雷達工業設計研究與探索

張梁娟,胡長明,江 帥,李 陽

(南京電子技術研究所, 江蘇 南京 210039)

0 引 言

雷達作為典型的復雜電子裝備,是具有信息感知、通信、導航、干擾等功能的機電耦合系統。20世紀80年代以來,隨著微電子及電子器件等領域技術的迅猛發展及數字化技術的不斷推進,雷達性能得到顯著提高,應用范圍也不斷擴大。在國防領域,雷達已成為“三軍之眼”,是獲取陸、海、空、天戰場全天候戰略情報的重要手段之一;在民用方面,雷達也被廣泛應用在空中或海上導航、氣象監測、地下探測、交通監測、雷達遙感等領域。

工業設計是以工業產品為主要對象,綜合運用科技成果和工學、美學、心理學、經濟學等知識,對產品的功能、結構、形態及包裝等進行整合優化的創新活動[1]。現階段,工業設計不再是僅停留在產品外觀層面的造物,而是更加注重解決產品在外觀形式、使用性能、人機工程、技術應用、經濟效益、品牌樹立和發展方面的各種問題。隨著各國對雷達裝備綜合性能要求的不斷提升,雷達設計逐漸從功能至上開始向圍繞性能要求、技術水平、成本限度等多方面綜合性能的考量轉變,對產品的工業設計能力提出了新的要求。可以說,在以技術創新為主導的復雜電子裝備研制中,以工業設計為依托的設計創新正逐漸展示出不可替代的作用。

本文旨在通過綜述國內外雷達工業設計的發展現狀,分析雷達工業設計的技術特點并論述雷達工業設計的技術方法,引起業內專家和學者對雷達技術與設計交互融合的共同關注,促進我國雷達工業設計技術的進一步發展。

1 雷達工業設計發展現狀

雷達工業誕生于20世紀初,起初的雷達設備尺寸龐大、結構笨重,工業設計在雷達設計中并未得到充分應用。在20世紀90年代之后,雷達新技術不斷被突破,對產品的外觀造型、人機交互、用戶體驗等方面提出了更高的要求,工業設計在產品研制中逐漸發揮越來越重要的作用。對雷達裝備而言,工業設計可以增加裝備品質感、提升人機體驗和塑造企業產品形象。

歐美發達國家的雷達行業起步較早、技術成熟度較高,依托其強大的工業設計體系,在產品形象方面的研究和發展取得了豐富成果。國外雷達工業設計呈現以下特點[2]:

(1)如圖1、圖2所示,國外雷達工業設計形態整合度和特征辨識度較高,同時具備一定的家族化特點。針對雷達結構單元種類和數量繁多的特點,在結構設計中,利用簡化形態輪廓、整合視覺單元等方法降低產品各組成部分的拼湊感和孤立感,塑造出簡約、完整的產品形態。此外,通過風格明確、辨識度高的產品視覺特征傳達給用戶不同的形象語義,并在產品形象設計中提煉具有“繼承性、拓展性、異他性”產品族基因,將同一系列、同一領域內的相關產品家族化,提升了產品市場競爭力和用戶忠誠度。

圖1 Ground Master系列雷達

圖2 NS系列雷達

(2)國外雷達工業設計十分重視產品的人機交互,針對“人-機-環”交互系統的構建積累了豐富的經驗。一方面,如圖3所示,利用成熟的多通道人機交互技術打造高水準的用戶界面,提高了人機交互的自然性和高效性,實現“機對人的適應”;另一方面,注重交互環境的人因設計,通過形態、顏色材料及工藝(CMF)、照度等要素的精準匹配,在生理和心理層面提升用戶人機交互的效率和體驗,實現“環對人的適應”。

圖3 雷達方艙內部

伴隨我國雷達技術性能的日益提高、設計需求的迭代更新以及國內工業設計的萌芽發展,工業設計逐漸在我國雷達設計中得到應用。為實現雷達在造型風格、人機工程、生產工藝等方面的設計提升,國內的學者和專家針對雷達工業設計進行了深入研究并取得大量成果。

