機載預警相控陣雷達頂罩質量及其敏感性分析

虞慶慶，王長武

(南京電子技術研究所， 南京210039)

0 引言

在當前的陸、海、空、天多維一體的信息化戰爭中，預警機雷達作為一種全天候、遠距離、高精度的戰場感知手段，在空中預警探測、戰場態勢偵察與感知、空中目標監視、精確打擊武器控制等方面都發揮著不可替代的作用［1］。

在預警機中，雷達是最主要的探測設備和情報來源，是預警機任務系統的核心設備，其探測對象一般為不同高度上的飛行目標和海面艦船目標［2］。預警雷達體積龐大，質量重達數噸以上，隨著今后對其功能、性能的要求越來越高，體積質量也會隨之變高，會影響到預警機的作戰能力［3］。

預警機頂罩的布局和形態需要保證雷達天線正常的掃描工作方式，并需協調好與載機空氣動力學的關系，最終獲得“雷達”與“載機”的最優平衡。一般頂罩系統的質量要占到全機起飛質量的3% ～9%，因此該部分的質量控制關系到雷達系統乃至預警機全系統方案的可行性及其優劣程度。

由于特有的優勢，有源相控陣(AESA)技術已成為全世界機載預警雷達必然的發展趨勢。本文針對機載預警中最常規的圓盤式頂罩，并以有源相控陣雷達為例，從雷達系統角度對頂罩系統的質量及其變化敏感因素進行論述和分析。

1 頂罩系統質量組成

1.1 主要形態

縱觀國內外裝備現狀，作為預警機最重要組成部分的預警雷達頂罩系統，其形態有圓盤式、背鰭式和其他衍生變異式，如圖1所示。

圖1 四種機載預警雷達頂罩構型

而其中圓盤式頂罩占較大比例，其典型的裝備型號外形，如圖2所示。

圖2 典型圓盤頂罩

1.2 主要組成

一般來說，預警機上使用的相控陣雷達規模都相當龐大，并且有源相控陣在每個輻射元后都直接連接一個固定的T/R組件。因此，相控陣雷達是載機平臺上有效載荷中最關鍵的設備［4］。綜合分析后，頂罩系統主要由“雷達系統”、“平臺系統”和“其他任務系統”三大部分組成，具體如圖3所示。

圖3 頂罩系統組成框圖

1.3 質量影響因素

頂罩系統是預警機中最關鍵也是最復雜的部分，其功能劃分和設備組成主要是由雷達系統技術方案決定，而方案又受到頂層戰技需求和載機平臺狀態約束和牽引。針對典型有源相控陣頂罩系統質量，進行迭代論證并歸納后，得到如圖4所示的綜合因素影響框圖。

1.4 主要組成具體分析

在預警機系統總要求和加裝平臺資源的限制下，給頂罩系統內雷達的約束體現在空間、供電、冷卻和質量四大方面，其中質量限制項與另外三項又是緊密耦合、互相影響。

1.4.1 雷達系統

1)天線為雷達的“眼睛”，它的布局形式在很大程度上成為了雷達及預警機的鮮明標志，比如美國E-2、E-3系列和俄羅斯A-50的雷達天線，均采用單面天線360°機械掃描形式;瑞典的Erieye則采用雙面天線背靠背“平衡木”形式。天線總質量由數量和單個質量確定，其單個質量主要取決于每塊天線的物理面積和典型輻射單元的結構形式，輻射單元的具體尺寸由雷達工作頻率決定;而最終多個天線經合理布局組合后，必須滿足在各自最大可用面積下，綜合探測口徑和掃描角度滿足使用需求。

2)有源組件(也稱T/R)實現收/發轉換、相位控制，對發射信號進行放大和功率輸出，對接收信號進行低噪聲放大［4］。總質量同樣由數量和單個質量確定，其單個質量主要取決于內部功放/濾波等器件的性能指標和單個組件內的通道數，器件性能又由雷達頻率/帶寬和功率要求決定;最終所有有源組件的總通道數量需與天線總輻射單元匹配，且組件單個質量必須符合人機工程要求。

