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(1.安徽四創(chuàng)電子股份有限公司， 安徽合肥 230088；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所， 安徽合肥 230088)

0 引言

數(shù)字陣列雷達(dá)具有資源調(diào)度靈活、抗干擾能力強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)多功能智能化等優(yōu)點(diǎn)，隨著技術(shù)成熟度的提高和器件成本的降低，逐漸成為當(dāng)今地面雷達(dá)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的主流。但是，由于數(shù)字陣列雷達(dá)有源天線內(nèi)部數(shù)字收發(fā)設(shè)備高度集成、組件熱流密度大、光電液一體化互聯(lián)互通的架構(gòu)大幅增加了雷達(dá)系統(tǒng)的復(fù)雜程度和設(shè)計(jì)難度，給雷達(dá)整機(jī)結(jié)構(gòu)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)提出了新的挑戰(zhàn)。

1 數(shù)字陣列高機(jī)動(dòng)雷達(dá)系統(tǒng)基本架構(gòu)

數(shù)字陣列雷達(dá)與常規(guī)相控陣?yán)走_(dá)的主要不同點(diǎn)之一是引入了數(shù)字陣列模塊[1](DAM)，該模塊是數(shù)字陣列雷達(dá)的核心設(shè)備，是高度集成了微波電路器件、數(shù)字電路器件、光處理模塊、電源及冷卻液通道的多I/O數(shù)字化組件。由于DAM與雷達(dá)其他主要設(shè)備在物理上高度融合，其設(shè)計(jì)理念和技術(shù)實(shí)現(xiàn)與常規(guī)相控陣?yán)走_(dá)有著明顯的不同。

本文針對(duì)某新型數(shù)字陣列高機(jī)動(dòng)雷達(dá)的開(kāi)發(fā)，提出了地面數(shù)字陣列高機(jī)動(dòng)雷達(dá)系統(tǒng)的基本架構(gòu)，如圖1所示，可劃分為數(shù)字陣列天線、機(jī)電液光傳輸機(jī)構(gòu)、架撤機(jī)構(gòu)、伺服傳動(dòng)與控制、運(yùn)輸載體、工作平臺(tái)、電子設(shè)備方艙、液冷源、電站等主要部分。

該體制雷達(dá)系統(tǒng)架構(gòu)具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：

1) 多種功能模塊高度集成

應(yīng)用CBB思想[2-3]進(jìn)行雷達(dá)系統(tǒng)的頂層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)各組成部分建立CBB基本數(shù)據(jù)庫(kù)，可分別構(gòu)建工作平臺(tái)、架撤機(jī)構(gòu)、伺服控制、電子設(shè)備方艙、液冷源、電站等CBB模塊。根據(jù)不同雷達(dá)的要求，通過(guò)更換相應(yīng)CBB模塊，快速實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)的可重構(gòu)。

2) 有源天線的結(jié)構(gòu)功能一體化

由于DAM與其他設(shè)備存在著高密集度的光、電、液互聯(lián)互通，傳統(tǒng)的分離式設(shè)計(jì)已不能滿足設(shè)計(jì)需求，需要采取多種融合設(shè)計(jì)的措施，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能一體化。

3) 架撤機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新靈巧化

本文以某型雷達(dá)為例(如圖2所示)，采用新型空間多連桿機(jī)構(gòu)，通過(guò)多油缸協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)天線的展開(kāi)折疊，具有動(dòng)作時(shí)間短、展收壓縮比大、剛性好、安全性高、外形美觀等特點(diǎn)。

2 頂層結(jié)構(gòu)的CBB構(gòu)建

CBB指在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)及集成過(guò)程中，可以共用的功能模塊。根據(jù)實(shí)用需求建立CBB基本數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)各組成部分進(jìn)行系列化的頂層規(guī)劃，采集相應(yīng)的共用數(shù)據(jù)，建立標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的功能模塊。

本文基于數(shù)字陣列高機(jī)動(dòng)雷達(dá)基本架構(gòu)，根據(jù)整機(jī)的技術(shù)要求和天線結(jié)構(gòu)形式，進(jìn)行了頂層結(jié)構(gòu)的CBB構(gòu)建。這里以具有代表性的工作平臺(tái)與架撤機(jī)構(gòu)為例簡(jiǎn)要說(shuō)明CBB的構(gòu)建思路。