在雷達整機設計方面,對機動式地面雷達、固定式地面雷達、艦載雷達等產品的造型設計進行了研究,分析了雷達造型與功能的關系、雷達造型設計元素及方法,并基于產品族基因對雷達產品形象識別進行了提取和應用[3-5]。如圖4所示,在雷達氣象探測、航空管制等民用領域,也研制出一批結構緊湊、安裝維護便捷的雷達產品,并采用了家族化的設計語言,在色彩搭配和材質運用上進行了統一設計,外觀辨識度高。

圖4 民用領域系列雷達

在天線陣面設計方面,雷達領域的專家學者對相控陣雷達的天線進行了設計優化研究,對天線陣面的比例尺寸、架構與造型、骨架結構、形態與色彩等設計要素進行了探討,并對某雷達天線罩的外觀造型和密封散熱性能開展了提升設計[6-8]。

在雷達方艙設計方面,人體的舒適性受到廣泛關注。通過在方艙設計中引入工業設計思想,眩光照明、溫控系統、色彩分配、噪聲控制、設備布局方面等問題得到解決,進一步提升了產品的宜人性[9-11]。

在機柜顯控臺設計方面,外觀造型、通用化、模塊化、人機交互高效是研究的重點。為實現電子設備機柜的通用與互換[12-13],模塊化、系列化、組合化的設計手段被提出和應用。在顯控臺造型設計中,為滿足品質感和科技感的用戶需求,大量線形特征、裝飾板、色彩等設計元素被組合使用,形成造型上有節奏和韻律變化的系列產品[14-15]。此外,針對顯控臺人機交互密切的特性,國內學者結合人體尺寸數據、操作習慣和造型風格,開展了基于工作空間、視野和操作范圍、顯控交互界面的顯控臺人性化設計[16]。

綜上可知,工業設計在雷達產品研制中發揮著越來越重要的作用。在重視技術創新和技術先進性的同時,開始關注以工業設計為支撐的設計創新。技術與設計雙驅動戰略逐漸得到應用,通過綜合運用全新技術和全新思路實現雷達產品的突破式創新[17]。

2 雷達工業設計技術特點分析

工業產品總是以一定的形象呈現在使用者面前,雷達也不例外,但雷達因其復雜的功能要求、特殊的使命任務,其產品形象不僅蘊含了其在整個生命周期中呈現出的視覺特征、功能品質,還承載了作為“大國重器”所傳遞的裝備文化、民族自信的精神價值。雷達工業設計水平不僅能體現雷達以及整個行業的形象,更能體現國家科學技術的綜合實力。作為典型的復雜電子裝備,雷達研制成本高、技術難度大、服役時間長,這對其工業設計提出了更高的要求,雷達工業設計的技術特點也更為復雜。

2.1 技術主導性

雷達形態受技術指標、裝載平臺的強約束性影響明顯。雷達通過電磁信號進行目標探測感知,是以電訊功能為主導的復雜電子裝備。雷達的形態應遵循技術指標、功能需求對整體構型的要求。雷達形態的變化與技術原理的進步息息相關,如早期拋物面型的機械式掃描雷達和現階段平板型的相控陣機電掃雷達差異很大。工作頻段和威力大小決定了雷達的整體規模,如在相同頻段下,威力需求越大,則雷達規模越大;不同頻段下,頻段越高,則雷達陣面單元的排布越緊湊。

雷達裝載平臺覆蓋了陸、海、空、天各類領域,不同裝載平臺的雷達整體形態與規模也會有巨大的差異。車載平臺要求雷達具備優良的機動性與戰場適應能力,這就限制了雷達運輸單元的形式與規模,對雷達的模塊裝配和架設撤收提出了較高的要求。機載平臺受限于載機外形與裝備重量,因此需要雷達設備隨形設計與輕量化、小型化設計。艦載平臺工作環境惡劣,對雷達提出了嚴苛的環境控制、耐腐蝕以及抗沖擊要求。對于星載平臺,每一克重量的增加都帶來更多的發射燃料需求,同時,在軌工作需要克服維修困難的問題,要求星載雷達具備極致的輕量化和高度的可靠性設計。大型固定式雷達的空間和重量限制較小,形式較為多樣,可依托建筑進行一體設計。

