艦船用雷達平板天線外流場結構優化設計

趙廣濤，李潤林，毛俊東

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

艦船用雷達平板天線外流場結構優化設計

趙廣濤，李潤林，毛俊東

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

提出了一種艦船用雷達平板天線外流場結構優化設計方法。在雷達天線轉臺系統結構方案設計階段，該方法將雷達天線數值風洞技術和外形結構設計理論相結合，用于雷達天線的外流場結構優化設計，并通過風洞試驗進行比對和驗證，降低雷達天線轉臺系統所受的風載荷，有效地降低了雷達天線轉臺系統的總重量，提高了艦船用雷達的適裝性和雷達結構的可靠性。

雷達；天線系統；外流場；結構優化設計

0 引 言

從上世紀30年代以來，艦船用雷達一直受到各國海軍的高度重視，經過多年的發展，其性能得到了很大提高，已成為艦船用作戰系統的重要組成部分。隨著作戰環境的不斷變化，雷達也面臨著反輻射導彈、隱身目標、超低空突防、綜合電子干擾以及多方向、多批次、大密度飽和攻擊的威脅。為了提高在復雜電磁和作戰環境下的探測能力，雷達正向多功能相控陣、低截獲、一體化、數字化、分布式和網絡化、高集成度等方向發展。這就要求雷達必須堅持“輕型化、小型化、組合化”的設計原則。

為此，本文提出了一種能夠幫助促進艦船用雷達天線轉臺系統輕小型化的技術方法和技術思路。本方法涉及一種艦船用雷達天線外流場結構優化設計方法。對于艦船用雷達天線轉臺系統，它所受的載荷通常包括風載荷、慣性載荷、摩擦力(矩)、自重、冰雪載荷和溫度載荷等幾種類型。而艦船用雷達正常工作和不破壞條件下的相對風速都非常高，風載荷在艦船用雷達天線轉臺系統所受的載荷中通常是最大的部分，一般艦船用雷達的天線轉臺系統結構需要克服的風載荷占總載荷的比例超過80%。由此可見，降低天線轉臺系統的風載荷是提高艦船用雷達適裝性和雷達結構可靠性的有效途徑。

本方法的特點在于將雷達天線動態外流場高精度數值模擬、雷達天線外形結構優化設計和模型風洞試驗等技術手段相結合，用于艦船用雷達天線外形結構優化設計。與目前通過持續許多輪次的風洞試驗進行天線外形結構優化設計不相同，本方法在快速性和成本方面具有優勢。通過對本方法的研究，將雷達天線動態外流場高精度數值模擬、雷達天線外形結構優化設計和模型風洞試驗等技術手段相結合，從而有效地提高艦船用雷達天線轉臺系統的適裝性和結構可靠性。

1 優化設計方法的技術思路

根據艦船用雷達天線轉臺系統降低風載荷的要求，結合天線外流場數值模擬的技術現狀和技術實踐，經過反復論證和分析，提出了雷達天線外流場高精度數值模擬、外形結構設計理論和風洞試驗相結合的天線外流場結構優化設計方法的技術思路。優化設計主要包括以下步驟：

步驟1 初始外形結構方案：根據艦船總體和雷達電訊總體的指標要求，結合雷達工作的環境條件，給出雷達天線的初始外形結構方案；

步驟2 三維實體建模：根據雷達天線外形結構方案，進行三維實體建模；

步驟3 根據CFD特點對外形結構進行簡化：外形結構簡化，使得數值模擬計算的效率和準確性都能兼顧；

步驟4 數值模擬：進行天線外流場數值模擬計算；

步驟5 仿真分析結果輸出：對仿真分析結果進行后處理后輸出；

步驟6 根據風洞試驗特點對外形結構進行簡化：外形結構簡化，使得風洞試驗模型的可加工性和試驗準確性都能兼顧；

步驟7 風洞試驗：進行天線轉臺系統模型風洞試驗；

步驟8 風洞試驗結果輸出：對試驗結果進行處理后輸出；

步驟9 外形結構方案更新：對天線外形結構進行優化設計，進行新的數值模擬和風洞試驗。

重復步驟3～8，直至優化設計結束，通常步驟3～5的重復次數要比步驟6～8的重復次數多。因為不是每次數值模擬的結果都有價值，如果仿真分析結果表明，某外形結構方案的風載荷比初始結構方案的風載荷還要大，就不需要進行風洞試驗，而直接進入步驟9。

