一種戰場偵察雷達的結構總體設計

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(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

戰場偵察雷達是指采用超輕設計,供單元作戰小組或小分隊便攜使用,探測戰場活動目標的偵察雷達,主要用于前沿偵察,以為戰場指揮官提供實時、準確的戰場情報等為目的。除了在戰場的應用以外,在和平時期,這類偵察雷達也可以用于邊境偵察、反恐、緝毒與反走私行動、國際維持和平行動等。

為了適應使用場合,戰場偵察雷達在使用上必須輕便和人機工程好,便于單兵攜帶和操作[1]。本文以某型戰場偵察雷達的研發過程為例,闡述在結構頂層規劃時,合理運用工業設計、一體化設計、商品化設計等并行式設計理念,解決產品輕小型化、操作便捷化、架設快速化[2]的問題。

1 設計要求

該型雷達的指標如下:

手動調平:簡易調平(水泡);

天線分檔可調轉速:4°/s,8°/s,16°/s;

架設、撤收時間:≤5 min/2人 ;

俯仰角度:-4°～4°;

總重量:≤35 kg(單件攜帶重量不超過30 kg);

電子羅盤定北。

該型雷達結構設計特點要求如下:

1)輕型化、小型化、便攜式設計

a)采用可折疊、可拆卸技術,減少單元攜行重量及尺寸;

b)使用輕質材料減少攜行重量。

2)設備高度集成化

a)減少各單元間的連線;

b)減少各單元間的接口操作時間和步驟;

c)減少各單元間的連接附屬設備。

2 工業設計與總體布局的并行設計

2.1 頂層布局設計

各分系統的布局設計不是樂高式積木形的拼接,而是采用TOP-DOWN的設計理念,從頂層布局規劃邊界條件(運輸要求、系統組成、外形包絡等),依據各分系統的邊界條件采用一體化集成化的設計手段盡可能地壓縮體積、減輕重量[3]。

工業設計是在總體布局的基礎上,堅持與結構設計互相融合的設計理念,以工業設計引導系統結構設計,以結構工藝的實現性修正工業設計,最終實現在人機工程及產品外形上滿足用戶要求,設計流程如圖1所示。

圖1 設計流程

該型雷達從設備組成及攜帶單元考慮分為天線頭、終端顯控單元(筆記本)、支撐架單元以及供電單元四部分[4],如圖2所示。其中,天線頭作為一個整體,集成了天饋、收發、天線座、天線俯仰機構等設備。

圖2 設備組成及布局

2.2 構型設計

戰場偵察雷達具備軍民兩用的特征,所以外形設計上不但要考慮便攜性要求,而且同時還要考慮到美觀性要求,所以在構型設計過程中首先要考慮到以下影響因素:

1)機動性:輕小型化、組裝便捷、高生存性;

2)便攜性:人機工程好,單元重量分配合理;

3)環境適應性:從面向用戶的沙漠使用環境來考慮散熱與配色問題;

4)約束條件:天線的形狀及旋轉要求對造型的影響;

5)整體協調性:天線與支撐之間的造型呼應等。

根據以上影響因素,考慮沙漠中工作的產品形態,該戰場偵察雷達便以沙漠中的蜘蛛形態進行仿生設計,根據其構造特點、攻擊形式、環境色、天線形狀等元素進行演變而成,構型設計過程如圖3所示。

圖3 構型設計理念

2.3 人機工程設計

人機工程設計貫穿于戰場偵察雷達的整個設計流程,對系統機動性、攜行性、維修性等方面起著重要作用,決定著雷達的戰場生存適應能力。

1)最佳人機配合高度

操作平臺最佳的離地高度h=0.61H-70,H為人的身高(取平均值1 700 mm計算),0.61H為人的手肘高度,所以電子集成單元安放的最佳位置在1 m左右,如圖4所示。

2)維修及搬運設計

天線頭是整套雷達系統中最重的攜行單元,所以無論是其維護還是搬運應盡可能做到操作方便。其后部蓋板是電子設備集成區,又是維修窗和散熱通道,通過快鎖裝置與殼體緊固。在殼體的兩側設計有搬運把手,可方便單人或兩人搬運,如圖5所示。

3)各單元快連機構設計

天線頭與三腳架的連接、供電箱子與三腳架的連接均不需要任何輔助工具的協助,全部采用快速連接機構實現,如圖6所示。

圖4 操作高度

圖5 維修及搬運設計

圖6 各單元間的快連機構

3 一體化設計

3.1 一體化小型天線平臺的設備組成

一體化小型天線平臺即天線頭是整個雷達系統的核心,通過一體化設計合理地把天線座、天線、電子設備單元及俯仰調節機構等設備集成于一個薄壁的鋁殼體中,結構示意圖如圖7所示。

圖7 天線頭設備組成

因為天線頭集成了雷達系統的大部分分系統,所以重量較重、尺寸較大;為了減重和攜行方便,外觀殼體采用薄壁鑄造件,左右兩側設計了搬運把手。其中,收發單元、天線單元及天線座之間的信號傳輸通過盲配插座實現。

