王 朋，彭 超，任 恒

(1. 中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088;2. 國(guó)家級(jí)工業(yè)設(shè)計(jì)中心， 安徽 合肥 230088)

引 言

機(jī)載雷達(dá)受載機(jī)安裝空間、承載能力、散熱條件和工作環(huán)境條件等多方面限制，對(duì)雷達(dá)的重量、體積與可靠性都提出了苛刻的要求[1-2]。在雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中不僅要保證雷達(dá)的電性能要求，還要滿足雷達(dá)的安裝精度、重量、熱耗及安裝空間等要求，并且在滿足設(shè)備要求的前提下盡可能減輕設(shè)備重量[3-5]。

某些天線單元內(nèi)的模塊在單獨(dú)試驗(yàn)時(shí)能滿足設(shè)計(jì)要求，但在隨著天線單元一起試驗(yàn)時(shí)卻出現(xiàn)各種故障。產(chǎn)生這種差別的主要原因是模塊設(shè)計(jì)中采用天線單元的整機(jī)振動(dòng)條件作為其設(shè)計(jì)依據(jù)，造成了模塊振動(dòng)試驗(yàn)條件與真實(shí)工作狀態(tài)下的振動(dòng)條件差別較大。如何將整機(jī)振動(dòng)條件合理的分解到模塊已引起了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)者們的關(guān)注。

某雷達(dá)天線采用對(duì)載機(jī)的氣動(dòng)性能影響較小的機(jī)腹鼓包型天線罩[6]，通過(guò)天線兩端的掃描器掛裝在載機(jī)機(jī)腹下，采用俯仰向機(jī)械掃描設(shè)計(jì)，一方面可以覆蓋遠(yuǎn)近距離；另一方面可以通過(guò)伺服驅(qū)動(dòng)器控制機(jī)械掃描，使天線看飛機(jī)兩側(cè)。本文論述了該機(jī)載雷達(dá)天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)中采用結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化裝機(jī)單元數(shù)量，降低系統(tǒng)的信號(hào)傳輸損耗，實(shí)現(xiàn)了機(jī)載雷達(dá)輕量化設(shè)計(jì)的同時(shí)增加了負(fù)載的剛度貢獻(xiàn)，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中將天線振動(dòng)條件進(jìn)行分解，得到天線中各模塊的振動(dòng)響應(yīng)條件，為各模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

機(jī)載雷達(dá)天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，既不能影響載機(jī)自身的性能，又不能受載機(jī)飛行狀態(tài)變化的影響，這就要求機(jī)載雷達(dá)天線在輕量化設(shè)計(jì)的同時(shí)注重天線結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度以及隔振的設(shè)計(jì)。

某機(jī)載二維有源相控陣天線主要由微波系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)器、掃描器前端、掃描器后端、前端安裝架、后端安裝架等組成，如圖1所示。

圖1 相控陣天線

前、后端安裝架采用正交單支耳結(jié)構(gòu)，如圖2所示。通過(guò)該設(shè)計(jì)解決了天線裝機(jī)中載機(jī)雙支耳間隙的消除難題，同時(shí)降低了天線單元的裝機(jī)難度。

圖2 安裝架

微波系統(tǒng)作為雷達(dá)接收和發(fā)射的主要裝置，其模塊的電連接與液連接均采用盲配連接形式，對(duì)微波系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的剛度要求較高，同時(shí)微波系統(tǒng)長(zhǎng)細(xì)比大，懸臂長(zhǎng)且掃描器后端采用游動(dòng)軸承等特點(diǎn)給微波系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了較大挑戰(zhàn)。為此，在微波系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)件均選用重量輕、強(qiáng)度高的強(qiáng)化鋁合金材料，在微波系統(tǒng)輕量化設(shè)計(jì)的同時(shí)提高天線結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度。微波系統(tǒng)外形如圖3所示。

圖3 微波系統(tǒng)

天線框架是整個(gè)天線單元的主承力結(jié)構(gòu)，也是天線陣面精度的保證。天線框架由前端框、后端框、上片架、下片架、撐板、前蓋板、天線陣面組成，如圖4所示。為了滿足天線單元安裝空間和安裝質(zhì)量的要求，在天線框架設(shè)計(jì)中除了考慮天線框架的承載功能外，還考慮了天線單元的電訊功能。通過(guò)天線單元結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)，提高了天線集成度，降低了天線單元的安裝空間，實(shí)現(xiàn)了天線單元的輕量化設(shè)計(jì)。天線單元的結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)中主要采取以下措施：

