机载0.45m 天线结构设计

赵 望，米宏伟，石伟朝

（中国电子科技集团公司 第五十四研究所，河北 石家庄 050081）

机载0.45m 天线在工作过程中经常会受到飞机的起降、发动机振动、螺旋桨转动和外部气动扰流等因素产生的振动和冲击作用。面临如此复杂的环境条件，在结构设计中必须考虑工作过程中的安全性和可靠性问题。其中，天线结构件在振动和冲击环境下的刚度强度问题尤其重要。天线座架是支撑天线、安装馈线及伺服驱动系统的载体，是承受飞机振动和冲击环境的关键构件，通过它实现天线的运转、定位和定向等功能，其结构刚强度的好坏，直接影响到系统的精度和安全性能。因此，在天线座的结构设计阶段，采用ProE 三维设计软件进行结构设计，采用有限元法利用MSC Patran／Nastran 仿真软件对天线座结构进行模态分析、冲击响应分析和随机振动分析［1］，以提高设计质量。

1 系统和整机要求

根据系统要求，本天线必须具有的功能：自动跟踪卫星；极化自动调整；能够与导航设备通信，采集航向、地理位置、姿态等信息；可以接受远控设备控制，设置设备参数和查询设备状态。要实现这些功能则要依靠伺服系统对目标的准确跟踪，伺服采用陀螺加前馈补偿伺服稳定控制策略；单脉冲跟踪方式。天线及伺服跟踪系统的基本任务是：在飞机飞行过程中始终连续地对卫星进行高精度跟踪。并且能够高性能地接收卫星的来波信号和发射飞机卫星通信站的信号。天线座架是机载天线的重要组成部分，它的主要功能是支撑和转动天线，在伺服稳定控制下实时地对准卫星，从而保证在飞行中卫星通信的畅通。为了提高天线整体的谐振频率，应使其结构具有较高的强度和刚度。此外，为满足天线座可拆装，搬移要求，天线座结构设计应简洁，重量轻。

2 总体结构形式及设计特点

0.45 m 天线外形安装尺寸（直径×高度）为700mm×500mm（天线罩），重量约为40kg，如图1所示。天线与天线罩一体安装在机体尾梁构建的安装平台上。天线的反射体采用低剖面的波导阵列天线，座架采用方位－俯仰型转盘式结构，天线与机体安装平台间装有隔振装置。所有电缆和波导经密封处理后通过安装孔进入机舱内部。

2.1 天线反射体结构设计

天线反射体采用铝合金板的波导阵列天线结构形式，由于采用新型加工成形工艺，具有剖面低、辐射效率高、口径分布控制精确、低副瓣、波束指向稳定、功率容量大、刚度和强度好、结构紧凑、厚度薄、相对重量轻、可靠性高等优异的电器和结构性能［2，3］。

2.2 天线座架结构设计

图1 天线总体结构

天线座为方位－俯仰型座架结构形式，座架又分为方位机构、俯仰机构、滑环组合三部分。

其中方位机构主要由驱动组合、底座、方位大轴承、方位同步装置组成。方位大轴承采用四点接触球轴承，安装在底座上，连接方位与俯仰机构，具有传动平稳、承载能力强、可调节齿隙等优点。两侧分别放置方位驱动和方位同步装置以及伺服控制单元等。方位轴角信息通过双片齿轮传递给同步装置。

俯仰机构主要由驱动组合、俯仰支臂等组成。驱动链末级采用圆柱齿轮副，具有传动平稳、承载能力强、可调节齿隙等优点，俯仰支臂中每个轴承座背对背安装一对圆锥滚子轴承，内装俯仰轴构成悬臂轴伸。设计中优化配置俯仰轴跨距与悬臂轴伸的比例系数，从而保证俯仰轴的刚度。

滑环组合由上支架、滑环、安装附件组成，采用多路滑环，具有超长寿命、免维护、无需润滑、外形紧凑的优点。滑环通过上支架与安装附件分别与俯仰机构和方位机构连接。

为了减轻天线系统的重量，主要支撑件均由锻造铝合金加工而成。支撑件为薄臂加筋并开有多个减重孔的结构件，它的刚重比较大，因而座架结构整体具有结构紧凑、重量轻、刚度大的特点，满足了机载环境对设备体积小、重量轻的苛刻要求。

