(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥230088)

0 引言

機(jī)載預(yù)警雷達(dá)作為預(yù)警指揮機(jī)的核心傳感器,能夠利用其載機(jī)平臺(tái)的飛行高度克服地球曲率對(duì)觀測(cè)視距的限制,消除雷達(dá)盲區(qū),擴(kuò)大低空和超低空探測(cè)距離。隨著航空技術(shù)的發(fā)展,未來戰(zhàn)場(chǎng)目標(biāo)的RCS越來越小,為了獲得足夠的作用距離,需要增加雷達(dá)的功率口徑積,在載機(jī)功率資源一定的情況下,增大天線口徑是最有效的方法。然而,天線口徑受雷達(dá)罩外形尺寸限制,雷達(dá)罩的氣動(dòng)外形及尺寸又受制于載機(jī)平臺(tái)的總體外形尺寸及總體-氣動(dòng)構(gòu)型等因素[1]。因此,合理選擇預(yù)警機(jī)總體-氣動(dòng)構(gòu)型并對(duì)雷達(dá)罩氣動(dòng)外形進(jìn)行優(yōu)化;通過合理的結(jié)構(gòu)總體布局設(shè)計(jì),有效利用雷達(dá)罩的氣動(dòng)外形,使天線口徑最大化,成為機(jī)載預(yù)警雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)中需要考慮和研究的工作。隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展,有源相控陣體制已成為機(jī)載預(yù)警雷達(dá)的主要趨勢(shì),本文針對(duì)相控陣機(jī)載預(yù)警雷達(dá)的雷達(dá)罩氣動(dòng)外形以及雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)中的主要問題—天線構(gòu)型設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

1 雷達(dá)罩氣動(dòng)外形的選擇與優(yōu)化

1.1 雷達(dá)罩氣動(dòng)外形

隨著有源相控陣技術(shù)的應(yīng)用,不僅使雷達(dá)性能得到了很大的提高,也使預(yù)警機(jī)的總體-氣動(dòng)構(gòu)型設(shè)計(jì)有了更多、更優(yōu)的選擇,目前被采用較多的包括背鰭式、圓盤罩-支架式和貼于機(jī)身兩側(cè)的機(jī)身共形式等幾種構(gòu)型。

1)背鰭式

該構(gòu)型目前有兩種形式,其一是以薩伯340預(yù)警機(jī)(如圖1(a)所示)為代表,天線艙通過支撐桿系安裝于機(jī)背上方,裝備的ERIEYEE有源相控陣?yán)走_(dá)可進(jìn)行兩側(cè)240°掃描。其二是以波音E-737“楔尾”預(yù)警機(jī)(如圖1(b)所示)為代表,T形截面的長(zhǎng)條天線艙直接安裝在機(jī)身上,裝備的多任務(wù)電子掃描陣列(Multi-Role Electronically Scanned Array,MESA)有源相控陣?yán)走_(dá),可實(shí)現(xiàn)360°掃描。

圖1 背鰭式構(gòu)型

2)圓盤罩-支架式

該構(gòu)型以E-3預(yù)警機(jī)(如圖2(a)所示)為代表,該構(gòu)型適合于機(jī)掃體制雷達(dá),同時(shí)也可用于電掃體制雷達(dá)。伴隨著有源相控陣技術(shù)的應(yīng)用,在圓盤罩的基礎(chǔ)上又衍生出了類似三角形、水滴形等其他流線形的盤狀雷達(dá)罩,如美軍的S-3預(yù)警機(jī)(如圖2(b)所示)、V-22預(yù)警機(jī)等驗(yàn)證機(jī)的氣動(dòng)構(gòu)型方案。采用非圓形罩,可使天線口徑加大,提高天線的輻射性能,因此,非圓形罩的方案很有研究?jī)r(jià)值,但必須結(jié)合具體情況進(jìn)行優(yōu)化、綜合分析與權(quán)衡[2]。

