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某星載SAR天線陣面的游離設(shè)計(jì)與驗(yàn)證

2022-10-26 02:07董好志江李加
關(guān)鍵詞:波導(dǎo)游離縫隙

董好志, 江李加, 張 雨

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所, 安徽合肥 230088)

0 引言

星載合成孔徑雷達(dá)(SAR)是一種主動(dòng)式微波成像傳感器,可以在能見度極低的氣象條件下獲得高分辨雷達(dá)圖像,具備全天候、全天時(shí)成像能力,廣泛應(yīng)用于空間軍事偵察以及自然資源普查等軍事和民生領(lǐng)域。隨著星載SAR技術(shù)的發(fā)展,各種面向新型應(yīng)用的新體制、新模式會(huì)不斷出現(xiàn),一般可展開折疊的雷達(dá)天線陣面口徑在10~20 m,未來對(duì)星載SAR的各項(xiàng)指標(biāo)及應(yīng)用有著更高的要求,雷達(dá)口徑朝著更大的方向發(fā)展,星載SAR天線陣面在結(jié)構(gòu)上出現(xiàn)跨度大、質(zhì)量輕、剛度低等動(dòng)力學(xué)特性,由于SAR天線陣面在空間中的高低溫工作特性,天線陣面的熱變形對(duì)天線的電性能指標(biāo)有著一定的影響,如果縫隙波導(dǎo)天線因熱變形導(dǎo)致天線陣面平面度很差,其兩個(gè)輻射單元的間距與理論值存在偏差,進(jìn)而導(dǎo)致空間相位差不準(zhǔn)、增益降低等電性能影響,天線陣面是衛(wèi)星載荷的核心組成部分,其在規(guī)定溫度條件下結(jié)構(gòu)變形參數(shù)對(duì)載荷性能的穩(wěn)定性至關(guān)重要。因此針對(duì)衛(wèi)星天線在工作階段的熱變形進(jìn)行控制,保證天線在各種工況下的狀態(tài)穩(wěn)定性,具有十分重要的意義。

本文結(jié)合衛(wèi)星載荷超過30 m大口徑、長時(shí)間工作的要求,根據(jù)系統(tǒng)特征,采用模塊化的設(shè)計(jì)思路,通過模塊化組陣的方式形成SAR天線陣面,研究了SAR天線陣面的游離設(shè)計(jì)對(duì)天線陣面平面度的影響,并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)天線系統(tǒng)的游離設(shè)計(jì)與非游離設(shè)計(jì)進(jìn)行了仿真分析,同時(shí)根據(jù)天線系統(tǒng)特性策劃了一個(gè)結(jié)構(gòu)單模塊,并根據(jù)衛(wèi)星的在軌熱特性開展單模塊熱變形試驗(yàn),獲得規(guī)定溫度條件下天線游離變形數(shù)據(jù),驗(yàn)證了游離設(shè)計(jì)的有效性,為衛(wèi)星載荷的總體設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐。

1 天線陣面游離設(shè)計(jì)

該SAR天線系統(tǒng)主要由縫隙波導(dǎo)天線(含雙波段共口徑縫隙波導(dǎo)天線和單波段縫隙波導(dǎo)天線兩種)、陣面電氣部分、饋電網(wǎng)絡(luò)與電纜、天線框架與機(jī)構(gòu)和天線熱控等組成。天線系統(tǒng)由多個(gè)天線單板組成,天線單板的示意圖如圖1所示,縫隙波導(dǎo)采用矩形排列方案,單個(gè)縫隙波導(dǎo)天線安裝在天線框架上??p隙波導(dǎo)的材料為鋁合金,天線框架為碳纖維復(fù)合材料,縫隙波導(dǎo)安裝在天線框架上,由于鋁合金和碳纖維復(fù)合材料的線脹系數(shù)不一致,會(huì)導(dǎo)致在較大溫度變化下產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力和熱變形,因此,在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上,要求在較大的熱應(yīng)力下,波導(dǎo)可以產(chǎn)生小位移游離,進(jìn)而達(dá)到降低熱變形導(dǎo)致的波導(dǎo)平面度變化過大。

