相控阵雷达天线舱结构一体化设计

叶　堃，庄文许，田安歌

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)



相控阵雷达天线舱结构一体化设计

叶堃，庄文许，田安歌

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)

为实现一类有源相控阵雷达天线的轻型化，提出了一种相控阵雷达天线舱的一体化设计方法，即模块插箱与骨架主结构有机结合为一体，采用复合材料整体罩构建天线舱防护结构。经对天线舱骨架进行校核分析，结果表明刚强度满足要求，与传统设计方法相比天线舱可减重20%以上。

天线舱；一体化；有源相控阵雷达；减重；骨架

0　引　言

相控阵雷达以多功能、多目标、精度高等优点获得广泛青睐。大口径相控阵雷达质量巨大，而解决质量与刚度之间的矛盾从而实现轻型化是雷达结构设计追求的目标。特别是对舰载平台来说，搭载装备的种类和数量快速增长，对相控阵雷达的轻型化需求和期望更加迫切。在贯彻轻型化的过程中，由于天线口径变动余量小，模块数量又非常之多，这就需要通过雷达结构总体布局中的一体化设计加以解决。一体化设计可以有效缓解设备布局和质量的压力，其效果往往影响总体设计的成败[2]。

在相控阵雷达结构中，骨架是天线舱的主体结构，其精度、刚度、强度直接影响到雷达的战术技术指标。传统的骨架设计一般采用平台化思想，骨架与天线舱设备分开设计。这种设计方法对质量、空间布局非最优化，往往不能很好地控制质量和体积，不符合当今雷达小型化、轻型化、高集成化的设计理念[3]。

本文提出了一种有源相控阵雷达天线舱结构的设计方法。基于一体化设计思想，将载荷结构和骨架结构有机结合到一起，即骨架的中间框架既是模块插箱也是骨架的主承重结构，各设备围绕中间框架布局，充分考虑了天线舱结构特点，实现了载荷结构一体化设计以及防护结构一体化设计。一体化设计提高了天线舱内的模块安装密度，优化了舱内布局，有效降低了天线舱质量。

1　传统天线舱骨架结构介绍

传统的相控阵雷达天线舱制造延用了地面设备的设计方法，多是先制造出舱内工作模块，然后将这些模块组装连接到骨架上。以某类天线舱骨架为例，如图1所示。根据总体要求搭建出骨架的主要承载结构和防护结构，然后添加各模块插箱及设备安装所需的横梁和立柱。模块插箱通过安装结构件固定于底面框架、横梁和立柱，平面阵列天线固定于斜面框架，骨架开放部分用蒙皮焊接密封。这种骨架结构设计带来几个问题，一是横梁立柱多，内部空间被分割得较为零散，不利于人员活动及装配维修；二是为固定功能模块增加了横梁、立柱、安装结构件和插箱，这些结构件对骨架本身的刚强度贡献很小，但却增加了负载，特别不符合舰载、机载平台对质量控制的要求。

图1　天线舱布局示意图

2　一体化设计

2.1一体化设计思想

雷达一体化的着眼点在于整合各组成设备之间的衔接与匹配关系，在设计中最大限度地取消单一功能的过渡、配平、调整等环节，坚持合二为一、一物多用原则，从而简化连接、理顺关系，使之融合成为一个能充分发挥效能的有机整体[2]。本文中一体化设计的主要目标是轻型化。

2.2天线舱结构设计

天线舱骨架是天线舱的主体结构，骨架是平面阵列天线、组件模块、控制模块等设备的承载件。骨架主结构采用了一物两用的一体化设计思路。根据位置分布，骨架可划分为3部分，斜面框架、底面框架和中间框架，如图2。斜面框架与水平面保持一定夹角，用于安装平面阵列天线单元；中间框架用于安装各模块；底面框架设有安装法兰，同时布置了风、水管道和人员进出口。天线舱的防护结构用复合材料整体罩构建，采用一体化设计实现防护结构构建、电磁屏蔽、隔热、承力多功能合一，整体罩安装于斜面框架、底面框架。下文对这两处一体化设计作具体介绍。

图2　天线舱布局示意图

2.2.1模块插箱与骨架主结构的一体化设计

模块插箱与骨架主结构一体化设计，即骨架中间框架既是主结构承载梁又是模块安装插箱。中间框架由3组子框架组成，均采用厚铝板作为主要承重梁上下生根，分别与斜面框架、底面框架焊接。两厚铝板间使用横板焊接连接，保证框架的刚度。框架上加工出相应定位面、销孔、螺纹孔，用于导向件及水冷框架的定位安装。所有模块通过导向件、水冷框架、背板直接固定在中间框架上。骨架结构如图3。

一体化设计减少了模块插箱和为固定模块插箱搭建的横梁和立柱等结构；合理利用了水冷框架、盲插背板、模块的刚度，使“纯负载”也参与受力，模块安装到位后中间框架的刚度得到加强。

图3骨架结构图

传统的模块安装，其安装精度与盲插插箱相关，精度容易保证。一体化设计后，模块的安装精度与骨架主结构相关，骨架主结构为大型焊接结构，结构复杂，加工难度大，一旦设计或加工不当，补救的难度大大增加。为确保模块安装精度，提高加工装配的工艺性，采取了以下几项措施：

