艦載雷達抗惡劣環境設計與發展

趙靜，沈文軍(南京電子技術研究所，南京210039)

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艦載雷達抗惡劣環境設計與發展

趙靜，沈文軍
(南京電子技術研究所，南京210039)

摘要:基于艦載雷達環境，結合具體雷達的抗惡劣環境設計，從抗氣候環境、機械環境以及生物、電磁等環境幾個方面總結了艦載雷達抗惡劣環境設計的方法，并對未來的需求進行了分析。

關鍵詞:艦載雷達;抗惡劣環境;隔振緩沖設計;熱設計

0　引言

艦載電子裝備抗惡劣環境的能力是雷達可靠工作的重要保障。這些惡劣環境因素有來自裝備所處海上環境帶來的沖擊、震動等機械因素，也有高熱、潮濕、鹽霧等惡劣氣候因素，還存在著由于氣候環境導致的霉菌等微生物的破壞因素，以及由于艦載復雜電磁環境帶來的電磁兼容性因素等。艦載雷達的環境適應性設計需從系統和頂層設計的角度予以重視。

1　艦載的環境定義與分類

根據國家標準GB2422《電工電子產品基本環境試驗規程名詞術語》的規定，環境條件的定義是產品所經受其周圍的物理、化學、生物的條件。艦載雷達經受的典型環境平臺組成如下［1］:

(a)惡劣的氣候環境:溫度、濕度、氣壓、風、雨雪冰霜、凝露、沙塵、油霧、游離氣體;

(b)機械環境:周期性振動和顛振、沖擊、離心加速度、碰撞、跌落、搖擺、靜力負荷、失重、爆炸、沖擊波;

(c)電磁及輻射環境:電場、磁場、閃電、雷擊、電暈、放電、太陽輻射、核輻射、紫外線輻射、宇宙線輻射;(d)化學腐蝕環境:腐蝕性大氣、酸、堿、鹽類等;(e)生物學環境:霉菌、微生物、昆蟲、甲殼類和嚙齒類;

(f)人為因素:同一設備在包裝、維護保養、使用過程中的人為因素。

1.1抗惡劣環境的通用分析方法

(a)經驗估算法

雷達中所包含的元器件、結構件數量繁多，它們對不同環境的適應能力也千差萬別。因此，在工程中，對那些比較成熟的、有類同設備的環境適應性結果可供參考時，有經驗的結構設計師通常可采用經驗估算法，對其環境適應性指標進行修訂，從而形成新設備的環境適應性平臺。

(b)理論分析法

在現有研究成果的基礎上，對那些環境與電性能指標耦合關系比較清楚且在理論分析軟件又比較成熟可靠的前提下，可通過各類CAD、CAT技術進行理論分析，建立電子設備的環境平臺，如各類天線CAD、振動分析、DDAM、熱設計，電磁兼容設計(EMC)等等。

(c)試驗法

對于雷達中某些關鍵的結構件或模塊，它們對環境的影響非常敏感，經驗估算和理論分析也無法真實地反映其環境適應性時，只能通過試驗法來建立其環境平臺進行相關試驗驗證。

1.2雷達抗惡劣環境設計

針對溫度、輻射、鹽霧霉菌潮濕、淋雨、砂塵、浸漬、爆炸性大氣、海況、浪高、搖擺、振動、顛震、沖擊方面的環境條件要求，雷達系統在設計過程中須結合理論研究、仿真分析和試驗，開展抗氣候環境、抗機械環境、抗生物和電磁環境的研究和設計，通過采取各種技術措施，來抵御惡劣環境對設備的影響。

艦載雷達設備的組成包含有源陣面、各種設備機柜。設備安裝的溫度環境屬于機艙內設備，屬于A級設備。設備安裝的位置為艦船的III類區域，機柜的安裝帶隔離系統，有源陣面直接與基座連接。根據設備所處的環境條件和經驗積累，主要從環境控制、隔振緩沖、防護三個方面開展雷達的抗惡劣環境設計［2］。