(a) 天線單板正面示意圖

縫隙波導(dǎo)相互獨(dú)立安裝,每一個(gè)縫隙波導(dǎo)和碳纖維框架均通過4個(gè)螺釘相固定,常規(guī)的固定方式為4個(gè)圓孔固定,在較大的熱變形下,縫隙波導(dǎo)會(huì)產(chǎn)生翹曲變形,從而導(dǎo)致天線系統(tǒng)平面度變形較大;為了消除兩者之間由于材料不同產(chǎn)生的熱變形和應(yīng)力,要求天線框架設(shè)計(jì)時(shí)把與縫隙波導(dǎo)天線安裝在天線框架上4個(gè)連接孔采用1點(diǎn)圓孔、3點(diǎn)腰形孔的連接形式,如圖2所示,4個(gè)孔的中心位置是理論位置,其中對(duì)角線腰形孔的偏轉(zhuǎn)角度為兩點(diǎn)理論位置的連線。天線系統(tǒng)中縫隙波導(dǎo)向同一方向游離,游離方向示意圖如圖3所示。

圖2 天線框架上連接孔要求

圖3 天線陣面上的游離方向示意圖

為了保證游離的可靠性,要求框架與波導(dǎo)之間的安裝面粗糙度要達(dá)到Ra3.2 μm以上,并且在安裝時(shí),安裝接觸面要涂敷特定的潤滑油脂,以降低二者之間的摩擦系數(shù)。

2 天線陣面平面度仿真分析

根據(jù)衛(wèi)星的在軌熱特性,在采取一定的熱控措施下,可以仿真出在軌期間天線系統(tǒng)各設(shè)備的溫度,如表1所示,然后根據(jù)最惡劣工況仿真出天線系統(tǒng)最大的在軌熱變形,熱變形計(jì)算分為對(duì)縫隙波導(dǎo)固定安裝和游離安裝兩種方案進(jìn)行了計(jì)算。

表1 在軌各設(shè)備仿真溫度 ℃

根據(jù)仿真結(jié)果可以看出,波導(dǎo)固定狀態(tài)下,天線系統(tǒng)垂直方向的變形量為-15.3~19.1 mm,如圖4所示;波導(dǎo)游離安裝狀態(tài)下,天線系統(tǒng)垂直方向的變形量為1.1 mm,如圖5所示。對(duì)比表明,縫隙波導(dǎo)游離安裝狀態(tài)下,可以顯著降低天線系統(tǒng)熱變形。

圖4 縫隙波導(dǎo)固定安裝狀態(tài)下熱變形云圖

圖5 縫隙波導(dǎo)游離安裝狀態(tài)下熱變形云圖

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

天線陣面由多個(gè)單板天線組成,由圖1(b)可知,每個(gè)單板天線由左右兩個(gè)完全相似的天線單元組成。根據(jù)天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對(duì)稱特點(diǎn)和試驗(yàn)場地空間限制,試驗(yàn)天線模塊采用天線單元的3/4結(jié)構(gòu)。天線陣面平面度的主要影響因素是縫隙波導(dǎo)安裝方式,單個(gè)裂縫波導(dǎo)采用四點(diǎn)約束,其中一點(diǎn)為圓點(diǎn)固定約束,其他三點(diǎn)為腰形孔約束,因此裂縫波導(dǎo)的熱變形具有相互獨(dú)立性,考慮單波段與雙波段共口徑裂縫波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不同,選用3/4個(gè)天線單元作為試驗(yàn)樣件的實(shí)驗(yàn)結(jié)論具有一定指導(dǎo)性。試驗(yàn)天線模塊的安裝方式和材料體系與天線單板完全一致,僅在方向的一側(cè)進(jìn)行了剪拆,試驗(yàn)天線模塊的示意如圖6所示。