(1) 保证中间框架的刚度防止变形引起的安装误差；

(2) 简化中间框架的结构，把部分安装定位结构转移到导向件和冷却框架上来，从而降低中间框架加工难度，转移加工量和加工精度。导向件和冷却框架通过3个方向的定位面及销孔与中间框架定位，保证二次转接精度；

(3) 定位安装面通过机械加工方法一次完成。

2.2天线舱防护结构一体化设计

天线舱防护结构通常使用较小的型材与骨架主结构焊接搭建而成，外表面焊接蒙皮。对于人员进出口位于底面框架的天线舱可采用一体化设计，用整体成型的复合材料罩体构建出天线舱防护结构，如图4所示。复合材料的比强度、比刚度、抗疲劳强度优异，复合材料结构可作为非主承力构件替代传统金属构件，达到减重的目的。根据复合材料夹层可定制的特性，整体罩还可以实现隔热、电磁屏蔽与防护结构构建、承力的多功能合一[4]。

2.3数据对比

为实现结构总体的轻型化，进行了以轻型化为主要目标的一体化设计。一体化设计后的质量分布如表1。与传统设计方法相比，总计减重约20.3%，满足使用需求。

图4　天线舱结构图

一体化设计(kg)传统设计(kg)斜面框架634634中间框架215192底面框架266266插箱—172防护结构170(整体罩)349总计12851613

除此之外，一体化设计使得天线舱的空间布局得到优化。原本模块前方的操作空间被横梁立柱分割成若干小空间，经过一体化设计若干小空间整合成一个整体无遮挡的空间，更利于人员活动和操作 。

3　仿真分析

为验证骨架结构设计合理性，建立了模型进行有限元仿真分析。模型材料均为铝材，天线舱骨架的底面安装法兰固定约束。载荷主要考虑风载荷、惯性载荷和系统各组成部件的自重。将惯性力、风载荷、重力按3个方向相加得到载荷。其中风阻系数来源于风洞试验，取最大风阻系数计算风载荷；取六级海况、九级海况中的最恶劣情况计算惯性力[5]。

3.1仿真结果

仿真分析得到结果如表2所示。

表2　天线舱骨架刚强度分析

3.2结果分析

工作时的天线单元安装面的应变以及吊装接口附近结构的应力是重要的关注点。

根据力学性能分析可知：峰值工作工况下天线舱骨架的最大应变约1mm，峰值安全工况下天线舱骨架的最大应变约2.5mm，均发生在安装阵列天线的法兰位置。

铝型材屈服极限约为 160MPa，安全系数取1.5，得到许用应力为106MPa，峰值工作工况下最大应力为30.0MPa，峰值安全工况下最大应力为61.9MPa，各工况下的最大应力均小于许用应力。骨架的刚强度满足设计要求。

4　结束语

为实现一类相控阵雷达天线的轻型化，本文基于一体化设计思想对天线舱进行了设计，并对设计要点进行了阐述。通过一体化设计将模块插箱结构与骨架主结构整合，用复合材料整体罩构建天线舱防护结构，其优点体现在：有效降低了天线舱质量，相比传统设计减重20%以上；优化了舱内空间，在模块前方构建了一个整体无遮挡的操作空间；整体罩的使用可实现隔热、电磁屏蔽与防护结构构建、承力的多功能合一。

[1]陈竹梅. 有源相控阵雷达射频同轴连接器盲插机构的设计与分析[J]．电子机械工程, 2001(9).

[2]张润逵. 雷达结构与工艺(上册)[M]．北京：电子工业出版社，2007：20-22.

[3]谢晓光. 对地观测，敏捷小卫星星载一体化结构设计[J]．红外与激光工程，2008(12)：53-58 .

[4]蒲永伟. 航空先进复合材料帽型加筋构件制造关键技术探究[J]．航空制造技术，2015(4)：78-81.

[5]平丽浩. 雷达结构协同仿真环境[J]．现代雷达，2008，30(11)：5-9.

Integratedstructuraldesignofantennacabinofphasedarrayradar

YEKun,ZHUANGWen-xu,TIANAn-ge

(No.724ResearchInstituteofCSIC,Nanjing211153)

Anintegrateddesignmethodoftheantennacabinisproposedtomeetthelightweightrequirementsofakindofactivephasedarrayradarantenna.Themoduleplug-inboxesareorganicallycombinedwiththemainframeworkstructure,andthecompositeintegralcoverisusedtobuildtheprotectionstructureoftheantennacabin.Theframeworkoftheantennacabinischeckedandanalyzed,andtheanalysisresultsshowthatitsstiffnessandstrengthsatisfytherequirements.Comparedwiththeconventionalmethods,theweightoftheantennacabincanbereducedbymorethan20%.

antennacabin;integration;activephasedarrayradar;weightreduction;framework

2016-03-30

叶堃(1982-)，女，工程师，硕士，研究方向：结构设计；庄文许(1985-)，男，高级工程师，博士，研究方向：机电系统设计；田安歌(1991-),女，助理工程师，工程硕士(在读)，研究方向：平面设计。

TN957.8

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1009-0401(2016)03-0058-04