机载毫米波测云雷达吊舱关键技术研究∗

钱 军,牛忠文

(安徽四创电子股份有限公司，安徽合肥230088)

0 引言

机载W波段测云雷达探测系统结构上可以分为通用飞行平台Y7载机、飞机机舱内电子设备和吊舱内电子设备三部分。根据总体方案要求，吊舱内置透镜天线/馈线、发射机、接收机、伺服装置和反射器驱动机构等主要系统，其余分系统置于飞机机舱的客舱内。飞机客舱为气密舱，客舱空气调节系统和压力调节系统足以保证舱内温度和压力适宜。

机舱外挂之吊舱，是雷达主要设备安装的主体结构。内置的发射系统工作于W波段，频率高达94 GHz，峰值功率达1.2 k W。工程研制期间，该发射机的放大管只能立足于国外进口，同时由于受到许多外界因素的制约，以及适应机载环境的发射系统价格太高，我们只能采用国外该系统的民用型发射系统。因此，国外民用型地基发射机系统在机载平台下的环境适应性成为吊舱环控技术研究的关键。

由于要获得稳定的扫描波束，吊舱内天馈系统中透镜天线、反射板和发射系统中的发射管以及接收系统均采用刚性结构连接，其中透镜天线、发射管和接收机均以同一刚性结构件作为固定基础。内置的天馈系统，由于采用透镜天线及可控扫描的反射板形式，要求吊舱内天馈系统在结构设计和总体装配时要有精确的设计基准、加工基准和装配基准。因此，保证天线电轴、吊舱轴线、反射板中心及其旋转轴线位于同一基线上是吊舱研制过程中又一关键技术[1]。

1 发射机环控技术研究

国外某公司提供的发射系统所给出的发射机工作和储存环境要求见表1[2]。对照《军用地面雷达通用规范》可以看出，其发射机系统对环境要求等同于地面雷达系统的环境要求指标。

吊舱随载机飞行于4 000～6 000 m高空，飞行速度为400～500 km/h，工作环境温度为-40～+55℃。从整机对发射机的工作环境要求和发射机能够适应的工作环境条件来看，两者还是存在较大的区别，因此在工程实施中必须采用带环控系统的吊舱实现温度、湿度、压力以及结构抗振、电磁兼容等一系列机载环境适应性。吊舱内设置密封压力罐，发射机、接收机和馈线器件安装在罐内，通过波导与透镜天线连接。压力罐内射频装置与外部大气隔绝，并充有微正压空气，保证发射机、波导馈线以及接收机工作在合适的压力范围内，并且恶劣的外部环境不会影响到内部的射频装置的正常工作。压力罐内的速调管采用风机强迫扰动，压力罐外采用冲压空气冷却[3-4]。

因此，内置密封压力罐成为机载W波段测云雷达外挂吊舱区别与一般机载电子设备吊舱的最大特点。吊舱及密封罐装配结构如图1所示，吊舱环控方案如图2所示。

表1 发射系统环境要求

图1 吊舱及密封压力罐装配结构图

图2 吊舱环控方案图

密封压力罐环控系统由密封罐罐体、冷却风扇(G3G-108-BB01-02)、换热风扇(G3G140-AV03-02)、电加热器、控制系统、压力和温度传感器等组成。2台冷却风扇，直接冷却电子设备，将热量转移到罐内空气中。罐内设计有沿罐体圆周方向的导流板以及1台换热风扇，形成沿圆周方向的换热气流，将罐内空气热量转移到罐体壁面。同时罐外低温冲压空气吹拂罐体外表面，罐壁热量随冲压空气排出吊舱外。

当环境温度过低，导致罐内温度低于控制点(30℃)时，罐内循环风机转速降低;当风机转速降至最低，而罐内温度仍然低于控制点时，加热器打开，通过调节加热器功率使罐内温度在控制点附近。由于加热功率有限，因此在极低温度环境下，为降低系统成本，采用限制罐外冷空气流量的方法避免罐内温度过低，具体方法是起飞前在冲压空气进气口加装孔板限流。

控制系统为智能式全自动集中控制的方式，以操作控制按钮为主，采用可编程控制器(PLC)为控制核心，电源系统、加热系统及冷风循环系统、参数采集系统、电气控制系统及操作显示系统等高度集中，实现系统正常的舱内温度、压力等参数的显示以及对三个风扇状态的控制。

