移動(dòng)式二次雷達(dá)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究*

許家民，何永紅

（南京恩瑞特實(shí)業(yè)有限公司，江蘇南京211100）

引 言

中國(guó)民航的二次雷達(dá)網(wǎng)是保障我國(guó)航空運(yùn)輸體系飛行安全，提高機(jī)場(chǎng)、空域利用率和航空服務(wù)品質(zhì)的最重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一。為確保二次雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)安全可靠運(yùn)行，提高對(duì)重大活動(dòng)、重大災(zāi)害和各種突發(fā)性臨時(shí)性事件的保障能力，民航空管局先后研制了多套可快速部署的高架小天線移動(dòng)式二次雷達(dá)系統(tǒng)。由于研制期間國(guó)內(nèi)外都沒(méi)有可供借鑒的工程經(jīng)驗(yàn)，因此為降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)采用了天線陣面寬度為4 m的小天線。小天線的主要技術(shù)指標(biāo)均低于陣面寬度為8 m的標(biāo)準(zhǔn)天線，使得裝載小天線的移動(dòng)式二次雷達(dá)系統(tǒng)的探測(cè)精度和覆蓋能力均大大低于標(biāo)準(zhǔn)二次雷達(dá)系統(tǒng)，從而限制了其應(yīng)用范圍[1]。為使民航二次雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)能夠更好地適應(yīng)當(dāng)前空管業(yè)務(wù)高速增長(zhǎng)的需求，本文針對(duì)配置陣面寬度為8 m的全尺寸天線的移動(dòng)式二次雷達(dá)系統(tǒng)，論述了該系統(tǒng)的總體布局和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、天線結(jié)構(gòu)和天線塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析和計(jì)算，并驗(yàn)證了全尺寸天線二次雷達(dá)在架高后能穩(wěn)定工作，從而使移動(dòng)式二次雷達(dá)更好地滿足民航監(jiān)視的需求。

1 結(jié)構(gòu)總體布局設(shè)計(jì)

移動(dòng)式二次雷達(dá)包括艙外設(shè)備與艙內(nèi)設(shè)備。艙外設(shè)備包括天線、天線座、主饋線、高頻交連、避雷針、航警燈等；艙內(nèi)設(shè)備包括綜合機(jī)柜、伺服機(jī)柜和配電防雷機(jī)柜。艙外設(shè)備安裝在距地面約30 m高的天線塔上，其中天線和天線座安裝于天線塔頂部平臺(tái)上，主饋線排布在拖鏈上沿天線塔進(jìn)入設(shè)備艙，避雷針和航警燈安裝在天線頂部隨天線旋轉(zhuǎn)。艙內(nèi)設(shè)備與其他輔助設(shè)備并排安裝在設(shè)備方艙內(nèi)。

移動(dòng)式二次雷達(dá)的工作狀態(tài)如圖1（a）所示，其運(yùn)輸采用標(biāo)準(zhǔn)牽引車和半掛運(yùn)輸平臺(tái)分3個(gè)單元（天線塔運(yùn)輸單元、設(shè)備艙運(yùn)輸單元和天線運(yùn)輸單元）進(jìn)行，如圖1（b）所示。

圖1 移動(dòng)式二次雷達(dá)總體布局圖

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 全尺寸天線設(shè)計(jì)

天線作為移動(dòng)式二次雷達(dá)的一個(gè)重要組成部分安裝在高架塔上，在露天環(huán)境下工作，所受到的主要載荷為風(fēng)載荷。天線架高后，其自重和風(fēng)載荷不僅是天線自身剛強(qiáng)度及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電機(jī)功率計(jì)算的重要依據(jù)，對(duì)天線塔剛強(qiáng)度的影響也很大。此外，在天線轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中如果產(chǎn)生不平衡慣性力，則該慣性力將會(huì)傳遞到天線塔上使天線塔產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)，從而對(duì)天線塔的穩(wěn)定性造成影響[1]。因此，為確保移動(dòng)式二次雷達(dá)天線架高后能穩(wěn)定工作，需對(duì)常規(guī)全尺寸天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行以下優(yōu)化設(shè)計(jì)：

1）安裝風(fēng)力平衡板，對(duì)天線風(fēng)載特性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)[2]。通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)分析，最終在天線背面箱體上左右對(duì)稱位置距天線陣面對(duì)稱中心3 260 mm處，安裝4個(gè)大小為340 mm×400 mm（寬×高）的風(fēng)力平衡板。平衡板與天線陣面中軸面的偏角為30?，使得靜態(tài)風(fēng)力矩（均方根）降低37.3%，總風(fēng)力矩減小約6%。