圖2 圓盤罩支架式構(gòu)型

3)機(jī)身共形式

以色列研制的“費(fèi)爾康”預(yù)警機(jī)(如圖3(a)所示)和灣流G550“海雕”預(yù)警機(jī)(如圖3(b)所示)是該種構(gòu)型的典型代表,相比之下,后者雷達(dá)罩的形狀與機(jī)身更加融合,但兩者仍然屬于“準(zhǔn)共形”(非理想共形),該構(gòu)型能大大減小甚至消除雷達(dá)罩對(duì)飛機(jī)氣動(dòng)性能的影響,成為未來預(yù)警機(jī)總體-氣動(dòng)構(gòu)型發(fā)展的一個(gè)方向。

圖3 機(jī)身共形式構(gòu)型

上述三種構(gòu)型中,圓盤罩-支架式對(duì)飛機(jī)氣動(dòng)特性的影響最大;背鰭式由于沿飛行方向整流較為流線,因此對(duì)飛機(jī)氣動(dòng)特性的影響比前者要小得多[1];而機(jī)身共形式在這三種形式中影響最小。除了以上所列的3種較常采用的構(gòu)型外,還有腹鰭式(如美軍的E-8)、機(jī)身鼓包式(如以色列的“費(fèi)爾康”前后補(bǔ)盲雷達(dá)罩),甚至還有不加整流罩的“裸露式”(如俄羅斯的卡-31預(yù)警直升機(jī))等構(gòu)型[1-4]。

在進(jìn)行雷達(dá)罩與載機(jī)的總體氣動(dòng)構(gòu)型時(shí),除了考慮對(duì)飛機(jī)氣動(dòng)性能的影響外,最重要的要求是減少機(jī)體的遮擋,降低機(jī)身對(duì)天線波束掃描的影響。圓盤罩-支架式和背鰭式構(gòu)型采用背負(fù)高架方式,可以有效減少機(jī)身對(duì)天線波束掃描的影響,背鰭式具有良好的側(cè)視性能,但存在前后盲區(qū),一般結(jié)合采用鼓包式構(gòu)型增加前后補(bǔ)盲天線或采用端射陣天線進(jìn)行補(bǔ)盲;較前兩者,機(jī)身共形式構(gòu)型目前受機(jī)身遮擋的影響比較大,但隨著天線技術(shù)的發(fā)展,實(shí)現(xiàn)與機(jī)身完全共形,可有效利用機(jī)身表面積,通過分布口徑合成,增大天線口徑。在工程上,必須把飛機(jī)和雷達(dá)罩作為一個(gè)整體考慮,建立飛機(jī)-天線模型,進(jìn)行仿真計(jì)算,選定天線在飛機(jī)上的最佳位置。這一工作通常在系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)時(shí)完成,然后將天線形式、定位和尺寸一起作為預(yù)警雷達(dá)天線在飛機(jī)上的電磁性能要求提供給飛機(jī)改裝設(shè)計(jì)者,供飛機(jī)總體 氣動(dòng)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行綜合和權(quán)衡[2]。

1.2 雷達(dá)罩氣動(dòng)外形優(yōu)化

在確定了預(yù)警機(jī)的基本氣動(dòng)構(gòu)型后,需要對(duì)雷達(dá)罩的氣動(dòng)外形進(jìn)行優(yōu)化,目的是使天線口面處的有效面積最大化,此項(xiàng)工作主要是雷達(dá)天線與飛機(jī)氣動(dòng)兩個(gè)專業(yè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)過程。首先采用仿真分析手段進(jìn)行罩體的建模、優(yōu)化,再通過風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)罩體的氣動(dòng)性能進(jìn)行驗(yàn)證。對(duì)于透波部分與整流部分相對(duì)獨(dú)立的雷達(dá)罩構(gòu)型,該過程較為簡(jiǎn)單,雷達(dá)天線受氣動(dòng)設(shè)計(jì)的約束較少,如背鰭式的長(zhǎng)條形雷達(dá)罩,直段為雷達(dá)透波部分,前后兩端的整流罩通過平滑過渡與直段構(gòu)成連續(xù)的外形;而對(duì)于透波與整流共形的雷達(dá)罩,其透波截面形狀會(huì)影響天線布陣的有效面積(天線增益)和天線的波瓣寬度指標(biāo),從雷達(dá)設(shè)計(jì)的角度,雷達(dá)罩氣動(dòng)外形的選擇應(yīng)綜合考慮下列因素:

1)氣動(dòng)性能影響小:在能夠獲得相同口徑的情況下,對(duì)飛機(jī)氣動(dòng)性能的影響最小。

2)有效透波截面積大:在同樣能保證飛機(jī)安全性的情況下,可獲得的天線口徑最大。

3)天線副瓣影響小:天線罩的不同形狀和厚度對(duì)天線副瓣造成的影響也不同,如水滴形罩的插入相移較圓形罩小,對(duì)天線副瓣影響也相應(yīng)較小。

4)天線透波罩重量輕:天線罩電設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)于天線副瓣性能影響較大的罩體形狀,一般會(huì)對(duì)罩壁采用變厚度設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化[5],從而會(huì)造成天線罩的增重。

以“圓盤罩 支架”構(gòu)型為例:確定采用該種總體構(gòu)型后,需要確定雷達(dá)罩的氣動(dòng)外形(圓盤形、水滴形或其他流線形)。優(yōu)化初期,選擇等邊三角形和盾牌形兩種非圓形方案與圓形罩相比較。以同樣的天線有效面積所獲得3種外形的最大尺寸如表1所示。從表中可以看出,在最大厚度不變的情況下,三角形和盾牌形展向最大尺寸都有所減小,其中盾牌形的3個(gè)面陣為非等邊的等腰三角形布局(如圖4所示),展向尺寸減小到7.8 m。

表1_相同天線口徑的雷達(dá)罩外形比較

圖4 非圓型雷達(dá)罩

為了在氣動(dòng)性能方面對(duì)這三種外形方案進(jìn)行比較,采用CFD計(jì)算分析,以下是分析結(jié)果:

1)天線罩帶來的阻力增量:圓形＞三角形＞盾牌形,即圓形產(chǎn)生的阻力增加量最大,盾牌形產(chǎn)生的阻力增量最小。

2)天線罩對(duì)飛機(jī)縱向力矩特性的影響:迎角α=0°時(shí),3個(gè)方案均使飛機(jī)縱向靜穩(wěn)定性有所增加,相比較為:三角形＞圓形＞盾牌形;α=4°時(shí)圓形縱向靜穩(wěn)定性略有減小,三角形和盾牌形仍使飛機(jī)縱向靜穩(wěn)定性有所增加。

3)天線罩對(duì)飛機(jī)偏航力矩特性的影響:側(cè)滑角在±6°范圍時(shí),圓形產(chǎn)生的偏航力矩最大,盾牌形次之,三角形最小。航向靜穩(wěn)定性:圓形最好,盾牌形次之,三角形最小。

4)天線罩對(duì)方向舵效率的影響:3個(gè)天線罩方案均對(duì)垂尾前部的壓力分布有所影響,而對(duì)垂尾后部的壓力分布影響較小。在小側(cè)滑角范圍(β=-6°～+6°),天線罩尾流對(duì)垂尾干擾較大,大側(cè)滑角時(shí),天線罩尾流對(duì)垂尾的干擾迅速減小。對(duì)垂尾影響最大的是圓形,而三角形和盾牌形對(duì)垂尾的干擾影響相當(dāng)。

從CFD計(jì)算分析結(jié)果可以看出,兩種非圓型罩對(duì)飛機(jī)氣動(dòng)性能的影響較圓罩小,通過對(duì)兩種非圓罩氣動(dòng)外形優(yōu)化,得出水滴形的最終結(jié)果(如圖5所示),罩體外形尺寸:展向＜8.3 m,航向＜8.8 m,最大厚度＜1.8 m。

