董 青 張戎斌

(安徽四創(chuàng)電子股份有限公司 合肥 230009)

0 引言

近程航管一次雷達(dá)是一種搜索雷達(dá)，主要用于探測以雷達(dá)陣地為中心，半徑110km至150km范圍內(nèi)的各種飛機活動情況，其主要任務(wù)是探測飛機并引導(dǎo)飛機安全飛行。

天線是雷達(dá)的重要部件，它負(fù)責(zé)雷達(dá)工作時發(fā)射和接收波束。目前，市場上常見的近程航管一次雷達(dá)天線反射面多為金屬網(wǎng)反射面。金屬網(wǎng)反射面天線的特點是，材料獲取簡單，工藝成熟。但是金屬網(wǎng)面天線的加工和裝配難度較大，精度難以保證，制作周期較長，金屬網(wǎng)及支承網(wǎng)面形狀的骨架背筋等零部件總重量較重，本文介紹一種復(fù)合材料曲面天線，成型精度高，同時解決現(xiàn)有金屬網(wǎng)反射面天線重量大和加工制造困難等問題。

1 天線的設(shè)計

因碳纖維復(fù)合材料具有耐腐蝕、高強度、重量輕、膨脹系數(shù)幾乎為0等優(yōu)點，且結(jié)合國外同類先進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計經(jīng)驗，近程航管一次天線有采用碳纖維復(fù)合材料的先例，如EASAT公司的EA5325型航管雷達(dá)天線及Ea11570系列軍用雷達(dá)均采用復(fù)合材料天線陣面+金屬管背架方案制作。

基于上述因素，擬設(shè)計一種碳纖維復(fù)合材料的近程航管一次雷達(dá)天線。天線由反射面和背骨架構(gòu)成；面板采用鋁蜂窩A夾層碳纖維結(jié)構(gòu)，反射體背筋采用泡沫A夾層。背骨架設(shè)計H型箱型梁骨架。主要用于天線罩內(nèi)工作環(huán)境，兼顧測試場地及架設(shè)時的戶外環(huán)境因素，系統(tǒng)工作風(fēng)速不高于20m/s，生存風(fēng)速30m/s。

新設(shè)計H形箱型梁骨架結(jié)構(gòu)簡單，天線陣面需較多加強筋，三塊陣面相互靠近的加強筋中設(shè)有定位銷孔，天線可依靠陣面自身定位。方便拆裝，重量較輕，天線抗風(fēng)能力差，主要用于天線罩內(nèi)。

綜合考慮，天線采用H形箱型梁骨架方案。

圖1 復(fù)合材料+H形骨架一次天線

天線分塊方式的確定由整塊面板制作，工藝簡單便捷，電訊性能好，但是整塊天線的尺寸超過公路運輸?shù)某叽缦拗?。因此需要多天線進(jìn)行面板分塊設(shè)計，如果分塊較多，加工和裝配難度較大。由于本文所述近程一次雷達(dá)天線主要運用于天線罩內(nèi)；在電訊性能上，面板下半部分對指標(biāo)的影響較上半部分??；基于上述因素，天線面板采取上大下小的兩分塊方案設(shè)計，為滿足運輸要求，上塊高度2200mm，下塊高度841mm。

圖2 天線分塊示意

天線定位裝配，采用定位銷、定位套的組合方式實現(xiàn)上塊和下快的精確定位。為了避免常規(guī)的定位裝配過程中的敲擊對復(fù)合材料天線的損傷，定位銷和定位套的軸向移動利用螺紋傳動方式實現(xiàn)。

圖3 分塊天線的定位機構(gòu)

反射面邊緣處的橫筋上分布5個定位孔，并在孔上固定金屬套筒。上、下邊塊組裝時，定位套盒定位銷上的螺紋部分與螺套配合，兩端螺紋導(dǎo)程是不等長設(shè)計，當(dāng)旋轉(zhuǎn)螺套時，定位銷會在螺旋作用下實現(xiàn)軸向移動[1]。

天線與背骨架的裝配：天線陣面裝配完成后，需將整塊天線固定安裝在背骨架上。天線通過其背部靠近中央的兩根縱向筋與H型骨架的兩根主梁固定。兩根天線縱筋中各預(yù)埋五處套筒。背架兩側(cè)主梁相應(yīng)位置焊接有支耳，骨架上的支耳與背筋里套筒通過螺栓聯(lián)接。在裝配過程中，先將支耳與天線面板聯(lián)接固定，然后在測試儀器的輔助下，將支耳與骨架大梁配焊，以實現(xiàn)天線面板與骨架的精確定位。

2 載荷計算

本文拋物面天線的主要受風(fēng)載荷影響，風(fēng)載荷是由于空氣對物體的相對運動面產(chǎn)生的，氣體繞經(jīng)天線反射體時，在尖銳的邊緣發(fā)生分離，在背面產(chǎn)生渦旋區(qū)，迎風(fēng)面和背面各對應(yīng)點的壓差就形成了風(fēng)力和風(fēng)力矩。天線轉(zhuǎn)臺在工作時，風(fēng)載荷產(chǎn)生的方位風(fēng)力矩是確定天線轉(zhuǎn)臺驅(qū)動功率大小的重要因素。方位風(fēng)力矩MF是由方位靜態(tài)風(fēng)力矩MJ和附加動態(tài)風(fēng)力PJ共同形成[2]。

本文研究的雷達(dá)天線特征面積A為14.92m2，天線特征長度L為3.53m，天線轉(zhuǎn)動半徑R為1.76m，最大工作風(fēng)速V為30m/s時天線轉(zhuǎn)速ω為6～15r/min。風(fēng)力矩的計算見公式(1)～公式(3)：

