大型相控阵雷达阵面结构设计研究∗

(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

随着雷达技术的快速发展,有源相控阵雷达已经成为现代雷达技术的发展与应用重点[1]。为满足雷达装备探测能力不断升级的需求,一方面,有源相控阵雷达阵面向大型化方向发展,内部有源设备众多,结构设计复杂,尤其是用于战略反导或空间目标监视的地面大型固定站雷达阵面发射功率已突破兆瓦量级,发射通道数达上万个,阵面口径达数十米;另一方面,有源相控阵雷达阵面结构安装精度要求日趋严苛,典型X频段有源相控阵天线单元安装精度要求为亚毫米级,典型P频段有源相控阵天线单元安装精度要求为毫米级。此外,大型固定站有源相控阵雷达天线系统多以建筑物形式存在,部署地点多偏僻,现场施工条件差,施工难度大,相控阵雷达天线系统建成后还需要给内部设备和人员提供比较良好的工作和维修环境,这些都给天线阵面结构带来了很大的困难。

天线系统结构设计研究工作虽然比较丰富,但主要集中于机载、车载有源相控阵天线结构,以及抛物面天线结构等方面[2-3]。雷达天线阵面规模较小,针对地面大型相控阵雷达天线系统结构设计的研究报道很少。本文对国内外地面大型相控阵雷达阵面结构形态进行简要概述,并针对某大型固定站相控阵雷达阵面结构设计所面临的结构规模大、精度要求高、环境条件严苛、内部设备多,以及现场施工要求高等问题,综合系统造型、刚强度、安全性、精度和现场施工等因素,对大型天线阵面结构研制流程进行了研究,阐述了系统造型设计、刚强度设计、安全性设计、精度控制和组装式施工等结构设计主要环节的工程实现方法和思路。

1 地面大型相控阵雷达阵面结构设计概述

自20世纪50年代起,地面大型相控阵雷达作为美苏弹道导弹防御系统的骨干装备得以快速发展[4-5]。美国先后研制了以AN/FPS-85,AN/FPS-108,AN/FPS-115 Pave Paws,GBR-P,XBR等为代表的固定站式大型相控阵雷达。前三型雷达采用钢骨架建筑楼或混凝土建筑物结构形式、UHF频段、相扫体制,阵面口径面积超过600 m2,阵面设备安装在建筑物的某个或相邻的多个侧立面上,有效探测距离达到4 000～6 000 km;后两型雷达采用X频段,相扫和机扫相结合,阵面口径面积约120 m2,阵面设备安装于高精度钢结构天线骨架上,天线骨架安装于方位俯仰可调的天线座上,有效探测距离达到2 000～4 000 km。AN/FPS-85雷达结构如图1所示,AN/FPS-115和XBR雷达阵地布置如图2所示。

图1 AN/FPS-85雷达结构外形图

图2 AN/FPS-115和XBR雷达阵地实景图

俄罗斯先后部署了以“沃罗涅日-M”、“沃罗涅日-M(增强型)”、“沃罗涅日-DM”等为代表的米波段或分米波段大型相控阵雷达,相扫体制,“沃罗涅日-M(增强型)”雷达阵面口径面积约1 800 m2,有效探测距离达到4 000～6 000 km。该三型雷达均采用工厂预制的组合式单元现场组装形成雷达整机结构,具备高集成、模块化、易安装、可扩充等特点。“沃罗涅日-M(增强型)”、“沃罗涅日-DM”雷达阵地布置如图3所示。

综上所述,美国地面大型相控阵雷达天线阵面的主体结构多采用建筑楼结构形式,建筑楼集成雷达设备安装和人员操作的功能,可以给设备和人员提供舒适的工作环境,但主体结构重、工厂预制化程度低、阵地建设周期长、结构扩充能力差、工程造价高;俄罗斯地面大型相控阵雷达天线阵面多采用组合化程度高的钢结构形式,结构重量轻、工厂预制化程度高、阵地建设周期短、结构模块化程度高且扩充能力强、工程造价低。

在雷达装备作战威力持续升级和性价比要求日益提高的需求背景下,地面大型相控阵雷达结构设计面临着新的挑战:

图3 俄罗斯大型固定站雷达阵地实景图

(1)结构规模大,阵面结构口径已超过30 m,天线楼形态天线系统重量数千吨,钢骨架天线系统重量也高达数百吨;

(2)天线阵面单元数多达上万个,大口径天线骨架提供给天线单元的安装基础精度和动态形变要求高;

它所指的就是我国公民使用一系列的合法方式和手段，参与我国的政治活动，对于国家机构、政治决策、政治构成以及政治结果进行一定参与，并表达出自己相应的看法和做法，以对相关政治活动产生一定的影响，称之为政治参与。

(3)天线系统设备种类多、数量大,要求承力结构提供稳定的安装基础和良好的工作环境;

(4)大型阵面结构设计在满足功能需求的基础上,更加注重结构整体造型,对结构基础的可重构、可扩充要求日益提高;