2.1 工作平臺(tái)的CBB構(gòu)建

由工作平臺(tái)的功能特性[4]可知，其CBB模塊的構(gòu)建取決于上裝設(shè)備的功能、重量、尺寸、運(yùn)輸安全性、抗傾覆能力等要素。根據(jù)上裝可用空間、安裝接口、剛強(qiáng)度、最大尺寸重量等參數(shù)對(duì)工作平臺(tái)進(jìn)行CBB構(gòu)建，以滿足各種情況下雷達(dá)機(jī)動(dòng)運(yùn)輸、使用安全性等方面的要求。

2.2 架撤機(jī)構(gòu)的CBB構(gòu)建

由架撤機(jī)構(gòu)的功能特性[5]可知，其CBB模塊的構(gòu)建取決于架設(shè)高度、載荷、架設(shè)速度、展收壓縮比等要素。根據(jù)機(jī)構(gòu)的剛強(qiáng)度、重量、尺寸、運(yùn)輸性及液壓系統(tǒng)的功能等方面對(duì)架撤機(jī)構(gòu)進(jìn)行CBB構(gòu)建，以滿足各種功能和體制的雷達(dá)架設(shè)需求。

3 有源天線的結(jié)構(gòu)功能一體化

數(shù)字陣列雷達(dá)天線內(nèi)部主要集成了大量的DAM、輻射單元及復(fù)雜的液冷流量分配管網(wǎng)等設(shè)備，如圖3所示。與常規(guī)有源天線相比，其設(shè)備更加密集，熱流密度更大以及設(shè)備間互聯(lián)關(guān)系更加復(fù)雜，是機(jī)電熱高度耦合的復(fù)雜系統(tǒng)。天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必須圍繞DAM等關(guān)鍵設(shè)備展開(kāi)結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)，才能有效優(yōu)化結(jié)構(gòu)尺寸、重量等綜合性能，保證電氣及機(jī)械互聯(lián)的可靠性。

3.1 天線的結(jié)構(gòu)功能融合設(shè)計(jì)

由于天線內(nèi)部安裝了大量的有源功能部件和必要的液冷管網(wǎng)，如果所有設(shè)備孤立地進(jìn)行設(shè)計(jì)勢(shì)必造成陣面尺寸、重量及安裝空間的失控。因此，只有采用融合設(shè)計(jì)的方法，對(duì)結(jié)構(gòu)件的功能進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件的多功能一體化。

常規(guī)數(shù)字陣列天線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以天線骨架為基礎(chǔ)，前部是安裝大量輻射單元的反射板，后部是安裝DAM組件和液冷多級(jí)分配管網(wǎng)的插箱，兩者之間通過(guò)大量的射頻電纜互聯(lián)，天線尺寸較厚，維修性相對(duì)較差。而高度融合的天線結(jié)構(gòu)主要體現(xiàn)在基于多功能反射板的模塊化子陣設(shè)計(jì)。多功能反射板是模塊化子陣的基礎(chǔ)，集成了各類射頻、液冷盲配連接器與液冷多級(jí)分配流道，前部安裝輻射單元與校正網(wǎng)絡(luò)，后部通過(guò)盲配直接與DAM的射頻通道、液冷通道互聯(lián)互通，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)與熱控的一體化設(shè)計(jì)，減少中間的電纜、水管的連接環(huán)節(jié)，不僅降低了系統(tǒng)損耗，還減小了天線厚度尺寸。

3.2 陣面環(huán)控的高精度流量分配

各DAM的溫度不均勻?qū)?dǎo)致電性能不穩(wěn)定，必須對(duì)各組件的溫度進(jìn)行高精度環(huán)控。通過(guò)液冷冷卻液的均勻分配，控制天線內(nèi)的眾多DAM組件之間的溫差在3～5℃以內(nèi)。液冷冷卻液進(jìn)入陣面后，需經(jīng)復(fù)雜的分配網(wǎng)絡(luò)，輸送到各個(gè)模塊化子陣天線。將陣面液冷流量分配管網(wǎng)一、二級(jí)分配水道集成在天線骨架中，管網(wǎng)結(jié)構(gòu)材質(zhì)選用高強(qiáng)度不銹鋼，作為天線骨架結(jié)構(gòu)的一部分，管路中設(shè)置各類流量控制閥，控制冷卻液流量均勻分配至各DAM組件內(nèi)的液冷流道，實(shí)現(xiàn)組件溫度的高精度控制，也有利于天線的輕量化設(shè)計(jì)。

