李楊 王興

摘 要：車載式二次雷達(dá)設(shè)計的難點之一是如何提高二次雷達(dá)的機(jī)動性能，針對這個問題本文論述了車載式航管二次雷達(dá)機(jī)動性設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)方法，并對機(jī)動式航管雷達(dá)的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了總結(jié)歸納，提出了天線陣面折疊的新方法。同時指出了設(shè)計要點和設(shè)計過程中應(yīng)該著重注意的問題，供同行其他人員參考。

關(guān)鍵詞：機(jī)動式;航管雷達(dá);結(jié)構(gòu)設(shè)計

2014年全國低空空域管理改革工作會議在北京閉幕，并且我國自2015年已經(jīng)全面開放低空空域管制，此舉將加速推進(jìn)通用航空產(chǎn)業(yè)以及空管綜合系統(tǒng)的快速發(fā)展[1]。

伴隨著低空空域的逐步放開，種類繁雜的各類通用航空器充斥于整個空域?？沼蚬苤茊T依據(jù)二次雷達(dá)很容易獲取通用航空器的編號、高度、方位等參數(shù)，未來空管二次雷達(dá)在民航空中交通管制的作用將愈發(fā)顯著[2，3]。

機(jī)動式航管二次雷達(dá)是機(jī)場航管雷達(dá)的補(bǔ)充保障，機(jī)動式航管雷達(dá)機(jī)動性高，越野運(yùn)輸、架設(shè)及撤退時間短，可在戰(zhàn)時或應(yīng)急時迅速開赴到指定區(qū)域?qū)崿F(xiàn)空中交通管制保障任務(wù)。

目前國內(nèi)機(jī)動式航管二次雷達(dá)已實現(xiàn)手動及半自動架設(shè)或撤退天線，全自動方式還未實現(xiàn)。本文將大口徑陣列天線高機(jī)動舉升、自動調(diào)平以及自動折疊技術(shù)應(yīng)用于機(jī)動式航管雷達(dá)，大大提升了航管二次雷達(dá)的機(jī)動性能[4，5]。

1 雷達(dá)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

機(jī)動式航管二次雷達(dá)主要由天線、設(shè)備箱、轉(zhuǎn)臺、舉升機(jī)構(gòu)、液壓調(diào)平系統(tǒng)以及車載平臺等組成。本系統(tǒng)由多個分系統(tǒng)組成，設(shè)計包括總體結(jié)構(gòu)設(shè)計、人機(jī)工程設(shè)計還有安全性設(shè)計以及三防設(shè)計。

1.2 技術(shù)指標(biāo)

本文的技術(shù)指標(biāo)包括天線架設(shè)、環(huán)境條件和機(jī)動性等。這些技術(shù)指標(biāo)也是系統(tǒng)的設(shè)計依據(jù)。

1.2.1 天線架設(shè)

工作狀態(tài)下天線陣面頂端距載車平臺最大高度是5.7米，并可在任意高度停留。天線方位可在0～360°內(nèi)調(diào)整，并且工作狀態(tài)天線需滿足±5°范圍內(nèi)調(diào)整并可鎖定。

1.2.2 環(huán)境條件

（1）環(huán)境溫度：

室外設(shè)備：工作時-35～+55℃;運(yùn)輸、存儲時-45～+70℃

室內(nèi)設(shè)備：工作時0～+45℃;運(yùn)輸、存儲時-45～+70℃

（2）抗風(fēng)能力：陣風(fēng)≤40m/s時能夠正常工作;陣風(fēng)≤55m/s時停機(jī)不破壞;

（3）抗沖擊及振動載荷：滿足GJB1621.7-935.7節(jié)中要求[6];

（4）三防措施：設(shè)備系統(tǒng)具有防潮氣、防煙霧、防霉菌的能力。

1.2.3 機(jī)動性能

（1）運(yùn)輸方式：車載方式，單車或兩個運(yùn)輸單元運(yùn)輸;

（2）架撤時間：全系統(tǒng)架設(shè)35min/4人，撤收25min/4人;

（3）特定功能：自動尋北、定位、調(diào)平、倒豎、升降、鎖緊;

