某舰载两面阵雷达天线总体结构设计*

陈松松，赵 文，石同武，侯振兴，唐君豪，蒋志伟

（上海航天电子技术研究所，上海 201109）

引 言

舰载雷达是目前获取海上综合态势和目标特性的重要武器装备，是海上作战的重要信息来源。随着海上作战环境、作战模式和搜索目标特性变得越来越复杂，舰载雷达在海上舰载作战体系中的作用日益增强，各国海军也日益重视舰载雷达的技术研究和武器系统的能力提升[1]。

近年来，多面阵雷达天线技术及模块化设计的发展，对雷达天线系统的一体化集成设计及雷达天线骨架的结构设计、刚强度及系统总体结构布局设计提出了越来越高的要求。因此，本文研制了一种新型两面阵雷达天线系统。该天线系统具有集成度高、精度高和人机工程优异的特点[2]。

1 总体布局设计

1.1 设计要求

设计的新型两面阵雷达天线系统由天线阵面、控制与频综设备、骨架、工作平台、顶盖、门等附件组成。其中，两天线阵面垂直布置，天线阵面和控制与频综设备均作为独立整件完成了各项环境试验。两面阵雷达天线整体固定安装于舰船的甲板平台上，骨架为其主承力结构及安装结构，同时天线阵面还需经受住恶劣的海洋环境以保证整个雷达系统的平稳运行，因此是整个结构设计的关键技术点[3]。另外，由于舰载雷达需要联合舰上其他设备进行瞄星以完成天线阵面在舰船上的水平方位和高度角与舰船基准线的标定，因此本设计需要考虑顶盖具有翻合的功能且方便人员操作相关仪器。具体设计要求如下：1）单个天线阵面尺寸为1 200 mm×825 mm×670 mm（长×宽×高）；2）单个天线阵面质量为185 kg；3）两面阵夹角为90°；4）两面阵雷达尺寸不超过3 200 mm×2 000 mm×1 500 mm（长×宽×高）；5）两面阵雷达质量不超过1 200 kg；6）天线阵面基准面安装水平度≤3′；7）在45 m/s风速下正常工作，在60 m/s风速下不会发生永久变形或遭到破坏（生存）；8）所有相关设备集成于两面阵雷达天线内，且内部至少预留单人维护保养空间。

1.2 总体布局

系统总体结构布局应根据总体给出的各边界条件，自顶而下地进行系统设计。需要考虑的边界条件主要包括系统组成、性能指标要求、外形包络、刚强度要求、机动性、可靠性、设备安装空间、维修性、运输要求和工业造型等，这是决定系统总体结构布局方案成败的关键[4-5]。综合各方面因素，某舰载两面阵雷达天线组成如图1所示。

图1 两面阵雷达天线组成

垂直两面阵雷达天线对系统集成度和天线阵面安装精度均有较高的要求，同时还要面临恶劣的海洋环境，这给总体结构设计带来了严峻的挑战。对此，在总体结构布局中，运用一体化集成设计的理念，设计刚强度满足需求的骨架可以保证两天线阵面呈90°布置，并尽可能地利用空间使两面阵雷达天线所有设备都可以按模块安装在骨架上。根据设计要求，本文提出了如图2所示的垂直两面阵雷达天线总体结构布局。

图2 两面阵雷达天线总体结构布局

2 关键技术及总体三维结构设计

2.1 关键技术

骨架作为两面阵雷达天线的承力结构件，既要保证两面阵雷达天线系统各设备装入后在海洋环境下的刚强度要求，又要保证天线阵面安装后的精度要求。整个骨架采用钢型材与钢板焊接的结构形式，骨架外由一体式蒙皮焊接包络而成[6-7]。

骨架上设计的接口包括：1）左右对称呈90°布置的与天线阵面的安装接口。该安装面应保证平面度≤0.1 mm，粗糙度为3.2，水平度≤3′的精度要求。2）与上翻盖连接的安装接口。骨架上应设计密封圈槽，保证上翻盖与骨架之间的密封。3）与控制与频综设备及其余设备连接的安装接口。4）与前后门等附件连接的安装接口。5）与舰上甲板平台相连接的安装接口。该安装面应保证平面度≤0.1 mm，粗糙度为3.2的精度要求。

实现天线阵面安装精度要求的途径包括：1）靠设计、仿真及机械加工来保证；2）在天线阵面与骨架连接的安装板上开设螺纹孔，运用起脚螺钉的原理，在安装调试的过程中，通过调节螺钉使天线阵面与骨架之间形成一定缝隙，在缝隙中加塞调整垫片，以使天线阵面的基准面达到精度要求。