實施過程及流程如圖1所示。

圖1 優化設計方法實施過程及流程

2 數值模擬和風洞試驗結果比對分析

2.1 天線外流場高精度數值模擬

根據本文提出的雷達天線外流場結構優化設計方法，結合某艦船用雷達天線轉臺系統結構設計方案，首先進行了天線外流場高精度數值模擬。并根據數值模擬計算結果，對天線外形結構進行了優化設計，再次進行數值模擬計算，反復幾輪下來，天線風載荷有了一定程度的下降。選取天線轉臺系統方位風力矩作為參考對象，其中某兩次數值模擬計算結果的比對如圖2所示。實際進行的數值模擬計算遠不止兩輪。根據圖2所示的優化設計方法實施過程及流程，不是每次數值模擬都有價值，就不必進行相應的模型風洞試驗，直接進入下一輪數值模擬計算。方位風力矩是選取方位驅動電機和齒輪箱的重要依據。

2.2 天線轉臺系統模型風洞試驗

按照圖2所示的優化設計方法實施過程及流程，選取其中有價值的數值模擬對應的天線外形結構，進行模型風洞試驗。圖3中選取方位風力矩系數作為研究對象，進行了兩次風洞試驗的試驗結果比對。從圖3可以看出，第二次風洞試驗中的方位風力矩系數的峰值有所下降。

圖2 數值模擬仿真分析結果比對

圖3 模型風洞試驗結果比對

2.3 數值模擬及試驗結果比對分析

根據風洞試驗得出的風載荷系數，進行了天線轉臺系統的負載計算和有限元分析。分析和計算表明，方位風力矩系數的下降，使得選取的方位驅動電機和方位減速箱的額定功率、額定輸出扭矩有所下降，相應的方位驅動電機和方位減速箱的重量都會有所下降，為雷達天線轉臺系統的適裝性結構優化設計提供了有力的支撐。

2.4根據天線外流場結構優化設計后的天線轉臺系統重量比較

根據本文提出的天線外流場結構優化設計方法，并以外流場結構優化設計結果為基礎，從結構優化減重設計、適用海洋環境的輕型材料及其工藝技術研究等方面進行了研究和分析，給出了該艦船用雷達天線轉臺系統正樣機和初樣機的重量比較如表1。

表1 重量(kg)比較表

3 結束語

本文的研究內容涉及一種艦船用雷達平板天線外流場結構優化設計方法。本方法通過將雷達天線數值風洞技術和外形結構設計理論相結合，并通過天線轉臺系統模型風洞試驗進行了比對和驗證，有效地降低了雷達天線轉臺系統所受的風載荷，有效地指導了雷達天線轉臺系統結構方案設計。該方法對提高艦船用雷達適裝性和雷達結構可靠性、減少研制風險、降低研制成本、縮短研制周期具有十分重要的意義。

[1] 趙廣濤, 吳洪才. 艦載雷達適裝性研究[J]. 雷達與對抗,2010(1):44-46.

[2] 朱鐘淦, 葉尚輝. 天線結構設計[M]. 北京: 國防工業出版社,1979.

[3] 張潤逵, 戚仁欣, 張樹雄. 雷達結構與工藝(上冊)[M]. 北京: 電子工業出版社,2007.

[4] 平麗浩, 黃普慶, 張潤逵. 雷達結構與工藝(下冊)[M]. 北京: 電子工業出版社,2007.

Structural optimum design of external flow field of shipborne radar plate antennas

ZHAO Guang-tao, LI Run-lin, MAO Jun-dong

(No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

A structural optimum design method of the external flow field of the shipborne radar plate antenna is proposed. During the design of the structural scheme of radar antenna rotary platform, this method combines the wind tunnel technology and the theory of outline structure design for the structural optimum design of the external flow field of the radar antenna. Besides, the comparison and verification are done through the wind tunnel test. The wind load suffered by radar antenna rotary platform system and the gross weight of the system are greatly reduced, and the installation adaptability and structural reliability of the shipborne radars are enhanced.

radar; antenna system; external flow field; structural optimum design

2013-12-20

趙廣濤(1976-)，男，高級工程師，博士，研究方向：雷達結構工藝和總體技術；李潤林(1979-)，男，高級工程師，研 究方向：結構工藝設計；毛俊東(1982-)，男，工程師，碩士，研究方向：雷達結構設計。

TN957.8

A

1009-0401(2014)01-0050-03