3)電源主要實現對載機供電輸入進行分配、變換和整流濾波，并輸出至有源組件及功分、開關等耗電設備。電源總質量也由數量和單個質量確定，其單個質量取決于單個供電功率能力和人機工程要求;而所有電源的總功率能力是由載機平臺已有的可分配供電資源確定的，因此電源部分總質量可以按單位功率質量進行預估。

4)功分及開關控制等設備主要對有源組件和電源的輸出進行合成、分配/切換和雷達頂罩部分的相關控制，以實現多陣面協同/分時切換工作和與雷達艙內部分的傳輸互聯;其總質量取決于單個設備的性能指標和數量。

5)電纜和管網主要是指敷設于頂罩內部的雷達供電、控制、光線、射頻及液冷等管線。該部分總質量主要取決于單位長度質量和總長度，而各類管線單位質量由具體傳輸能力(比如耐功率、最大電流/流量等)，長度則由頂罩內設備的總體布局和走線形式確定。

6)雷達綜合安裝結構及附件的總質量，則視具體雷達設備結構安裝形式而定，并且與平臺結構的一體化集成程度密切相關。

1.4.2 平臺系統

主要由航空頂罩主結構件(DOME)和透波天線罩(RADOME)組成，如圖5所示。DOME結構一般為大型整體金屬件，質量主要取決于由全機氣動確定的最大外形、結構綜合載荷和內部雷達系統的結構安裝集成方式。RADOME總質量則取決于單個質量和數量，其中單個質量由罩體復合材料的單位面積鋪層材料和形式決定，數量由天線數量決定;最終RADOME的質量可歸結為由陣面布局形式(天線口徑、數量及布置方式)和透波頻率/帶寬確定。

圖5 兩種典型圓盤頂罩形式

1.4.3 其他任務系統

頂罩系統中除了雷達系統外，根據不同需要會布置比如IFF/SSR、衛星通信等其他任務系統，如圖6所示。該部分質量較之雷達部分來說相對較少，主要是解決如何與雷達系統在頂罩內的電訊及結構兼容問題。

圖6 頂罩內其他任務系統

結合圖4和本節分析可以看出，預警雷達頂罩是一個復雜的物理系統。不同類型預警雷達功能和平臺約束條件差異較大，系統質量組成要素繁雜，并且相互影響、制約。因此，為了解頂罩系統中主要質量影響因素及由此引起的各體積質量(注:原文為比重，比重是廢棄單位，以下按國家標準改為體積質量)變化，有必要進行頂罩系統質量的敏感性分析。

2 質量敏感性分析

2.1 敏感性分析方法

任一頂罩系統，影響其總質量的參數和因素很多，而且這些變量之間的關系一般是非線性和非結構化的，很難直接用一個明確的數學函數來表示，往往是和其他多種因素交織在一起的多級映射關系［5］。其中，某些參數的變化，就引起質量組成的顯著改變，可以認為頂罩系統質量對該參數變化反應敏感;而有的參數即使發生較大的變化，質量組成變化也比較微弱，可以認為其對該參數反應遲鈍(即不敏感)。因此，敏感性分析就是一種定量描述輸入參變量對系統特定總變量的重要性程度的方法。

2.2 敏感性參數選擇

對頂罩系統質量而言，敏感性參數往往是重要指標，找出這些重要的指標，分析其對頂罩系統質量的影響，以作為確定及優化雷達頂罩方案的依據。在敏感性分析中，不可能也沒必要對所有的參數進行分析，而應根據特定的雷達系統，結合其具體的功能、形式和結構等情況，對一些主要的參數進行分析。

