張濟(jì)良,董培松,肖 松

(中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所,河北 石家莊 050081)

0 引言

隨著航天技術(shù)的發(fā)展,對星載天線提出了越來越高的要求,相控陣天線由于兼具口徑大、高增益、多波束以及等效重量輕等特點(diǎn)逐漸得到廣泛應(yīng)用。但由于星載相控陣天線工作過程和環(huán)境的特殊性,從衛(wèi)星發(fā)射、入軌到運(yùn)行期間會經(jīng)歷多種力學(xué)環(huán)境的影響[1]。

文獻(xiàn)報道中對相控陣天線結(jié)構(gòu)的研究,多集中在地面、車載、機(jī)載等載體平臺[2-4],這些平臺上的相控陣天線頻段低、結(jié)構(gòu)設(shè)計相對稀疏,同時平臺的載荷激勵通常持續(xù)時間長、幅值小,因此現(xiàn)有平臺相控陣天線的設(shè)計,對星載相控陣特別是高頻段星載相控陣的結(jié)構(gòu)設(shè)計不能提供有效指導(dǎo)。為此,本文以某Ka頻段星載收發(fā)一體化相控陣天線為例,提出了一種結(jié)構(gòu)緊湊的箱體類結(jié)構(gòu)框架設(shè)計,并對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度校核,完成了相關(guān)環(huán)境試驗。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)設(shè)計

某Ka頻段星載收發(fā)一體化相控陣天線同時具備接收與發(fā)射功能,其內(nèi)部集成多個模塊,主要包括天線陣列、射頻模塊、綜合信息處理單元、結(jié)構(gòu)支撐等,系統(tǒng)組成如圖1所示。這些模塊既需要電氣連接又需要結(jié)構(gòu)互聯(lián),同時還要實現(xiàn)功能,具備高可靠性以及對空間環(huán)境的適應(yīng)能力,需綜合考慮各方面因素進(jìn)行一體化設(shè)計[5]。

圖1 某Ka頻段星載收發(fā)一體化相控陣天線系統(tǒng)組成

針對Ka頻段星載收發(fā)一體化相控陣天線的任務(wù)需求,通過優(yōu)化各模塊的整體布局,提出了一種結(jié)構(gòu)緊湊的箱體類相控陣天線結(jié)構(gòu),其底部以綜合信息處理單元作為整體結(jié)構(gòu)支撐,上部通過鋁合金側(cè)板圍成屏蔽箱體,通過內(nèi)部模塊與箱體結(jié)構(gòu)的連接,進(jìn)一步加強(qiáng)整體結(jié)構(gòu)剛度。

1.2 天線陣列設(shè)計

天線陣列位于整個箱體結(jié)構(gòu)的頂部,共包含接收、發(fā)射兩種陣面,天線均采用振子天線形式。由于天線陣列與射頻模塊之間設(shè)計采用垂直盲插結(jié)構(gòu),為了保證電氣連接的可實現(xiàn)性與對插精度,采取了以下措施:

1)天線采用分條加工的方式,單條天線集成多個振子天線,其外部腔體一體加工成型以保證加工精度。

2)天線與組件之間通過SMP接頭進(jìn)行電氣連接,利用SMP接頭的安裝容差,使得在存在一定誤差的情況下,仍能保證對插精度。

3)對裝配尺寸鏈進(jìn)行合理計算,保證SMP接頭能夠有效電連接的同時便于加工,根據(jù)工程經(jīng)驗,各部分尺寸公差分配如圖2所示時,能夠有效地控制SMP接頭安裝位置公差。

圖2 天線裝配位置尺寸鏈分配

1.3 射頻模塊設(shè)計

射頻模塊根據(jù)功能分為接收射頻模塊、發(fā)射射頻模塊。接收射頻模塊中接收組件采用異型設(shè)計的方式,對組件上沒有電氣功能的部分做減重處理,組件下方設(shè)有射頻接口,“刀口”位置設(shè)置低頻插座,兩個側(cè)面設(shè)計安裝接口。接收饋電網(wǎng)絡(luò)與每個組件均有射頻接口相連,安裝時將有源射頻組件逐個與饋電網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接,通過螺釘將有源射頻組件與饋電網(wǎng)絡(luò)連接為一個整體。由于接收組件寬度方向尺寸較小,為了使側(cè)板不出現(xiàn)彎折影響散熱,接收組件與側(cè)板之間增加過渡板。

