大型相控陣雷達陣面維修機構設計

邱坤濱，李 紅

（中國電子科技集團公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

20世紀50年代開始，為滿足對本國或他國洲際彈道探測和防御的需要，地面大型相控陣雷達作為美蘇導彈防御系統的骨干裝備得以快速發展，美蘇兩國相繼研制了一系列大型戰略相控陣雷達[1-2]，這些雷達典型特征是陣面大、天線單元多、結構復雜，陣面口徑通常達數十米，且多以固定式建筑物形式存在，大都部署在偏僻的地點[3]，大型配套維修設備很難快速就位。因此，在陣面設備安裝和后期維修維護時，又經常需要人員快速到達陣面前方任意位置，為方便使用，一般會在陣面前方布置一套陣面維修機構。

1 總體布局設計

陣面維修機構在總體布局上有兩種典型的結構形式：一種是導軌沿陣面寬度方向，上下布局，稱為橫向式，結構形式如圖1所示，其工作原理是在陣面的頂部和底部各設置有一條橫向導軌，在兩條導軌上安裝一個臂架，臂架可以沿導軌左右橫向移動，工作平臺通過導軌與臂架連接，并可以沿臂架方向縱向上下移動，這樣通過縱向和橫向導軌可以使工作平臺定位于天線陣面口徑范圍內的任何一個工作位置，在收藏狀態下將臂架置于雷達陣面的一側。

圖1 陣面維修機構橫向式布局原理

另一種是導軌沿陣面高度方向，左右布局，稱為縱向式，結構形式如圖2所示，其工作原理是在天線陣面的寬度方向兩側位置各設一根縱向導軌，工作平臺通過左右兩根縱向導軌做上下移動，工作平臺的長度接近于整個雷達陣面的寬度尺寸，維修人員可以在維修平臺長度方向上移動，通過這種方式使人員可以到達覆蓋雷達陣面口徑的任意維修位置，收藏狀態下，平臺一般置于陣面底部。

圖2 陣面維修機構橫向式布局原理

兩種布局方式均能滿足系統功能，但橫向式布局方案有明顯的缺點。

（1）陣面尺寸變大。臂架在收藏狀態下置于陣面的一側，為使其不遮擋雷達信號，天線陣面在寬度方向上需要預留一定的空間用以存放桁架，這樣會增加天線陣面的結構尺寸。

（2）維修安裝設備不便，效率較低。工作人員在這種平臺對設備進行維修或者更換時，身體會前出工作艙，而且工作艙的空間有限，對于較重的設備，不便于多人同時對設備進行操作。

（3）安全性不足。如果驅動系統或者工作艙在使用過程中出現了問題，工作人員需要從臂架慢慢下來，不能很快地進行撤離，還有可能被困在工作艙內。

縱向式布局克服了橫向式布局的諸多缺點，可以允許多名工人（可以多達12人）同時上平臺進行操作，效率會高很多，而且，該布局不會遮擋雷達波，外觀上比較美觀，維修性也較好。綜上所述，在工程應用中，選用縱向式布局的陣面維修機構的應用案例會比較普遍。

2 驅動方案設計

陣面維修機構在確定采用了縱向式布局方案后，工作平臺如何沿軌道上下運行成了關鍵，即選用何種驅動方案能更好地服務于工作平臺。常用的驅動方案有兩種：自行式和牽引式。

2.1 自行式驅動方案

自行式驅動就是讓工作平臺通過自身動力沿導軌上下運行，實現方案是在工作平臺兩側各設有一套驅動系統，動力可以采用液壓馬達或者電機，馬達或電機驅動齒輪齒條副沿左右縱向導軌進行上下運動，即“雙電機/馬達+齒輪齒條副”。

該方案有兩個問題需要解決：（1）齒輪齒條磨損問題。齒輪在開式傳動過程中，磨損比較嚴重，造成傳動的不一致性，需要使用適當的潤滑油脂對開式齒輪在運轉中進行潤滑，但潤滑油脂會附著塵、屑等外部介質[4]，影響使用。（2）維修性問題。在運行過程中，如果平臺出現了問題卡在了中間，對于這種驅動方式，維修人員不能將其松放到陣面下方進行維修，必須要登高到平臺進行。如果此時有緊急任務，需要開機工作，而且維修人員在很短時間修復不好的情況下，工作平臺會滯留在陣面前方，遮擋波束，耽誤裝備執行任務。

