舰船用雷达平板天线外流场结构优化设计

赵广涛，李润林，毛俊东

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)

舰船用雷达平板天线外流场结构优化设计

赵广涛，李润林，毛俊东

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)

提出了一种舰船用雷达平板天线外流场结构优化设计方法。在雷达天线转台系统结构方案设计阶段，该方法将雷达天线数值风洞技术和外形结构设计理论相结合，用于雷达天线的外流场结构优化设计，并通过风洞试验进行比对和验证，降低雷达天线转台系统所受的风载荷，有效地降低了雷达天线转台系统的总重量，提高了舰船用雷达的适装性和雷达结构的可靠性。

雷达；天线系统；外流场；结构优化设计

0 引 言

从上世纪30年代以来，舰船用雷达一直受到各国海军的高度重视，经过多年的发展，其性能得到了很大提高，已成为舰船用作战系统的重要组成部分。随着作战环境的不断变化，雷达也面临着反辐射导弹、隐身目标、超低空突防、综合电子干扰以及多方向、多批次、大密度饱和攻击的威胁。为了提高在复杂电磁和作战环境下的探测能力，雷达正向多功能相控阵、低截获、一体化、数字化、分布式和网络化、高集成度等方向发展。这就要求雷达必须坚持“轻型化、小型化、组合化”的设计原则。

为此，本文提出了一种能够帮助促进舰船用雷达天线转台系统轻小型化的技术方法和技术思路。本方法涉及一种舰船用雷达天线外流场结构优化设计方法。对于舰船用雷达天线转台系统，它所受的载荷通常包括风载荷、惯性载荷、摩擦力(矩)、自重、冰雪载荷和温度载荷等几种类型。而舰船用雷达正常工作和不破坏条件下的相对风速都非常高，风载荷在舰船用雷达天线转台系统所受的载荷中通常是最大的部分，一般舰船用雷达的天线转台系统结构需要克服的风载荷占总载荷的比例超过80%。由此可见，降低天线转台系统的风载荷是提高舰船用雷达适装性和雷达结构可靠性的有效途径。

本方法的特点在于将雷达天线动态外流场高精度数值模拟、雷达天线外形结构优化设计和模型风洞试验等技术手段相结合，用于舰船用雷达天线外形结构优化设计。与目前通过持续许多轮次的风洞试验进行天线外形结构优化设计不相同，本方法在快速性和成本方面具有优势。通过对本方法的研究，将雷达天线动态外流场高精度数值模拟、雷达天线外形结构优化设计和模型风洞试验等技术手段相结合，从而有效地提高舰船用雷达天线转台系统的适装性和结构可靠性。

1 优化设计方法的技术思路

根据舰船用雷达天线转台系统降低风载荷的要求，结合天线外流场数值模拟的技术现状和技术实践，经过反复论证和分析，提出了雷达天线外流场高精度数值模拟、外形结构设计理论和风洞试验相结合的天线外流场结构优化设计方法的技术思路。优化设计主要包括以下步骤：

步骤1 初始外形结构方案：根据舰船总体和雷达电讯总体的指标要求，结合雷达工作的环境条件，给出雷达天线的初始外形结构方案；

步骤2 三维实体建模：根据雷达天线外形结构方案，进行三维实体建模；

步骤3 根据CFD特点对外形结构进行简化：外形结构简化，使得数值模拟计算的效率和准确性都能兼顾；

步骤4 数值模拟：进行天线外流场数值模拟计算；

步骤5 仿真分析结果输出：对仿真分析结果进行后处理后输出；

步骤6 根据风洞试验特点对外形结构进行简化：外形结构简化，使得风洞试验模型的可加工性和试验准确性都能兼顾；

步骤7 风洞试验：进行天线转台系统模型风洞试验；

步骤8 风洞试验结果输出：对试验结果进行处理后输出；

步骤9 外形结构方案更新：对天线外形结构进行优化设计，进行新的数值模拟和风洞试验。

重复步骤3～8，直至优化设计结束，通常步骤3～5的重复次数要比步骤6～8的重复次数多。因为不是每次数值模拟的结果都有价值，如果仿真分析结果表明，某外形结构方案的风载荷比初始结构方案的风载荷还要大，就不需要进行风洞试验，而直接进入步骤9。

