机载预警雷达气动外形及天线构型设计∗

(中国电子科技集团公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

机载预警雷达作为预警指挥机的核心传感器,能够利用其载机平台的飞行高度克服地球曲率对观测视距的限制,消除雷达盲区,扩大低空和超低空探测距离。随着航空技术的发展,未来战场目标的RCS越来越小,为了获得足够的作用距离,需要增加雷达的功率口径积,在载机功率资源一定的情况下,增大天线口径是最有效的方法。然而,天线口径受雷达罩外形尺寸限制,雷达罩的气动外形及尺寸又受制于载机平台的总体外形尺寸及总体-气动构型等因素[1]。因此,合理选择预警机总体-气动构型并对雷达罩气动外形进行优化;通过合理的结构总体布局设计,有效利用雷达罩的气动外形,使天线口径最大化,成为机载预警雷达结构总体设计中需要考虑和研究的工作。随着雷达技术的发展,有源相控阵体制已成为机载预警雷达的主要趋势,本文针对相控阵机载预警雷达的雷达罩气动外形以及雷达结构总体设计中的主要问题—天线构型设计进行探讨。

1 雷达罩气动外形的选择与优化

1.1 雷达罩气动外形

随着有源相控阵技术的应用,不仅使雷达性能得到了很大的提高,也使预警机的总体-气动构型设计有了更多、更优的选择,目前被采用较多的包括背鳍式、圆盘罩-支架式和贴于机身两侧的机身共形式等几种构型。

1)背鳍式

该构型目前有两种形式,其一是以萨伯340预警机(如图1(a)所示)为代表,天线舱通过支撑杆系安装于机背上方,装备的ERIEYEE有源相控阵雷达可进行两侧240°扫描。其二是以波音E-737“楔尾”预警机(如图1(b)所示)为代表,T形截面的长条天线舱直接安装在机身上,装备的多任务电子扫描阵列(Multi-Role Electronically Scanned Array,MESA)有源相控阵雷达,可实现360°扫描。

图1 背鳍式构型

2)圆盘罩-支架式

该构型以E-3预警机(如图2(a)所示)为代表,该构型适合于机扫体制雷达,同时也可用于电扫体制雷达。伴随着有源相控阵技术的应用,在圆盘罩的基础上又衍生出了类似三角形、水滴形等其他流线形的盘状雷达罩,如美军的S-3预警机(如图2(b)所示)、V-22预警机等验证机的气动构型方案。采用非圆形罩,可使天线口径加大,提高天线的辐射性能,因此,非圆形罩的方案很有研究价值,但必须结合具体情况进行优化、综合分析与权衡[2]。

图2 圆盘罩支架式构型

3)机身共形式

以色列研制的“费尔康”预警机(如图3(a)所示)和湾流G550“海雕”预警机(如图3(b)所示)是该种构型的典型代表,相比之下,后者雷达罩的形状与机身更加融合,但两者仍然属于“准共形”(非理想共形),该构型能大大减小甚至消除雷达罩对飞机气动性能的影响,成为未来预警机总体-气动构型发展的一个方向。

图3 机身共形式构型

上述三种构型中,圆盘罩-支架式对飞机气动特性的影响最大;背鳍式由于沿飞行方向整流较为流线,因此对飞机气动特性的影响比前者要小得多[1];而机身共形式在这三种形式中影响最小。除了以上所列的3种较常采用的构型外,还有腹鳍式(如美军的E-8)、机身鼓包式(如以色列的“费尔康”前后补盲雷达罩),甚至还有不加整流罩的“裸露式”(如俄罗斯的卡-31预警直升机)等构型[1-4]。

在进行雷达罩与载机的总体气动构型时,除了考虑对飞机气动性能的影响外,最重要的要求是减少机体的遮挡,降低机身对天线波束扫描的影响。圆盘罩-支架式和背鳍式构型采用背负高架方式,可以有效减少机身对天线波束扫描的影响,背鳍式具有良好的侧视性能,但存在前后盲区,一般结合采用鼓包式构型增加前后补盲天线或采用端射阵天线进行补盲;较前两者,机身共形式构型目前受机身遮挡的影响比较大,但随着天线技术的发展,实现与机身完全共形,可有效利用机身表面积,通过分布口径合成,增大天线口径。在工程上,必须把飞机和雷达罩作为一个整体考虑,建立飞机-天线模型,进行仿真计算,选定天线在飞机上的最佳位置。这一工作通常在系统总体设计时完成,然后将天线形式、定位和尺寸一起作为预警雷达天线在飞机上的电磁性能要求提供给飞机改装设计者,供飞机总体 气动设计时进行综合和权衡[2]。