3.2 天線俯仰機構的集成化設計

針對天線-4°～4°的俯仰角要求,在天線殼體內置了雙滑塊俯仰連桿機構,該機構集成于天線和殼體之上,實現了小空間內的俯仰要求,同時利用天線旋轉軸在殼體上安裝有俯仰角度指示標牌,如圖8所示。該俯仰機構與天線、殼體高度集成,因少了俯仰支撐構件、輔助連接附件、架設/撤收連接單元,具有重量輕、外形整潔、連接簡化的特點。

3.3 電子設備單元的一體化設計

集傳熱與承載于一體的多功能電子設備單元[5]由功放、接收通道、頻綜、信號處理板、伺服驅動板、電子羅盤、電源模塊、環行器、電纜、接插件等組成。因考慮防護、散熱、維護等需求,把電子設備單元統一集成到一塊安裝板上,該安裝板既作為天線殼體的防護蓋板,又作為電子設備單元的母體基板。該安裝板的后部加工有一定高度的散熱翅片,可把電子設備單元工作時的熱耗通過它導到外部空間。電子設備單元作為整體通過10個松不脫螺釘安裝于天線殼體后部,當需要維修維護時,可方便地整體拆除。

圖8 集成化天線俯仰機構

在環境溫度55℃、太陽輻射、無風條件下,對電子設備單元進行熱分析,功放芯片溫度約82℃(見圖9(a)),滿足使用要求。同時,為模擬沙漠高溫下太陽輻射對雷達工作狀態的影響,在安裝板的散熱片上和內部安裝溫度測量裝置在外場進行了反推試驗(見圖9(b)),進一步證明分析設計滿足使用指標要求。

圖9 溫度設計驗證

3.4 多功能一體化的小型天線座設計

天線座設計采用一體化的并行設計理念,集成設計了多功能小型天線轉臺,具有尺寸小、重量輕、功能全的特點,集成了驅動單元、角度反饋單元、匯流環等(見圖10),可實現雷達扇掃、環掃以及跟蹤等多模式運動,滿足天線轉速4°/s,8°/s,16°/s的要求。

圖10 一體化天線座

天線座系統由轉盤、底座、驅動單元、匯流環、編碼器等組成,安裝在天線殼體內,渾然一體。該天線座設計時考慮整體布局,為了壓縮系統尺寸,將驅動單元安裝于轉盤上倒置驅動轉盤,結構上采用大齒輪固定,電機帶動小齒輪圍繞大齒輪旋轉。

4 商品化設計

因便攜式雷達是一款軍民兩用的探測設備且主要以出口為主,所以其成本要低、外形要美觀、人機工程要合理;綜合以上特點,本雷達設備在設計時要多以外購成熟的、商品化的產品為主。選擇商品化的產品要堅持以下原則:

1)市場銷量大、用戶多的商品:這種產品一般人機工程好、價格便宜,如攝像機三腳架等。

2)專業生產廠家的庫存產品(非訂制產品):這種產品一般批量生產,且質量可靠、價格低,如齒輪、軸承等。

3)對于影響產品性能的重要設備,且市場銷售較少,無法把握可靠性的,要設計師自己設計。

比如該雷達采用的三腳架即為市場上常用的碳素纖維材質三腳架,除價格便宜外,各項功能均滿足指標要求,如高低溫、振動、防腐蝕等;監控電源機箱為市場上型材機箱的改裝設計,如圖11所示。

圖11 商品化產品

5 結束語

該戰場偵察雷達以實戰需求為牽引[5],從頂層設計入手,全流程設計融入構型設計、一體化設計、商品化設計等并行設計理念,使雷達結構除滿足電訊指標要求外,還在美觀性、人機性等多方面取得了一定的進步和突破;解決了系統間連接多、環控難度大、集成度復雜等多重難題。

該產品通過設計及材料選型,最終實物達到的重量約33 kg,架設和撤收時間約4 min,滿足性能指標要求。樣機經過烤機及聯調之后交付給用戶單位試用,基本上得到了用戶的肯定和認同。

[1]鄭志寬,何強,韓壯志.戰場偵察雷達的研究與發展[J].飛航導彈,2013(10):75-79.

[2]郭軍,李俊偉,石金彥.輕型戰場偵察雷達結構總體設計理論及應用思路分析[J].電子機械工程,2006,22(1):20-22,29.

[3]王恒科.國外地面戰場偵察雷達發展現狀與趨勢[J].電訊技術,2015,55(7):817-821.

[4]許兵.輕型戰場偵察雷達的結構總體設計[J].現代電子技術,2005,28(13):29-30.

[5]劉炳輝.功能結構一體化技術在雷達結構設計中的應用[J].電子機械工程,2013,29(6):40-44.

[6]陳曙.輕型戰場偵察雷達的發展與概念設計[J].火控雷達技術,1996,25(2):1-39.