機載毫米波測云雷達吊艙關鍵技術研究?

錢 軍,牛忠文

(安徽四創電子股份有限公司，安徽合肥230088)

0 引言

機載W波段測云雷達探測系統結構上可以分為通用飛行平臺Y7載機、飛機機艙內電子設備和吊艙內電子設備三部分。根據總體方案要求，吊艙內置透鏡天線/饋線、發射機、接收機、伺服裝置和反射器驅動機構等主要系統，其余分系統置于飛機機艙的客艙內。飛機客艙為氣密艙，客艙空氣調節系統和壓力調節系統足以保證艙內溫度和壓力適宜。

機艙外掛之吊艙，是雷達主要設備安裝的主體結構。內置的發射系統工作于W波段，頻率高達94 GHz，峰值功率達1.2 k W。工程研制期間，該發射機的放大管只能立足于國外進口，同時由于受到許多外界因素的制約，以及適應機載環境的發射系統價格太高，我們只能采用國外該系統的民用型發射系統。因此，國外民用型地基發射機系統在機載平臺下的環境適應性成為吊艙環控技術研究的關鍵。

由于要獲得穩定的掃描波束，吊艙內天饋系統中透鏡天線、反射板和發射系統中的發射管以及接收系統均采用剛性結構連接，其中透鏡天線、發射管和接收機均以同一剛性結構件作為固定基礎。內置的天饋系統，由于采用透鏡天線及可控掃描的反射板形式，要求吊艙內天饋系統在結構設計和總體裝配時要有精確的設計基準、加工基準和裝配基準。因此，保證天線電軸、吊艙軸線、反射板中心及其旋轉軸線位于同一基線上是吊艙研制過程中又一關鍵技術[1]。

1 發射機環控技術研究

國外某公司提供的發射系統所給出的發射機工作和儲存環境要求見表1[2]。對照《軍用地面雷達通用規范》可以看出，其發射機系統對環境要求等同于地面雷達系統的環境要求指標。

吊艙隨載機飛行于4 000～6 000 m高空，飛行速度為400～500 km/h，工作環境溫度為-40～+55℃。從整機對發射機的工作環境要求和發射機能夠適應的工作環境條件來看，兩者還是存在較大的區別，因此在工程實施中必須采用帶環控系統的吊艙實現溫度、濕度、壓力以及結構抗振、電磁兼容等一系列機載環境適應性。吊艙內設置密封壓力罐，發射機、接收機和饋線器件安裝在罐內，通過波導與透鏡天線連接。壓力罐內射頻裝置與外部大氣隔絕，并充有微正壓空氣，保證發射機、波導饋線以及接收機工作在合適的壓力范圍內，并且惡劣的外部環境不會影響到內部的射頻裝置的正常工作。壓力罐內的速調管采用風機強迫擾動，壓力罐外采用沖壓空氣冷卻[3-4]。

因此，內置密封壓力罐成為機載W波段測云雷達外掛吊艙區別與一般機載電子設備吊艙的最大特點。吊艙及密封罐裝配結構如圖1所示，吊艙環控方案如圖2所示。

表1 發射系統環境要求

圖1 吊艙及密封壓力罐裝配結構圖

圖2 吊艙環控方案圖

密封壓力罐環控系統由密封罐罐體、冷卻風扇(G3G-108-BB01-02)、換熱風扇(G3G140-AV03-02)、電加熱器、控制系統、壓力和溫度傳感器等組成。2臺冷卻風扇，直接冷卻電子設備，將熱量轉移到罐內空氣中。罐內設計有沿罐體圓周方向的導流板以及1臺換熱風扇，形成沿圓周方向的換熱氣流，將罐內空氣熱量轉移到罐體壁面。同時罐外低溫沖壓空氣吹拂罐體外表面，罐壁熱量隨沖壓空氣排出吊艙外。

當環境溫度過低，導致罐內溫度低于控制點(30℃)時，罐內循環風機轉速降低;當風機轉速降至最低，而罐內溫度仍然低于控制點時，加熱器打開，通過調節加熱器功率使罐內溫度在控制點附近。由于加熱功率有限，因此在極低溫度環境下，為降低系統成本，采用限制罐外冷空氣流量的方法避免罐內溫度過低，具體方法是起飛前在沖壓空氣進氣口加裝孔板限流。

控制系統為智能式全自動集中控制的方式，以操作控制按鈕為主，采用可編程控制器(PLC)為控制核心，電源系統、加熱系統及冷風循環系統、參數采集系統、電氣控制系統及操作顯示系統等高度集中，實現系統正常的艙內溫度、壓力等參數的顯示以及對三個風扇狀態的控制。

