大型相控陣雷達陣面結構設計研究?

(中國電子科技集團公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

隨著雷達技術的快速發展,有源相控陣雷達已經成為現代雷達技術的發展與應用重點[1]。為滿足雷達裝備探測能力不斷升級的需求,一方面,有源相控陣雷達陣面向大型化方向發展,內部有源設備眾多,結構設計復雜,尤其是用于戰略反導或空間目標監視的地面大型固定站雷達陣面發射功率已突破兆瓦量級,發射通道數達上萬個,陣面口徑達數十米;另一方面,有源相控陣雷達陣面結構安裝精度要求日趨嚴苛,典型X頻段有源相控陣天線單元安裝精度要求為亞毫米級,典型P頻段有源相控陣天線單元安裝精度要求為毫米級。此外,大型固定站有源相控陣雷達天線系統多以建筑物形式存在,部署地點多偏僻,現場施工條件差,施工難度大,相控陣雷達天線系統建成后還需要給內部設備和人員提供比較良好的工作和維修環境,這些都給天線陣面結構帶來了很大的困難。

天線系統結構設計研究工作雖然比較豐富,但主要集中于機載、車載有源相控陣天線結構,以及拋物面天線結構等方面[2-3]。雷達天線陣面規模較小,針對地面大型相控陣雷達天線系統結構設計的研究報道很少。本文對國內外地面大型相控陣雷達陣面結構形態進行簡要概述,并針對某大型固定站相控陣雷達陣面結構設計所面臨的結構規模大、精度要求高、環境條件嚴苛、內部設備多,以及現場施工要求高等問題,綜合系統造型、剛強度、安全性、精度和現場施工等因素,對大型天線陣面結構研制流程進行了研究,闡述了系統造型設計、剛強度設計、安全性設計、精度控制和組裝式施工等結構設計主要環節的工程實現方法和思路。

1 地面大型相控陣雷達陣面結構設計概述

自20世紀50年代起,地面大型相控陣雷達作為美蘇彈道導彈防御系統的骨干裝備得以快速發展[4-5]。美國先后研制了以AN/FPS-85,AN/FPS-108,AN/FPS-115 Pave Paws,GBR-P,XBR等為代表的固定站式大型相控陣雷達。前三型雷達采用鋼骨架建筑樓或混凝土建筑物結構形式、UHF頻段、相掃體制,陣面口徑面積超過600 m2,陣面設備安裝在建筑物的某個或相鄰的多個側立面上,有效探測距離達到4 000～6 000 km;后兩型雷達采用X頻段,相掃和機掃相結合,陣面口徑面積約120 m2,陣面設備安裝于高精度鋼結構天線骨架上,天線骨架安裝于方位俯仰可調的天線座上,有效探測距離達到2 000～4 000 km。AN/FPS-85雷達結構如圖1所示,AN/FPS-115和XBR雷達陣地布置如圖2所示。

圖1 AN/FPS-85雷達結構外形圖

圖2 AN/FPS-115和XBR雷達陣地實景圖

俄羅斯先后部署了以“沃羅涅日-M”、“沃羅涅日-M(增強型)”、“沃羅涅日-DM”等為代表的米波段或分米波段大型相控陣雷達,相掃體制,“沃羅涅日-M(增強型)”雷達陣面口徑面積約1 800 m2,有效探測距離達到4 000～6 000 km。該三型雷達均采用工廠預制的組合式單元現場組裝形成雷達整機結構,具備高集成、模塊化、易安裝、可擴充等特點。“沃羅涅日-M(增強型)”、“沃羅涅日-DM”雷達陣地布置如圖3所示。

綜上所述,美國地面大型相控陣雷達天線陣面的主體結構多采用建筑樓結構形式,建筑樓集成雷達設備安裝和人員操作的功能,可以給設備和人員提供舒適的工作環境,但主體結構重、工廠預制化程度低、陣地建設周期長、結構擴充能力差、工程造價高;俄羅斯地面大型相控陣雷達天線陣面多采用組合化程度高的鋼結構形式,結構重量輕、工廠預制化程度高、陣地建設周期短、結構模塊化程度高且擴充能力強、工程造價低。

