相控陣雷達天線艙結構一體化設計

葉　堃，莊文許，田安歌

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

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相控陣雷達天線艙結構一體化設計

葉堃，莊文許，田安歌

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

為實現一類有源相控陣雷達天線的輕型化，提出了一種相控陣雷達天線艙的一體化設計方法，即模塊插箱與骨架主結構有機結合為一體，采用復合材料整體罩構建天線艙防護結構。經對天線艙骨架進行校核分析，結果表明剛強度滿足要求，與傳統設計方法相比天線艙可減重20%以上。

天線艙；一體化；有源相控陣雷達；減重；骨架

0　引　言

相控陣雷達以多功能、多目標、精度高等優點獲得廣泛青睞。大口徑相控陣雷達質量巨大，而解決質量與剛度之間的矛盾從而實現輕型化是雷達結構設計追求的目標。特別是對艦載平臺來說，搭載裝備的種類和數量快速增長，對相控陣雷達的輕型化需求和期望更加迫切。在貫徹輕型化的過程中，由于天線口徑變動余量小，模塊數量又非常之多，這就需要通過雷達結構總體布局中的一體化設計加以解決。一體化設計可以有效緩解設備布局和質量的壓力，其效果往往影響總體設計的成敗[2]。

在相控陣雷達結構中，骨架是天線艙的主體結構，其精度、剛度、強度直接影響到雷達的戰術技術指標。傳統的骨架設計一般采用平臺化思想，骨架與天線艙設備分開設計。這種設計方法對質量、空間布局非最優化，往往不能很好地控制質量和體積，不符合當今雷達小型化、輕型化、高集成化的設計理念[3]。

本文提出了一種有源相控陣雷達天線艙結構的設計方法。基于一體化設計思想，將載荷結構和骨架結構有機結合到一起，即骨架的中間框架既是模塊插箱也是骨架的主承重結構，各設備圍繞中間框架布局，充分考慮了天線艙結構特點，實現了載荷結構一體化設計以及防護結構一體化設計。一體化設計提高了天線艙內的模塊安裝密度，優化了艙內布局，有效降低了天線艙質量。

1　傳統天線艙骨架結構介紹

傳統的相控陣雷達天線艙制造延用了地面設備的設計方法，多是先制造出艙內工作模塊，然后將這些模塊組裝連接到骨架上。以某類天線艙骨架為例，如圖1所示。根據總體要求搭建出骨架的主要承載結構和防護結構，然后添加各模塊插箱及設備安裝所需的橫梁和立柱。模塊插箱通過安裝結構件固定于底面框架、橫梁和立柱，平面陣列天線固定于斜面框架，骨架開放部分用蒙皮焊接密封。這種骨架結構設計帶來幾個問題，一是橫梁立柱多，內部空間被分割得較為零散，不利于人員活動及裝配維修；二是為固定功能模塊增加了橫梁、立柱、安裝結構件和插箱，這些結構件對骨架本身的剛強度貢獻很小，但卻增加了負載，特別不符合艦載、機載平臺對質量控制的要求。

圖1　天線艙布局示意圖

2　一體化設計

2.1一體化設計思想

雷達一體化的著眼點在于整合各組成設備之間的銜接與匹配關系，在設計中最大限度地取消單一功能的過渡、配平、調整等環節，堅持合二為一、一物多用原則，從而簡化連接、理順關系，使之融合成為一個能充分發揮效能的有機整體[2]。本文中一體化設計的主要目標是輕型化。

2.2天線艙結構設計

天線艙骨架是天線艙的主體結構，骨架是平面陣列天線、組件模塊、控制模塊等設備的承載件。骨架主結構采用了一物兩用的一體化設計思路。根據位置分布，骨架可劃分為3部分，斜面框架、底面框架和中間框架，如圖2。斜面框架與水平面保持一定夾角，用于安裝平面陣列天線單元；中間框架用于安裝各模塊；底面框架設有安裝法蘭，同時布置了風、水管道和人員進出口。天線艙的防護結構用復合材料整體罩構建，采用一體化設計實現防護結構構建、電磁屏蔽、隔熱、承力多功能合一，整體罩安裝于斜面框架、底面框架。下文對這兩處一體化設計作具體介紹。

圖2　天線艙布局示意圖

2.2.1模塊插箱與骨架主結構的一體化設計

模塊插箱與骨架主結構一體化設計，即骨架中間框架既是主結構承載梁又是模塊安裝插箱。中間框架由3組子框架組成，均采用厚鋁板作為主要承重梁上下生根，分別與斜面框架、底面框架焊接。兩厚鋁板間使用橫板焊接連接，保證框架的剛度。框架上加工出相應定位面、銷孔、螺紋孔，用于導向件及水冷框架的定位安裝。所有模塊通過導向件、水冷框架、背板直接固定在中間框架上。骨架結構如圖3。

一體化設計減少了模塊插箱和為固定模塊插箱搭建的橫梁和立柱等結構；合理利用了水冷框架、盲插背板、模塊的剛度，使“純負載”也參與受力，模塊安裝到位后中間框架的剛度得到加強。

圖3骨架結構圖

傳統的模塊安裝，其安裝精度與盲插插箱相關，精度容易保證。一體化設計后，模塊的安裝精度與骨架主結構相關，骨架主結構為大型焊接結構，結構復雜，加工難度大，一旦設計或加工不當，補救的難度大大增加。為確保模塊安裝精度，提高加工裝配的工藝性，采取了以下幾項措施：