圖5 水滴形罩外形

在雷達(dá)罩的初步外形確定后,雷達(dá)結(jié)構(gòu)也需要對(duì)天線進(jìn)行初步的總體基本構(gòu)型,并截取天線口面所在的罩體截面,預(yù)留透波罩厚度及安全間隙后進(jìn)行天線單元布陣設(shè)計(jì),然后通過天線的電訊仿真對(duì)罩體形狀提出修改意見,氣動(dòng)設(shè)計(jì)根據(jù)天線設(shè)計(jì)的反饋進(jìn)行罩體樣條線的優(yōu)化,并進(jìn)行氣動(dòng)仿真分析,將優(yōu)化結(jié)果返回給天線設(shè)計(jì),如此反復(fù)迭代,直至達(dá)到要求。實(shí)際上這是天線口面優(yōu)化與雷達(dá)罩氣動(dòng)外形優(yōu)化的協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)過程,最終結(jié)果是在天線口徑與氣動(dòng)性能這對(duì)矛盾之間找到“兩全其美”的平衡點(diǎn),圖6為雷達(dá)罩氣動(dòng)外形優(yōu)化流程示意圖。

雷達(dá)罩的氣動(dòng)外形經(jīng)過優(yōu)化,使雷達(dá)天線口面所在截面的面積和形狀達(dá)到了最大、最優(yōu)。然而,如何高效利用所得到的口徑面積,則是下一階段機(jī)載預(yù)警雷達(dá)天線結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)所要解決的問題。

2 天線結(jié)構(gòu)總體布局優(yōu)化

圖6 雷達(dá)罩氣動(dòng)外形優(yōu)化流程示意圖

通過對(duì)雷達(dá)罩氣動(dòng)外形的優(yōu)化,天線口徑在保證飛機(jī)氣動(dòng)特性指標(biāo)的前提下得到了最大化,但在后續(xù)的天線結(jié)構(gòu)總體布局設(shè)計(jì)中,還有可能會(huì)因?yàn)椴季植划?dāng)造成天線有效口徑面積的得而復(fù)失,如何避免或減小這種損失,保證天線預(yù)期增益指標(biāo)的實(shí)現(xiàn),是天線結(jié)構(gòu)總體布局設(shè)計(jì)需要考慮的一個(gè)問題。當(dāng)然,天線結(jié)構(gòu)總體布局設(shè)計(jì)要考慮的問題遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這一個(gè),有源相控陣?yán)走_(dá)天線具有設(shè)備量大、集成度高、互聯(lián)關(guān)系復(fù)雜等特點(diǎn),是預(yù)警機(jī)的核心部分,也是占用載機(jī)資源量最大的設(shè)備。天線結(jié)構(gòu)總體布局應(yīng)根據(jù)各種設(shè)備的功能特點(diǎn)和互聯(lián)關(guān)系對(duì)其進(jìn)行合理布置,在保證雷達(dá)性能指標(biāo)的同時(shí),設(shè)備的重量及重心配置應(yīng)滿足載機(jī)系統(tǒng)的要求,此外還應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)的可靠性、維修性以及載機(jī)資源的有效利用等因素。以下僅就如何通過天線陣面與T/R模塊互聯(lián)形式的優(yōu)化,減小有效口徑面積的損失這個(gè)問題進(jìn)行討論。

2.1 天線陣面與T/R模塊互聯(lián)形式

天線陣面與T/R模塊間互聯(lián)形式按輻射單元與對(duì)應(yīng)收/發(fā)通道的連接方式來分,主要有以下三種形式:

1)固定連接

這種互聯(lián)形式的天線輻射單元固定在T/R模塊上,T/R模塊的收發(fā)單元間距按天線單元間距布置,陣面精度靠T/R模塊的制造和安裝精度保證。

這種互聯(lián)形式的主要優(yōu)點(diǎn)是消除了電纜及連接器所帶來的損耗,但采用這種連接方式,在線校正網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)在T/R模塊內(nèi),當(dāng)T/R模塊更換時(shí)校正網(wǎng)絡(luò)也隨之更換。校正網(wǎng)絡(luò)是整個(gè)相控陣的基準(zhǔn),是實(shí)現(xiàn)超低副瓣的保障。實(shí)踐表明,校正基準(zhǔn)與天線的陣中環(huán)境、加工安裝精度密切相關(guān),很難僅通過高精度的加工實(shí)現(xiàn)天線的超低副瓣,必須通過外場(chǎng)或近場(chǎng)測(cè)量的方法進(jìn)行校正與補(bǔ)償。如果采用天線輻射單元固定在T/R模塊上的設(shè)計(jì)方式,當(dāng)更換模塊時(shí)校正基準(zhǔn)將發(fā)生變化,天線副瓣很難保證,在線校正將失去其應(yīng)有的低副瓣保證的功能,而退化為僅僅對(duì)通道是否失效的監(jiān)測(cè)。另外,這種互聯(lián)形式對(duì)T/R模塊的加工、安裝精度要求高;T/R模塊安裝布局也受限于天線陣面。