在雷達裝備作戰威力持續升級和性價比要求日益提高的需求背景下,地面大型相控陣雷達結構設計面臨著新的挑戰:

圖3 俄羅斯大型固定站雷達陣地實景圖

(1)結構規模大,陣面結構口徑已超過30 m,天線樓形態天線系統重量數千噸,鋼骨架天線系統重量也高達數百噸;

(2)天線陣面單元數多達上萬個,大口徑天線骨架提供給天線單元的安裝基礎精度和動態形變要求高;

它所指的就是我國公民使用一系列的合法方式和手段，參與我國的政治活動，對于國家機構、政治決策、政治構成以及政治結果進行一定參與，并表達出自己相應的看法和做法，以對相關政治活動產生一定的影響，稱之為政治參與。

(3)天線系統設備種類多、數量大,要求承力結構提供穩定的安裝基礎和良好的工作環境;

(4)大型陣面結構設計在滿足功能需求的基礎上,更加注重結構整體造型,對結構基礎的可重構、可擴充要求日益提高;

(5)大型陣面結構設計在滿足設計要求的同時,對結構基礎的造價,結構單元的組合化、模塊化設計,以及現場架設性能提出了高要求。

相比較于建筑樓天線系統基礎架構,鋼結構天線系統在實現大型相控陣雷達天線系統高安裝精度、良好動態變形特性和結構安全性的同時,更加有利于結構造型設計和結構成本控制,易于實現組合化、模塊化設計和工廠預制,在架設周期方面也具備明顯的優勢,已逐漸成為未來地面大型相控陣雷達天線系統的主流結構形式之一,但設計難度較高,尤其是大跨度、高精度鋼結構的剛強度設計、精度控制設計和現場施工設計需要重點關注[6-7]。

2 天線系統結構設計流程

地面大型有源相控陣雷達天線系統結構規模大、設計要求高,為了達到良好的設計效果,需要制定完整合理的流程。大型天線系統結構設計典型流程如圖4所示,其中結構架構設計和總體方案設計在方案階段開展,形成總體設計方案、系統規范、結構模型、材料體系、關鍵技術專題攻關等階段性成果;工程詳細設計在工程實施階段開展,形成工程實施方案、詳細結構模型與圖紙、風險控制方案等階段性成果;加工制造、過程試驗及現場施工在制造與施工階段相繼開展,最終形成可供交付的陣地結構實物。各階段主要工作內容如下:

(1)結構架構設計主要針對雷達整機特點和結構功能性能要求,形成天線系統結構設計原則,確定天線系統設備安裝和承力結構架構體系,明確天線系統造型設計目標和現場施工架構;

(2)總體方案設計主要針對結構設計要求和架構目標,開展造型設計、整體剛強度和安全性設計,以及結構精度分配,在兼顧維修性、運輸性、架設性、可制造性和模塊化設計的同時,完成天線系統結構設計方案,明確關鍵技術并完成攻關;

(3)工程詳細設計是在結構設計方案基礎上開展剛強度、安全性細化設計與校核,明確工程研制過程精度控制方案,完成局部構造和接口的詳細設計,形成工程實施方案和結構設計圖紙,進行充分的風險識別,并制定相應控制方案;

(4)加工制造、過程試驗及現場施工是在工程實施方案和結構設計圖紙基礎之上,面向制造和施工過程,開展圖紙深化設計和工藝設計,針對焊接、運輸和架設等重要環節,開展力學校核,進一步細化精度過程控制措施和現場施工設計方案,并組織實施過程試驗和現場施工等相關工作。

3 工程案例分析

3.1 天線系統結構設計要求

某大型地面固定式有源相控陣雷達天線系統陣面結構口徑面積上千平方米,共布置1萬多個收發通道及相關電子設備,結構設計在滿足天線系統結構功能要求和技術指標要求的基礎上,還需要兼顧系統造型、結構單元模塊化組合化設計、工程造價等因素。

圖4 大型天線系統結構設計典型流程圖

天線系統結構主要功能要求為:

(1)在雷達部署環境條件下,為天線系統設備提供穩定可靠并滿足精度要求的安裝基礎,主要設備包含天線系統陣面設備、內部電子設備、冷卻設備及配電設備等;