2）合理設(shè)置天線質(zhì)心和天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)軸的位置，對(duì)天線系統(tǒng)進(jìn)行平衡設(shè)計(jì)[3]。在天線轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，如果產(chǎn)生不平衡慣性力，則該慣性力將會(huì)傳遞到天線塔上，使天線塔產(chǎn)生強(qiáng)迫振動(dòng)。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)將天線質(zhì)心與旋轉(zhuǎn)軸重合，使得旋轉(zhuǎn)部分各離心慣性力的合力為零。安裝時(shí)首先確定天線質(zhì)心的位置，然后通過(guò)調(diào)節(jié)天線與天線座的安裝位置，使天線質(zhì)心與旋轉(zhuǎn)軸重合，以達(dá)到靜平衡條件。

3）對(duì)避雷針、航警燈和天線進(jìn)行一體化集成設(shè)計(jì)。在天線上安裝2根隨天線轉(zhuǎn)動(dòng)的避雷針和1個(gè)航警燈。避雷針安裝在天線箱體左右兩側(cè)的頂面，高度約為2 m，單根避雷針質(zhì)量不大于10 kg。航警燈安裝在箱體頂面中間位置，質(zhì)量不大于1 kg。全尺寸天線優(yōu)化設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)組成如圖2所示，圖中X為轉(zhuǎn)軸到質(zhì)心的距離。

圖2 全尺寸天線系統(tǒng)組成

2.2 天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)天線的支承和在伺服系統(tǒng)控制下按要求的方式帶動(dòng)天線實(shí)現(xiàn)方位運(yùn)轉(zhuǎn)。對(duì)于移動(dòng)式二次雷達(dá)，天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)架高后，其重量、尺寸、風(fēng)載荷等對(duì)天線塔的剛強(qiáng)度及承載影響很大。同時(shí)，安裝在高架塔上后天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的巡檢、維護(hù)困難，因此對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)特別是潤(rùn)滑系統(tǒng)的可靠性和智能檢測(cè)性要求更高。天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的組成如圖3所示。

圖3 天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成

為確保移動(dòng)式二次雷達(dá)天線架高后能穩(wěn)定工作，對(duì)移動(dòng)式二次雷達(dá)天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了以下優(yōu)化設(shè)計(jì)[4]：

1）進(jìn)行小型化、輕型化設(shè)計(jì)。為減小外形尺寸，將底座設(shè)計(jì)成圓筒結(jié)構(gòu)（受力較好）；將回轉(zhuǎn)支承安裝在底座上，對(duì)方位大齒輪和回轉(zhuǎn)支承進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，從而使結(jié)構(gòu)更緊湊；為減輕重量，底座采用鋁合金材料，通過(guò)內(nèi)壁設(shè)計(jì)輻射筋板來(lái)優(yōu)化壁厚，提高其抗彎、抗扭剛度。改進(jìn)后，天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的高度由1 300 mm減小到1 100 mm，質(zhì)量由1 600 kg減小到500 kg，為安裝在高架塔上提供了便利。

2）采用自動(dòng)潤(rùn)滑技術(shù)，提高可靠性。二次雷達(dá)天線工作時(shí)的轉(zhuǎn)速為15 r/min，為保證傳動(dòng)系統(tǒng)連續(xù)工作的可靠性，確保系統(tǒng)工作時(shí)傳動(dòng)部分的充分潤(rùn)滑，在動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)中方位大軸承、方位末級(jí)齒輪傳動(dòng)采用遞進(jìn)式自動(dòng)潤(rùn)滑系統(tǒng)進(jìn)行潤(rùn)滑，可確保注油量準(zhǔn)確，并可對(duì)分配器的工作狀況進(jìn)行全程監(jiān)控，同時(shí)還帶有低液位綜合報(bào)警裝置。

3）為適應(yīng)惡劣環(huán)境，配置溫控系統(tǒng)。該溫控系統(tǒng)由溫度控制器、瓷紅外線輻射器和散熱風(fēng)扇組成。雷達(dá)運(yùn)行時(shí)，當(dāng)天線座內(nèi)溫度低于?20?C時(shí)，溫控器控制加熱器開(kāi)始工作；當(dāng)天線座內(nèi)環(huán)境溫度高于40?C時(shí)，由溫控開(kāi)關(guān)控制風(fēng)扇工作。