2)盲配直連

這種互聯(lián)形式的收/發(fā)通道與天線輻射單元通過盲配連接器直接連接。T/R模塊收發(fā)單元間距按天線單元間距布置,因天線陣面與T/R模塊可分,其陣面精度和校正基準(zhǔn)不受T/R模塊安裝精度影響;由于校正網(wǎng)絡(luò)可集成設(shè)計(jì)在天線陣面上,T/R模塊的更換不會(huì)造成天線校正基準(zhǔn)喪失;T/R模塊與天線輻射單元通過連接器直接連接,消除了連接電纜帶來的損耗。但T/R模塊的安裝布局與前種形式一樣受限于天線陣面。

3)電纜過渡連接

T/R模塊與天線陣面通過電纜相連接,T/R模塊上的收發(fā)單元間距可根據(jù)設(shè)計(jì)需要布置,不必與天線單元的間距對(duì)應(yīng),與前兩種連接形式相比,T/R模塊的安裝布局相對(duì)更靈活,并且容易實(shí)現(xiàn)天線的共口徑設(shè)計(jì);天線陣面輻射單元的布陣也可根據(jù)需要靈活設(shè)計(jì),如采用矩形布陣、三角形布陣等。但因T/R模塊與天線輻射陣面間通過電纜連接,其損耗與前兩種連接形式相比會(huì)有所增加。

對(duì)于這三種連接形式的特點(diǎn)總結(jié)如表2所示。

表2 天線陣面與T/R模塊間互聯(lián)形式比較

2.2 天線陣面與T/R模塊互聯(lián)形式的選擇

從上述三種互聯(lián)形式的特點(diǎn)可以看出,其各有優(yōu)、缺點(diǎn),隨著電子元器件技術(shù)的發(fā)展和T/R組件設(shè)計(jì)水平的提高,有源相控陣天線正逐步朝著輕、薄、柔方向發(fā)展,目前片式組件和瓦片式天線已逐漸在產(chǎn)品中得到應(yīng)用,而這正是采用了直接連接方式,由此可以看出其優(yōu)越性。但對(duì)于一個(gè)具體設(shè)計(jì)來說,最好的并不一定最合適,對(duì)于連接方式的選擇,應(yīng)該從雷達(dá)罩氣動(dòng)外形的特點(diǎn)、天線系統(tǒng)的總體基本構(gòu)型、技術(shù)成熟度、經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考慮、權(quán)衡并作出選擇。下面以“圓盤罩-支架”構(gòu)型的某中型有源相控陣預(yù)警雷達(dá)為例,從天線口面形狀、面陣基本構(gòu)型和多頻段共面陣布局三個(gè)方面進(jìn)行說明。

1)天線口面形狀

該預(yù)警雷達(dá)的罩體為橢圓旋轉(zhuǎn)體,天線系統(tǒng)的總體基本構(gòu)型采用三面陣布局,天線口面所在位置的截面形狀為近似橢圓形。在預(yù)留了透波罩的厚度及天線與罩體內(nèi)壁的安全間隙后,分別按電纜連接和直接連接兩種方式進(jìn)行天線單元布陣,其中直接連接方式的T/R模塊采用4×4的16通道構(gòu)型,分別切得天線陣面外形(如圖7所示),從圖中可以看出,直連方式的天線振子與對(duì)應(yīng)的T/R組件間存在相互約束,每個(gè)振子后面必須有完整的空間形成對(duì)應(yīng)的T/R組件;同時(shí),陣面上能布置多少T/R組件,才能有多少個(gè)天線振子。這樣,凡是后面不滿足T/R組件安裝空間的面積因無法利而切去;而采用電纜連接方式的天線陣面不受后面T/R組件的條件約束,能夠有效利用截面上的面積布置更多振子,因此較前者的有效面積更大。同時(shí),陣面邊角處的T/R組件形不成完整4×4的16通道構(gòu)型,如果采用直連方式,必須增加T/R模塊的品種,這無論從維修性還是經(jīng)濟(jì)性方面考慮都難以接受。