2.2 系統復雜性

雷達工業設計多因素混合特征更顯著。在傳統工業設計領域,往往遵循密斯的“少即是多”原則,但是雷達作為一部復雜的電子裝備,其功能、性能的要求以及關聯的軟硬件的復雜耦合是必需的,同時為了確保維修性、環境適應性、長期服役可靠性以及具備各種故障模式下的應急操作等,復雜性必然是雷達工業設計的一部分,是不可避免的。從雷達產品本身來看,系統組成復雜,零部件眾多,還需要統籌傳力、散熱、屏蔽、密封、互聯等多維度因素。而對于雷達用戶來說,一方面,雷達的采購者和使用者可能是分開的,另一方面,雷達的功能還直接與系統效能的貢獻率息息相關,具有顯著的產品組成復雜、客戶需求復雜、產品功能復雜的特點,其工業設計不僅表現在雷達外在的感性形式所呈現的美,還需要通過多因素優化實現雷達產品內在的和諧與有序,呈現出結構自身的技術美。

2.3 穩定延續性

雷達工業設計對其風格的長期穩定性要求更高。相較于消費類電子產品,雷達作為“大國重器”,使用和服役時間長,要求裝備具備極高的穩定性和可靠性,造型風格在短時間內不會出現明顯代際變換。對于雷達的工業設計來說,一方面要求雷達產品的風格設計要能夠經得起時間的沉淀和設計趨勢變化的考驗;另一方面還需要提升雷達裝備模塊化、標準化和系列化的水平,在接口關系、外形包絡等方面使用統一標準,按照功能需求進行模塊化設計,保持裝備研制的延續性。同時從綠色設計角度來說,雷達裝備的穩定延續性也能最大程度地減少維護和產品大修對于資源的消耗。

2.4 人機協同性

雷達使用效能與“人-機-環”設計關聯緊密。雷達裝備是復雜的人機系統,具有人機協同關系復雜、系統交互操作繁多、工作環境相對惡劣等特點。在信息化的發展趨勢下,雷達接收和處理的信息量大幅增加,給使用人員的生理和心理帶來了繁重的工作負荷,雷達設備的布局、結構尺寸、交互界面與人員的效率和舒適度密切相關。而方艙作為雷達使用人員日常活動的作業空間,其內部環境設計(如色彩、光照、吸聲、隔熱等)也是雷達用戶體驗的重要體現。此外,雷達架設的流程合理性、整機及設備維護保障的便捷性與雷達使用效能密切相關。因此,雷達人機工程設計已經成為雷達工業設計中非常重要的內容。

2.5 環境多樣性

雷達服役環境多樣性對CMF提出了更高要求。雷達因其特殊的任務和使命,產品分布在各個經度、緯度、海拔地區,從地球、臨近空間到太空,面臨各種極端的低溫、高溫、高濕、高鹽、低氣壓、沙塵、輻射等嚴酷環境。普通消費類電子產品的材料選擇、涂覆標準和加工工藝已遠遠不能滿足雷達裝備的設計、制造和使用要求。此外,雷達裝備種類多、形態各異、組成復雜,涉及的色彩、材料和工藝要素更是多種多樣,雷達的涂裝往往也有其特有的偽裝要求,因此雷達工業設計在細節的構型設計以及CMF上需要充分考慮使用場景和環境的要求。

3 雷達工業設計方法

針對雷達工業設計技術主導性、系統復雜性、穩定延續性、人機協同性和環境多樣性的技術特點,雷達工業設計應以先進技術為驅動,綜合考慮復雜的設計因素和多樣的環境條件,以用戶的良好體驗為核心,提供美觀、可靠、高效的產品系統解決方案。

因此,在雷達研制的全生命周期(方案擬制、設計、制造和維修)中,應充分結合研制周期、性能、成本、資源、環境等因素,運用產品形象設計、人機工程設計、CMF設計等設計原理和方法。以表達技術為目的,以設計內容為主體,貫穿整個產品階段,最終實現技術和設計的高度融合。

3.1 產品形象設計

雷達產品形象設計是提升產品品質與核心競爭力的關鍵因素,貫穿雷達產品研發全生命周期的各個階段。要深入研究雷達產品形象設計,首先要緊跟國內外雷達發展趨勢,融合企業品牌戰略與企業文化,形成頂層形象設計策略。再針對不同領域、不同平臺雷達產品,構建完善的雷達產品形象識別體系,體現不同領域雷達的產品形象特點。經過實施、驗證、評價與迭代,最終形成各領域外觀設計通用規范與指南,保證產品視覺、品質和使用感受的一致性,樹立具有高識別性、高品質感的雷達產品形象,提升企業的核心競爭力。