密封压力罐的主要技术指标如表2所示。

表2 密封罐的主要技术指标

经计算分析和试验实测数据证明，上述环控方案操作简单、工程可实现性强，且有效可靠。试验实测的热负荷性能数据表如表3所示。

表3 密封罐热负荷性能数据表

2 吊舱总装技术研究

机载W波段测云雷达中波束扫描通过反射板±30°的往返摆动来实现，要求透镜天线在安装后和反射板轴线的同轴度不大于0.2 mm，同时要求舱体结构变形导致透镜喇叭和反射板两个设备的轴线夹角不大于0.1°，其中，保证吊舱轴线、透镜天线轴线、反射板中心和反射板旋转轴线的同轴度是吊舱研制的关键。

吊舱结构一般由框、桁和梁等组成。根据吊舱的受力特点和设备的安装精度要求，吊舱采用整体式上梁和整体框结构。环控密封压力罐罐体采用2A12铝合金密封铆接成型，封头、法兰采用7050、2024航空铝合金机加成型。

吊舱与密封罐进行装配，在吊舱上配作定位导向装置和便于密封罐推入吊舱内的滑动导轨，保证密封罐与吊舱间的位置要求。

透镜天线和密封罐的安装，借助套筒。套筒大端与密封罐相连，下端固定透镜定位台阶面。由于密封罐和套筒上的安装连接孔均采用数控加工，具有精确的位置度，所以，透镜与密封罐之间轴线位置精度能得以保证。在配装后，利用定位销定位，保证重复定位精度。

透镜、反射板、密封罐与吊舱配装工作中，首先组装了透镜和密封罐，再将该组件装入吊舱，配装挡风板，依据透镜和密封罐组件的轴线，配装反射器。

配装过程中，透镜和密封罐组件的同轴度是由固定在密封罐上的套筒保证的。套筒上的固定孔均采用数控加工，具有较高的位置精度，再者，后面反射器的位置是根据该组件进行配装的，所以，在配装后要求套筒与密封罐、套筒与透镜均利用可拆销钉定位，以保证重复定位精度。

反射器的配装，利用经纬仪进行。首先利用经纬仪，以吊舱上的数控机加件为基准进行吊舱找平;利用卡兰姆夹紧反射器，调整反射器达水平状态;找透镜中心点，利用经纬仪读Z向数据;找反射器轴线，利用经纬仪读Z向数据;保证两Z向数据满足同轴度要求。

吊舱总装过程中主要工序状态如图3所示。其中图3(a)为密封罐在吊舱内的装配，图3(b)为透镜天线与密封罐及吊舱内的装配，图3(c)为反射器在吊舱内的装配，图3(d)为发射器在吊舱内的干涉度检查。

吊舱通过一对吊耳外挂飞机左侧舱外，如图4所示。经实测，吊舱轴线和飞机纵轴的夹角为0.03°(垂直向下)，0.05°(侧向水平)，在轴线的精度上保证了机载测云雷达的探测精度。

机舱外挂吊舱作为一个独立的系统，包含天馈、伺服、接收和发射，其主要技术参数如表4所示。

表4 吊舱的主要技术参数

3 结束语

机载W波段测云探测系统已于2013年第4季度在陕西阎良中国飞行试验研究中心进行了飞行试验，完成试验架次两次，并调整吊舱安装角度一次，雷达各系统正常运转，稳定可靠;飞行试验的各种数据，如雷达回波数据、IQ数据等非常好，获得了中国气象局专家的认可和赞许。机载W波段测云探测系统发射机环控技术和吊舱总装技术的研究与实现为整机提供了有效可靠的工作环境，其中密封压力罐技术、环控技术、吊舱结构设计等均值得为今后同类产品提供了设计借鉴。

[1]张润逵.雷达结构与工艺[M].北京:电子工业出版社，2007，404-428.

[2]牛寅生.GJB/457-2001机载电子设备通用指南[S]∥国防科学技术工业委员会，北京:中国标准出版社，2001:32-36.

[3]徐德好.电子设备热测试系统自动化研究[J].电子科学技术评论，2005(1):33-36.

[4]机械电子工业部第10研究所.机载雷达热设计规范(SJ 3224-89)[M].北京:机械电子工业部，1989:6-10.

[5]苏涛，高仲辉，黄兴玉.94 GHz机载测云雷达总体技术研究[J].雷达科学与技术，2013，11(6):574-577.SU Tao，GAO Zhong-hui，HUANG Xing-yu.Research on Airborne Cloud Radar System[J].Radar Science and Technology，2013，11(6):574-577.(in Chinese)