(2)為天線系統內部電子設備提供良好的存儲、工作和維修環境,并配套必要的維修、照明、監控、防雷、通信等附屬設備。

天線系統結構主要技術指標為溫度、濕度、海拔高度、抗風性、抗震性等環境條件要求,以及陣面傾角、陣面重量、陣面安裝精度、陣面動態變形、使用壽命等指標。

3.2 系統架構設計與造型設計

作為典型的地面大型固定站有源相控陣雷達,天線系統設備眾多、規模龐大、精度和變形控制要求高、結構設計難度大、構件制造和現場施工任務繁重,系統架構設計尤為重要。

為了提高天線陣面安裝精度,保障天線系統剛強度,實現天線系統模塊化設計、組合化架設等目標,將天線系統結構分為天線陣面、天線骨架、維護系統和附屬設備四個部分,確定系統造型設計、天線骨架剛強度與安全性設計、天線系統精度控制設計和現場施工設計等作為本天線系統結構設計的重點工作。

在國內外大型固定站相控陣天線系統造型調研基礎上,引入建筑設計思想開展本天線系統造型設計。確定采用簡約式建筑風格,在實現結構傳力穩定、保障精度和剛強度指標基礎上,降低系統重量和現場施工難度。

天線骨架既是系統剛強度和精度設計的核心,又是系統造型設計的關鍵所在。系統造型設計按整體造型、局部造型、內部造型三個階段漸次開展,如圖5所示。首先以外觀、用鋼量、剛強度、施工難度、工程造價等為衡量因素,在鋼結構建筑樓、鋼結構梯形骨架和鋼結構板式斜撐骨架三種方案中選取第3種作為天線骨架造型方案。與鋼結構建筑樓相比,降低天線系統承載基礎重量約2/3;與鋼結構梯形骨架相比,降低天線骨架重量約1/3。

隨后結合結構形變控制和外形等因素,優化斜撐結構形式和支撐位置,完成局部造型優化。

圖5 天線系統造型設計流程圖

鋼結構天線骨架內部造型設計結合鋼結構工程體系選擇開展。板式斜撐鋼骨架可采用網架結構和桁架結構體系進行工程實現,網架結構是由多根桿件按照一定的網格形式通過節點連接而成的空間結構,具有空間受力、重量輕、剛度大、抗震性能好等優點,常見的網架形式包括兩向正交正放網架和正放四角錐網架結構;桁架結構是由直桿組成的一般具有三角形單元的平面或空間結構,桁架的優點是桿件主要承受拉力或壓力,可以充分發揮材料的作用,節約材料,減輕結構重量。圖6和圖7分別為典型的網架和桁架工程圖。

圖6 典型網架工程圖

圖7 典型桁架工程圖

網架結構桿件種類和數量多,適用于受力工況比較簡單的承力結構,桁架結構適用于受力工況比較復雜的承力結構,內部空間較網架結構存在明顯優勢,也可采用螺栓連接實現組裝式現場施工。考慮到本天線系統內部設備多,為確保良好的維修人機環境,本雷達天線骨架采用雙層桁架結構體系,相比于網架體系,在減少構件種類1/4、減少構件數量約1/3的同時,大大改善了內部實際維修空間,如圖8所示。

圖8 雙層桁架板式安裝架結構圖

3.3 剛強度與安全性設計

大型鋼結構天線骨架的剛強度與安全性設計主要可分為整體剛強度、局部剛強度、系統安全性與特殊過程安全性設計等幾大部分。其中整體剛強度依據天線骨架整體力學仿真與優化,重點實現桿件類型、桿件組合形式和桿件截面尺寸的優化設計,保證骨架剛強度指標;局部剛強度依據局部構造和節點的細化力學仿真,確定局部構造詳細結構設計,保證局部結構的強度和穩定性;系統安全性主要針對強風、地震、溫差等組合工況開展力學仿真;特殊過程安全性主要針對運輸、吊裝等特殊過程開展力學仿真與驗算。