以車載雷達為例。作為地面預警探測和情報偵察的核心力量,車載雷達在瞬息萬變的現代戰場中有著舉足輕重的作用,因而將車載雷達產品形象定位為“力量、堅固、威懾、可靠”。盾牌作為古代防御性武器,外表堅固可靠,防御性強,在冷兵器時代大顯神威,其象征意義與車載雷達的形象定位不謀而合,因此提煉車載雷達產品語義為“衛國重器,國之后盾”。在簡化盾牌造型的基礎上,對其形象元素進行提取凝練。提取棱角分明、強勁有力的折線線條作為產品族基因,表達軍事產品硬朗堅實、具有強大威懾力的特點,如圖5所示。

圖5 車載雷達產品族基因提取

在車載雷達產品形象設計過程中,注重將車載雷達產品族基因靈活運用到車載雷達整機外觀、平臺設備和通用部件的造型設計之中,打造具有獨特形象識別特點的產品系列。如圖6a)所示,通過貫穿首尾的腰線形態將相對獨立的單元聯系到一起,在增強整體感的同時,使整車更富于力量和韻律。錯落有致的腰線造型特征形成了具有強識別度的家族基因。在細節設計中,結合產品結構特點,將折線元素作為造型特征拓展運用在不同部件設計中,在體現整車統一性和整體性的同時,打造出契合家族理念的細節識別特征,如圖6b)所示。

圖6 車載雷達形象識別

3.2 人機工程設計

在信息化的發展趨勢下,雷達需要接收和處理大量的監測信息,系統的復雜程度大幅增加,因此雷達裝備的操作可靠性、人機舒適性、設備維護性與作戰效能密切相關,雷達人機工程設計已成為雷達產品設計中的重要內容。根據雷達操作人員的使用特點,雷達人機工程設計主要包含雷達顯控臺工效性和交互設計、雷達艙室內部環境設計和雷達整機人機工程設計。

(1)雷達顯控臺工效性和交互設計

雷達顯控臺作為主要的人機交互的媒介,是與人的關系最為密切的雷達設備,其人因工程設計需從操作性、舒適性、維護性以及信息結構、視覺顯示等方面著手,通過設備和界面軟硬件協同優化,以降低操作人員的工作負荷和疲勞度,提升操作效率和體驗舒適性。

對于雷達顯控臺來說,臺體寬度及深度、臺面高度、容膝空間等工作空間尺寸按相關標準規范的要求,已有較為完備的尺寸系列和推薦數值。而雷達顯控臺的維修便捷性受限于設備尺寸的影響,人員進行機箱、插件的維護操作時通常處于蹲姿狀態,帶來了極大的工作負荷和生理疲勞。

圖7為某雷達顯控臺在維護性方面進行的優化設計,利用基座轉動、鍵盤翻轉、臺面上翻等設計,減輕人員維護時的生理負荷,降低雷達顯控臺故障修復時的困難程度,提升對現有功能改進的可能性。

圖7 顯控臺維護性提升設計

在雷達交互操作設計方面,提高用戶在使用過程中的流暢性是需要關注的重點。現有雷達顯控界面交互一般以鍵鼠交互為主,也存在語音、觸控、手勢等交互方式[16]。如圖8所示,語音用以快速傳達或接收指令,觸控和手勢相比鍵鼠操作更符合人的生理習慣。通過多模態交互協同操作,可以幫助用戶更快適應顯控界面操作,更加方便快捷,提高人機工效。

圖8 手勢和語音交互[16]

(2)雷達艙室內部環境設計

雷達艙室內部環境主要由空間、色彩、材料、燈光、設備、陳設等構成,因此如何運用空間規劃、色彩分配、防眩光、降噪吸聲等設計手段實現艙室空間、色彩環境、光照環境、減振吸聲以及綠色環保的優化是雷達艙室內部環境設計的主要內容。圖9為某雷達方艙內部環境,該方艙在空間利用、成型工藝、燈光布局、環境控制上取得突破,創造性地采用漫光燈帶間接照明、隱藏式出風口等設計手法,打造了寬敞、明亮、舒適的工作環境,極大地提升了產品的用戶體驗。

