积木式多弹径雷达导引头结构技术研究

郑黎明, 马 亮, 辛增献, 胡 安, 邓 春

(上海无线电设备研究所,上海201109)

0 引言

雷达导引头主要实现对目标的探测与跟踪并形成制导控制指令,控制导弹飞向目标。目前,导引头的研制过程因应用背景、指标要求、工作体制和工作波形等存在较大差别,各型号比较独立,都是单独研制开发,独立发展,导致各型号导引头的分系统和组件研制上各不相同,品种繁多,且各个组件及整机重复独立研制存在成本高、加工周期长,调试难度大等缺点。弹载导引头通用化发展缓慢,直接导致研发人力、物力资源的严重浪费,同时严重制约了导引头成本与技术水平的快速发展[1]。为提高雷达导引头的研发效率,加快雷达导引头的通用化进程,本文引入了积木式多弹径雷达导引头结构思想。

积木有平面和立体两种,容许进行不同的排列或进行建筑,可拼成房子、动物或各种模型。乐高积木被称为“魔术塑料积木”,其搭建方案没有错对之分,不同人的搭建方法可以有很大不同,充分发挥想象空间,利用无限的可能组合,拼凑出真实生活或是纯属架空的物体[2]。积木式设计采用标准化设计理念[3],属于面向产品系统的自上而下的组合化设计,迄今为止比较成熟经典的案例有:美国“海狼”号攻击型核潜艇采用积木式设计思想缩短了研制周期、加快了型号的更新换代,提高了系统的可靠性及可维修性[4,5]。

本文首先针对雷达导引头核心组件数字TR开展积木设计,选择不同数目的各类积木进行不同形式的拼凑,满足不同弹径和系统指标需求;然后挑选积木B作为研究对象,从关键技术角度去阐述技术难点,然后逐一给出其工程实现方式;最终从研发成本、人力成本、时间成本三个层面分析该技术带来的经济效益,及在总体设计中具备的技术优势。

1 积木设计及拼凑方式

1.1 积木设计

以雷达导引头其中的核心组件数字TR为研究对象,如图1所示即为设定的数字TR组件积木,包含A、B、C三种类型,其各项数据如下:

a)积木A:1/4圆结构,数字通道13个,质量约904.1 g;

b)积木B:正方形结构,数字通道16个,质量约1142.2 g;

c)积木C:等腰直角三角形结构,数字通道6个,质量约517.8 g。

图1 数字TR组件积木

1.2 积木拼凑方式

图2 数字TR组件不同的积木拼凑方式

图3 空间式布局示意图

积木的拼凑过程以弹径为约束条件,列举典型弹径Φ70-360,考虑到理论设计与工程实际之间的设计裕度,将各种不同的拼凑方式尽可能在相近的弹径中应用。

如表1所示,随着数字通道数目的增加,雷达导引头系统性能指标显著提高,可探测距离增加,同时会引起最大圆包络线直径增加,且整机工作状态功率过大引起散热等难题。不同的拼凑方式可以适应不同的弹径需求,在实际使用中可根据系统设计需求挑选不同数目的积木A、B、C,满足不同的指标要求。如在Φ340弹径的布局设计中,可以考虑研制及拼凑难度较小的16个B积木实现;而对于相对比较紧凑的Φ203弹径,可以有3、4、5三种拼凑方式可供选择,不同的拼凑方式对应不同的研制难度、研制成本和不同的性能指标,对于总体设计有着较强的指导和参考意义,便于配合总体开展系统优化设计,提升效费比。

表1 积木拼凑方式对比分析

2 关键技术及实现方式

积木式设计在硬件实现中的关键技术有以下四点:

a)平面式布局转向空间式布局;

b)降低功能性器件的重复率;

c)中低频、射频线缆布局;

d)积木之间连接的可靠性。

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就上述四点关键技术,逐一对应给出可行的工程化实现方式。

(1)空间布局设计

硬件组合由平面式布局转向空间式布局,整体尺寸为48×48×280 mm,如图3所示,空间板之间通过接插件或柔性印制带对接,将射频连接与低频连接分别安置与前端和后端。

(2)系统功能整合

开展系统功能划分优化设计工作,对各个重复组件中出现的相同功能模块,转移至系统内其余组合,避免由于功能性器件重复而带来的成本过高难题。

(3)射频连接优化

将传统导引头中采用的射频线缆对接方式更改为直插式射频对接,有效缩短导引头轴向尺寸,避免了线缆误接,降低线缆成本;在预处理板盒体外侧开出矩形深槽,用以安置TR组件低频通信及供电线缆,保持整个组件外形,利于模块化组件向同类型导引头推广。

(4)六自由度固定

在进行积木组件连接时,可通过各组件六自由度限制的方式进行机械固定,其中前端面可与冷板进行轴向固定,限制轴向自由度;横侧向通过紧固件固定于结构框架,限制其余自由度;对处于中心的积木(如方式1),可通过横侧向固定杆限制其横侧向自由度。

图4 组件之间射频直插示意图

3 经济效益及技术优势

3.1 经济效益

以同类型5套雷达导引头产品为分析对象,从经济成本、人力成本、时间成本三个角度分析:

a)经济成本:5套组合研发成本约120 W,积木式通用共型设计仅需30-40 W即可实现该目标,经济成本降低75.0%;

b)人力成本:5套组合研发需至少14名设计师,积木式通用共型设计仅需6名即可实现该目标,人力成本降低57.1%;

c)时间成本:考虑各个项目之间有时间差,5套组合研发需至少2-3年,积木式通用共型设计仅需1年,时间成本降低50%。

3.2 技术优势

以下就硬件和软件两个方面分析积木式结构所具备的技术优势。

(1)硬件角度分析

多通道数字信号的雷达导引头,其硬件上系统组成复杂、各个组件研制成本高、加工周期长。基于模块化的设计思想将多通道数字信号划分为完全相同的多个模块,每个模块质量尺寸、电气接口、可实现的功能均一致;通道数目的减少使得研制难度大大降低,也缩短了产品加工周期。

(2)软件角度分析

多通道数字信号处理在产品调试过程中实现难度较大,且产品出现故障后难以甚至无法准确定位到单个器件,可维护性较差;同时系统耦合性较强,相邻通道之间的信号串扰情况较严重。而采用相同的多个模块,软件调试仅针对其中部分通道,降低调试难度并提高调试效率;任意两个模块之间均有金属外壳屏蔽接地,避免各个组件之间产生的信号串扰,有效提高系统指标测试精度。

4 结论

本文引入积木式结构设计理念,应用于同类型多弹径雷达导引头设计,可大大简化弹载雷达导引头系列化产品的研制和开发,提高了弹载雷达导引头的通用化、可靠性、可维修性和集成度,同时利于产品小型化、低功耗、电磁兼容性设计,减少重复开发,大大降低成本及人力物力投入。