積木式多彈徑雷達(dá)導(dǎo)引頭結(jié)構(gòu)技術(shù)研究

鄭黎明, 馬 亮, 辛增獻(xiàn), 胡 安, 鄧 春

(上海無線電設(shè)備研究所,上海201109)

0 引言

雷達(dá)導(dǎo)引頭主要實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的探測(cè)與跟蹤并形成制導(dǎo)控制指令,控制導(dǎo)彈飛向目標(biāo)。目前,導(dǎo)引頭的研制過程因應(yīng)用背景、指標(biāo)要求、工作體制和工作波形等存在較大差別,各型號(hào)比較獨(dú)立,都是單獨(dú)研制開發(fā),獨(dú)立發(fā)展,導(dǎo)致各型號(hào)導(dǎo)引頭的分系統(tǒng)和組件研制上各不相同,品種繁多,且各個(gè)組件及整機(jī)重復(fù)獨(dú)立研制存在成本高、加工周期長(zhǎng),調(diào)試難度大等缺點(diǎn)。彈載導(dǎo)引頭通用化發(fā)展緩慢,直接導(dǎo)致研發(fā)人力、物力資源的嚴(yán)重浪費(fèi),同時(shí)嚴(yán)重制約了導(dǎo)引頭成本與技術(shù)水平的快速發(fā)展[1]。為提高雷達(dá)導(dǎo)引頭的研發(fā)效率,加快雷達(dá)導(dǎo)引頭的通用化進(jìn)程,本文引入了積木式多彈徑雷達(dá)導(dǎo)引頭結(jié)構(gòu)思想。

積木有平面和立體兩種,容許進(jìn)行不同的排列或進(jìn)行建筑,可拼成房子、動(dòng)物或各種模型。樂高積木被稱為“魔術(shù)塑料積木”,其搭建方案沒有錯(cuò)對(duì)之分,不同人的搭建方法可以有很大不同,充分發(fā)揮想象空間,利用無限的可能組合,拼湊出真實(shí)生活或是純屬架空的物體[2]。積木式設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)理念[3],屬于面向產(chǎn)品系統(tǒng)的自上而下的組合化設(shè)計(jì),迄今為止比較成熟經(jīng)典的案例有:美國(guó)“海狼”號(hào)攻擊型核潛艇采用積木式設(shè)計(jì)思想縮短了研制周期、加快了型號(hào)的更新?lián)Q代,提高了系統(tǒng)的可靠性及可維修性[4,5]。

本文首先針對(duì)雷達(dá)導(dǎo)引頭核心組件數(shù)字TR開展積木設(shè)計(jì),選擇不同數(shù)目的各類積木進(jìn)行不同形式的拼湊,滿足不同彈徑和系統(tǒng)指標(biāo)需求;然后挑選積木B作為研究對(duì)象,從關(guān)鍵技術(shù)角度去闡述技術(shù)難點(diǎn),然后逐一給出其工程實(shí)現(xiàn)方式;最終從研發(fā)成本、人力成本、時(shí)間成本三個(gè)層面分析該技術(shù)帶來的經(jīng)濟(jì)效益,及在總體設(shè)計(jì)中具備的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

1 積木設(shè)計(jì)及拼湊方式

1.1 積木設(shè)計(jì)

以雷達(dá)導(dǎo)引頭其中的核心組件數(shù)字TR為研究對(duì)象,如圖1所示即為設(shè)定的數(shù)字TR組件積木,包含A、B、C三種類型,其各項(xiàng)數(shù)據(jù)如下:

a)積木A:1/4圓結(jié)構(gòu),數(shù)字通道13個(gè),質(zhì)量約904.1 g;

b)積木B:正方形結(jié)構(gòu),數(shù)字通道16個(gè),質(zhì)量約1142.2 g;

c)積木C:等腰直角三角形結(jié)構(gòu),數(shù)字通道6個(gè),質(zhì)量約517.8 g。

圖1 數(shù)字TR組件積木

1.2 積木拼湊方式

圖2 數(shù)字TR組件不同的積木拼湊方式

圖3 空間式布局示意圖

積木的拼湊過程以彈徑為約束條件,列舉典型彈徑Φ70-360,考慮到理論設(shè)計(jì)與工程實(shí)際之間的設(shè)計(jì)裕度,將各種不同的拼湊方式盡可能在相近的彈徑中應(yīng)用。

如表1所示,隨著數(shù)字通道數(shù)目的增加,雷達(dá)導(dǎo)引頭系統(tǒng)性能指標(biāo)顯著提高,可探測(cè)距離增加,同時(shí)會(huì)引起最大圓包絡(luò)線直徑增加,且整機(jī)工作狀態(tài)功率過大引起散熱等難題。不同的拼湊方式可以適應(yīng)不同的彈徑需求,在實(shí)際使用中可根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求挑選不同數(shù)目的積木A、B、C,滿足不同的指標(biāo)要求。如在Φ340彈徑的布局設(shè)計(jì)中,可以考慮研制及拼湊難度較小的16個(gè)B積木實(shí)現(xiàn);而對(duì)于相對(duì)比較緊湊的Φ203彈徑,可以有3、4、5三種拼湊方式可供選擇,不同的拼湊方式對(duì)應(yīng)不同的研制難度、研制成本和不同的性能指標(biāo),對(duì)于總體設(shè)計(jì)有著較強(qiáng)的指導(dǎo)和參考意義,便于配合總體開展系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì),提升效費(fèi)比。