1.2.1設備的環境控制

(a)陣面的環控設計

陣面的環控設計包含陣面設備的熱設計和除濕設計。熱設計的目的是控制陣面內組件、模塊、等電子器件的溫度，使陣面在艦上工作時設備可以可靠工作。陣面采取常溫水冷控制措施，冷卻水系統由末端冷卻裝置為陣面提供一路18℃～40℃的循環冷卻水，給陣面內子陣、電源冷卻。通過冷板熱交換后，冷卻水再回至末端機組冷卻(見圖1)。通過與海水換熱器與海水交換，將設備熱量帶走，保證陣面內設備可靠工作。

由于艦船設備存在高溫高濕的工作環境，潮濕、鹽霧和霉菌對電子裝備、電氣產品的危害甚大。資料表明，當相對濕度低于65%后，就能有效地防止因潮濕、鹽霧和霉菌對電子設備的腐蝕。為給陣面提供良好的工作環境，陣面采取了除濕措施，綜合考慮艦上的冷媒水(15℃)資源，除濕箱采用盤管除濕方式，當循環風高濕時，盤管除濕箱處于除濕模式，此時除濕箱主要功能為除濕，使循環風在盤管內結露，降低空氣絕對濕度后在送至陣面內。采用盤管除濕方案陣面內濕度為≤65%。圖2為0～5min的陣面除濕過程。有效的除濕控制保證了陣面內設備能可靠地工作。

圖1　陣面液冷熱設計

圖2　陣面內部除濕過程

(b)機柜環控設計

除陣面外，雷達電子設備均安裝在密閉機柜內。密閉機柜采用鑄鋁密閉機柜。該機柜環控效果好，屏蔽性能優，密封性能好，承載能力高。機柜的環境控制系統由中心控制單元、冷卻單元和傳感器三部分組成。中心控制單元是本系統的“大腦”，由信息采集模塊、運算分析模塊、指令發送模塊和二次顯示模塊組成。傳感器是本系統的“眼睛”，監測機柜內的溫度和濕度信息，將信息實時傳給中心控制單元。冷卻單元是本系統的執行單元，是實現環境控制的關鍵設備。它是一個制冷冷卻裝置，根據中心控制單元的指令，通過內部控制模塊控制，實現機柜內部的空氣的加熱、制冷和除濕，并將自身的工作狀態報告給中心控制單元。設計雷達的機柜帶有1.5 kW和3 kW冷卻單元，可滿足機柜最大1.5 kW和3 kW的散熱要求，保持機柜內部的空氣溫度控制在0℃～60℃，濕度控制在60%以內。見圖3。

1.2.2加固隔離設計

設備的抗機械環境能力包括加固技術和隔離技術。加固技術是經過優化設計技術，選擇高品質的材料和工藝措施，提高和強化產品自身的抗惡劣環境能力;隔離技術是采取各種技術措施將設備與惡劣環境隔離。由于陣面的安裝條件限制，陣面采用加固技術進行抗機械環境設計，機柜采用隔離技術進行抗機械環境設計。

圖3　機柜環控設計

(a)陣面的抗惡劣環境設計

陣面直接和基座連接。陣面的模態、振動、沖擊性能應從設計上充分考慮。應用ANSYS軟件對陣面進行自重分析、模態分析、抗沖擊分析、振動分析、顛震分析。陣面整個模型包含1萬多個shell 181單元、3千多個Beam 188單元、4千多個Mass 21單元，共計1萬多個節點。模型網格見圖4。對內的設備采用等效質量進行處理。針對各種工況開展了全面的仿真分析，對雷達陣面進行了安全性能整體評估，并對結構優化設計提出了一些改進意見。分析結果如下:陣面的首階頻率44.7 Hz(見圖5);陣面在沖擊條件下環境最為惡劣，此時最大應力136 MPa(見圖6)，不超過材料的許用應力。經過仿真驗證，該陣面結構設計滿足總體的機械環境要求。

(b)機柜的隔震緩沖

根據已有設計經驗，機柜的隔振緩沖系統采用無諧振峰隔振器、復合阻尼隔振器組成隔振緩沖系統。根據振動和沖擊條件，對機柜樣機進行了相關試驗，見圖7。試驗結果表明，采用復合阻尼隔振緩沖系統和無諧振峰隔振緩沖系統均能滿足系統緩沖要求。

