許家民,何永紅
(南京恩瑞特實(shí)業(yè)有限公司,江蘇南京211100)
中國民航的二次雷達(dá)網(wǎng)是保障我國航空運(yùn)輸體系飛行安全,提高機(jī)場、空域利用率和航空服務(wù)品質(zhì)的最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一。為確保二次雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)安全可靠運(yùn)行,提高對(duì)重大活動(dòng)、重大災(zāi)害和各種突發(fā)性臨時(shí)性事件的保障能力,民航空管局先后研制了多套可快速部署的高架小天線移動(dòng)式二次雷達(dá)系統(tǒng)。由于研制期間國內(nèi)外都沒有可供借鑒的工程經(jīng)驗(yàn),因此為降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)采用了天線陣面寬度為4 m的小天線。小天線的主要技術(shù)指標(biāo)均低于陣面寬度為8 m的標(biāo)準(zhǔn)天線,使得裝載小天線的移動(dòng)式二次雷達(dá)系統(tǒng)的探測精度和覆蓋能力均大大低于標(biāo)準(zhǔn)二次雷達(dá)系統(tǒng),從而限制了其應(yīng)用范圍[1]。為使民航二次雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)能夠更好地適應(yīng)當(dāng)前空管業(yè)務(wù)高速增長的需求,本文針對(duì)配置陣面寬度為8 m的全尺寸天線的移動(dòng)式二次雷達(dá)系統(tǒng),論述了該系統(tǒng)的總體布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù),對(duì)天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、天線結(jié)構(gòu)和天線塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析和計(jì)算,并驗(yàn)證了全尺寸天線二次雷達(dá)在架高后能穩(wěn)定工作,從而使移動(dòng)式二次雷達(dá)更好地滿足民航監(jiān)視的需求。
移動(dòng)式二次雷達(dá)包括艙外設(shè)備與艙內(nèi)設(shè)備。艙外設(shè)備包括天線、天線座、主饋線、高頻交連、避雷針、航警燈等;艙內(nèi)設(shè)備包括綜合機(jī)柜、伺服機(jī)柜和配電防雷機(jī)柜。艙外設(shè)備安裝在距地面約30 m高的天線塔上,其中天線和天線座安裝于天線塔頂部平臺(tái)上,主饋線排布在拖鏈上沿天線塔進(jìn)入設(shè)備艙,避雷針和航警燈安裝在天線頂部隨天線旋轉(zhuǎn)。艙內(nèi)設(shè)備與其他輔助設(shè)備并排安裝在設(shè)備方艙內(nèi)。
移動(dòng)式二次雷達(dá)的工作狀態(tài)如圖1(a)所示,其運(yùn)輸采用標(biāo)準(zhǔn)牽引車和半掛運(yùn)輸平臺(tái)分3個(gè)單元(天線塔運(yùn)輸單元、設(shè)備艙運(yùn)輸單元和天線運(yùn)輸單元)進(jìn)行,如圖1(b)所示。
圖1 移動(dòng)式二次雷達(dá)總體布局圖
天線作為移動(dòng)式二次雷達(dá)的一個(gè)重要組成部分安裝在高架塔上,在露天環(huán)境下工作,所受到的主要載荷為風(fēng)載荷。天線架高后,其自重和風(fēng)載荷不僅是天線自身剛強(qiáng)度及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)功率計(jì)算的重要依據(jù),對(duì)天線塔剛強(qiáng)度的影響也很大。此外,在天線轉(zhuǎn)動(dòng)過程中如果產(chǎn)生不平衡慣性力,則該慣性力將會(huì)傳遞到天線塔上使天線塔產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng),從而對(duì)天線塔的穩(wěn)定性造成影響[1]。因此,為確保移動(dòng)式二次雷達(dá)天線架高后能穩(wěn)定工作,需對(duì)常規(guī)全尺寸天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行以下優(yōu)化設(shè)計(jì):