圖4是一種地面數(shù)字陣列雷達(dá)天線的部分子陣結(jié)構(gòu)示意圖，采取了上述相應(yīng)結(jié)構(gòu)功能一體化技術(shù)，不僅簡(jiǎn)化了內(nèi)部管路和線路連接，還實(shí)現(xiàn)了陣面的輕型化設(shè)計(jì)，使得天線結(jié)構(gòu)更加緊湊，降低了雷達(dá)高機(jī)動(dòng)性設(shè)計(jì)的難度。

4 架撤機(jī)構(gòu)的創(chuàng)新靈巧設(shè)計(jì)

采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和成熟技術(shù)，提高架撤設(shè)備的集成度與自動(dòng)化程度，達(dá)到架撤更快、舉升更高以及運(yùn)輸性更好的目的。

傳統(tǒng)的平面連桿架撤機(jī)構(gòu)[5-6]受構(gòu)件空間運(yùn)動(dòng)方式的限制，壓縮比與承載能力較小，已不能滿足新一代數(shù)字陣列高機(jī)動(dòng)雷達(dá)的架設(shè)更高、承載更大、穩(wěn)定性更強(qiáng)等方面的需求。因此，新型架撤機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅需大幅提升架設(shè)高度、承載、外形、運(yùn)輸性等能力，還應(yīng)注重CBB構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)通用性的要求。

4.1 基于空間連桿多缸協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)的架撤機(jī)構(gòu)

某型高機(jī)動(dòng)雷達(dá)架撤機(jī)構(gòu)應(yīng)用靈巧機(jī)構(gòu)及CBB的設(shè)計(jì)思想，設(shè)計(jì)了一種基于兩級(jí)并聯(lián)機(jī)構(gòu)串聯(lián)、多液壓油缸協(xié)調(diào)動(dòng)作、多連桿折疊運(yùn)動(dòng)原理的新型空間連桿多缸協(xié)調(diào)驅(qū)動(dòng)的天線折疊架撤機(jī)構(gòu)，如圖5所示。該機(jī)構(gòu)包括第一級(jí)并聯(lián)機(jī)構(gòu)、輔助翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、第二級(jí)并聯(lián)機(jī)構(gòu)、工作平臺(tái)以及多個(gè)角度檢測(cè)元件等組成。該機(jī)構(gòu)通過(guò)高展收壓縮比空間折疊機(jī)構(gòu)、復(fù)雜空間機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)、多油缸運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)智能化伺服控制、光電液結(jié)構(gòu)一體化融合設(shè)計(jì)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，成功解決了地面高機(jī)動(dòng)雷達(dá)架撤機(jī)構(gòu)的架設(shè)能力與運(yùn)輸兼容性之間相互制約的矛盾。

4.2 多油缸協(xié)調(diào)動(dòng)作的高可靠液壓系統(tǒng)

該機(jī)構(gòu)采用液壓驅(qū)動(dòng)，動(dòng)力源采用雙電機(jī)雙泵組合，互為備份，控制元件選用高可靠電液比例閥、截止式換向閥等元器件，滿足系統(tǒng)工作的需求。架設(shè)時(shí)多組油缸分別驅(qū)動(dòng)輔助翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和兩級(jí)并聯(lián)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分步展開(kāi)，通過(guò)設(shè)置在上、下動(dòng)臂轉(zhuǎn)動(dòng)關(guān)節(jié)的角度編碼器進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，各動(dòng)作到位后液壓油缸內(nèi)部機(jī)械自鎖，形成內(nèi)部帶斜撐的空間多連桿塔式穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。根據(jù)試用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，該液壓系統(tǒng)已隨雷達(dá)整機(jī)(如圖6所示)連續(xù)工作10 920 h無(wú)故障。

5 結(jié)束語(yǔ)

數(shù)字陣列雷達(dá)由于具有傳統(tǒng)雷達(dá)不可比擬的優(yōu)異綜合性能，在地面雷達(dá)技術(shù)發(fā)展中已成為主流。本文結(jié)合某新型數(shù)字陣列高機(jī)動(dòng)雷達(dá)的成功研制，對(duì)數(shù)字陣列高機(jī)動(dòng)雷達(dá)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)CBB構(gòu)建、功能結(jié)構(gòu)一體化、架撤機(jī)構(gòu)靈巧化等關(guān)鍵技術(shù)作了一些探索和設(shè)計(jì)驗(yàn)證工作，并取得了顯著的成效，不僅實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)系統(tǒng)的單車集成，而且架撤過(guò)程僅需單人數(shù)分鐘內(nèi)完成，雷達(dá)整機(jī)機(jī)動(dòng)性指標(biāo)達(dá)到了先進(jìn)水平，研究成果具有較高的應(yīng)用推廣價(jià)值。