頂罩系統的總重指標主要是由載機平臺負載能力決定，針對某種載機平臺，必須保證不同頂罩方案下的總重不大于某一上限值。從圖4質量影響框圖和實際具體分析可知，雷達“構型”和“頻帶”這兩個參數，對雷達及平臺主要結構形式、尺寸、質量組成起到關鍵性決定作用。因此，在盡量保證其他參數一致的前提下，下面選定此兩項作為敏感性參數分別進行具體分析。

2.3 應用舉例

針對“構型”這個參變量，本文以某橢球圓盤形頂罩為例，按雙面和三面兩種構型(如圖5所示)進行分析。經評估計算，得到圖7兩種構型的頂罩系統質量組成餅圖。

圖7 兩種構型頂罩系統質量組成

圖8為兩種構型頂罩質量組成百分比變化對照圖。其中天線由于數量及總面積的增加，導致體積質量增加了4%;有源組件隨著天線總輻射通道數的增加而數量大幅增加，而實際為了保證頂罩總質量不超限，多面陣系統必要時需進行組件的專/共用合理分配，以減少設備總數量及總質量，這里體積質量上升了6%;由于載機供電一致，因而電源部分變化不大;功分及開關控制等部分由原來1%提升至3%，原因是由于面陣數量增加而引起的系統控制復雜、如有源組件中共用部分的切換設備增加等;電纜及管網的體積質量上升5%，同樣是由天線總通道數及有源組件等設備量的增加，加之各設備在DOME空間內分布間隔更大、路徑更長，導致以射頻、供電、液冷三類為主的管線質量增加;綜合安裝結構及附件部分差別最大，體積質量相差18%，關鍵是不同于三面構型，雙面構型頂罩存在驅動頂罩旋轉的轉臺部分及用于電、液等信號傳輸的交連部分，而這兩部分的質量占綜合安裝結構及附件總重的近75%，其他25%為罩內相關設備安裝用結構件;平臺結構及其他任務系統二者體積質量差別不大，其中雖然三面構型DOME結構質量要大于雙面構型DOME質量，但加上各自對應的天線罩總質量后，整體質量基本相當。

圖8 兩種構型頂罩系統質量組成百分比變化圖

以其中的“有源組件”為例，進行具體敏感性分析。雙面構型中，由于采用兩套天線背靠背分時工作，故只需一套組件通過開關即可滿足切換工作，其總質量約1 800 kg。三面構型中，因電訊因素有一套有源組件不滿足切換三陣面工作，同時若采用三套組件將突破頂罩質量上限，故這里采用1∶1的專/共用組件比例規劃方案。此時，除了組件總數量有顯著增多外;由于三面構型中單個天線輻射通道數較雙面構型要小近20%，在總輸出功率不變的前提下，導致組件內的每個通道功率要相應增加進而組件質量增加。最終，三面構型中有源組件總重達到2 500 kg，較雙面構型中組件增幅近40%。

若針對“頻帶”這個參變量(細分為頻率和帶寬兩個參數)，以某橢球三面構型圓盤頂罩為例，并按高/窄頻、中頻及低/寬頻三種頻段系統進行分析。經評估計算，得到圖9的頂罩系統質量組成餅圖。

對照圖10所示三種頻帶頂罩質量組成百分比變化趨勢可以得到:隨著頻率的降低和頻帶的加寬，天線和有源組件兩部分的體積質量均有所升高，其中有源組件的體積質量最大上升了10%。這主要有兩方面原因:1)對應的主要結構尺寸與波長成非線性的正比關系，即可簡單理解為頻率越低(即波長越長)，相應尺寸越大。2)頻帶越寬導致后端主要有源器件的性能要求和功率容量越高，也直接導致結構尺寸和質量的較大增加。電源和功分及開關控制等相比前兩項對頻帶變化的敏感性較弱，且各自總質量有限，因此所占頂罩體積質量變化差異不大;電纜及管網和綜合安裝結構及附件兩部分的體積質量僅在4%范圍內浮動，該兩部分的變化主要是由有源組件、電源等設備的尺寸/數量和安裝布局不同而引起的，另外受到各自頂罩系統中某些組成占比較大差異而引起的體積質量變化牽連影響;同樣，該原因也能用來解釋平臺結構及其他任務系統部分的體積質量差異。

