一种复合材料曲面天线设计

2019-04-11张戎斌

火控雷达技术 2019年1期

董青张戎斌

(安徽四创电子股份有限公司合肥 230009)

0 引言

近程航管一次雷达是一种搜索雷达，主要用于探测以雷达阵地为中心，半径110km至150km范围内的各种飞机活动情况，其主要任务是探测飞机并引导飞机安全飞行。

天线是雷达的重要部件，它负责雷达工作时发射和接收波束。目前，市场上常见的近程航管一次雷达天线反射面多为金属网反射面。金属网反射面天线的特点是，材料获取简单，工艺成熟。但是金属网面天线的加工和装配难度较大，精度难以保证，制作周期较长，金属网及支承网面形状的骨架背筋等零部件总重量较重，本文介绍一种复合材料曲面天线，成型精度高，同时解决现有金属网反射面天线重量大和加工制造困难等问题。

1 天线的设计

因碳纤维复合材料具有耐腐蚀、高强度、重量轻、膨胀系数几乎为0等优点，且结合国外同类先进产品设计经验，近程航管一次天线有采用碳纤维复合材料的先例，如EASAT公司的EA5325型航管雷达天线及Ea11570系列军用雷达均采用复合材料天线阵面+金属管背架方案制作。

基于上述因素，拟设计一种碳纤维复合材料的近程航管一次雷达天线。天线由反射面和背骨架构成；面板采用铝蜂窝A夹层碳纤维结构，反射体背筋采用泡沫A夹层。背骨架设计H型箱型梁骨架。主要用于天线罩内工作环境，兼顾测试场地及架设时的户外环境因素，系统工作风速不高于20m/s，生存风速30m/s。

新设计H形箱型梁骨架结构简单，天线阵面需较多加强筋，三块阵面相互靠近的加强筋中设有定位销孔，天线可依靠阵面自身定位。方便拆装，重量较轻，天线抗风能力差，主要用于天线罩内。

综合考虑，天线采用H形箱型梁骨架方案。

图1 复合材料+H形骨架一次天线

天线分块方式的确定由整块面板制作，工艺简单便捷，电讯性能好，但是整块天线的尺寸超过公路运输的尺寸限值。因此需要多天线进行面板分块设计，如果分块较多，加工和装配难度较大。由于本文所述近程一次雷达天线主要运用于天线罩内；在电讯性能上，面板下半部分对指标的影响较上半部分小；基于上述因素，天线面板采取上大下小的两分块方案设计，为满足运输要求，上块高度2200mm，下块高度841mm。

图2 天线分块示意

天线定位装配，采用定位销、定位套的组合方式实现上块和下快的精确定位。为了避免常规的定位装配过程中的敲击对复合材料天线的损伤，定位销和定位套的轴向移动利用螺纹传动方式实现。

图3 分块天线的定位机构

反射面边缘处的横筋上分布5个定位孔，并在孔上固定金属套筒。上、下边块组装时，定位套盒定位销上的螺纹部分与螺套配合，两端螺纹导程是不等长设计，当旋转螺套时，定位销会在螺旋作用下实现轴向移动[1]。

天线与背骨架的装配：天线阵面装配完成后，需将整块天线固定安装在背骨架上。天线通过其背部靠近中央的两根纵向筋与H型骨架的两根主梁固定。两根天线纵筋中各预埋五处套筒。背架两侧主梁相应位置焊接有支耳，骨架上的支耳与背筋里套筒通过螺栓联接。在装配过程中，先将支耳与天线面板联接固定，然后在测试仪器的辅助下，将支耳与骨架大梁配焊，以实现天线面板与骨架的精确定位。

2 载荷计算

本文抛物面天线的主要受风载荷影响，风载荷是由于空气对物体的相对运动面产生的，气体绕经天线反射体时，在尖锐的边缘发生分离，在背面产生涡旋区，迎风面和背面各对应点的压差就形成了风力和风力矩。天线转台在工作时，风载荷产生的方位风力矩是确定天线转台驱动功率大小的重要因素。方位风力矩MF是由方位静态风力矩MJ和附加动态风力PJ共同形成[2]。

本文研究的雷达天线特征面积A为14.92m2，天线特征长度L为3.53m，天线转动半径R为1.76m，最大工作风速V为30m/s时天线转速ω为6～15r/min。风力矩的计算见公式(1)～公式(3)：

(1)

(2)

(3)

式(1)中ρ为大气密度，取0.125kg/m3；K为阵风因子，其数值根据风速大小而变化，本文阵风因子的选取参考文献[3]；Cmy和Cx是影响风载荷大小的重要参数，分别为风力矩系数和风阻力系数，它们的取值很大程度上取决于天线的外形和结构形式[4]。表1列出了本文研究的天线在不同迎风角度时的方位风力距系数和水平风阻力系数。

随着天线的旋转，方位风力矩在风力作用下，其大小是交变的，计算天线旋转一周所受的均方根方位风力矩，如公式(4)：

(4)

式(4)中：ti表示不同方位时段所占时间；T表示旋转一个周期所占时间。

表1列出不同风速时，天线在不同转速情况下，一个转动周期内所受的方位风力矩(其中：6r/min和15r/min为天线工作转速，7.5r/min和12r/min是其中间转速)。

表1 不同风速下的方位风力矩均方根

风速V(m/s)天线转速r/min一次天线MF(Nm)865337.5603151030156139012195815222520622557.52382153281

天线阵面需要校核最大生存风速下的强度和最大工作风速下的变形量。

本天线外壳采用复合材料及铝蜂窝夹层结构形式，其中碳纤维包围厚度为1mm。由于表面复合材料和铝蜂窝夹心主要承受弯曲载荷，且属于大面积小厚度体，故针对复合材料表面用壳单元来建立力学模型。有限元网格划分的好坏直接影响后续计算结果的精度，为了获得质量较高的有限元网格，模型网格划分采取了系统自动划分和手动划分相结合的网格划分方式；对雷达罩等较为规则的零件通过切割的方法转化为可扫掠实体，采用扫掠方法进行划分，以获得尺寸均匀的高质量六边形网格，同时施加单元尺寸约束，限制网格尺寸为0.01m，使网格不至过于稀疏。

表2 天线各组件材料特性表

结构件反射面表面、背筋外包围T300环氧复合材料反射面夹心层铝蜂窝背筋夹心层材料Rohacell51弹性模量E(GPa)E11=135E22=E33=7E=1.29E=70剪切模量G(GPa)G12=4.5G13=4.5G23=4.5G12=184.49G23=276.74G=0.019泊松比μμ12=μ13=0.3μ23=0.03μ=0.33μ=0.4密度ρ(Kg/m3)1628.62652屈服强度σ0.2(MPa)/1571.6抗拉强度(MPa)3500//

表2列出了复合材料天线所使用的各向异性材料属性。计算中，天线所受载荷为风阻力和重力，下面分别给出二种工况下的计算云图。