1.2.3三防設計

除了采用環控和隔震緩沖設計外，對雷達的材料、結構設計和涂裝體系上采取統一要求，具體如下:

(a)陣面采用防銹鋁拼接而成，具有很高的耐腐蝕性能，陣面內所有緊固件采用不銹鋼材料;

(b)避免采用不均勻性或多相性的機構設計，盡量采用密封的結構;

(c)采用特征三防油漆和成熟的工藝涂裝體系。

圖4　陣面模型網格

圖5　陣面模態

圖6　陣面垂向沖擊分析

圖7　機柜沖擊試驗

2　總結與展望

根據多型艦載產品的設計和實際的應用，艦載產品的抗惡劣環境設計工作從氣候環境、機械環境、防護上積累了一定的設計經驗和方法，通過梳理和總結，可以從以下幾個方面開展工作(見表1)，為同類產品提供參考和借鑒。

表1　抗惡劣環境方法

隨著新技術的迅速發展，各種性能優良(遠距離、大范圍、高精度、實時化)的雷達不斷涌現，雷達結構上的高集成、多平臺、反隱身等技術應運而生，對雷達抗惡劣環境設計提出更高的要求:

(1)高集成的一體化設計

由于艦艇的空間有限，要求艦載陣面雷達應盡可能做到體積小和重量輕，降低造價。目前，可采取如下措施:在結構上，采取骨架和水道結合、單元和骨架結合、冷板和組件殼體結合等方式實現結構一體化設計;在微波集成電路技術上，盡可能地將組件、功放、電源、接收等電子器件結合建立互連，采用組件的自動化生產和組裝技術等，從優化結構設計和器件集成防護設計上提高抗惡劣環境性能。

(2)不同平臺的適裝性［2］

根據不同平臺的不同需求及艦型(大、中、小)的特點和艦上的資源，結合可能列裝的裝備對象，從環境適應能力、散熱能力、安裝基座等幾個方面，充分利用先進的優化設計方法和系統化的創新設計思想。選用適用海洋環境的輕型高性能材料和先進的散熱冷卻技術，有效地提高艦載雷達的適裝性，促進艦載雷達系列化、組合化發展，從而適應艦艇雷達裝備的輕型化、小型化、系列化的列裝要求。

(3)結構隱身設計［3］

雷達波隱身就是盡可能降低目標的雷達波散射截面。根據雷達波不同散射波的生成機理，設備的隱身設計途徑包括構型隱身設計和吸波材料應用。構型隱身技術是通過目標的非常規結構設計形式降低其RCS，而雷達吸波技術是指利用雷達吸波材料吸收衰減入射的電磁波。艦載設備常用的隱身設計通常有設備表面電連續;外露的安裝結合部位采用沉陷方式將被聯接的兩個結構的外表面齊平;天線罩盡可能多用平面設計。

3　結束語

電子設備抗惡劣環境設計是一個巨大的系統工程，它需要各學科協同努力。在方案階段必須建立抗惡劣環境設計體系和防護體系，通過相應的可靠性試驗驗證，積累長期的工程經驗，引用先進的技術和材料，保障雷達設備的抗惡劣環境性能。

參考文獻:

［1］季馨.電子設備抗惡劣環境設計概論［J］.電子機械工程，2014(6).

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

［3］朱彬.機載設備中結構隱身設計技術研究［J］.現代雷達，2011(12).

Design and development of anti-adverse environment for shipborne radars

ZHAO Jing，SHEN Wen-jun
(Nanjing Research Institute of Electronics Technology，Nanjing 210039)

Abstract:Based on the shipborne radar environment，the methods of the anti-adverse environment of specific radars are designed and summarized in terms of the climate，mechanical，biological and electromagnetic environment resistance.Besides，the future demands are analyzed.

Keywords:shipborne radar; anti-adverse environment; vibration isolation buffer design; thermal design

作者簡介:趙靜(1978-)，女，高級工程師，碩士，研究方向:雷達結構總體設計;沈文軍(1970-)，男，研究員級高級工程師，碩士，研究方向:雷達結構總體設計。

收稿日期:2014-12-28

文章編號:1009-0401(2015)01－0054－04

文獻標志碼:A

中圖分類號:TN957.8