2.2 牽引式驅動方案

牽引式驅動方案是通過卷揚機收放鋼絲繩來牽引工作平臺沿左右兩根導軌進行升降運動。根據使用電機的情況，又可以分為單電機牽引和雙電機牽引方式。

對于單電機驅動，可通過一個卷揚機同時控制左右兩側收放鋼絲繩的收放動作實現機械同步，圖2即是單電機驅動；對于雙電機驅動，采用伺服電機同步控制來實現平臺平穩的上下運行。

采用單電機驅動，由于每邊使用2根鋼絲繩（安全備份），使用一個卷揚機來纏繞4根鋼絲繩，空間上很難布置，傳動結構較復雜，體積較大。使用雙電機驅動，在陣面頂部兩端各放置一組驅動機構，結構簡單，占用空間較小，對雙電機同步控制方法研究很多，也比較成熟[5]，能夠滿足同步性要求。當平臺出現問題時，可通過手動操作電機尾部的釋放桿進行人工釋放，工作平臺依靠重力下降到陣面底部合適位置，不會影響雷達后續工作。

因此，選擇“雙電機牽引式驅動”方案可以更好滿足系統要求。

3 安全性設計

安全性是整個陣面維修機構設計中非常重要的一個方面，在設計過程中要綜合考慮各方面影響安全的因素，主要包括以下幾個方面。

（1）整個結構要能滿足不同工況下剛強度設計的要求，包括平臺自重載荷、集中載荷（典型載荷：1 t）、冰雪載荷、風載以及過載等。

（2）完善的安全保護措施，對每一種可能的事故都要有防護手段，可能的意外及措施如下。

①電機制動器發生故障，工作平臺突然下滑，應在驅動機構上設有防超速裝置，當其速度達到設定速度時，該裝置立即動作，將整個工作平臺制停，避免發生快速礅底的危險。

②在鋼絲繩的使用數量上，每個驅動機構與維修平臺之間均采用兩根鋼絲繩連接，互為備份，即便是斷了一根，另一鋼絲繩還能工作，達到安全保護作用，不會使維修平臺滑落下來。

③如果兩根鋼絲繩同時斷繩，在鋼絲繩斷裂的瞬間，工作平臺也可以通過防脫棘爪將自身固定在軌道上（沿導軌長度方向上每間隔一定的距離設置一個踏步，維修機構上的掛鉤通過鋼絲繩觸發），防止平臺脫落。

④如果限位開關失靈，在導軌的底端還設有緩沖座，即便是發生礅底也能夠起到一定的緩沖作用，盡可能保護工作人員的安全。

（3）運行、制動平穩，操作性好，最大限度減少工作人員受傷概率。采用變頻控制技術，運行平穩，起制動應無沖擊，運行速度可以隨時調整（建議運行速度控制在3.5 m/min左右較為合適）。另外，在操作方式上，采用了電箱操作和遙控操作兩種操作方式，操作人員可以原地操作平臺的運行，減少因來回操作造成的風險。

4 結語

陣面維修機構有橫向式和縱向式兩種總體布局方式，現有工程和應用案例表明，縱向式布局配合雙電機牽引式驅動方案，更能充分發揮陣面維修機構的功能，這種配置必然會成為大型雷達維修配套方案的首選。另外，陣面維修機構作為建筑升降機械的一種，屬于特種專業設備，安全性設計是重中之重。

[參考文獻]

[1]崔茂東，李華.美國彈道導彈防御系統[J].導彈與航天運載技術，2004（6）：22-26.

[2]花良發.俄羅斯戰略相控陣雷達部署現狀及發展[J].火力指揮與控制，2007（2）：1-4.

[3]張根烜，查金水，胡勁松.大型相控陣雷達陣面結構設計研究[J].雷達科學與技術，2016（3）：337-342.

[4]水琳，李向杰，張春輝，等.開式齒輪機械的傳動與潤滑[J].中國建材裝備，2001（6）：42-44.

[5]楊晨娜，張怡.雙電機同步控制系統的設計與仿真[J].工業控制計算機，2009（1）：36-37.