(1) 保證中間框架的剛度防止變形引起的安裝誤差；

(2) 簡化中間框架的結構，把部分安裝定位結構轉移到導向件和冷卻框架上來，從而降低中間框架加工難度，轉移加工量和加工精度。導向件和冷卻框架通過3個方向的定位面及銷孔與中間框架定位，保證二次轉接精度；

(3) 定位安裝面通過機械加工方法一次完成。

2.2天線艙防護結構一體化設計

天線艙防護結構通常使用較小的型材與骨架主結構焊接搭建而成，外表面焊接蒙皮。對于人員進出口位于底面框架的天線艙可采用一體化設計，用整體成型的復合材料罩體構建出天線艙防護結構，如圖4所示。復合材料的比強度、比剛度、抗疲勞強度優異，復合材料結構可作為非主承力構件替代傳統金屬構件，達到減重的目的。根據復合材料夾層可定制的特性，整體罩還可以實現隔熱、電磁屏蔽與防護結構構建、承力的多功能合一[4]。

2.3數據對比

為實現結構總體的輕型化，進行了以輕型化為主要目標的一體化設計。一體化設計后的質量分布如表1。與傳統設計方法相比，總計減重約20.3%，滿足使用需求。

圖4　天線艙結構圖

一體化設計(kg)傳統設計(kg)斜面框架634634中間框架215192底面框架266266插箱—172防護結構170(整體罩)349總計12851613

除此之外，一體化設計使得天線艙的空間布局得到優化。原本模塊前方的操作空間被橫梁立柱分割成若干小空間，經過一體化設計若干小空間整合成一個整體無遮擋的空間，更利于人員活動和操作 。

3　仿真分析

為驗證骨架結構設計合理性，建立了模型進行有限元仿真分析。模型材料均為鋁材，天線艙骨架的底面安裝法蘭固定約束。載荷主要考慮風載荷、慣性載荷和系統各組成部件的自重。將慣性力、風載荷、重力按3個方向相加得到載荷。其中風阻系數來源于風洞試驗，取最大風阻系數計算風載荷；取六級海況、九級海況中的最惡劣情況計算慣性力[5]。

3.1仿真結果

仿真分析得到結果如表2所示。

表2　天線艙骨架剛強度分析

3.2結果分析

工作時的天線單元安裝面的應變以及吊裝接口附近結構的應力是重要的關注點。

根據力學性能分析可知：峰值工作工況下天線艙骨架的最大應變約1mm，峰值安全工況下天線艙骨架的最大應變約2.5mm，均發生在安裝陣列天線的法蘭位置。

鋁型材屈服極限約為 160MPa，安全系數取1.5，得到許用應力為106MPa，峰值工作工況下最大應力為30.0MPa，峰值安全工況下最大應力為61.9MPa，各工況下的最大應力均小于許用應力。骨架的剛強度滿足設計要求。

4　結束語

為實現一類相控陣雷達天線的輕型化，本文基于一體化設計思想對天線艙進行了設計，并對設計要點進行了闡述。通過一體化設計將模塊插箱結構與骨架主結構整合，用復合材料整體罩構建天線艙防護結構，其優點體現在：有效降低了天線艙質量，相比傳統設計減重20%以上；優化了艙內空間，在模塊前方構建了一個整體無遮擋的操作空間；整體罩的使用可實現隔熱、電磁屏蔽與防護結構構建、承力的多功能合一。

[1]陳竹梅. 有源相控陣雷達射頻同軸連接器盲插機構的設計與分析[J]．電子機械工程, 2001(9).

[2]張潤逵. 雷達結構與工藝(上冊)[M]．北京：電子工業出版社，2007：20-22.

[3]謝曉光. 對地觀測，敏捷小衛星星載一體化結構設計[J]．紅外與激光工程，2008(12)：53-58 .

[4]蒲永偉. 航空先進復合材料帽型加筋構件制造關鍵技術探究[J]．航空制造技術，2015(4)：78-81.

[5]平麗浩. 雷達結構協同仿真環境[J]．現代雷達，2008，30(11)：5-9.

Integratedstructuraldesignofantennacabinofphasedarrayradar

YEKun,ZHUANGWen-xu,TIANAn-ge

(No.724ResearchInstituteofCSIC,Nanjing211153)

Anintegrateddesignmethodoftheantennacabinisproposedtomeetthelightweightrequirementsofakindofactivephasedarrayradarantenna.Themoduleplug-inboxesareorganicallycombinedwiththemainframeworkstructure,andthecompositeintegralcoverisusedtobuildtheprotectionstructureoftheantennacabin.Theframeworkoftheantennacabinischeckedandanalyzed,andtheanalysisresultsshowthatitsstiffnessandstrengthsatisfytherequirements.Comparedwiththeconventionalmethods,theweightoftheantennacabincanbereducedbymorethan20%.

antennacabin;integration;activephasedarrayradar;weightreduction;framework

2016-03-30

葉堃(1982-)，女，工程師，碩士，研究方向：結構設計；莊文許(1985-)，男，高級工程師，博士，研究方向：機電系統設計；田安歌(1991-),女，助理工程師，工程碩士(在讀)，研究方向：平面設計。

TN957.8

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1009-0401(2016)03-0058-04