發(fā)射射頻模塊中發(fā)射組件采用“背靠背”的安裝形式,兩個組件作為一組通過螺釘固定在中間的夾板上,其中夾板上設(shè)計定位凸臺,組件對應(yīng)位置設(shè)置凹槽,通過凸臺與凹槽的配合,保證組件與中間夾板定位準(zhǔn)確,方便后續(xù)裝配。對組件上沒有電氣功能的部分做減重處理,組件下方設(shè)有射頻接口,“刀口”位置設(shè)置低頻插座,將每組組件逐個與饋電網(wǎng)絡(luò)相連,并通過螺釘與組件連接為一體。

由于射頻模塊與箱體直接相連,在實現(xiàn)電氣功能的同時,結(jié)構(gòu)上可以將射頻模塊視作“肋板”,通過肋板的加強(qiáng)作用,提高結(jié)構(gòu)整體的可靠性。

1.4 綜合信息處理單元設(shè)計

綜合信息處理單元內(nèi)部集成波控板與電源,采用一體化設(shè)計的方式避免重量的冗余增加。波控板固定在綜合信息處理單元上部,為了充分利用有限空間,接收、發(fā)射波控板采用異型整體布板的設(shè)計方法一體設(shè)計,結(jié)構(gòu)上通過多個安裝孔進(jìn)行均勻固定,以保證波控板受力均勻,組件與波控板之間采用電纜組件連接的方式,對振動、沖擊有較強(qiáng)的耐受力,可增加系統(tǒng)的可靠性。電源模塊重量較大,在設(shè)計時將電源模塊布置在綜合信息處理單元底部,以降低結(jié)構(gòu)重心,增加結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

由于綜合信息處理單元作為整個相控陣天線的底座,其強(qiáng)度、剛度對整機(jī)影響較大,因此通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計,在綜合信息處理單元側(cè)壁位置合理設(shè)置筋板以提高整體強(qiáng)度。與平臺直接連接的法蘭接口位置,為了使其均勻受力將其連接為整體,并在每個固定孔周圍增加三角肋板,以避免在安裝孔附近出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。

2 有限元仿真分析

2.1 有限元模型的建立

某Ka頻段星載收發(fā)一體化相控陣天線所受力學(xué)試驗條件如下:

1)加速度試驗,縱向10 g,橫向3 g,保持時間5 min。

2)正弦振動試驗,5～16 Hz位移17.58 mm(0-P),16～100 Hz加速度18 g,掃描速率1 oct/min。

3)隨機(jī)振動試驗,20～100 Hz按+3 dB/oct增加,100～600 Hz功率譜密度為0.3 g2/Hz,600～2 000 Hz按-9 dB/oct衰減,總均方根值15.7 g,保持4 min。

在結(jié)構(gòu)設(shè)計時需要保證其力學(xué)性能,使其符合星載環(huán)境對設(shè)備的靜力學(xué)、動力學(xué)要求。在工程應(yīng)用時,可對結(jié)構(gòu)進(jìn)行空間上的離散,建立有限元基本方程如下:

(1)

采用通用有限元軟件進(jìn)行仿真分析,為提高仿真效率,去除對仿真結(jié)果影響不大的細(xì)小結(jié)構(gòu),得到簡化模型。將簡化模型導(dǎo)入仿真軟件中,對需要連接的部分采用Beam梁單元連接以模擬真實的螺釘連接結(jié)構(gòu),劃分網(wǎng)格后設(shè)置對應(yīng)激勵,建立有限元模型進(jìn)行求解。

2.2 加速度分析

加速度分析主要驗證在過載情況下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是否滿足要求,提取分析結(jié)果,得到三個方向天線結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖如圖3所示,最大應(yīng)力出現(xiàn)在法蘭位置為17 MPa。

