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(安徽四創(chuàng)電子股份有限公司，安徽 合肥 230088)

0 引言

風(fēng)廓線雷達(dá)是獲取高空風(fēng)和低空急流活動(dòng)特征，探測(cè)湍流、大氣穩(wěn)定度、中尺度大氣，并能夠提供高時(shí)空密度氣象信息的探測(cè)設(shè)備，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天、水文水利、大氣監(jiān)測(cè)和軍事氣象等方面，有著廣闊的應(yīng)用前景[1]。

出于現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)發(fā)展的需要，風(fēng)廓線雷達(dá)作為伴隨保障氣象裝備，其實(shí)戰(zhàn)機(jī)動(dòng)性能要求隨之也越來(lái)越高。為此，在充分借鑒、繼承現(xiàn)有機(jī)動(dòng)雷達(dá)技術(shù)的基礎(chǔ)上，基于“工業(yè)化”設(shè)計(jì)、“商品化”設(shè)計(jì)的理念，研制了一種新型高集成、高機(jī)動(dòng)車載風(fēng)廓線雷達(dá)。該雷達(dá)具有系統(tǒng)單車集成、高精度輕質(zhì)化天線陣面、全液壓自動(dòng)架設(shè)系統(tǒng)，以及多種運(yùn)輸方式兼容等優(yōu)點(diǎn)。

1 設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)了機(jī)動(dòng)式對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)，其由相控陣天線陣面、T/R組件、數(shù)據(jù)處理設(shè)備、終端設(shè)備、底盤車，以及輔助設(shè)備等組成。

設(shè)計(jì)要求如下所述。

天線陣面：3.5 m×3.5 m(長(zhǎng)×寬)。

天線重量：1.6 t。

風(fēng)速：八級(jí)風(fēng)以下能正常工作，十級(jí)風(fēng)不會(huì)導(dǎo)致永久變形或破壞(生存)。

雷達(dá)車架設(shè)/撤收時(shí)間：≤30 min/2人。

所有設(shè)備安裝于1輛越野載車上；公路、鐵路等多種運(yùn)輸方式兼容。

2 結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)組成

為了提高雷達(dá)機(jī)動(dòng)性，需對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)各單元進(jìn)行小型化、集成化設(shè)計(jì)，縮減運(yùn)輸單元數(shù)量。針對(duì)該雷達(dá)單車集成設(shè)計(jì)的要求，應(yīng)用一體化設(shè)計(jì)理念，將雷達(dá)天線、電子設(shè)備方艙、電子機(jī)柜、自動(dòng)架設(shè)系統(tǒng)(伺服控制系統(tǒng)、調(diào)平系統(tǒng)和天線折疊機(jī)構(gòu))、電站單元、底盤車和工作平臺(tái)等設(shè)備布置于1個(gè)運(yùn)輸單元。雷達(dá)結(jié)構(gòu)單元系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 雷達(dá)單元系統(tǒng)組成

2.2 總體布局設(shè)計(jì)

總體布局設(shè)計(jì)不是樂(lè)高式積木形的拼接，而是規(guī)劃各種邊界條件(運(yùn)輸要求、系統(tǒng)組成和外形包絡(luò)等)自頂向下的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這是決定車載雷達(dá)的結(jié)構(gòu)方案成敗的關(guān)鍵[2]。