4）運(yùn)用智能監(jiān)控技術(shù)，對(duì)天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的工作狀況進(jìn)行全程實(shí)時(shí)監(jiān)控，并帶有低液位綜合報(bào)警裝置，確保傳動(dòng)部分可靠運(yùn)行。

2.3 高架升降式天線塔設(shè)計(jì)

天線塔是移動(dòng)式二次雷達(dá)的重要組成部分，采用升降式結(jié)構(gòu)，共由五節(jié)塔身組成，截面積從上到下依次增加，如圖4所示。工作時(shí)天線塔可將天線提升到30 m的高度，運(yùn)輸時(shí)收攏套裝在一起，滿足單車運(yùn)輸要求和全尺寸天線二次雷達(dá)系統(tǒng)的工作要求。

圖4 高架升降式天線塔組成圖

為滿足移動(dòng)式二次雷達(dá)的安裝與穩(wěn)定性工作要求，天線塔的主要技術(shù)指標(biāo)如下：

1）最大高度。升高到位后，天線中心距地面的高度為30 m。

2）剛強(qiáng)度。在正常工作條件下，塔頂?shù)乃綌[動(dòng)應(yīng)在±300 mm以內(nèi)，方位扭轉(zhuǎn)不大于2′。

3）承載。塔頂平臺(tái)的承載能力不小于1 200 kg。

4）總質(zhì)量。天線塔的總質(zhì)量（包括所有附件，不含底部框架）不大于20 t。

5）尺寸。在運(yùn)輸和收藏狀態(tài)下最大外形尺寸不大于10 000 mm×2 500 mm×2 600 mm（長(zhǎng)×寬×高），滿足12 m裝車和公路運(yùn)輸要求，天線塔工作時(shí)塔身底面離地高度應(yīng)能滿足半掛運(yùn)輸車輛的作業(yè)和停放要求，離地高度為1 220～1 320 mm。

6）安裝面水平度。應(yīng)能將塔頂安裝面的基準(zhǔn)水平調(diào)節(jié)至3′～5′。

7）抗風(fēng)能力。正常工作風(fēng)速≤25 m/s，不破壞風(fēng)速≤32 m/s。

天線塔由30 m高的高架塔身、方艙式框架、塔身翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、塔架提升機(jī)構(gòu)、自卸裝置、隨車起重機(jī)和輔助裝置組成。天線塔所有設(shè)備都集成在方艙式框架內(nèi)，框架的外形尺寸為10 000 mm×2 500 mm×2 600 mm（長(zhǎng)×寬×高），框架結(jié)構(gòu)滿足12 m裝車和公路運(yùn)輸要求。方艙式框架前端安裝吊鉤工作高度達(dá)到10 m且具有良好微動(dòng)控制能力的隨車起重機(jī)，中部安裝可伸縮可翻轉(zhuǎn)的30 m高的天線塔塔架以及天線塔翻轉(zhuǎn)和提升裝置，后面安裝配電柜等，塔架下部安裝可旋轉(zhuǎn)收藏的天線塔支撐腿，框架四角安裝電動(dòng)自卸機(jī)構(gòu)。天線塔輔助設(shè)施包括塔頂維修平臺(tái)、登塔爬梯、護(hù)欄、支撐腿、纜風(fēng)繩等。

3 分析與計(jì)算

3.1 天線驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)功率計(jì)算

風(fēng)阻力系數(shù)Cs=0.489（均方根），風(fēng)力矩系數(shù)Cm=0.007（均方根），天線轉(zhuǎn)速n=15 r/min，按正常工作風(fēng)速V=25 m/s計(jì)算，則風(fēng)力矩M風(fēng)和風(fēng)力F風(fēng)分別估算為：

式中：天線反射體的面積A為8.4×1.7=14.28 m2；與轉(zhuǎn)軸垂直方向的天線尺寸D為8.4 m；動(dòng)壓頭q=V2/16；旋轉(zhuǎn)半徑R為4.2 m；?為天線轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，rad/s。

天線方位以15 r/min速度旋轉(zhuǎn)時(shí)的轉(zhuǎn)速系數(shù)為：

3.2 天線結(jié)構(gòu)仿真分析

天線箱體是天線結(jié)構(gòu)的主要承力構(gòu)件，設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及剛強(qiáng)度校核。考慮到天線的通用性，這里按民航標(biāo)準(zhǔn)抗風(fēng)條件即風(fēng)速44 m/s正常工作、55 m/s不破壞進(jìn)行有限元分析。計(jì)算時(shí)將面板簡(jiǎn)化為板單元，方管為梁?jiǎn)卧叙伜头瓷錀U作為質(zhì)量元，饋電網(wǎng)絡(luò)作為載荷。