1.2 雷达罩气动外形优化

在确定了预警机的基本气动构型后,需要对雷达罩的气动外形进行优化,目的是使天线口面处的有效面积最大化,此项工作主要是雷达天线与飞机气动两个专业设计系统的协调设计过程。首先采用仿真分析手段进行罩体的建模、优化,再通过风洞试验对罩体的气动性能进行验证。对于透波部分与整流部分相对独立的雷达罩构型,该过程较为简单,雷达天线受气动设计的约束较少,如背鳍式的长条形雷达罩,直段为雷达透波部分,前后两端的整流罩通过平滑过渡与直段构成连续的外形;而对于透波与整流共形的雷达罩,其透波截面形状会影响天线布阵的有效面积(天线增益)和天线的波瓣宽度指标,从雷达设计的角度,雷达罩气动外形的选择应综合考虑下列因素:

1)气动性能影响小:在能够获得相同口径的情况下,对飞机气动性能的影响最小。

2)有效透波截面积大:在同样能保证飞机安全性的情况下,可获得的天线口径最大。

3)天线副瓣影响小:天线罩的不同形状和厚度对天线副瓣造成的影响也不同,如水滴形罩的插入相移较圆形罩小,对天线副瓣影响也相应较小。

4)天线透波罩重量轻:天线罩电设计时,对于天线副瓣性能影响较大的罩体形状,一般会对罩壁采用变厚度设计进行优化[5],从而会造成天线罩的增重。

以“圆盘罩 支架”构型为例:确定采用该种总体构型后,需要确定雷达罩的气动外形(圆盘形、水滴形或其他流线形)。优化初期,选择等边三角形和盾牌形两种非圆形方案与圆形罩相比较。以同样的天线有效面积所获得3种外形的最大尺寸如表1所示。从表中可以看出,在最大厚度不变的情况下,三角形和盾牌形展向最大尺寸都有所减小,其中盾牌形的3个面阵为非等边的等腰三角形布局(如图4所示),展向尺寸减小到7.8 m。

表1_相同天线口径的雷达罩外形比较

图4 非圆型雷达罩

为了在气动性能方面对这三种外形方案进行比较,采用CFD计算分析,以下是分析结果:

1)天线罩带来的阻力增量:圆形＞三角形＞盾牌形,即圆形产生的阻力增加量最大,盾牌形产生的阻力增量最小。

2)天线罩对飞机纵向力矩特性的影响:迎角α=0°时,3个方案均使飞机纵向静稳定性有所增加,相比较为:三角形＞圆形＞盾牌形;α=4°时圆形纵向静稳定性略有减小,三角形和盾牌形仍使飞机纵向静稳定性有所增加。

3)天线罩对飞机偏航力矩特性的影响:侧滑角在±6°范围时,圆形产生的偏航力矩最大,盾牌形次之,三角形最小。航向静稳定性:圆形最好,盾牌形次之,三角形最小。

4)天线罩对方向舵效率的影响:3个天线罩方案均对垂尾前部的压力分布有所影响,而对垂尾后部的压力分布影响较小。在小侧滑角范围(β=-6°～+6°),天线罩尾流对垂尾干扰较大,大侧滑角时,天线罩尾流对垂尾的干扰迅速减小。对垂尾影响最大的是圆形,而三角形和盾牌形对垂尾的干扰影响相当。

从CFD计算分析结果可以看出,两种非圆型罩对飞机气动性能的影响较圆罩小,通过对两种非圆罩气动外形优化,得出水滴形的最终结果(如图5所示),罩体外形尺寸:展向＜8.3 m,航向＜8.8 m,最大厚度＜1.8 m。

图5 水滴形罩外形

在雷达罩的初步外形确定后,雷达结构也需要对天线进行初步的总体基本构型,并截取天线口面所在的罩体截面,预留透波罩厚度及安全间隙后进行天线单元布阵设计,然后通过天线的电讯仿真对罩体形状提出修改意见,气动设计根据天线设计的反馈进行罩体样条线的优化,并进行气动仿真分析,将优化结果返回给天线设计,如此反复迭代,直至达到要求。实际上这是天线口面优化与雷达罩气动外形优化的协调设计过程,最终结果是在天线口径与气动性能这对矛盾之间找到“两全其美”的平衡点,图6为雷达罩气动外形优化流程示意图。

