機動式S模式航管二次雷達結構設計

李楊 王興

摘 要：車載式二次雷達設計的難點之一是如何提高二次雷達的機動性能，針對這個問題本文論述了車載式航管二次雷達機動性設計中的關鍵技術及實現方法，并對機動式航管雷達的結構設計進行了總結歸納，提出了天線陣面折疊的新方法。同時指出了設計要點和設計過程中應該著重注意的問題，供同行其他人員參考。

關鍵詞：機動式;航管雷達;結構設計

2014年全國低空空域管理改革工作會議在北京閉幕，并且我國自2015年已經全面開放低空空域管制，此舉將加速推進通用航空產業以及空管綜合系統的快速發展[1]。

伴隨著低空空域的逐步放開，種類繁雜的各類通用航空器充斥于整個空域。空域管制員依據二次雷達很容易獲取通用航空器的編號、高度、方位等參數，未來空管二次雷達在民航空中交通管制的作用將愈發顯著[2，3]。

機動式航管二次雷達是機場航管雷達的補充保障，機動式航管雷達機動性高，越野運輸、架設及撤退時間短，可在戰時或應急時迅速開赴到指定區域實現空中交通管制保障任務。

目前國內機動式航管二次雷達已實現手動及半自動架設或撤退天線，全自動方式還未實現。本文將大口徑陣列天線高機動舉升、自動調平以及自動折疊技術應用于機動式航管雷達，大大提升了航管二次雷達的機動性能[4，5]。

1 雷達總體設計

1.1 系統構成

機動式航管二次雷達主要由天線、設備箱、轉臺、舉升機構、液壓調平系統以及車載平臺等組成。本系統由多個分系統組成，設計包括總體結構設計、人機工程設計還有安全性設計以及三防設計。

1.2 技術指標

本文的技術指標包括天線架設、環境條件和機動性等。這些技術指標也是系統的設計依據。

1.2.1 天線架設

工作狀態下天線陣面頂端距載車平臺最大高度是5.7米，并可在任意高度停留。天線方位可在0～360°內調整，并且工作狀態天線需滿足±5°范圍內調整并可鎖定。

1.2.2 環境條件

（1）環境溫度：

室外設備：工作時-35～+55℃;運輸、存儲時-45～+70℃

室內設備：工作時0～+45℃;運輸、存儲時-45～+70℃

（2）抗風能力：陣風≤40m/s時能夠正常工作;陣風≤55m/s時停機不破壞;

（3）抗沖擊及振動載荷：滿足GJB1621.7-935.7節中要求[6];

（4）三防措施：設備系統具有防潮氣、防煙霧、防霉菌的能力。

1.2.3 機動性能

（1）運輸方式：車載方式，單車或兩個運輸單元運輸;

（2）架撤時間：全系統架設35min/4人，撤收25min/4人;

（3）特定功能：自動尋北、定位、調平、倒豎、升降、鎖緊;

（4）運輸條件：滿足公路運輸、鐵路運輸、空運及海運要求。

2 結構設計

根據市場調研，用戶對雷達總體布局的要求是集成度高，空間利用率高，架設及撤收方便、快捷、穩定可靠，即能夠在規定時間內完成由臥倒運輸狀態轉為工作狀態 [7]。針對用戶的實際需求，結合機動式航管二次雷達的結構特點和功能，將伺服控制機柜、液壓控制系統集成于一輛軍用越野載車平臺上，顯控處理平臺與發射機柜集成于另一輛方艙載車平臺內。公路運輸狀態下，天線載車平臺的外形尺寸為長8845mm，寬2450mm，高3350mm，整車通過性好。工作狀態下，連桿舉升機構能夠將天線陣面舉升至5750mm，提高了二次雷達的陣地適應性，圖1為機動式航管二次雷達工作狀態示意圖。

2.1 天線設計

天線的結構設計是機動式航管二次雷達結構設計的關鍵之一。為保證機動式航管二次雷達相較于固定式航管的探測威力相當，機動式依然沿用了原有航管的列線源，單根列饋長度為1800mm。35根列線源及反射棒組成的整個天線陣面尺寸為8000mm×1500mm。這為天線的折疊反轉保證滿足公路鐵路運輸限制帶來了很大難度。

2.1.1 天線折疊

為滿足雷達的整車運輸條件，整個天線陣面分為3塊，主陣面由25根列線源及反射棒組成，振子間距為225mm，左右邊塊陣面均由5根陣子組成。運輸狀態時兩側變快陣面向背側折疊180°并鎖定，天線整體在兩支撐的滾珠絲杠動作下傾倒90°至水平位置，完成天線陣面的折疊，天線拼接到位由定位銷及定位面完成定位，折疊與展開均是自動完成，電動鎖緊機構完成邊塊之間的鎖定以保證天線陣面的精度要求。圖2為天線折疊示意圖。