1)安裝風(fēng)力平衡板,對(duì)天線風(fēng)載特性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[2]。通過風(fēng)洞試驗(yàn)分析,最終在天線背面箱體上左右對(duì)稱位置距天線陣面對(duì)稱中心3 260 mm處,安裝4個(gè)大小為340 mm×400 mm(寬×高)的風(fēng)力平衡板。平衡板與天線陣面中軸面的偏角為30?,使得靜態(tài)風(fēng)力矩(均方根)降低37.3%,總風(fēng)力矩減小約6%。
2)合理設(shè)置天線質(zhì)心和天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)軸的位置,對(duì)天線系統(tǒng)進(jìn)行平衡設(shè)計(jì)[3]。在天線轉(zhuǎn)動(dòng)過程中,如果產(chǎn)生不平衡慣性力,則該慣性力將會(huì)傳遞到天線塔上,使天線塔產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)。因此,在設(shè)計(jì)時(shí)將天線質(zhì)心與旋轉(zhuǎn)軸重合,使得旋轉(zhuǎn)部分各離心慣性力的合力為零。安裝時(shí)首先確定天線質(zhì)心的位置,然后通過調(diào)節(jié)天線與天線座的安裝位置,使天線質(zhì)心與旋轉(zhuǎn)軸重合,以達(dá)到靜平衡條件。
3)對(duì)避雷針、航警燈和天線進(jìn)行一體化集成設(shè)計(jì)。在天線上安裝2根隨天線轉(zhuǎn)動(dòng)的避雷針和1個(gè)航警燈。避雷針安裝在天線箱體左右兩側(cè)的頂面,高度約為2 m,單根避雷針質(zhì)量不大于10 kg。航警燈安裝在箱體頂面中間位置,質(zhì)量不大于1 kg。全尺寸天線優(yōu)化設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)組成如圖2所示,圖中X為轉(zhuǎn)軸到質(zhì)心的距離。
圖2 全尺寸天線系統(tǒng)組成
天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)天線的支承和在伺服系統(tǒng)控制下按要求的方式帶動(dòng)天線實(shí)現(xiàn)方位運(yùn)轉(zhuǎn)。對(duì)于移動(dòng)式二次雷達(dá),天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)架高后,其重量、尺寸、風(fēng)載荷等對(duì)天線塔的剛強(qiáng)度及承載影響很大。同時(shí),安裝在高架塔上后天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的巡檢、維護(hù)困難,因此對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特別是潤滑系統(tǒng)的可靠性和智能檢測性要求更高。天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成如圖3所示。
圖3 天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成
為確保移動(dòng)式二次雷達(dá)天線架高后能穩(wěn)定工作,對(duì)移動(dòng)式二次雷達(dá)天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了以下優(yōu)化設(shè)計(jì)[4]:
1)進(jìn)行小型化、輕型化設(shè)計(jì)。為減小外形尺寸,將底座設(shè)計(jì)成圓筒結(jié)構(gòu)(受力較好);將回轉(zhuǎn)支承安裝在底座上,對(duì)方位大齒輪和回轉(zhuǎn)支承進(jìn)行一體化設(shè)計(jì),從而使結(jié)構(gòu)更緊湊;為減輕重量,底座采用鋁合金材料,通過內(nèi)壁設(shè)計(jì)輻射筋板來優(yōu)化壁厚,提高其抗彎、抗扭剛度。改進(jìn)后,天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高度由1 300 mm減小到1 100 mm,質(zhì)量由1 600 kg減小到500 kg,為安裝在高架塔上提供了便利。