2)面陣基本構(gòu)型

圖7 天線陣面布局(局部)

由于天線系統(tǒng)的總體基本構(gòu)型采用三面陣布局,當(dāng)3個(gè)陣面輻射面位于圓的內(nèi)接正三角形3個(gè)邊上時(shí)(從圓盤上方俯視),其口徑為最大。圖8(a)為采用直連方式的三面陣布局示意圖。由于天線陣面、T/R模塊都有一定厚度,因此在進(jìn)行設(shè)備排布時(shí)應(yīng)為這些設(shè)備留出厚度空間以及適當(dāng)?shù)木S護(hù)空間,而這必然會(huì)使3個(gè)面陣在拐角處發(fā)生重疊或干涉如圖8(a)所示,要解決這一問題,可以將3個(gè)天線陣面各自沿法線方向外移,如圖8(b)所示,這樣就使輻射面偏離最大口面位置,另一個(gè)辦法是將天線陣面與T/R模塊的連接方式改為電纜連接,減小T/R模塊的寬度尺寸并根據(jù)需要增加深度尺寸,同時(shí)將T/R模塊排布向天線陣面的中間集中,從而減小面陣拐角處的厚度,消除干涉,如圖8(c)所示。

3)多頻段共面陣布局

預(yù)警雷達(dá)一般都要配備敵我識(shí)別/二次雷達(dá),對(duì)敵我識(shí)別/二次雷達(dá)的基本要求是能夠覆蓋預(yù)警雷達(dá)的覆蓋范圍,精度指標(biāo)也能夠與雷達(dá)匹配,以實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的正確分辨和識(shí)別[1]。本文將這兩種雷達(dá)天線分別稱作一次天線和二次天線,這兩個(gè)不同頻段的天線需要布置在同一面陣上,如果在同一陣面采用分區(qū)排布方式,現(xiàn)有口徑面積無法同時(shí)滿足兩個(gè)天線的增益要求,在保證一次天線增益的情況下,所剩面積已無法使二次天線的增益達(dá)到指標(biāo)要求。因此考慮將兩個(gè)天線采用共口徑設(shè)計(jì),這樣可同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)天線的高增益。但一次、二次天線輸入端口都要對(duì)應(yīng)有一個(gè)T/R的安裝空間,造成兩空間重疊,因此,一次天線T/R和二次天線T/R不能同時(shí)滿足直接連接。如果將其中一個(gè)頻段改為電纜連接,則可解決這一矛盾。

采用電纜連接方式具有布局靈活的特點(diǎn),但畢竟所增加的電纜會(huì)帶來功率損耗,因此在進(jìn)行總體布局設(shè)計(jì)時(shí)必須優(yōu)化T/R模塊的布置,嚴(yán)格控制其與天線陣面間的電纜長(zhǎng)度,使其帶來的損耗達(dá)到最小。否則有可能得不償失。實(shí)踐證明,在設(shè)計(jì)合理的前提下,采用電纜連接方式所增加的損耗約為0.2 dB。

圖8 三面陣布局示意

3 結(jié)束語

機(jī)載預(yù)警雷達(dá)天線的口徑,作為載機(jī)提供給雷達(dá)的一個(gè)間接資源對(duì)雷達(dá)的威力指標(biāo)有較大的影響,針對(duì)這一問題,在雷達(dá)研制的初期就必須與載機(jī)做好雷達(dá)罩協(xié)同設(shè)計(jì)、充分挖掘載機(jī)資源;并在后續(xù)的雷達(dá)結(jié)構(gòu)總體布局中,將其列為重點(diǎn)考慮的因素之一,以確保雷達(dá)的預(yù)期指標(biāo)。

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