在44 m/s的風(fēng)速下，天線的變形矢量云圖見(jiàn)圖5（a）。因于風(fēng)阻，在水平方向天線兩側(cè)向后彎曲，邊緣最大變形為6.967 mm，考慮到安裝誤差為±2 mm，總誤差約為8.9 mm，相當(dāng)于引起空間相位差約為5?。通過(guò)計(jì)算分析，第一副瓣電平、波束寬度和增益基本不變。在55 m/s的風(fēng)速下，天線的Von Mises應(yīng)力云圖見(jiàn)圖5（b），最大應(yīng)力為34.5 MPa，小于鋁的允許應(yīng)力145 MPa，滿足強(qiáng)度要求。計(jì)算出的陣面變形對(duì)天線電性能的影響不大，能夠滿足雷達(dá)電訊性能要求[5]。

圖5 天線抗風(fēng)能力分析

3.3 天線塔結(jié)構(gòu)仿真分析

天線塔是移動(dòng)式二次雷達(dá)的設(shè)備安裝平臺(tái)。天線塔尤其是全尺寸天線二次雷達(dá)天線塔，受到的風(fēng)載荷大，因此對(duì)天線塔的抗風(fēng)能力、承載能力及剛強(qiáng)度都有較高的要求，設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及剛強(qiáng)度校核。這里重點(diǎn)按風(fēng)速25 m/s正常工作、32 m/s不破壞2種工況進(jìn)行有限元分析。

根據(jù)移動(dòng)式高架天線塔的基本結(jié)構(gòu)將天線塔劃分為鋼架、鋼絲繩、天線等部件，采用殼單元、桿單元分別建立各部分的有限元模型，運(yùn)用隱式動(dòng)力學(xué)分析，模擬天線塔在風(fēng)載下的變形情況，研究天線塔的線位移、角位移等情況[5]。風(fēng)速為25 m/s和32 m/s時(shí)的位移響應(yīng)云圖和縱向角位移響應(yīng)云圖如圖6所示。

圖6 天線塔抗風(fēng)能力分析

進(jìn)一步計(jì)算天線塔在風(fēng)速為15 m/s，25 m/s，32 m/s和55 m/s時(shí)的最大應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)角和最大水平位移，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同風(fēng)速下天線塔的最大應(yīng)力、扭轉(zhuǎn)角和最大水平位移

在不同風(fēng)速下，天線塔受到的最大應(yīng)力為141.30 MPa，小于鋼的允許應(yīng)力178 MPa；方位扭轉(zhuǎn)角滿足工作狀態(tài)下小于2′的要求，塔頂?shù)乃綌[動(dòng)滿足工作狀態(tài)下在±300 mm以內(nèi)的要求。因此，該天線塔滿足使用要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

移動(dòng)式二次雷達(dá)系統(tǒng)為功能完整的空管二次雷達(dá)站，能夠自主完成空管二次雷達(dá)站所能實(shí)現(xiàn)的全部功能，為空中交通管制部門(mén)提供連續(xù)、準(zhǔn)確的二次雷達(dá)信息。本文結(jié)合移動(dòng)式二次雷達(dá)的結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了全尺寸天線二次雷達(dá)架高后穩(wěn)定工作的目的。該雷達(dá)可通過(guò)機(jī)動(dòng)車輛進(jìn)行快速轉(zhuǎn)場(chǎng)，可在較短的時(shí)間內(nèi)完成設(shè)備的安裝架設(shè)，且可降低對(duì)征地及場(chǎng)地建設(shè)的要求，有利于縮短建設(shè)周期，減少建設(shè)投資。

移動(dòng)式二次雷達(dá)系統(tǒng)的研制與建設(shè)是為了加強(qiáng)中國(guó)民航空管系統(tǒng)的運(yùn)行保障能力，提高應(yīng)急保障水平，保障飛行安全，提高飛行流量和航班正點(diǎn)率，具有很強(qiáng)的公益性。該裝備為空管二次雷達(dá)系統(tǒng)的定期維修，為各種特殊事件的應(yīng)急處置提供了充分有力的保障，對(duì)我國(guó)空管設(shè)備的安全、可靠運(yùn)行及促進(jìn)空中交通管制的現(xiàn)代化進(jìn)程，有著十分重要的意義。