2)采用自動(dòng)潤滑技術(shù),提高可靠性。二次雷達(dá)天線工作時(shí)的轉(zhuǎn)速為15 r/min,為保證傳動(dòng)系統(tǒng)連續(xù)工作的可靠性,確保系統(tǒng)工作時(shí)傳動(dòng)部分的充分潤滑,在動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中方位大軸承、方位末級(jí)齒輪傳動(dòng)采用遞進(jìn)式自動(dòng)潤滑系統(tǒng)進(jìn)行潤滑,可確保注油量準(zhǔn)確,并可對(duì)分配器的工作狀況進(jìn)行全程監(jiān)控,同時(shí)還帶有低液位綜合報(bào)警裝置。
3)為適應(yīng)惡劣環(huán)境,配置溫控系統(tǒng)。該溫控系統(tǒng)由溫度控制器、瓷紅外線輻射器和散熱風(fēng)扇組成。雷達(dá)運(yùn)行時(shí),當(dāng)天線座內(nèi)溫度低于?20?C時(shí),溫控器控制加熱器開始工作;當(dāng)天線座內(nèi)環(huán)境溫度高于40?C時(shí),由溫控開關(guān)控制風(fēng)扇工作。
4)運(yùn)用智能監(jiān)控技術(shù),對(duì)天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作狀況進(jìn)行全程實(shí)時(shí)監(jiān)控,并帶有低液位綜合報(bào)警裝置,確保傳動(dòng)部分可靠運(yùn)行。
天線塔是移動(dòng)式二次雷達(dá)的重要組成部分,采用升降式結(jié)構(gòu),共由五節(jié)塔身組成,截面積從上到下依次增加,如圖4所示。工作時(shí)天線塔可將天線提升到30 m的高度,運(yùn)輸時(shí)收攏套裝在一起,滿足單車運(yùn)輸要求和全尺寸天線二次雷達(dá)系統(tǒng)的工作要求。
圖4 高架升降式天線塔組成圖
為滿足移動(dòng)式二次雷達(dá)的安裝與穩(wěn)定性工作要求,天線塔的主要技術(shù)指標(biāo)如下:
1)最大高度。升高到位后,天線中心距地面的高度為30 m。
2)剛強(qiáng)度。在正常工作條件下,塔頂?shù)乃綌[動(dòng)應(yīng)在±300 mm以內(nèi),方位扭轉(zhuǎn)不大于2′。
3)承載。塔頂平臺(tái)的承載能力不小于1 200 kg。
4)總質(zhì)量。天線塔的總質(zhì)量(包括所有附件,不含底部框架)不大于20 t。
5)尺寸。在運(yùn)輸和收藏狀態(tài)下最大外形尺寸不大于10 000 mm×2 500 mm×2 600 mm(長×寬×高),滿足12 m裝車和公路運(yùn)輸要求,天線塔工作時(shí)塔身底面離地高度應(yīng)能滿足半掛運(yùn)輸車輛的作業(yè)和停放要求,離地高度為1 220~1 320 mm。
6)安裝面水平度。應(yīng)能將塔頂安裝面的基準(zhǔn)水平調(diào)節(jié)至3′~5′。
7)抗風(fēng)能力。正常工作風(fēng)速≤25 m/s,不破壞風(fēng)速≤32 m/s。
天線塔由30 m高的高架塔身、方艙式框架、塔身翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、塔架提升機(jī)構(gòu)、自卸裝置、隨車起重機(jī)和輔助裝置組成。天線塔所有設(shè)備都集成在方艙式框架內(nèi),框架的外形尺寸為10 000 mm×2 500 mm×2 600 mm(長×寬×高),框架結(jié)構(gòu)滿足12 m裝車和公路運(yùn)輸要求。方艙式框架前端安裝吊鉤工作高度達(dá)到10 m且具有良好微動(dòng)控制能力的隨車起重機(jī),中部安裝可伸縮可翻轉(zhuǎn)的30 m高的天線塔塔架以及天線塔翻轉(zhuǎn)和提升裝置,后面安裝配電柜等,塔架下部安裝可旋轉(zhuǎn)收藏的天線塔支撐腿,框架四角安裝電動(dòng)自卸機(jī)構(gòu)。天線塔輔助設(shè)施包括塔頂維修平臺(tái)、登塔爬梯、護(hù)欄、支撐腿、纜風(fēng)繩等。
風(fēng)阻力系數(shù)Cs=0.489(均方根),風(fēng)力矩系數(shù)Cm=0.007(均方根),天線轉(zhuǎn)速n=15 r/min,按正常工作風(fēng)速V=25 m/s計(jì)算,則風(fēng)力矩M風(fēng)和風(fēng)力F風(fēng)分別估算為:
式中:天線反射體的面積A為8.4×1.7=14.28 m2;與轉(zhuǎn)軸垂直方向的天線尺寸D為8.4 m;動(dòng)壓頭q=V2/16;旋轉(zhuǎn)半徑R為4.2 m;?為天線轉(zhuǎn)動(dòng)角速度,rad/s。
天線方位以15 r/min速度旋轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)速系數(shù)為:
天線箱體是天線結(jié)構(gòu)的主要承力構(gòu)件,設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及剛強(qiáng)度校核??紤]到天線的通用性,這里按民航標(biāo)準(zhǔn)抗風(fēng)條件即風(fēng)速44 m/s正常工作、55 m/s不破壞進(jìn)行有限元分析。計(jì)算時(shí)將面板簡化為板單元,方管為梁單元,列饋和反射桿作為質(zhì)量元,饋電網(wǎng)絡(luò)作為載荷。
在44 m/s的風(fēng)速下,天線的變形矢量云圖見圖5(a)。因于風(fēng)阻,在水平方向天線兩側(cè)向后彎曲,邊緣最大變形為6.967 mm,考慮到安裝誤差為±2 mm,總誤差約為8.9 mm,相當(dāng)于引起空間相位差約為5?。通過計(jì)算分析,第一副瓣電平、波束寬度和增益基本不變。在55 m/s的風(fēng)速下,天線的Von Mises應(yīng)力云圖見圖5(b),最大應(yīng)力為34.5 MPa,小于鋁的允許應(yīng)力145 MPa,滿足強(qiáng)度要求。計(jì)算出的陣面變形對(duì)天線電性能的影響不大,能夠滿足雷達(dá)電訊性能要求[5]。
圖5 天線抗風(fēng)能力分析
天線塔是移動(dòng)式二次雷達(dá)的設(shè)備安裝平臺(tái)。天線塔尤其是全尺寸天線二次雷達(dá)天線塔,受到的風(fēng)載荷大,因此對(duì)天線塔的抗風(fēng)能力、承載能力及剛強(qiáng)度都有較高的要求,設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及剛強(qiáng)度校核。這里重點(diǎn)按風(fēng)速25 m/s正常工作、32 m/s不破壞2種工況進(jìn)行有限元分析。
根據(jù)移動(dòng)式高架天線塔的基本結(jié)構(gòu)將天線塔劃分為鋼架、鋼絲繩、天線等部件,采用殼單元、桿單元分別建立各部分的有限元模型,運(yùn)用隱式動(dòng)力學(xué)分析,模擬天線塔在風(fēng)載下的變形情況,研究天線塔的線位移、角位移等情況[5]。風(fēng)速為25 m/s和32 m/s時(shí)的位移響應(yīng)云圖和縱向角位移響應(yīng)云圖如圖6所示。
圖6 天線塔抗風(fēng)能力分析
進(jìn)一步計(jì)算天線塔在風(fēng)速為15 m/s,25 m/s,32 m/s和55 m/s時(shí)的最大應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)角和最大水平位移,結(jié)果見表1。
表1 不同風(fēng)速下天線塔的最大應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)角和最大水平位移
在不同風(fēng)速下,天線塔受到的最大應(yīng)力為141.30 MPa,小于鋼的允許應(yīng)力178 MPa;方位扭轉(zhuǎn)角滿足工作狀態(tài)下小于2′的要求,塔頂?shù)乃綌[動(dòng)滿足工作狀態(tài)下在±300 mm以內(nèi)的要求。因此,該天線塔滿足使用要求。
移動(dòng)式二次雷達(dá)系統(tǒng)為功能完整的空管二次雷達(dá)站,能夠自主完成空管二次雷達(dá)站所能實(shí)現(xiàn)的全部功能,為空中交通管制部門提供連續(xù)、準(zhǔn)確的二次雷達(dá)信息。本文結(jié)合移動(dòng)式二次雷達(dá)的結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)要求,達(dá)到了全尺寸天線二次雷達(dá)架高后穩(wěn)定工作的目的。該雷達(dá)可通過機(jī)動(dòng)車輛進(jìn)行快速轉(zhuǎn)場,可在較短的時(shí)間內(nèi)完成設(shè)備的安裝架設(shè),且可降低對(duì)征地及場地建設(shè)的要求,有利于縮短建設(shè)周期,減少建設(shè)投資。
移動(dòng)式二次雷達(dá)系統(tǒng)的研制與建設(shè)是為了加強(qiáng)中國民航空管系統(tǒng)的運(yùn)行保障能力,提高應(yīng)急保障水平,保障飛行安全,提高飛行流量和航班正點(diǎn)率,具有很強(qiáng)的公益性。該裝備為空管二次雷達(dá)系統(tǒng)的定期維修,為各種特殊事件的應(yīng)急處置提供了充分有力的保障,對(duì)我國空管設(shè)備的安全、可靠運(yùn)行及促進(jìn)空中交通管制的現(xiàn)代化進(jìn)程,有著十分重要的意義。