整體剛強度力學仿真應依據國家標準和規范,基于產品環境條件,參考風洞試驗數據,確定力學仿真工況組合、仿真計算邊界條件和相應安全系數;局部剛強度力學仿真依據整體力學仿真計算結果,提取典型或關鍵部位的力學邊界進行局部構件及節點的詳細力學分析。本天線骨架采用Q345材料,經大量細致的剛強度仿真與優化,骨架極限工作組合工況下陣面法向相對變形約12 mm,極限生存組合工況下最大等效應力約158 MPa,滿足剛強度設計指標要求。

安全性力學仿真與校核主要針對極限生存工況,結合系統抗風、抗震等相關條件,針對性開展抗傾覆、結構模態與結構應力水平計算。計算結果表明,天線骨架最不利抗傾覆工況下各支點反力均大于0,各種極限生存工況下結構構件最大應力比均小于1,滿足安全性設計要求。

3.4 精度控制設計

針對千平方米陣面口徑天線骨架陣面安裝基礎毫米級安裝精度設計難題,以合理的精度分配、嚴密的過程控制、必要的測試調整和充分的試驗驗證作為骨架精度實現的總體思路,貫穿結構設計、構件制造、預拼裝、包裝運輸、現場裝配、精度測試與調整等研制流程,以結構單元全流程精度分配、關鍵環節精度控制和天線骨架陣面安裝基礎的精度調整等作為精度實現的核心環節,設置必要的精度過程控制點,確保實現預定的精度目標,天線系統精度實現流程如圖9所示。按該流程進行精度控制的試驗陣陣面數千個單元在X/Y/Z三個方向的位置精度達到1 mm(均方根)。

3.5 現場施工設計

圖9 天線系統精度實現流程

針對本項目天線骨架現場施工條件受限、鋼結構施工體量大、精度要求高等難點,采用組裝式現場施工架構,結合工廠預拼裝和子骨架架設專題試驗階段性釋放現場總裝風險;現場采用精度測量與輔助調整措施,合理設置過程監視點,確保施工精度;建立健全的施工組織架構和安全施工制度,合理劃分吊裝單元,配備專用吊裝設備和高空支撐工裝確保施工安全性?，F場總裝流程如圖10所示。

圖10 天線骨架現場總裝流程

4 結束語

本文概述了地面大型有源相控陣天線陣面結構形態和特點,介紹了大型天線陣面結構典型的設計要求和設計流程。針對某大型固定站有源相控陣雷達陣面結構設計問題,采用天線系統結構分層設計,基于雙層桁架結構體系實現簡約式板式斜撐骨架建筑造型設計,基于復雜工況下剛強度和安全性優化設計確保結構剛強度指標,基于全尺寸鏈、全流程精度分配與控制,工場預拼裝,精度測量輔助調整等措施,實現千平方米陣面口徑天線骨架毫米級安裝精度設計,并對全組裝式高精度鋼結構現場施工設計思路和流程進行了介紹。

本文采用大型高精度組裝式鋼結構天線系統結構體系架構,在天線系統造型優化、系統減重、精度指標實現、結構單元工廠預制化,以及組裝式施工等方面進行了有益嘗試。相關流程、思路和方法可供大型有源相控陣雷達天線陣面結構設計所借鑒,也會隨著我國大型固定站雷達裝備發展,以及制造和施工技術的發展而不斷深化。

[1]FENN A J,TEMME D H,DELANEY W P,et al.The Development of Phased-Array Radar Technology[J].Lincoln Laboratory Journal,2000,12(2):321-340.

[2]宋志行,關宏山,錢海濤,等.機載有源相控陣天線的結構設計[J].雷達科學與技術,2005,3(3):189-192.

[3]牛忠文,任翠鋒,鞠金山,等.大口徑高精度航管雷達天線結構設計與應用[J].雷達科學與技術,2015,13(1):103-108.

[4]崔茂東,李華.美國彈道導彈防御系統[J].導彈與航天運載技術,2004(6):22-26.

[5]花良發.俄羅斯戰略相控陣雷達部署現狀及發展[J].火力指揮與控制,2007,32(2):1-4.

[6]周臻,吳京,孟少平,等.考慮施工時變效應的大跨空間鋼結構合攏方案研究[J].應用力學學報,2012,29(4):463-469.

[7]壽建軍,曹浩明,孫占利.亞洲包裝中心大廈鋼結構穹頂設計[J].固體力學學報,2014,35(專輯):292-295.