機(jī)動(dòng)式風(fēng)廓線雷達(dá)對(duì)機(jī)動(dòng)性和運(yùn)輸兼容性均有較高的要求，但二者又互相制約，給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為此在總體布局方案中，應(yīng)用一體化的理念進(jìn)行設(shè)計(jì)。一是將天線陣面分塊，折疊運(yùn)輸設(shè)計(jì)[3]。即天線沿寬度方向等分為2塊，運(yùn)輸時(shí)，一塊固定于方艙的頂部，另一塊折疊后依附在方艙的側(cè)部；工作時(shí)，通過(guò)天線展開機(jī)構(gòu)將折疊天線從90° (與水平面成90°)展開到0°，并與固定天線拼接成1套完整的相控陣天線。二是雷達(dá)車工作平臺(tái)與底盤車固定方式設(shè)計(jì)為快鎖機(jī)構(gòu)(蘑菇頭式鎖緊)，調(diào)平撐腿通過(guò)支臂與底盤車大梁直接相連。當(dāng)需要鐵路運(yùn)輸時(shí)，撐腿收回，松開快鎖機(jī)構(gòu)，平臺(tái)及其以上的設(shè)備可整體快速吊裝分離，置于鐵路運(yùn)輸平臺(tái)，工作平臺(tái)和底盤車2個(gè)運(yùn)輸單元都滿足鐵路運(yùn)輸要求。結(jié)構(gòu)總體布局及工作/運(yùn)輸狀態(tài)分別如圖2和圖3所示。

該雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體布局具有如下特點(diǎn)：

a.工作平臺(tái)上集成了雷達(dá)系統(tǒng)各單元設(shè)備，布局緊湊，雷達(dá)車集成度高。

圖2 結(jié)構(gòu)總體布局

圖3 雷達(dá)車工作/運(yùn)輸狀態(tài)

b.液壓伺服控制系統(tǒng)邏輯控制撐腿調(diào)平和天線展/收，雷達(dá)車實(shí)現(xiàn)自動(dòng)架設(shè)且高機(jī)動(dòng)，系統(tǒng)安全可靠。

c.電子設(shè)備方艙分區(qū)設(shè)計(jì)，即分為電子設(shè)備區(qū)和操作人員工作區(qū)，人機(jī)工程優(yōu)越。

d.雷達(dá)天線折疊設(shè)計(jì)后，雷達(dá)車運(yùn)輸高度 <4 m，滿足公路運(yùn)輸限界要求；且鐵路運(yùn)輸時(shí)，可快速分離。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 高精度輕質(zhì)化天線陣面

天線陣面是雷達(dá)的核心部分，陣面系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的作用是保證相控陣天線電性能的實(shí)現(xiàn)，也是整個(gè)雷達(dá)結(jié)構(gòu)中最復(fù)雜的部分。在天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，全面貫徹了“商品化”設(shè)計(jì)理念，在滿足功能需求的基礎(chǔ)上，盡可能地降低成本[4]。

該雷達(dá)天線陣面采用相控陣體制，天線陣面主要由行/列天線單元、反射板、天線骨架和天線罩等組成。其中，天線單元為印制半波陣子天線，輻射單元和功分網(wǎng)絡(luò)集成一體化設(shè)計(jì)，由N行×M列組成，行和列天線單元的輻射單元呈90°垂直交叉排列，布置于反射板的正面。

天線骨架作為天線陣面的承力結(jié)構(gòu)件，既需要保證天線單元安裝后的精度要求，同時(shí)，為方便天線陣面折疊設(shè)計(jì)，需要進(jìn)行輕質(zhì)化設(shè)計(jì)。

為滿足以上需求，提出了天線骨架分層設(shè)計(jì)理念和天線高精度拼接設(shè)計(jì)方法。天線陣面結(jié)構(gòu)組成如圖4所示，陣面拼接如圖5所示。

圖4 天線骨架結(jié)構(gòu)組成示意

圖5 天線拼接結(jié)構(gòu)示意

將雷達(dá)天線骨架進(jìn)行分層設(shè)計(jì)，即分為鋼骨架層、天線單元安裝層、反射板及天線罩。作為主要承力件，鋼骨架由型鋼和折彎鋼板等焊接而成，通過(guò)龍門銑床精加工來(lái)保證天線陣列單元線源間距的精度要求；天線單元安裝層采用拉制鋁型材鉚接成型方案，制造成本低，加工變形誤差小，外觀線條流暢。既能輕質(zhì)化又能降低成本，適合批量生產(chǎn)。