实施过程及流程如图1所示。

图1 优化设计方法实施过程及流程

2 数值模拟和风洞试验结果比对分析

2.1 天线外流场高精度数值模拟

根据本文提出的雷达天线外流场结构优化设计方法，结合某舰船用雷达天线转台系统结构设计方案，首先进行了天线外流场高精度数值模拟。并根据数值模拟计算结果，对天线外形结构进行了优化设计，再次进行数值模拟计算，反复几轮下来，天线风载荷有了一定程度的下降。选取天线转台系统方位风力矩作为参考对象，其中某两次数值模拟计算结果的比对如图2所示。实际进行的数值模拟计算远不止两轮。根据图2所示的优化设计方法实施过程及流程，不是每次数值模拟都有价值，就不必进行相应的模型风洞试验，直接进入下一轮数值模拟计算。方位风力矩是选取方位驱动电机和齿轮箱的重要依据。

2.2 天线转台系统模型风洞试验

按照图2所示的优化设计方法实施过程及流程，选取其中有价值的数值模拟对应的天线外形结构，进行模型风洞试验。图3中选取方位风力矩系数作为研究对象，进行了两次风洞试验的试验结果比对。从图3可以看出，第二次风洞试验中的方位风力矩系数的峰值有所下降。

图2 数值模拟仿真分析结果比对

图3 模型风洞试验结果比对

2.3 数值模拟及试验结果比对分析

根据风洞试验得出的风载荷系数，进行了天线转台系统的负载计算和有限元分析。分析和计算表明，方位风力矩系数的下降，使得选取的方位驱动电机和方位减速箱的额定功率、额定输出扭矩有所下降，相应的方位驱动电机和方位减速箱的重量都会有所下降，为雷达天线转台系统的适装性结构优化设计提供了有力的支撑。

2.4根据天线外流场结构优化设计后的天线转台系统重量比较

根据本文提出的天线外流场结构优化设计方法，并以外流场结构优化设计结果为基础，从结构优化减重设计、适用海洋环境的轻型材料及其工艺技术研究等方面进行了研究和分析，给出了该舰船用雷达天线转台系统正样机和初样机的重量比较如表1。

表1 重量(kg)比较表

3 结束语

本文的研究内容涉及一种舰船用雷达平板天线外流场结构优化设计方法。本方法通过将雷达天线数值风洞技术和外形结构设计理论相结合，并通过天线转台系统模型风洞试验进行了比对和验证，有效地降低了雷达天线转台系统所受的风载荷，有效地指导了雷达天线转台系统结构方案设计。该方法对提高舰船用雷达适装性和雷达结构可靠性、减少研制风险、降低研制成本、缩短研制周期具有十分重要的意义。

[1] 赵广涛, 吴洪才. 舰载雷达适装性研究[J]. 雷达与对抗,2010(1):44-46.

[2] 朱钟淦, 叶尚辉. 天线结构设计[M]. 北京: 国防工业出版社,1979.

[3] 张润逵, 戚仁欣, 张树雄. 雷达结构与工艺(上册)[M]. 北京: 电子工业出版社,2007.

[4] 平丽浩, 黄普庆, 张润逵. 雷达结构与工艺(下册)[M]. 北京: 电子工业出版社,2007.

Structural optimum design of external flow field of shipborne radar plate antennas

ZHAO Guang-tao, LI Run-lin, MAO Jun-dong

(No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

A structural optimum design method of the external flow field of the shipborne radar plate antenna is proposed. During the design of the structural scheme of radar antenna rotary platform, this method combines the wind tunnel technology and the theory of outline structure design for the structural optimum design of the external flow field of the radar antenna. Besides, the comparison and verification are done through the wind tunnel test. The wind load suffered by radar antenna rotary platform system and the gross weight of the system are greatly reduced, and the installation adaptability and structural reliability of the shipborne radars are enhanced.

radar; antenna system; external flow field; structural optimum design

2013-12-20

赵广涛(1976-)，男，高级工程师，博士，研究方向：雷达结构工艺和总体技术；李润林(1979-)，男，高级工程师，研 究方向：结构工艺设计；毛俊东(1982-)，男，工程师，硕士，研究方向：雷达结构设计。

TN957.8

A

1009-0401(2014)01-0050-03