上下方向4.5g過載時(shí)，如圖4所示。除安裝孔附近應(yīng)力集中區(qū)域外整體應(yīng)力水平在100 MPa以下，掃描器在受到上下方向隨機(jī)振動(dòng)時(shí)，如圖5所示。整體應(yīng)力水平在20 MPa以下，而安裝孔附近應(yīng)力則達(dá)到70 MPa。從仿真結(jié)果可以看出，各個(gè)安裝孔是應(yīng)力集中的區(qū)域。為增強(qiáng)安裝孔的強(qiáng)度，有針對(duì)性的進(jìn)行優(yōu)化，如局部結(jié)構(gòu)加強(qiáng)、增加插銷螺套等。

圖4　掃描器受到4.5g過載(上下方向)

圖5　掃描器受到上下方向隨機(jī)振動(dòng)

6結(jié)束語

針對(duì)機(jī)載合成孔徑雷達(dá)復(fù)雜的工作環(huán)境，以及小包絡(luò)空間和輕質(zhì)化的要求，提出一體化弱剛性驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，并對(duì)伺服平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了必要的分析和計(jì)算。系統(tǒng)工程樣機(jī)通過了多次地面振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)以及低溫(-55 ℃)試驗(yàn)，系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，滿足用戶的使用要求。

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