圖9 某雷達方艙內部環境

(3)雷達整機人機工程設計

雷達整機人機工程設計更多關注雷達架設和維修過程,以提升過程中的用戶體驗為重點,使工作系統中“人-機-環境系統”整體協調,有利于提高人的工作效績,減少差錯、確保安全。可借助用戶體驗地圖等流程分析工具,通過定位和描述用戶與產品、環境之間的復雜交互體驗過程,圖形化整個體驗流程、用戶與產品的接觸點和用戶的情感曲線走勢,挖掘產品的設計機會點,并為產品的交互設計提供新的視角,最終實現設計指標與用戶需求的綜合平衡。

3.3 CMF設計

雷達裝備制造技術涉及專業面廣,技術門類配套齊全,新材料、新工藝的出現給雷達工業設計帶來了更多的選擇性與創造性。雷達CMF設計應從典型材質、典型生產工藝、典型表面處理工藝出發,以更好的產品質量和品質為目標,綜合考慮成本、周期、性能,在運用新材料、新工藝的過程中穩中求進、充分驗證,以提供最可靠的雷達整體CMF解決方案。雷達CMF設計主要包含以下三個方面:

(1)典型材質

工業設計中,材料表示產品設計、生產中使用的客觀存在的物質,工業表示由材料轉化為產品的整個過程。隨著大量的現代新型材料被研究開發出來,雷達工業設計中的造型設計、色彩設計、綠色設計和加工工藝等設計內容與材料的聯系更加緊密。如圖10a)所示,金屬材料在雷達產品中的應用越來越趨于多樣化,高強高韌材料、輕量化材料及部分具有特殊性能的功能金屬材料已有廣泛應用。如圖10b)所示,為滿足雷達產品的透波性、高強度、低密度、耐沖擊性等性能,先進復合材料在軍用電子裝備領域的應用比例和范圍逐漸拓寬,有效提升了產品的綜合性能。

圖10 雷達產品典型材質

(2)生產工藝

雷達裝備的制造技術是實現電子探測、通訊導航、電子對抗、指揮控制和數據鏈等系統及裝備制造的關鍵技術,其重點在于“電、器、精、調、表”。電氣互聯技術是核心,元器件制造是電子機械裝備制造技術的基礎,精密加工技術是支撐,裝配調試技術是保證,表面工程技術是保障。

雷達裝備從大中型的“天線陣面類構件、天線座類構件、承載平臺”,到中小精密的“高頻元件、鉸鏈類構件、高效冷卻構件、伺服傳動構件、電子設備結構件”等,幾乎應用了所有常規的加工成型方法。同時,隨著新材料和新技術的發展,增材制造、虛擬制造、智能制造、微系統制造等前沿顛覆性技術和核心系統性技術應用也發展迅猛。

(3)表面處理工藝

雷達裝備經受的腐蝕環境較為復雜,極易受到鹽霧、濕熱、太陽輻射等腐蝕因素的影響[18]。電子裝備自身還將引入微波、電磁輻射及熱等因素,多種腐蝕因素的交互作用使得雷達絕大部分構件需要通過有針對性的表面處理技術提高產品的環境適應性和可靠性。此外,還可以通過表面處理改善產品表面的色彩、亮度和肌理等視覺和觸覺效果,并賦予基材導電、疏水和潤滑等特殊功能。

4 結束語

雷達工業自誕生起已有近百年的歷史,我國工業設計從誕生到發展也有40余年,工業設計作為跨學科專業,將技術、設計及應用場景(用戶)緊密聯系在一起,提供策略性的問題解決方案。對于以技術創新為主導的雷達裝備研制,以工業設計為依托的設計創新也正逐漸展示出不可替代的作用,對于引領技術與產品創新、優化性能與成本以及提升裝備品牌價值有著重要的意義。

隨著新材料、新技術以及新工藝的不斷進步,在未來雷達產品的研制中,需通過進一步加強對工業設計理論與技術的應用研究,將產品形象設計、人機工程設計、CMF設計等完全融入到裝備研發過程,并開展雷達工業設計水平評價體系的研究,有力服務產品的技術創新,提高雷達裝備的用戶體驗和整體工業設計水平。