(a) 正面示意圖

根據(jù)試驗(yàn)驗(yàn)證情況,單模塊熱變形試驗(yàn)溫度范圍設(shè)定為35 ℃到-15 ℃,每隔10 ℃進(jìn)行一次測(cè)試,具體如表2所示。每次測(cè)試前都需在測(cè)試溫度點(diǎn)保持90 min使單模塊產(chǎn)品達(dá)到溫度均衡狀態(tài),再進(jìn)行天線陣面的平面度測(cè)試和天線的熱變形測(cè)試。

表2 熱變形試驗(yàn)條件

試驗(yàn)狀態(tài)如圖7所示,將單模塊垂直吊掛在工裝上,保證單模塊除重力外,不再承受其他載荷,盡量模擬在太空中的真實(shí)狀態(tài);非接觸式雙相機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)在距離單模塊3.5 m左右的距離,同時(shí)放入環(huán)境箱。

圖7 單模塊試驗(yàn)狀態(tài)

采用非接觸式雙相機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)對(duì)各試驗(yàn)條件下的單模塊陣面變形及平面度進(jìn)行測(cè)量,該系統(tǒng)在距被測(cè)對(duì)象4 m距離內(nèi)變形測(cè)量精度為40 μm。

單模塊波導(dǎo)天線表面布置測(cè)量靶標(biāo)點(diǎn),分布方式如圖8所示,縫隙波導(dǎo)表面共布置180個(gè)測(cè)點(diǎn)。

圖8 單模塊靶標(biāo)點(diǎn)分布

以25 ℃為基準(zhǔn),選取圖5、圖6所示的靶標(biāo)計(jì)算點(diǎn),分析不同溫差下縫隙波導(dǎo)天線的平面度和游離方向(向)變形,結(jié)果如表3、表4所示。

表3 單模塊波導(dǎo)面平面度

表4 單波段波導(dǎo)天線游離變形 μm

單波段波導(dǎo)面的平面度峰峰值最小值為0.57 mm,出現(xiàn)在25 ℃狀態(tài)下,這時(shí)天線陣面的初始安裝狀態(tài);平面度峰峰值最大值為1.65 mm,出現(xiàn)在-15 ℃狀態(tài)下,相對(duì)常溫下平面度相對(duì)變化1.08 mm,與仿真的數(shù)據(jù)吻合性較好;當(dāng)溫差為-40 ℃時(shí),即從25 ℃到-15 ℃,縫隙波導(dǎo)天線在向游離變形均值為513 μm,說明縫隙波導(dǎo)天線在溫度應(yīng)力作用下,可以進(jìn)行可靠的滑移,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性。

4 結(jié)束語

本文針對(duì)某衛(wèi)星天線系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),采用游離設(shè)計(jì)的方法,以達(dá)到降低系統(tǒng)熱變形的目的,并根據(jù)衛(wèi)星的在軌溫度特性,進(jìn)行了熱變形仿真,仿真結(jié)果表明游離設(shè)計(jì)的合理性;根據(jù)系統(tǒng)的特點(diǎn)策劃了結(jié)構(gòu)單模塊,采用非接觸式雙相機(jī)攝影測(cè)量系統(tǒng)開展天線單模塊的熱變形試驗(yàn),并采集了天線陣面在不同溫度條件下的平面度和游離變形兩個(gè)方面的試驗(yàn)數(shù)據(jù),該試驗(yàn)驗(yàn)證了縫隙波導(dǎo)采用游離設(shè)計(jì)的方式,天線系統(tǒng)在規(guī)定溫度條件下熱變形與仿真的一致性較好,達(dá)到了設(shè)計(jì)的目的,反映了該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的有效性及合理性,為衛(wèi)星載荷總體設(shè)計(jì)提供了有效的數(shù)據(jù)支持。

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