某机载雷达天线座的结构设计

顾立彬

（中国电子科技集团公司 第二十研究所，西安 710068）

天线座是支撑天线和安装馈线、伺服驱动系统及机电参数转换装置的主题基座，是承受静力、动力及振动等负荷的关键基础构件[1]。机载天线座的一般要求为：应具有较高的轴系误差；运动应平稳可靠及数据传动误差小；应有足够的驱动能力及足够高的第一阶机械谐振频率；应具有尽可能轻的摩擦和尽可能小的齿隙；重量应足够轻。

该天线座安装于某大型空中平台，用于隔离载体运动带来的扰动影响，实时调整天线指向，对准目标，从而为机载平台与目标间建立连续、可靠的定向通信链路。

1 天线座主要性能及指标

（1）天线最大工作范围：方位：360°连续；俯仰：-20°～80°。

（2）最大转动角速度：方位90°/s，俯仰40°/s。

（3）最大角加速度：方位60°/s2，俯仰40°/s2。

（4）温度要求：储存为-55～70℃；工作为-55～55℃。

（5）加速度要求：6.75g（g为重力加速度）。

2 天线座总体设计

根据机载雷达天线座性能指标要求，采用小型化、轻型化的俯仰-方位型天线座形式，其主要由方位支座、方位滑环、四点接触球轴承、杯形件、左右支臂、俯仰轴、关节组件以及安全保护装置等组成。如图1所示，天线方位支座上安装有电机控制模块和驱动模块，方位转台上安装有双工器模块、和差通道接收组件模块、陀螺等。

方位传动采用直流力矩电动机直接套轴传动形式，方位旋变也是直接套轴安装使用。俯仰传动采用直流力矩电动机驱动谐波减速器传动形式，俯仰旋变直接套轴安装使用。

图1 机载天线座结构

2.1 天线座载荷分析

天线座承受的载荷主要有惯性载荷、摩擦载荷和不平衡力矩等。下面对天线座方位传动和俯仰传动所承受的主要载荷进行计算，然后用相加和均方根的方法分别计算出方位轴及俯仰轴上所承受的负载力矩。

2.1.1 方位传动所受载荷分析

（1）方位传动所受惯性载荷的分析计算。通过理论分析计算，方位转动部分折合到方位轴上的总转动惯量为：J方位≈ 0.29kg·m2。

方位最大角加速度为：εmax=1.047rad/s2。

方位轴上的惯性载荷为：Mj方位=J方位·εmax≈0.3 N·m。

（2）方位传动所受摩擦载荷的分析计算。方位传动所受摩擦载荷包括方位轴承的摩擦力矩和汇流环的摩擦力矩两部分[2]。方位轴承滚道内填充润滑脂（7015），其摩擦转矩约为0.8N·m；汇流环的摩擦转矩约为1N·m。故方位部分摩擦载荷为：Mf方位≈1.8N·m。

（3）不平横力矩分析计算。通过模型设计和分析得方位转动部分：L偏心距≈24.2mm，m转动≈14.2kg。预估机载平台的姿态角度α约为20°。

不平衡力矩：Ml方位=m转动·g·L偏心距·sinα ≈ 1.2N·m。

综上所述，方位传动所受载荷约为：

2.1.2 俯仰传动所受载荷分析

（1）俯仰轴上所受的惯性载荷。通过理论分析和预估，俯仰转动部分折合到俯仰轴上的总转动惯量大概为：J俯仰=0.038kg·m2。俯仰最大角加速度：εmax=0.698rad/s2。俯仰轴上惯性载荷：Mj俯仰＝J俯仰·εmax≈0.027N·m

（2）俯仰传动所受的摩擦载荷。俯仰部分的摩擦力矩包括谐波减速器的摩擦转矩和俯仰关节的摩擦力矩，通过理论分析与实际类比，取最大摩擦力矩Mf俯仰≈0.5N·m。

（3）不平横力矩分析计算。通过模型设计和分析得俯仰转动部分距俯仰轴：LX偏心距≈37.9mm，m转动≈4.8kg。

不平衡力矩：Ml俯仰= m转动·g·LX偏心距≈ 1.78N·m。

综上所述，俯仰传动所受载荷约为：

2.1.3 电机选型

根据上面分析与计算，选用的电机和减速器相关参数如表1所示。

表1 电机相关参数

表2 减速器相关参数

2.2 轴系误差分析

方位-俯仰型天线座的轴系误差主要包括方位轴与俯仰轴的不正交性、水平调整剩余误差和电轴与俯仰轴的不垂直性三种，后两种都可以通过工艺方法进行调整[3]。本文主要介绍方位轴与俯仰轴的不正交性，其影响因素主要有以下几个方面：左/右支臂安装孔中心线距底面尺寸公差引起的不垂直度误差：俯仰轴承（谐波减速器和俯仰关节内的轴承）径向跳动引起的不垂直度误差；方位轴承轴向跳动引起的不垂直度误差；方位杯型件两个安装面的平行度引起的不垂直度误差。

不正交误差计算公式：

式中，δ为高度差；L为跨度。

通过均方根方法综合以上四种误差，得出所能达到的不垂直度误差为：

3 主要结构件的仿真分析

3.1 力学分析

该天线座的主要受力部件为方位支座、杯形件、左右支臂等，用NX软件建立了其结构力学分析的有限元模型[4]。模型中所有物理量的单位均采用国际单位制（kg、m、s）。本文只对方位支座进行受力分析。

模型中采用3D四面体网络对方位支座和杯形件进行网络划分，材料选用铸造铝合金ZL101A-T6。

图2 力学分析云图

方位支座在底面施加固定约束，在方位轴承面上施加固定力载荷813.6N，添加重力加速度为9.8m/s2，得到方位支座的应变和应力，如图2所示，最大应变约为0.032mm，最大应力约为10.2MPa，满足设计要求。

3.2 模态分析

结构设计时必须考虑动态因素的影响，振动分析愈显重要。振动要解决的问题主要有两个：一是寻求结构的固有频率和主振型；二是分析结构的动力响应特性。结构的固有频率和主振型只与结构的刚度特性和质量分布有关[5]。本文采用NX软件对机载天线座进行模态分析，得出其固有频率和振型，如表3、图3所示，其符合设计要求。

表3 机载天线座的模态分析数据

图3 一阶二阶阵型图

4 结语

本文首先介绍了机载天线座设计中的一般要求，然后根据该天线座具体性能指标，进行天线座整体结构设计，并且进行载荷分析和轴系误差分析。最后对典型结构件进行了力学分析和天线座模态分析，其数值均满足设计要求，取得了预期的设计效果。