(5)大型阵面结构设计在满足设计要求的同时,对结构基础的造价,结构单元的组合化、模块化设计,以及现场架设性能提出了高要求。

相比较于建筑楼天线系统基础架构,钢结构天线系统在实现大型相控阵雷达天线系统高安装精度、良好动态变形特性和结构安全性的同时,更加有利于结构造型设计和结构成本控制,易于实现组合化、模块化设计和工厂预制,在架设周期方面也具备明显的优势,已逐渐成为未来地面大型相控阵雷达天线系统的主流结构形式之一,但设计难度较高,尤其是大跨度、高精度钢结构的刚强度设计、精度控制设计和现场施工设计需要重点关注[6-7]。

2 天线系统结构设计流程

地面大型有源相控阵雷达天线系统结构规模大、设计要求高,为了达到良好的设计效果,需要制定完整合理的流程。大型天线系统结构设计典型流程如图4所示,其中结构架构设计和总体方案设计在方案阶段开展,形成总体设计方案、系统规范、结构模型、材料体系、关键技术专题攻关等阶段性成果;工程详细设计在工程实施阶段开展,形成工程实施方案、详细结构模型与图纸、风险控制方案等阶段性成果;加工制造、过程试验及现场施工在制造与施工阶段相继开展,最终形成可供交付的阵地结构实物。各阶段主要工作内容如下:

(1)结构架构设计主要针对雷达整机特点和结构功能性能要求,形成天线系统结构设计原则,确定天线系统设备安装和承力结构架构体系,明确天线系统造型设计目标和现场施工架构;

(2)总体方案设计主要针对结构设计要求和架构目标,开展造型设计、整体刚强度和安全性设计,以及结构精度分配,在兼顾维修性、运输性、架设性、可制造性和模块化设计的同时,完成天线系统结构设计方案,明确关键技术并完成攻关;

(3)工程详细设计是在结构设计方案基础上开展刚强度、安全性细化设计与校核,明确工程研制过程精度控制方案,完成局部构造和接口的详细设计,形成工程实施方案和结构设计图纸,进行充分的风险识别,并制定相应控制方案;

(4)加工制造、过程试验及现场施工是在工程实施方案和结构设计图纸基础之上,面向制造和施工过程,开展图纸深化设计和工艺设计,针对焊接、运输和架设等重要环节,开展力学校核,进一步细化精度过程控制措施和现场施工设计方案,并组织实施过程试验和现场施工等相关工作。

3 工程案例分析

3.1 天线系统结构设计要求

某大型地面固定式有源相控阵雷达天线系统阵面结构口径面积上千平方米,共布置1万多个收发通道及相关电子设备,结构设计在满足天线系统结构功能要求和技术指标要求的基础上,还需要兼顾系统造型、结构单元模块化组合化设计、工程造价等因素。

图4 大型天线系统结构设计典型流程图

天线系统结构主要功能要求为:

(1)在雷达部署环境条件下,为天线系统设备提供稳定可靠并满足精度要求的安装基础,主要设备包含天线系统阵面设备、内部电子设备、冷却设备及配电设备等;

(2)为天线系统内部电子设备提供良好的存储、工作和维修环境,并配套必要的维修、照明、监控、防雷、通信等附属设备。

天线系统结构主要技术指标为温度、湿度、海拔高度、抗风性、抗震性等环境条件要求,以及阵面倾角、阵面重量、阵面安装精度、阵面动态变形、使用寿命等指标。

3.2 系统架构设计与造型设计

作为典型的地面大型固定站有源相控阵雷达,天线系统设备众多、规模庞大、精度和变形控制要求高、结构设计难度大、构件制造和现场施工任务繁重,系统架构设计尤为重要。

为了提高天线阵面安装精度,保障天线系统刚强度,实现天线系统模块化设计、组合化架设等目标,将天线系统结构分为天线阵面、天线骨架、维护系统和附属设备四个部分,确定系统造型设计、天线骨架刚强度与安全性设计、天线系统精度控制设计和现场施工设计等作为本天线系统结构设计的重点工作。

在国内外大型固定站相控阵天线系统造型调研基础上,引入建筑设计思想开展本天线系统造型设计。确定采用简约式建筑风格,在实现结构传力稳定、保障精度和刚强度指标基础上,降低系统重量和现场施工难度。

天线骨架既是系统刚强度和精度设计的核心,又是系统造型设计的关键所在。系统造型设计按整体造型、局部造型、内部造型三个阶段渐次开展,如图5所示。首先以外观、用钢量、刚强度、施工难度、工程造价等为衡量因素,在钢结构建筑楼、钢结构梯形骨架和钢结构板式斜撑骨架三种方案中选取第3种作为天线骨架造型方案。与钢结构建筑楼相比,降低天线系统承载基础重量约2/3;与钢结构梯形骨架相比,降低天线骨架重量约1/3。