表1 積木拼湊方式對(duì)比分析

2 關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方式

積木式設(shè)計(jì)在硬件實(shí)現(xiàn)中的關(guān)鍵技術(shù)有以下四點(diǎn):

a)平面式布局轉(zhuǎn)向空間式布局;

b)降低功能性器件的重復(fù)率;

c)中低頻、射頻線纜布局;

d)積木之間連接的可靠性。

數(shù)字出版的產(chǎn)業(yè)鏈不完善，需要參與部門積極參與進(jìn)來。大多數(shù)出版單位的數(shù)字出版部門既是生產(chǎn)、制作者又是營(yíng)銷者，這樣不利于數(shù)字出版物的推廣。

就上述四點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù),逐一對(duì)應(yīng)給出可行的工程化實(shí)現(xiàn)方式。

(1)空間布局設(shè)計(jì)

硬件組合由平面式布局轉(zhuǎn)向空間式布局,整體尺寸為48×48×280 mm,如圖3所示,空間板之間通過接插件或柔性印制帶對(duì)接,將射頻連接與低頻連接分別安置與前端和后端。

(2)系統(tǒng)功能整合

開展系統(tǒng)功能劃分優(yōu)化設(shè)計(jì)工作,對(duì)各個(gè)重復(fù)組件中出現(xiàn)的相同功能模塊,轉(zhuǎn)移至系統(tǒng)內(nèi)其余組合,避免由于功能性器件重復(fù)而帶來的成本過高難題。

(3)射頻連接優(yōu)化

將傳統(tǒng)導(dǎo)引頭中采用的射頻線纜對(duì)接方式更改為直插式射頻對(duì)接,有效縮短導(dǎo)引頭軸向尺寸,避免了線纜誤接,降低線纜成本;在預(yù)處理板盒體外側(cè)開出矩形深槽,用以安置TR組件低頻通信及供電線纜,保持整個(gè)組件外形,利于模塊化組件向同類型導(dǎo)引頭推廣。

(4)六自由度固定

在進(jìn)行積木組件連接時(shí),可通過各組件六自由度限制的方式進(jìn)行機(jī)械固定,其中前端面可與冷板進(jìn)行軸向固定,限制軸向自由度;橫側(cè)向通過緊固件固定于結(jié)構(gòu)框架,限制其余自由度;對(duì)處于中心的積木(如方式1),可通過橫側(cè)向固定桿限制其橫側(cè)向自由度。

圖4 組件之間射頻直插示意圖

3 經(jīng)濟(jì)效益及技術(shù)優(yōu)勢(shì)

3.1 經(jīng)濟(jì)效益

以同類型5套雷達(dá)導(dǎo)引頭產(chǎn)品為分析對(duì)象,從經(jīng)濟(jì)成本、人力成本、時(shí)間成本三個(gè)角度分析:

a)經(jīng)濟(jì)成本:5套組合研發(fā)成本約120 W,積木式通用共型設(shè)計(jì)僅需30-40 W即可實(shí)現(xiàn)該目標(biāo),經(jīng)濟(jì)成本降低75.0%;

b)人力成本:5套組合研發(fā)需至少14名設(shè)計(jì)師,積木式通用共型設(shè)計(jì)僅需6名即可實(shí)現(xiàn)該目標(biāo),人力成本降低57.1%;

c)時(shí)間成本:考慮各個(gè)項(xiàng)目之間有時(shí)間差,5套組合研發(fā)需至少2-3年,積木式通用共型設(shè)計(jì)僅需1年,時(shí)間成本降低50%。

3.2 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

以下就硬件和軟件兩個(gè)方面分析積木式結(jié)構(gòu)所具備的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

(1)硬件角度分析

多通道數(shù)字信號(hào)的雷達(dá)導(dǎo)引頭,其硬件上系統(tǒng)組成復(fù)雜、各個(gè)組件研制成本高、加工周期長(zhǎng)。基于模塊化的設(shè)計(jì)思想將多通道數(shù)字信號(hào)劃分為完全相同的多個(gè)模塊,每個(gè)模塊質(zhì)量尺寸、電氣接口、可實(shí)現(xiàn)的功能均一致;通道數(shù)目的減少使得研制難度大大降低,也縮短了產(chǎn)品加工周期。

(2)軟件角度分析

多通道數(shù)字信號(hào)處理在產(chǎn)品調(diào)試過程中實(shí)現(xiàn)難度較大,且產(chǎn)品出現(xiàn)故障后難以甚至無法準(zhǔn)確定位到單個(gè)器件,可維護(hù)性較差;同時(shí)系統(tǒng)耦合性較強(qiáng),相鄰?fù)ǖ乐g的信號(hào)串?dāng)_情況較嚴(yán)重。而采用相同的多個(gè)模塊,軟件調(diào)試僅針對(duì)其中部分通道,降低調(diào)試難度并提高調(diào)試效率;任意兩個(gè)模塊之間均有金屬外殼屏蔽接地,避免各個(gè)組件之間產(chǎn)生的信號(hào)串?dāng)_,有效提高系統(tǒng)指標(biāo)測(cè)試精度。

4 結(jié)論

本文引入積木式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念,應(yīng)用于同類型多彈徑雷達(dá)導(dǎo)引頭設(shè)計(jì),可大大簡(jiǎn)化彈載雷達(dá)導(dǎo)引頭系列化產(chǎn)品的研制和開發(fā),提高了彈載雷達(dá)導(dǎo)引頭的通用化、可靠性、可維修性和集成度,同時(shí)利于產(chǎn)品小型化、低功耗、電磁兼容性設(shè)計(jì),減少重復(fù)開發(fā),大大降低成本及人力物力投入。