圖9 三種頻帶頂罩系統質量組成

圖10 三種頻帶頂罩系統質量組成百分比變化圖

同樣，以“有源組件”為例，進行具體敏感性分析。高/窄頻系統中，有源組件的總質量約1 600 kg。隨著頻率/頻帶逐級降低/加寬，導致組件單重逐步增加;且受主要元器件的功率和尺寸的影響，增幅也逐步增加。最終，中頻、寬/低頻系統中有源組件的總質量分別達到2 500 kg和4 000 kg，較高/窄頻系統中組件增幅分別達到56%和150%。這里需要說明的是，為了保證頂罩總質量和罩內布局空間限制，對應三種頻帶系統的有源組件專/共用規劃比例并不相同。

除了“構型”和“頻帶”兩個主要參變量外，影響到頂罩系統質量組成的還有比如“有源組件單臺通道數”、“專/共用規劃比例”、“多陣面不同頻段組合”、“配電及整流劃分形式”等變量。但這些變量間的耦合更加復雜、與具體的雷達系統實施方案密切相關，因此本文不作展開分析。

3 結束語

通過以上對頂罩系統的質量組成及其敏感性案例分析，形成以下主要結論:

(1)機載預警相控陣雷達頂罩是規模龐大、組成復雜的系統，受到頂層需求、總體方案和平臺能力資源的多維度制約。

(2)該系統主要由雷達系統、平臺系統和其他任務系統三大部分組成，其影響質量及組成的參變量數量多、牽涉廣、耦合強，暫無可供質量組成參考的通用評估方法。

(3)敏感性分析是一種有效的系統級分析方法。本文對頂罩系統采用此法，優選主要參變量，探尋最佳的質量組成控制方式手段，以獲得對雷達方案決策/優化、系統輕量化、工程設計等諸方面的有用結論。

(4)針對相控陣雷達頂罩的具體分析評估，得到“構型”和“頻帶”是對頂罩質量組成影響的關鍵參數，尤其對“構型”的敏感性程度更高;另外，該類頂罩系統總重中“雷達”和“平臺結構及其他任務系統”分別約占60%和40%(偏差±5%)。

上述結論將對相關雷達系統的方案論證、詳細設計及具體的系統質量控制，提供一定的參考及借鑒作用。

［1］ 陳國海.下一代預警機雷達技術［J］.現代雷達，2010，32(3):1-4.Chen Guohai.Technologies for next generation airborne early warning radar［J］.Modern Radar，2010，32(3):1-4.

［2］ 路 軍，酈能敬，曹 晨，等.預警機系統導論［M］.2版.北京:國防工業出版社，2011.Lu Jun，Li Nengjing，Cao Chen，et al.Introduction to air borne early warning system［M］.2nd ed.Beijing:National Defense Industry Press，2011.

［3］ 李玉峰，秦 昆.機載預警雷達結構總體技術研究［J］.現代雷達，2013，35(8):89-92.Li Yufeng，Qin Kun.A study on system structure of AEW radar［J］.Modern Radar，2013，35(8):89-92.

［4］ 張潤逵，戚仁欣，張樹雄，等.雷達結構與工藝［M］.北京:電子工業出版社，2007.Zhang Runkui，Qi Renxin，Zhang Shuxiong，et al.The structure and technics of radar［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2007.

［5］ 周智超.面向武器裝備系統效能的敏感性分析［J］.火力與指揮控制，2013，38(2):98-102.Zhou Zhichao.Sensitivity analysis of oriented to system effectiveness of weapons and equipment［J］.Fire Control ＆Command Control，2013，38(2):98-102.