1)天線陣面與天線框架融為一體。天線陣面除了滿足電訊要求外，還成為承力構(gòu)件。

2)下片架與液冷管路一體化設(shè)計(jì)。下片架既是承力構(gòu)件，又是液冷的主管路。

3)上片架與盲配轉(zhuǎn)接板一體化設(shè)計(jì)。上片架除了承力，還是后插式可擴(kuò)充陣列模塊(SAM)等模塊盲配電連接器的轉(zhuǎn)接板。

4)將接收機(jī)與天線一體化設(shè)計(jì)，縮短接收機(jī)與天線間的互連電纜，降低系統(tǒng)的信號(hào)損耗，同時(shí)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)輕量化設(shè)計(jì)。

圖4 天線框架

2 天線單元力學(xué)分析

天線單元通過(guò)前端安裝架和后端安裝架固定在飛機(jī)上。天線單元的主承力結(jié)構(gòu)由微波系統(tǒng)、掃描器、前端安裝架和后安裝架組成。其中天線單元前端安裝架和后端安裝架為7075鋁型材，其余框架為2A12鋁型材，材料參數(shù)見(jiàn)表1。由于機(jī)載雷達(dá)在生產(chǎn)、裝配、運(yùn)輸和服役等過(guò)程中要經(jīng)歷一系列的力學(xué)載荷環(huán)境。為了考察其結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度是否能滿足環(huán)境適應(yīng)性要求，對(duì)天線主承力結(jié)構(gòu)進(jìn)行了力學(xué)分析。天線單元的有限元分析模型如圖5所示。

表1 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

圖5 天線單元有限元模型

安裝在固定翼飛機(jī)上的設(shè)備，其振動(dòng)環(huán)境主要由螺旋槳誘發(fā)，振動(dòng)頻譜由一個(gè)寬帶背景疊加一些窄帶尖峰組成[10]。本文通過(guò)有限元仿真對(duì)該天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行了隨機(jī)振動(dòng)分析，其隨機(jī)振動(dòng)功率譜密度曲線如圖6所示。

圖6 隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)曲線

2.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析是深入了解天線結(jié)構(gòu)固有特性的方法，當(dāng)天線結(jié)構(gòu)所受激勵(lì)接近其某階固有頻率時(shí)，天線容易形成共振，導(dǎo)致天線結(jié)構(gòu)被破壞[11]。通過(guò)模態(tài)分析得到天線單元的固有頻率見(jiàn)表2，1～3階振型如圖7～圖9所示?？梢钥闯?，天線單元的固有頻率避開(kāi)了固定翼飛機(jī)的諧振頻率，滿足設(shè)計(jì)要求。

表2 模態(tài)分析結(jié)果

圖7 天線單元1階振型

圖8 天線單元2階振型

圖9 天線單元3階振型

2.2 隨機(jī)振動(dòng)分析

根據(jù)雷達(dá)環(huán)境適應(yīng)性要求，隨機(jī)振動(dòng)數(shù)值仿真分析結(jié)果表明，最大應(yīng)力發(fā)生在X向振動(dòng)時(shí)，X向隨機(jī)振動(dòng)的變形云圖和應(yīng)力云圖分別如圖10和圖11所示,天線最大位移為1.2 mm，滿足天線變形要求。材料為7075的結(jié)構(gòu)件(前端安裝架和后端安裝架)的最大應(yīng)力為144 MPa，其屈服強(qiáng)度為420 MPa，當(dāng)安全系數(shù)為1.5時(shí)，安全裕度為：

圖10 X向相對(duì)位移分布云圖

圖11 X向振動(dòng)應(yīng)力分布云圖

材料為2A12的結(jié)構(gòu)件(掃描器和微波系統(tǒng))的最大應(yīng)力為96 MPa，其屈服強(qiáng)度為270 MPa，當(dāng)安全系數(shù)為1.5時(shí)，安全裕度為：

通過(guò)有限元分析，天線單元整體剛度、強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求，且具有一定的安全裕度。