2.2 液壓系統結構

舉升機構是實現雷達架撤自動化和機動性的重要組成部分。系統中天線車的調平、架撤機構均采用液壓驅動，為了使系統沖擊壓力最小，液壓回路需要簡化。通過設定過壓保護以及互鎖檢測來確保液壓系統安全可靠，整體機構動作和安全連鎖需要通過控制電路及軟件來實現。

2.2.1 舉升機構

天線陣面與設備箱以轉臺支座為支撐，以背向兩電動滾珠絲杠為俯仰支撐。天線支座與轉臺的架高舉升機構依靠平行四連桿機構，采用油缸驅動舉升，舉升到位后連桿機構上的橫向伸縮銷完成對天線的舉升機構的鎖定。

2.2.2 液壓自動調平系統設計

液壓調平系統主要由泵源、調平執行機構、水平儀等組成，其主要指標：

（1）調平時間 ≤3min;

（2）調平精度 ≤6;

（3）單腿承載 ≥10t。

液壓自動調平系統可以對承載平臺連同載車一起調平，水平儀安裝在載車平臺上，根據水平儀的指示，通過控制四只調平撐腿的升降實現調平精度達到6。液壓調平系統原理圖見圖4。

調平執行機構是實現液壓自動調平系統的另一個關鍵機構。工作狀態下調平執行機構示意圖見圖5左側，該執行機構由液壓馬達、蛙腿、液壓油缸和調平撐腿四個部件組成，當雷達完成撤收處于運輸狀態時見圖5右側。

2.3 載車平臺

工作狀態下載車平臺同時要承受裝備重量、車底盤重量以及風力矩載荷的作用。根據總體設計要求，平臺的最大變形量不能超過15mm。針對平臺的剛強度要求，需要建立骨架的有限元模型，并借助ANSYS軟件對平臺進行力學分析。

2.3.1 有限元模型

載車平臺結構如圖6所示，長8410mm，寬2500mm，

高300mm。由兩根主大梁、若干橫梁及邊梁構成骨架式結構，固定方式為焊接，主大梁選用工字鋼，橫梁選用槽鋼，邊梁選用矩形方管梁。

有限元單元類型選擇beam188，單元數2721，每個調平撐腿分別進行Ux、Uy、Uz、ROTx、ROTy方向約束，施加載荷包括設備自重以及沿X、Y方向的風力矩。在平臺上代表性選擇10測點，測點分布如圖7所示，通過分析對應點應力值可基本評估載車平臺受力情況。

2.3.2 工況與分析結果

對圖7中的各應力點分別施加X方向和Y方向的風力距，風力大小分別1000N、1600N、2100N，設備重量按實際作用面以均布載荷施加在對應節點上。

根據兩種工況下的載車平臺的分析計算結果得出以下結論：

3 相關問題解決

3.1 操作安全性設計

機動式S模式航管二次雷達架撤系統與折疊動作比較復雜，須嚴格定義折疊動作流程。對于動作節點位置安裝接近開關或紅外對接測量裝置，以此確保整個天線車系統架撤過程的安全有序。

3.2 設備三防設計

系統架撤動作的精度直接決定了雷達陣面的精度，定位面、定位件、導向件等需有很好的表面粗糙度和形位公差要求，因此架撤系統各折疊動作的執行機構不能出現生銹卡死現象。天饋系統設備箱內部安裝有中心饋電網絡、功分網絡、波束控制、電源等電子設備，必須滿足三防設計要求。為此對天線箱體進行煤油密封試驗，排除箱體的焊接缺陷;在維修安裝窗口設計密封槽;在箱體底部開有防水防塵透氣塞，以免潮氣在箱體內積聚影響設備可靠性。

4 結束語

4.1 結論

現階段固定式民航空管一、二次雷達已經有了成熟的發展，機動式航管作為未來航管雷達發展的新方向，其機動性能是關鍵因素。文中論述了機動式航管雷達的整車布局，提出了天線自動折疊、架撤以及自動調平的新方法，并指出了設計中應該注意的問題，可供同行參考。

4.2 展望

如何改進以提升整個載車系統機動性能將是今后的工作重點。為保證天線有足夠的威力，目前航管雷達列線源尺寸仍較大。后期可改進天線振子結構，將前端振子與后端功分網絡垂直“L”形分布，在保證天線陣威力的同時可較大減小振子寬度方向尺寸，從而大大降低天線陣面通過性，提高整個天線陣系統的機動性。

參考文獻：

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[2]林有才.高機動性地面雷達的現狀和未來發展趨勢[J].電子機械工程.1999，81（5）：11-14.

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[4]王勁宣.高機動雷達天線快速舉升系統結構的總體設計[J].現代電子.2001，74（1）：1-3.

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[7]RobertP.Scary.A Compact Thermal Control System. IEEE MTT-S Digest.1997：1492-1496.

[8]崔軍華.重型越野汽車質量參數的確定[J].專用汽車.2006，（1）：40-42.