雷达罩的气动外形经过优化,使雷达天线口面所在截面的面积和形状达到了最大、最优。然而,如何高效利用所得到的口径面积,则是下一阶段机载预警雷达天线结构总体设计所要解决的问题。

2 天线结构总体布局优化

图6 雷达罩气动外形优化流程示意图

通过对雷达罩气动外形的优化,天线口径在保证飞机气动特性指标的前提下得到了最大化,但在后续的天线结构总体布局设计中,还有可能会因为布局不当造成天线有效口径面积的得而复失,如何避免或减小这种损失,保证天线预期增益指标的实现,是天线结构总体布局设计需要考虑的一个问题。当然,天线结构总体布局设计要考虑的问题远远不止这一个,有源相控阵雷达天线具有设备量大、集成度高、互联关系复杂等特点,是预警机的核心部分,也是占用载机资源量最大的设备。天线结构总体布局应根据各种设备的功能特点和互联关系对其进行合理布置,在保证雷达性能指标的同时,设备的重量及重心配置应满足载机系统的要求,此外还应综合考虑系统的可靠性、维修性以及载机资源的有效利用等因素。以下仅就如何通过天线阵面与T/R模块互联形式的优化,减小有效口径面积的损失这个问题进行讨论。

2.1 天线阵面与T/R模块互联形式

天线阵面与T/R模块间互联形式按辐射单元与对应收/发通道的连接方式来分,主要有以下三种形式:

1)固定连接

这种互联形式的天线辐射单元固定在T/R模块上,T/R模块的收发单元间距按天线单元间距布置,阵面精度靠T/R模块的制造和安装精度保证。

这种互联形式的主要优点是消除了电缆及连接器所带来的损耗,但采用这种连接方式,在线校正网络设计在T/R模块内,当T/R模块更换时校正网络也随之更换。校正网络是整个相控阵的基准,是实现超低副瓣的保障。实践表明,校正基准与天线的阵中环境、加工安装精度密切相关,很难仅通过高精度的加工实现天线的超低副瓣,必须通过外场或近场测量的方法进行校正与补偿。如果采用天线辐射单元固定在T/R模块上的设计方式,当更换模块时校正基准将发生变化,天线副瓣很难保证,在线校正将失去其应有的低副瓣保证的功能,而退化为仅仅对通道是否失效的监测。另外,这种互联形式对T/R模块的加工、安装精度要求高;T/R模块安装布局也受限于天线阵面。

2)盲配直连

这种互联形式的收/发通道与天线辐射单元通过盲配连接器直接连接。T/R模块收发单元间距按天线单元间距布置,因天线阵面与T/R模块可分,其阵面精度和校正基准不受T/R模块安装精度影响;由于校正网络可集成设计在天线阵面上,T/R模块的更换不会造成天线校正基准丧失;T/R模块与天线辐射单元通过连接器直接连接,消除了连接电缆带来的损耗。但T/R模块的安装布局与前种形式一样受限于天线阵面。

3)电缆过渡连接

T/R模块与天线阵面通过电缆相连接,T/R模块上的收发单元间距可根据设计需要布置,不必与天线单元的间距对应,与前两种连接形式相比,T/R模块的安装布局相对更灵活,并且容易实现天线的共口径设计;天线阵面辐射单元的布阵也可根据需要灵活设计,如采用矩形布阵、三角形布阵等。但因T/R模块与天线辐射阵面间通过电缆连接,其损耗与前两种连接形式相比会有所增加。

对于这三种连接形式的特点总结如表2所示。

表2 天线阵面与T/R模块间互联形式比较

2.2 天线阵面与T/R模块互联形式的选择

从上述三种互联形式的特点可以看出,其各有优、缺点,随着电子元器件技术的发展和T/R组件设计水平的提高,有源相控阵天线正逐步朝着轻、薄、柔方向发展,目前片式组件和瓦片式天线已逐渐在产品中得到应用,而这正是采用了直接连接方式,由此可以看出其优越性。但对于一个具体设计来说,最好的并不一定最合适,对于连接方式的选择,应该从雷达罩气动外形的特点、天线系统的总体基本构型、技术成熟度、经济性等方面综合考虑、权衡并作出选择。下面以“圆盘罩-支架”构型的某中型有源相控阵预警雷达为例,从天线口面形状、面阵基本构型和多频段共面阵布局三个方面进行说明。