3 天线结构的力学分析

由于天线的质量分布不均匀，不能用解析的方法得到其解析解，因此采用美国航天局开发的有限元分析程序MSC.NASTRAN 和MSC.PATRAN 进行力学计算分析和仿真。

3.1 有限元模型的建立

天线整体结构的有限元模型包括天线阵子单元、俯仰机构，方位转盘机构等。对简化后的几何模型进行网格划分，采用MSC.PATRAN 软件分别对俯仰机构，方位转盘等机构零件单独划分网格，最后进行网格的组装。为了更为准确地描述俯仰机构，方位转盘等机构的变形位移和应力情况，采用六面体结构网格，保证结构的薄壁处含有3 层以上的单元分布。

天线座架的各传动轴、齿轮选用合金钢40Cr，而其他零件选用锻铝5A06－h112。

机载0.45m 天线网格划分模型如图2所示。

图2 机载0.45m 天线网格划分模型

3.2 模态分析

天线结构可以等效为一个多自由度线性系统，在模态求解过程中将天线座组件视为一无阻尼自由振动系统，可据此得到系统的固有频率和振型。

天线座架的振动可以表示为系统各阶固有振型的线性组合，其中低阶固有振型对结构振动的影响更大，同时对结构的动态特性起决定性作用［3］。本文提取了天线座组件的前4 阶振动模态，表1中给出了其固有频率和振型描述。

天线座组件的前4 阶模态均为整体振动。其中，第1阶固有频率28.7Hz，远大于伺服系统的带宽2.7 Hz，伺服噪声不会激发天线发生谐振。天线座组件第1、2阶整体振动的振型如图3所示。

表1 天线座架固有频率及振型描述

3.3 冲击振动分析

图3 天线的第1、2阶振型

按有关标准要求，冲击试验条件为：采用半正弦脉冲，峰值加速度15g，脉冲宽度11ms，3个互相垂直轴，6个轴向，每个方向施加3次（共18次）［5］。

对天线座架施加载荷并进行有限元分析，得到了如下分析结果。最大应力出现在z轴正向（图4），可以看出最大应力处位于俯仰机构与方位转盘连接处，最大应力值为109MPa，小于材料的屈服极限σ0.2＝275MPa。所以，在冲击载荷作用下，天线座结构的强度是满足要求的。

图4 沿z轴正向冲击时天线的应力云图

振动实验条件见图5振动谱，其中迭加的4处振动峰值依次为1.6g、2.8g、1.9g、1.3g。

对天线座组件施加载荷并进行有限元分析，得到了如下分析结果。最大应力出现在y轴（图6），同样位于俯仰机构与方位转盘连接处，其高斯分布规律的应力3σ 值为178MPa，小 于 材 料 的 屈 服 极 限 值σ0.2＝275MPa。因此，在随机振动情况下，天线座结构的强度是满足要求的。

图5 天线振动谱

图6 沿y轴随机振动时天线的3σ 应力云图

4 结论

从航空电子设备结构设计的专业角度，根据载机平台的工作模式和环境空间要求，对机载0.45m 天线座架进行结构布局设计。在设计中采用各种机载设备结构设计的成熟经验和力学分析仿真等软件较好地解决了结构形式、防冲击、振动等主要问题，完成了天线座结构的应力分析及变形，从而保证了整套机载天线具有较轻的重量和较高的传动精度与可靠性。具备快速拆装，搬移等优点。从实际应用来看，机载0.45m 天线座架结构设计保证了天线高性能地接收卫星的来波信号和发射飞机卫星通信站的信号。

［1］南雁，郭建平，张娅妮.某机载电子设备总体结构设计，航空计算技术，2011，41（3）：97－100.

［2］洪长满，段勇军.机载雷达天线座结构的刚强度性能评估，现代雷达，2011，33（6）：72－75.

［3］洪长满.某机载雷达中钢丝绳隔振器的随机振动响应研究，电子机械工程，2011，27（3）：8－11.

［4］谭贵红，张志毅，宋志行，程林.机载雷达吊舱的结构设计，雷达科学与技术，2010，（3）：284－288.

［5］赵汝嘉.机械结构有限元分析［M］.西安：西安交通大学出版社，1990.