密封壓力罐的主要技術指標如表2所示。

表2 密封罐的主要技術指標

經計算分析和試驗實測數據證明，上述環控方案操作簡單、工程可實現性強，且有效可靠。試驗實測的熱負荷性能數據表如表3所示。

表3 密封罐熱負荷性能數據表

2 吊艙總裝技術研究

機載W波段測云雷達中波束掃描通過反射板±30°的往返擺動來實現，要求透鏡天線在安裝后和反射板軸線的同軸度不大于0.2 mm，同時要求艙體結構變形導致透鏡喇叭和反射板兩個設備的軸線夾角不大于0.1°，其中，保證吊艙軸線、透鏡天線軸線、反射板中心和反射板旋轉軸線的同軸度是吊艙研制的關鍵。

吊艙結構一般由框、桁和梁等組成。根據吊艙的受力特點和設備的安裝精度要求，吊艙采用整體式上梁和整體框結構。環控密封壓力罐罐體采用2A12鋁合金密封鉚接成型，封頭、法蘭采用7050、2024航空鋁合金機加成型。

吊艙與密封罐進行裝配，在吊艙上配作定位導向裝置和便于密封罐推入吊艙內的滑動導軌，保證密封罐與吊艙間的位置要求。

透鏡天線和密封罐的安裝，借助套筒。套筒大端與密封罐相連，下端固定透鏡定位臺階面。由于密封罐和套筒上的安裝連接孔均采用數控加工，具有精確的位置度，所以，透鏡與密封罐之間軸線位置精度能得以保證。在配裝后，利用定位銷定位，保證重復定位精度。

透鏡、反射板、密封罐與吊艙配裝工作中，首先組裝了透鏡和密封罐，再將該組件裝入吊艙，配裝擋風板，依據透鏡和密封罐組件的軸線，配裝反射器。

配裝過程中，透鏡和密封罐組件的同軸度是由固定在密封罐上的套筒保證的。套筒上的固定孔均采用數控加工，具有較高的位置精度，再者，后面反射器的位置是根據該組件進行配裝的，所以，在配裝后要求套筒與密封罐、套筒與透鏡均利用可拆銷釘定位，以保證重復定位精度。

反射器的配裝，利用經緯儀進行。首先利用經緯儀，以吊艙上的數控機加件為基準進行吊艙找平;利用卡蘭姆夾緊反射器，調整反射器達水平狀態;找透鏡中心點，利用經緯儀讀Z向數據;找反射器軸線，利用經緯儀讀Z向數據;保證兩Z向數據滿足同軸度要求。

吊艙總裝過程中主要工序狀態如圖3所示。其中圖3(a)為密封罐在吊艙內的裝配，圖3(b)為透鏡天線與密封罐及吊艙內的裝配，圖3(c)為反射器在吊艙內的裝配，圖3(d)為發射器在吊艙內的干涉度檢查。

吊艙通過一對吊耳外掛飛機左側艙外，如圖4所示。經實測，吊艙軸線和飛機縱軸的夾角為0.03°(垂直向下)，0.05°(側向水平)，在軸線的精度上保證了機載測云雷達的探測精度。

機艙外掛吊艙作為一個獨立的系統，包含天饋、伺服、接收和發射，其主要技術參數如表4所示。

表4 吊艙的主要技術參數

3 結束語

機載W波段測云探測系統已于2013年第4季度在陜西閻良中國飛行試驗研究中心進行了飛行試驗，完成試驗架次兩次，并調整吊艙安裝角度一次，雷達各系統正常運轉，穩定可靠;飛行試驗的各種數據，如雷達回波數據、IQ數據等非常好，獲得了中國氣象局專家的認可和贊許。機載W波段測云探測系統發射機環控技術和吊艙總裝技術的研究與實現為整機提供了有效可靠的工作環境，其中密封壓力罐技術、環控技術、吊艙結構設計等均值得為今后同類產品提供了設計借鑒。

[1]張潤逵.雷達結構與工藝[M].北京:電子工業出版社，2007，404-428.

[2]牛寅生.GJB/457-2001機載電子設備通用指南[S]∥國防科學技術工業委員會，北京:中國標準出版社，2001:32-36.

[3]徐德好.電子設備熱測試系統自動化研究[J].電子科學技術評論，2005(1):33-36.

[4]機械電子工業部第10研究所.機載雷達熱設計規范(SJ 3224-89)[M].北京:機械電子工業部，1989:6-10.

[5]蘇濤，高仲輝，黃興玉.94 GHz機載測云雷達總體技術研究[J].雷達科學與技術，2013，11(6):574-577.SU Tao，GAO Zhong-hui，HUANG Xing-yu.Research on Airborne Cloud Radar System[J].Radar Science and Technology，2013，11(6):574-577.(in Chinese)