1)天线口面形状

该预警雷达的罩体为椭圆旋转体,天线系统的总体基本构型采用三面阵布局,天线口面所在位置的截面形状为近似椭圆形。在预留了透波罩的厚度及天线与罩体内壁的安全间隙后,分别按电缆连接和直接连接两种方式进行天线单元布阵,其中直接连接方式的T/R模块采用4×4的16通道构型,分别切得天线阵面外形(如图7所示),从图中可以看出,直连方式的天线振子与对应的T/R组件间存在相互约束,每个振子后面必须有完整的空间形成对应的T/R组件;同时,阵面上能布置多少T/R组件,才能有多少个天线振子。这样,凡是后面不满足T/R组件安装空间的面积因无法利而切去;而采用电缆连接方式的天线阵面不受后面T/R组件的条件约束,能够有效利用截面上的面积布置更多振子,因此较前者的有效面积更大。同时,阵面边角处的T/R组件形不成完整4×4的16通道构型,如果采用直连方式,必须增加T/R模块的品种,这无论从维修性还是经济性方面考虑都难以接受。

2)面阵基本构型

图7 天线阵面布局(局部)

由于天线系统的总体基本构型采用三面阵布局,当3个阵面辐射面位于圆的内接正三角形3个边上时(从圆盘上方俯视),其口径为最大。图8(a)为采用直连方式的三面阵布局示意图。由于天线阵面、T/R模块都有一定厚度,因此在进行设备排布时应为这些设备留出厚度空间以及适当的维护空间,而这必然会使3个面阵在拐角处发生重叠或干涉如图8(a)所示,要解决这一问题,可以将3个天线阵面各自沿法线方向外移,如图8(b)所示,这样就使辐射面偏离最大口面位置,另一个办法是将天线阵面与T/R模块的连接方式改为电缆连接,减小T/R模块的宽度尺寸并根据需要增加深度尺寸,同时将T/R模块排布向天线阵面的中间集中,从而减小面阵拐角处的厚度,消除干涉,如图8(c)所示。

3)多频段共面阵布局

预警雷达一般都要配备敌我识别/二次雷达,对敌我识别/二次雷达的基本要求是能够覆盖预警雷达的覆盖范围,精度指标也能够与雷达匹配,以实现对目标的正确分辨和识别[1]。本文将这两种雷达天线分别称作一次天线和二次天线,这两个不同频段的天线需要布置在同一面阵上,如果在同一阵面采用分区排布方式,现有口径面积无法同时满足两个天线的增益要求,在保证一次天线增益的情况下,所剩面积已无法使二次天线的增益达到指标要求。因此考虑将两个天线采用共口径设计,这样可同时实现两个天线的高增益。但一次、二次天线输入端口都要对应有一个T/R的安装空间,造成两空间重叠,因此,一次天线T/R和二次天线T/R不能同时满足直接连接。如果将其中一个频段改为电缆连接,则可解决这一矛盾。

采用电缆连接方式具有布局灵活的特点,但毕竟所增加的电缆会带来功率损耗,因此在进行总体布局设计时必须优化T/R模块的布置,严格控制其与天线阵面间的电缆长度,使其带来的损耗达到最小。否则有可能得不偿失。实践证明,在设计合理的前提下,采用电缆连接方式所增加的损耗约为0.2 dB。

图8 三面阵布局示意

3 结束语

机载预警雷达天线的口径,作为载机提供给雷达的一个间接资源对雷达的威力指标有较大的影响,针对这一问题,在雷达研制的初期就必须与载机做好雷达罩协同设计、充分挖掘载机资源;并在后续的雷达结构总体布局中,将其列为重点考虑的因素之一,以确保雷达的预期指标。

[1]刘波,沈奇,李文清.空基预警探测系统[M].北京:国防工业出版社,2012.

[2]欧阳绍修,赵学训,邱传仁.特种飞机的改装设计[M].北京:航空工业出版社,2014.

[3]白光瑞.国外利用其它平台的空中预警雷达发展综述[J].雷达与电子战,2004(3):9-11.

[4]吴光辉,王妙香.预警机雷达天线罩气动布局综述[J].飞机工程,2007(1):1-4.

[5]刘晓春,孙世宁,王茜.机载宽频带雷达罩双向变厚度设计方法[J].雷达科学与技术,2014,12(1):101-105.LIU Xiao-chun,SUN Shi-ning,WANG Qian.A Method of Bi-Directionally Changing-Thickness Design for Airborne Broadband Radome[J].Radar Science and Technology,2014,12(1):101-105.(in Chinese)