随后结合结构形变控制和外形等因素,优化斜撑结构形式和支撑位置,完成局部造型优化。

图5 天线系统造型设计流程图

钢结构天线骨架内部造型设计结合钢结构工程体系选择开展。板式斜撑钢骨架可采用网架结构和桁架结构体系进行工程实现,网架结构是由多根杆件按照一定的网格形式通过节点连接而成的空间结构,具有空间受力、重量轻、刚度大、抗震性能好等优点,常见的网架形式包括两向正交正放网架和正放四角锥网架结构;桁架结构是由直杆组成的一般具有三角形单元的平面或空间结构,桁架的优点是杆件主要承受拉力或压力,可以充分发挥材料的作用,节约材料,减轻结构重量。图6和图7分别为典型的网架和桁架工程图。

图6 典型网架工程图

图7 典型桁架工程图

网架结构杆件种类和数量多,适用于受力工况比较简单的承力结构,桁架结构适用于受力工况比较复杂的承力结构,内部空间较网架结构存在明显优势,也可采用螺栓连接实现组装式现场施工。考虑到本天线系统内部设备多,为确保良好的维修人机环境,本雷达天线骨架采用双层桁架结构体系,相比于网架体系,在减少构件种类1/4、减少构件数量约1/3的同时,大大改善了内部实际维修空间,如图8所示。

图8 双层桁架板式安装架结构图

3.3 刚强度与安全性设计

大型钢结构天线骨架的刚强度与安全性设计主要可分为整体刚强度、局部刚强度、系统安全性与特殊过程安全性设计等几大部分。其中整体刚强度依据天线骨架整体力学仿真与优化,重点实现杆件类型、杆件组合形式和杆件截面尺寸的优化设计,保证骨架刚强度指标;局部刚强度依据局部构造和节点的细化力学仿真,确定局部构造详细结构设计,保证局部结构的强度和稳定性;系统安全性主要针对强风、地震、温差等组合工况开展力学仿真;特殊过程安全性主要针对运输、吊装等特殊过程开展力学仿真与验算。

整体刚强度力学仿真应依据国家标准和规范,基于产品环境条件,参考风洞试验数据,确定力学仿真工况组合、仿真计算边界条件和相应安全系数;局部刚强度力学仿真依据整体力学仿真计算结果,提取典型或关键部位的力学边界进行局部构件及节点的详细力学分析。本天线骨架采用Q345材料,经大量细致的刚强度仿真与优化,骨架极限工作组合工况下阵面法向相对变形约12 mm,极限生存组合工况下最大等效应力约158 MPa,满足刚强度设计指标要求。

安全性力学仿真与校核主要针对极限生存工况,结合系统抗风、抗震等相关条件,针对性开展抗倾覆、结构模态与结构应力水平计算。计算结果表明,天线骨架最不利抗倾覆工况下各支点反力均大于0,各种极限生存工况下结构构件最大应力比均小于1,满足安全性设计要求。

3.4 精度控制设计

针对千平方米阵面口径天线骨架阵面安装基础毫米级安装精度设计难题,以合理的精度分配、严密的过程控制、必要的测试调整和充分的试验验证作为骨架精度实现的总体思路,贯穿结构设计、构件制造、预拼装、包装运输、现场装配、精度测试与调整等研制流程,以结构单元全流程精度分配、关键环节精度控制和天线骨架阵面安装基础的精度调整等作为精度实现的核心环节,设置必要的精度过程控制点,确保实现预定的精度目标,天线系统精度实现流程如图9所示。按该流程进行精度控制的试验阵阵面数千个单元在X/Y/Z三个方向的位置精度达到1 mm(均方根)。

3.5 现场施工设计

图9 天线系统精度实现流程

针对本项目天线骨架现场施工条件受限、钢结构施工体量大、精度要求高等难点,采用组装式现场施工架构,结合工厂预拼装和子骨架架设专题试验阶段性释放现场总装风险;现场采用精度测量与辅助调整措施,合理设置过程监视点,确保施工精度;建立健全的施工组织架构和安全施工制度,合理划分吊装单元,配备专用吊装设备和高空支撑工装确保施工安全性。现场总装流程如图10所示。

图10 天线骨架现场总装流程

4 结束语

本文概述了地面大型有源相控阵天线阵面结构形态和特点,介绍了大型天线阵面结构典型的设计要求和设计流程。针对某大型固定站有源相控阵雷达阵面结构设计问题,采用天线系统结构分层设计,基于双层桁架结构体系实现简约式板式斜撑骨架建筑造型设计,基于复杂工况下刚强度和安全性优化设计确保结构刚强度指标,基于全尺寸链、全流程精度分配与控制,工场预拼装,精度测量辅助调整等措施,实现千平方米阵面口径天线骨架毫米级安装精度设计,并对全组装式高精度钢结构现场施工设计思路和流程进行了介绍。

本文采用大型高精度组装式钢结构天线系统结构体系架构,在天线系统造型优化、系统减重、精度指标实现、结构单元工厂预制化,以及组装式施工等方面进行了有益尝试。相关流程、思路和方法可供大型有源相控阵雷达天线阵面结构设计所借鉴,也会随着我国大型固定站雷达装备发展,以及制造和施工技术的发展而不断深化。

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