（4）運(yùn)輸條件：滿足公路運(yùn)輸、鐵路運(yùn)輸、空運(yùn)及海運(yùn)要求。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)市場調(diào)研，用戶對雷達(dá)總體布局的要求是集成度高，空間利用率高，架設(shè)及撤收方便、快捷、穩(wěn)定可靠，即能夠在規(guī)定時間內(nèi)完成由臥倒運(yùn)輸狀態(tài)轉(zhuǎn)為工作狀態(tài) [7]。針對用戶的實際需求，結(jié)合機(jī)動式航管二次雷達(dá)的結(jié)構(gòu)特點和功能，將伺服控制機(jī)柜、液壓控制系統(tǒng)集成于一輛軍用越野載車平臺上，顯控處理平臺與發(fā)射機(jī)柜集成于另一輛方艙載車平臺內(nèi)。公路運(yùn)輸狀態(tài)下，天線載車平臺的外形尺寸為長8845mm，寬2450mm，高3350mm，整車通過性好。工作狀態(tài)下，連桿舉升機(jī)構(gòu)能夠?qū)⑻炀€陣面舉升至5750mm，提高了二次雷達(dá)的陣地適應(yīng)性，圖1為機(jī)動式航管二次雷達(dá)工作狀態(tài)示意圖。

2.1 天線設(shè)計

天線的結(jié)構(gòu)設(shè)計是機(jī)動式航管二次雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵之一。為保證機(jī)動式航管二次雷達(dá)相較于固定式航管的探測威力相當(dāng)，機(jī)動式依然沿用了原有航管的列線源，單根列饋長度為1800mm。35根列線源及反射棒組成的整個天線陣面尺寸為8000mm×1500mm。這為天線的折疊反轉(zhuǎn)保證滿足公路鐵路運(yùn)輸限制帶來了很大難度。

2.1.1 天線折疊

為滿足雷達(dá)的整車運(yùn)輸條件，整個天線陣面分為3塊，主陣面由25根列線源及反射棒組成，振子間距為225mm，左右邊塊陣面均由5根陣子組成。運(yùn)輸狀態(tài)時兩側(cè)變快陣面向背側(cè)折疊180°并鎖定，天線整體在兩支撐的滾珠絲杠動作下傾倒90°至水平位置，完成天線陣面的折疊，天線拼接到位由定位銷及定位面完成定位，折疊與展開均是自動完成，電動鎖緊機(jī)構(gòu)完成邊塊之間的鎖定以保證天線陣面的精度要求。圖2為天線折疊示意圖。

2.2 液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

舉升機(jī)構(gòu)是實現(xiàn)雷達(dá)架撤自動化和機(jī)動性的重要組成部分。系統(tǒng)中天線車的調(diào)平、架撤機(jī)構(gòu)均采用液壓驅(qū)動，為了使系統(tǒng)沖擊壓力最小，液壓回路需要簡化。通過設(shè)定過壓保護(hù)以及互鎖檢測來確保液壓系統(tǒng)安全可靠，整體機(jī)構(gòu)動作和安全連鎖需要通過控制電路及軟件來實現(xiàn)。

2.2.1 舉升機(jī)構(gòu)

天線陣面與設(shè)備箱以轉(zhuǎn)臺支座為支撐，以背向兩電動滾珠絲杠為俯仰支撐。天線支座與轉(zhuǎn)臺的架高舉升機(jī)構(gòu)依靠平行四連桿機(jī)構(gòu)，采用油缸驅(qū)動舉升，舉升到位后連桿機(jī)構(gòu)上的橫向伸縮銷完成對天線的舉升機(jī)構(gòu)的鎖定。

2.2.2 液壓自動調(diào)平系統(tǒng)設(shè)計

液壓調(diào)平系統(tǒng)主要由泵源、調(diào)平執(zhí)行機(jī)構(gòu)、水平儀等組成，其主要指標(biāo)：

（1）調(diào)平時間 ≤3min;

（2）調(diào)平精度 ≤6;

（3）單腿承載 ≥10t。

液壓自動調(diào)平系統(tǒng)可以對承載平臺連同載車一起調(diào)平，水平儀安裝在載車平臺上，根據(jù)水平儀的指示，通過控制四只調(diào)平撐腿的升降實現(xiàn)調(diào)平精度達(dá)到6。液壓調(diào)平系統(tǒng)原理圖見圖4。