2.3 振動(dòng)條件分解

天線單元長(zhǎng)細(xì)比大，且掃描器后端采用調(diào)心軸承，航向載荷全部作用于前端，各模塊的振動(dòng)響應(yīng)差別較大。在仿真中選取有代表性的3個(gè)模塊，如圖12所示，模塊1安裝于前蓋板，模塊2安裝于主框架中心位置，模塊3安裝于掃描器前端支座，提取出各模塊的隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)曲線，取其包絡(luò)，以此功率譜密度曲線作為對(duì)應(yīng)模塊隨機(jī)振動(dòng)的設(shè)計(jì)條件。

圖12 提取振動(dòng)響應(yīng)模塊位置

處理后的振動(dòng)曲線如圖13～圖15所示?？梢钥闯鎏炀€單元內(nèi)模塊各方向隨機(jī)振動(dòng)條件離散性較大，不同方向采用同一種隨機(jī)振動(dòng)條件與真實(shí)情況不符。對(duì)比圖6、圖13～圖15可以看出天線單元內(nèi)模塊的振動(dòng)條件與整機(jī)振動(dòng)條件差別較大，因此以天線單元的振動(dòng)條件作為天線單元內(nèi)部模塊的振動(dòng)條件是不合理的。

圖13 模塊1隨機(jī)振動(dòng)曲線

圖14 模塊2隨機(jī)振動(dòng)曲線

圖15 模塊3隨機(jī)振動(dòng)曲線

3 天線單元熱分析

風(fēng)冷作為電子設(shè)備冷卻最常用的一種方式，具有系統(tǒng)簡(jiǎn)潔、安全可靠等諸多優(yōu)點(diǎn)。天線單元采用SAM結(jié)構(gòu)，由于SAM為高密度發(fā)熱模塊，并且安裝密度高，給風(fēng)管布置帶來(lái)很大困難，因此，該天線單元的散熱方式采用液體冷卻。

天線結(jié)構(gòu)緊湊，集成度高，發(fā)熱模塊多，需對(duì)各散熱模塊進(jìn)行熱仿真分析，并采取合理的散熱措施使各功率器件溫度控制在允許的溫度范圍之內(nèi)，防止溫度過(guò)高造成功率器件工作效率降低甚至損壞。

根據(jù)雷達(dá)環(huán)境適應(yīng)性要求，在額定供液流量條件下，分析了天線單元各模塊內(nèi)功率器件的溫度分布，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。熱仿真中設(shè)定外界初始環(huán)境溫度為70 ℃，冷卻液入口溫度為40 ℃。SAM內(nèi)各發(fā)熱元器件的溫度分布云圖如圖16所示，接收模塊內(nèi)各發(fā)熱元器件的溫度分布云圖如圖17所示。

圖16 SAM模塊溫度分布云圖

圖17 接收模塊溫度分布云圖

由圖可知SAM模塊最高溫度約為59.3 ℃，接收模塊最高溫度約為60.6 ℃，均滿足熱設(shè)計(jì)要求。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)上述分析，將載機(jī)隨機(jī)條件進(jìn)行分解，得到各模塊的隨機(jī)振動(dòng)功率譜密度函數(shù)，并將其作為對(duì)應(yīng)模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)條件。天線單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后，按照環(huán)境適應(yīng)性要求對(duì)天線單元進(jìn)行了3個(gè)方向的隨機(jī)振動(dòng)實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)檢測(cè)，天線單元結(jié)構(gòu)件無(wú)裂紋產(chǎn)生，螺栓等緊固件未出現(xiàn)松脫現(xiàn)象。該天線單元結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)載機(jī)的技術(shù)要求，完成了雷達(dá)天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)力學(xué)仿真和熱仿真驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的可行性，最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了天線單元的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中主要采用了以下措施：

1)采用正交單支耳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了裝機(jī)難度的同時(shí)提高了天線的安裝精度；2)將冷板和轉(zhuǎn)接板與承力框架一體化設(shè)計(jì)，減輕重量的同時(shí)增加了負(fù)載的剛度貢獻(xiàn)；3)將接收機(jī)與天線一體化設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)的信號(hào)傳輸損耗，實(shí)現(xiàn)了機(jī)載雷達(dá)天線單元的輕量化設(shè)計(jì)；4)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中將天線振動(dòng)條件進(jìn)行分解，得到天線中各模塊的振動(dòng)響應(yīng)條件，為各模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

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