為保證固定天線和折疊天線拼接后的精度要求，采用1組液壓展開油缸同步驅(qū)動(dòng)天線展開與折疊動(dòng)作，展開到位后通過(guò)接近開關(guān)和限位塊分別實(shí)現(xiàn)電限位(當(dāng)天線陣面某一狀態(tài)到位時(shí)，相應(yīng)的接近開關(guān)被點(diǎn)亮)和機(jī)械限位，來(lái)保證拼接精度。同時(shí)展開油缸內(nèi)部機(jī)械自鎖，確保陣面拼接后的精度能長(zhǎng)時(shí)間保持。

3.2 自動(dòng)架設(shè)系統(tǒng)

架設(shè)系統(tǒng)中的調(diào)平撐腿和折疊機(jī)構(gòu)在雷達(dá)系統(tǒng)起到了承上啟下的作用，不僅承擔(dān)了雷達(dá)天線的架撤任務(wù)，還是雷達(dá)車穩(wěn)定性的可靠保證[5]。

考慮執(zhí)行元件的尺寸和重量，自動(dòng)架設(shè)系統(tǒng)采用了1套全液壓伺服控制系統(tǒng)。架設(shè)流程如圖6所示。

圖6 架設(shè)流程

自動(dòng)架設(shè)時(shí)，系統(tǒng)加電后，電機(jī)啟動(dòng)，帶動(dòng)液壓齒輪泵工作，通過(guò)電液比例閥、電磁換向閥和溢流閥等高精度控制元件，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)車的自動(dòng)調(diào)平和天線展收。伺服控制系統(tǒng)采用基于雙軸水平傳感器、接近開關(guān)和比例放大模塊等多種檢測(cè)元件反饋的PLC控制技術(shù)，操作人員可通過(guò)人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)雷達(dá)車“一鍵式”架設(shè)與撤收；同時(shí)架撤過(guò)程中各動(dòng)作執(zhí)行軟件互聯(lián)互鎖，提高了系統(tǒng)控制精度與安全性。

為提高系統(tǒng)安全性和可靠性，液壓系統(tǒng)預(yù)設(shè)了2種應(yīng)急操作模式。即液壓泵站或者伺服控制系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，可通過(guò)手動(dòng)泵或者電磁換向閥上的手動(dòng)操作手柄，手動(dòng)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)車調(diào)平撐腿的伸縮和天線展收。

4 仿真分析

風(fēng)載荷是雷達(dá)工作時(shí)主要承受的負(fù)載之一，其帶來(lái)的天線變形是影響雷達(dá)性能指標(biāo)的重要因素。其數(shù)值按如下方式確定[6]：

F風(fēng)=CxqA

(1)

Cx為風(fēng)力系數(shù)；F風(fēng)為風(fēng)載荷；A為結(jié)構(gòu)迎風(fēng)面積；q為動(dòng)壓頭，q=v2/16，v為風(fēng)速。

折疊天線在展收過(guò)程中，與水平面成90°時(shí)，迎風(fēng)面積最大。在十級(jí)風(fēng)載荷工況下，采用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行力學(xué)分析，展開油缸采用桿單元，薄鋼板及型材采用殼單元，天線單元質(zhì)量等效為集中均布載荷。

有限元分析結(jié)果如圖7所示，最大等效應(yīng)力為68.8 MPa，位于折疊天線的支耳處，最大變形量為0.4 mm，位于折疊天線的外側(cè)。從仿真結(jié)果可以看出，折疊機(jī)構(gòu)和天線骨架滿足安全使用要求。

圖7 仿真結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合某型機(jī)動(dòng)式對(duì)流層風(fēng)廓線雷達(dá)的研制，從指標(biāo)要求、結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)、關(guān)鍵技術(shù)和力學(xué)仿真分析等方面進(jìn)行了闡述，對(duì)總體布局設(shè)計(jì)、高精度天線陣面和自動(dòng)架設(shè)系統(tǒng)做了較為詳細(xì)的設(shè)計(jì)分析，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。雷達(dá)整機(jī)工程實(shí)施并試用表明，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，其綜合指標(biāo)滿足總體設(shè)計(jì)要求，對(duì)類似雷達(dá)的研制工作具有一定的參考意義。