2.2 总体三维设计

根据图2 所示的两面阵雷达天线总体结构布局进行模块化三维设计，提出如图3 所示的三维模型设计。该两面阵雷达天线的总体尺寸为3 090 mm× 1 700 mm× 1 200 mm（长×宽×高），质量不超过1 200 kg（含天线阵面及控制与频综设备等）。

图3 两面阵雷达天线总体三维示意图

该两面阵雷达天线总体结构设计具有如下特点：1）将两面阵雷达天线的各单元设备进行集成设计，布局紧凑，集成度高；2）骨架由钢型材整体焊接而成，通过仿真分析，在保证刚强度要求的情况下（在海洋环境60 m/s风速下不被破坏），满足天线阵面的安装精度要求；3）通过三维造型及工作状态模拟分析，该设计在保证整体两面阵雷达天线的外形包络尺寸最小的情况下，使人员工作区最大化，预留了双人的维护保养空间，高于指标提出的单人维护保养空间，以便调试、观测及维修保养，人机工程优异。

3 仿真分析及工程验证

3.1 仿真分析

风载荷是雷达天线工作时承受的主要负载之一（其中天线阵面作为独立整件已完成了天线罩抗风载荷的校核及各项环境试验），它带来的雷达天线骨架变形是影响雷达性能指标的重要因素。风载荷数值F可通过以下公式求得[8]：

根据三维模型可得到两面阵雷达天线的最大迎风面积，代入公式（1），可以得到风速为45 m/s和60 m/s时的最大风载荷。除风载荷外，还有天线阵面及内部各设备的重力，采用有限元分析软件NX对雷达天线骨架进行力学分析仿真。

仿真云图如图4所示。风速为45 m/s时，最大的位移变形量为0.286 mm，最大的位移变形处位于天线阵面与骨架的安装接触面中心附近；风速为60 m/s时，最大的位移变形量为0.435 mm，天线阵面与骨架的安装接触面中心附近的位移变形量为0.425 mm。根据天线阵面安装基准面3′的水平度精度要求，在天线阵面与骨架的安装接触面中心附近位移最大处可允许的最大变形量为0.52 mm，因此根据仿真结果，两面阵雷达天线骨架设计满足安装精度要求。

图4 仿真云图

风速为45 m/s时，最大应力为28.22 MPa，风速为60 m/s 时，最大应力为44.32 MPa。骨架由槽钢整体焊接而成，槽钢的材料为Q235，其弹性模量为210×109Pa，泊松比为0.33，密度为7 850 kg/m3,理论屈服极限为235 MPa，断裂延伸率不小于26%。仿真结果表明，最大应力不会超过材料的屈服极限。综上所述，两面阵雷达天线骨架风载荷的力学仿真结果表明，该设计满足安全使用要求。

3.2 工程验证

为进行工程验证，将组装调试后的垂直两面阵雷达天线安装于某试验舰上。该两面阵雷达天线已在海洋环境下正常工作了2年，在使用过程中，每隔一段时间对天线阵面的基准面进行了水平度测量。对舰面设备而言，舰艏方向即为0°，舰艉方向即为180°，通过与舰艏艉线成一定夹角等分而成的8个方向（图5）的水平度测试（测试日期依次为2019年1月、2019年7月和2020年1月），得到雷达天线基准面的水平度，结果见表1和表2。从表1和表2中的数据可知，两个阵面的基准面上8个方向的水平度均满足3′的精度要求。

表2 天线阵面2基准面水平度测量表

图5 水平度测试方向

表1 天线阵面1基准面水平度测量表

4 结束语

本文结合某型舰载两面阵雷达天线的设计要求，提出了一种垂直布置的两面阵雷达天线，通过上面的设计仿真分析，可以得出以下结论：

1）多面阵雷达天线骨架可采用钢型材与钢板焊接的结构形式，骨架外由一体式蒙皮焊接包络而成。仿真分析结果及整机工程实施验证表明，该结构形式性能稳定，精度可靠。后续研究可选用铝材来减轻整体骨架的质量。

2）本文在对骨架进行力学仿真分析计算时，作用在基座上的载荷主要考虑相对风速为最大值（系统结构不被破坏所允许的最大相对风速）时的风载荷及系统的自重。后续研究要考虑多种工况下的组合载荷，并对其进行仿真分析计算。