(1)

(2)

(3)

式(1)中ρ為大氣密度，取0.125kg/m3；K為陣風(fēng)因子，其數(shù)值根據(jù)風(fēng)速大小而變化，本文陣風(fēng)因子的選取參考文獻(xiàn)[3]；Cmy和Cx是影響風(fēng)載荷大小的重要參數(shù)，分別為風(fēng)力矩系數(shù)和風(fēng)阻力系數(shù)，它們的取值很大程度上取決于天線的外形和結(jié)構(gòu)形式[4]。表1列出了本文研究的天線在不同迎風(fēng)角度時的方位風(fēng)力距系數(shù)和水平風(fēng)阻力系數(shù)。

隨著天線的旋轉(zhuǎn)，方位風(fēng)力矩在風(fēng)力作用下，其大小是交變的，計算天線旋轉(zhuǎn)一周所受的均方根方位風(fēng)力矩，如公式(4)：

(4)

式(4)中：ti表示不同方位時段所占時間；T表示旋轉(zhuǎn)一個周期所占時間。

表1列出不同風(fēng)速時，天線在不同轉(zhuǎn)速情況下，一個轉(zhuǎn)動周期內(nèi)所受的方位風(fēng)力矩(其中：6r/min和15r/min為天線工作轉(zhuǎn)速，7.5r/min和12r/min是其中間轉(zhuǎn)速)。

表1 不同風(fēng)速下的方位風(fēng)力矩均方根

風(fēng)速V(m/s)天線轉(zhuǎn)速r/min一次天線MF(Nm)865337.5603151030156139012195815222520622557.52382153281

天線陣面需要校核最大生存風(fēng)速下的強度和最大工作風(fēng)速下的變形量。

本天線外殼采用復(fù)合材料及鋁蜂窩夾層結(jié)構(gòu)形式，其中碳纖維包圍厚度為1mm。由于表面復(fù)合材料和鋁蜂窩夾心主要承受彎曲載荷，且屬于大面積小厚度體，故針對復(fù)合材料表面用殼單元來建立力學(xué)模型。有限元網(wǎng)格劃分的好壞直接影響后續(xù)計算結(jié)果的精度，為了獲得質(zhì)量較高的有限元網(wǎng)格，模型網(wǎng)格劃分采取了系統(tǒng)自動劃分和手動劃分相結(jié)合的網(wǎng)格劃分方式；對雷達(dá)罩等較為規(guī)則的零件通過切割的方法轉(zhuǎn)化為可掃掠實體，采用掃掠方法進(jìn)行劃分，以獲得尺寸均勻的高質(zhì)量六邊形網(wǎng)格，同時施加單元尺寸約束，限制網(wǎng)格尺寸為0.01m，使網(wǎng)格不至過于稀疏。

表2 天線各組件材料特性表

結(jié)構(gòu)件反射面表面、背筋外包圍T300環(huán)氧復(fù)合材料反射面夾心層鋁蜂窩背筋夾心層材料Rohacell51彈性模量E(GPa)E11=135E22=E33=7E=1.29E=70剪切模量G(GPa)G12=4.5G13=4.5G23=4.5G12=184.49G23=276.74G=0.019泊松比μμ12=μ13=0.3μ23=0.03μ=0.33μ=0.4密度ρ(Kg/m3)1628.62652屈服強度σ0.2(MPa)/1571.6抗拉強度(MPa)3500//

表2列出了復(fù)合材料天線所使用的各向異性材料屬性。計算中，天線所受載荷為風(fēng)阻力和重力，下面分別給出二種工況下的計算云圖。

圖4 30m/s風(fēng)速下應(yīng)力云圖

圖5 20m/s風(fēng)速下的總形變云圖

表3 兩種工況下綜合作用的變形和應(yīng)力

項目20m/s風(fēng)速30m/s風(fēng)速限值最大應(yīng)力(MPa)26.24558.389—最大變形量(mm)2.55.67泡沫夾心層最大應(yīng)力(MPa)0.0720.21.6鋁蜂窩夾心層最大應(yīng)力(MPa)21.545.4157碳纖維外包層最大應(yīng)力(MPa)26.24558.3893500

由上表可見，30m/s的生存風(fēng)速下，天線各材料應(yīng)力均在極限值以下，且安全系數(shù)大于3。20m/s的工作風(fēng)速下，天線最大變形2.5mm，滿足設(shè)計指標(biāo)小于7mm的要求。

背骨架采用4mm厚的20號冷軋鋼板焊接而成，其抗拉強度為355-500MPa；屈服強度235MPa。

圖6 30m/s風(fēng)速下應(yīng)變云圖

工況條件：背骨架上承載一次雷達(dá)天線，自重130kg；可能加裝二次雷達(dá)天線，預(yù)估二次雷達(dá)天線重500kg，在30m/s風(fēng)速下，二次雷達(dá)天線風(fēng)載荷25173N[5]；一次雷達(dá)天線風(fēng)載荷27617N。

背骨架最下方減重孔和背骨架前面的額折彎處應(yīng)力最大，參考鋼材的屈服強度，其安全系數(shù)為1.27，滿足該設(shè)備30m/s風(fēng)速下不破壞的要求。

3 結(jié)束語

隨著雷達(dá)天線精度的要求越來越高，以及大尺寸天線需要剛度好，重量輕，所以復(fù)合材料天線的使用概率會逐漸增多。本文以某型雷達(dá)天線為研究對象，對雷達(dá)反射面風(fēng)力矩的計算，得出使用反射面采用鋁蜂窩A夾層碳纖維結(jié)構(gòu)，反射體背筋采用泡沫A夾層制造的雷達(dá)天線滿足使用要求。