調(diào)平執(zhí)行機(jī)構(gòu)是實現(xiàn)液壓自動調(diào)平系統(tǒng)的另一個關(guān)鍵機(jī)構(gòu)。工作狀態(tài)下調(diào)平執(zhí)行機(jī)構(gòu)示意圖見圖5左側(cè)，該執(zhí)行機(jī)構(gòu)由液壓馬達(dá)、蛙腿、液壓油缸和調(diào)平撐腿四個部件組成，當(dāng)雷達(dá)完成撤收處于運(yùn)輸狀態(tài)時見圖5右側(cè)。

2.3 載車平臺

工作狀態(tài)下載車平臺同時要承受裝備重量、車底盤重量以及風(fēng)力矩載荷的作用。根據(jù)總體設(shè)計要求，平臺的最大變形量不能超過15mm。針對平臺的剛強(qiáng)度要求，需要建立骨架的有限元模型，并借助ANSYS軟件對平臺進(jìn)行力學(xué)分析。

2.3.1 有限元模型

載車平臺結(jié)構(gòu)如圖6所示，長8410mm，寬2500mm，

高300mm。由兩根主大梁、若干橫梁及邊梁構(gòu)成骨架式結(jié)構(gòu)，固定方式為焊接，主大梁選用工字鋼，橫梁選用槽鋼，邊梁選用矩形方管梁。

有限元單元類型選擇beam188，單元數(shù)2721，每個調(diào)平撐腿分別進(jìn)行Ux、Uy、Uz、ROTx、ROTy方向約束，施加載荷包括設(shè)備自重以及沿X、Y方向的風(fēng)力矩。在平臺上代表性選擇10測點，測點分布如圖7所示，通過分析對應(yīng)點應(yīng)力值可基本評估載車平臺受力情況。

2.3.2 工況與分析結(jié)果

對圖7中的各應(yīng)力點分別施加X方向和Y方向的風(fēng)力距，風(fēng)力大小分別1000N、1600N、2100N，設(shè)備重量按實際作用面以均布載荷施加在對應(yīng)節(jié)點上。

根據(jù)兩種工況下的載車平臺的分析計算結(jié)果得出以下結(jié)論：

3 相關(guān)問題解決

3.1 操作安全性設(shè)計

機(jī)動式S模式航管二次雷達(dá)架撤系統(tǒng)與折疊動作比較復(fù)雜，須嚴(yán)格定義折疊動作流程。對于動作節(jié)點位置安裝接近開關(guān)或紅外對接測量裝置，以此確保整個天線車系統(tǒng)架撤過程的安全有序。

3.2 設(shè)備三防設(shè)計

系統(tǒng)架撤動作的精度直接決定了雷達(dá)陣面的精度，定位面、定位件、導(dǎo)向件等需有很好的表面粗糙度和形位公差要求，因此架撤系統(tǒng)各折疊動作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)不能出現(xiàn)生銹卡死現(xiàn)象。天饋系統(tǒng)設(shè)備箱內(nèi)部安裝有中心饋電網(wǎng)絡(luò)、功分網(wǎng)絡(luò)、波束控制、電源等電子設(shè)備，必須滿足三防設(shè)計要求。為此對天線箱體進(jìn)行煤油密封試驗，排除箱體的焊接缺陷;在維修安裝窗口設(shè)計密封槽;在箱體底部開有防水防塵透氣塞，以免潮氣在箱體內(nèi)積聚影響設(shè)備可靠性。

4 結(jié)束語

4.1 結(jié)論

現(xiàn)階段固定式民航空管一、二次雷達(dá)已經(jīng)有了成熟的發(fā)展，機(jī)動式航管作為未來航管雷達(dá)發(fā)展的新方向，其機(jī)動性能是關(guān)鍵因素。文中論述了機(jī)動式航管雷達(dá)的整車布局，提出了天線自動折疊、架撤以及自動調(diào)平的新方法，并指出了設(shè)計中應(yīng)該注意的問題，可供同行參考。

4.2 展望

如何改進(jìn)以提升整個載車系統(tǒng)機(jī)動性能將是今后的工作重點。為保證天線有足夠的威力，目前航管雷達(dá)列線源尺寸仍較大。后期可改進(jìn)天線振子結(jié)構(gòu)，將前端振子與后端功分網(wǎng)絡(luò)垂直“L”形分布，在保證天線陣威力的同時可較大減小振子寬度方向尺寸，從而大大降低天線陣面通過性，提高整個天線陣系統(tǒng)的機(jī)動性。

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