圖3 加速度分析應(yīng)力云圖

2.3 模態(tài)分析

在進(jìn)行動力學(xué)分析之前,需要先進(jìn)行模態(tài)分析得到固有頻率和振型[7]。采用Block Lanczos法來提取模態(tài)分析結(jié)果,本分析中共提取了30階模態(tài),以保證結(jié)構(gòu)在之后的動力學(xué)仿真中具有足夠的參與質(zhì)量系數(shù),其中前6階固有頻率見表1。

表1 前6階固有頻率

2.4 正弦振動分析

在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上,對結(jié)構(gòu)進(jìn)行正弦振動分析,結(jié)合以往仿真經(jīng)驗阻尼比常數(shù)設(shè)置為0.04,在正弦振動激勵下,得到三個方向天線結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖如圖4所示,最大應(yīng)力出現(xiàn)在法蘭位置為30 MPa。

圖4 正弦振動分析應(yīng)力云圖

2.5 隨機(jī)振動分析

進(jìn)一步進(jìn)行隨機(jī)振動分析,得到三個方向天線結(jié)構(gòu)的3σ應(yīng)力云圖如圖5所示,最大應(yīng)力為出現(xiàn)在法蘭位置為183 MPa。

圖5 隨機(jī)振動分析應(yīng)力云圖

2.6 仿真結(jié)果

在上述激勵下,星載相控陣天線結(jié)構(gòu)的安全裕度應(yīng)大于0,其中安全裕度計算公式為:

(2)

式中:M.S為安全裕度;σb為材料的極限強(qiáng)度;f為安全系數(shù),取1.5[8]。

綜合加速度、正弦振動以及隨機(jī)振動分析結(jié)果可知,最大應(yīng)力均出現(xiàn)在法蘭位置,該位置材料為鋁合金7075,許用應(yīng)力為450 MPa。在加速度過載以及正弦振動激勵下,最大應(yīng)力分別為12 MPa、30 MPa,遠(yuǎn)小于材料的許用應(yīng)力,滿足使用要求。在隨機(jī)振動載荷激勵下,最大應(yīng)力為183 MPa,安全裕度M.S為0.6>0,具有足夠的安全裕量。

3 環(huán)境試驗驗證

為了進(jìn)一步校驗結(jié)構(gòu)設(shè)計的正確性,暴露潛在的設(shè)計缺陷,按照環(huán)境試驗要求完成相關(guān)力學(xué)試驗。在加速度試驗前、后進(jìn)行電性能測試,在正弦振動試驗、隨機(jī)振動試驗前、后增加特征級掃頻以及電性能測試。以隨機(jī)振動試驗前、后特征級掃頻結(jié)果為例,其特征級掃頻曲線分別如圖6、圖7所示,可以看出試驗前、后曲線趨勢、峰值位置基本一致。

圖6 隨機(jī)振動試驗前特征級掃頻曲線 圖7 隨機(jī)振動試驗后特征級掃頻曲線

對試驗前、后外觀、特征級掃頻曲線、電性能測試分別進(jìn)行對比,經(jīng)比對試驗前、后外觀無明顯損傷、電性能無明顯變化,正弦振動試驗、隨機(jī)振動試驗前、后特征級掃頻曲線基本吻合,結(jié)構(gòu)設(shè)計滿足使用要求。

4 結(jié)束語

以某Ka頻段收發(fā)一體化星載相控陣天線為例,詳細(xì)介紹了一種結(jié)構(gòu)緊湊的箱體類相控陣天線結(jié)構(gòu)設(shè)計,并進(jìn)行了加速度、正弦振動以及隨機(jī)振動有限元仿真分析,結(jié)果表明相控陣天線具有足夠的安全裕量。環(huán)境試驗進(jìn)一步驗證了結(jié)構(gòu)設(shè)計的正確性,目前相控陣天線已順利入軌,各項指標(biāo)均滿足設(shè)計要求。該星載收發(fā)一體化相控陣天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析過程對同類型天線結(jié)構(gòu)設(shè)計具有參考意義。