某机载挂飞雷达载荷结构设计与分析*

2022-09-01王志刚刘志坤

电子机械工程 2022年4期

王志刚，彭超，刘志坤

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽合肥 230088）

引言

某新型合成孔径雷达主要针对次地表目标的三维结构进行探测，它将雷达波对地表的穿透能力与雷达成像技术结合起来，远距离获取浅埋目标的高分辨率二维图像，从而提高对隐蔽目标的检测鉴别性能。在开展星载探测次地表目标之前，先利用机载挂飞的方式对其进行试验，这对于验证技术指标、解决关键技术具有重大意义[1]。

机载挂飞天线载荷一般安置于飞机外挂的吊舱内，具有结构紧凑、拆装性好、与飞机的接口简单、对飞机改装的影响小等优点[2]。文献[1]介绍了某运输机上挂载主被动一体化微波探测仪的详细结构设计，根据载机的力学振动环境对探测仪进行了力学仿真分析和热设计，通过机载校飞试验验证了其结构设计的合理性。文献[2]介绍了一种新型机载天线吊挂系统，该系统的天线框架与吊舱实行一体化设计，充分利用其安装包络空间，提高系统的集成度，并开展热设计和力学分析。文献[3]介绍了某机载雷达天线阵面结构设计，并对天线阵面进行了力学和热学仿真设计，结合载机平台的需求，最终满足了结构的高精度设计要求。

本文根据探测任务需求，介绍了该雷达机载挂飞载荷的组成与布局设计，重点描述了天线单元和天线框架的结构设计。在机载挂飞时，系统载荷需要承受飞机传递过来的加速度过载和随机振动。文中针对机载环境要求，进行了力学设计和力学分析，并通过机载飞行试验进行了样机试验验证。

1 系统载荷组成与布局设计

1.1 设计要求

某运输机是该载荷的载机平台，载荷要满足机载环境要求。载机的运载能力决定了载荷的重量、包络尺寸、拆装和变形等要求，具体如下：

1）载荷应满足飞行安全要求，质量不大于100 kg，重心位置符合飞机要求；

2）考虑载机平台适装性，载荷设计不得超过吊舱天线罩的最大包络尺寸；

3）载荷与吊舱拆装简单、快捷；

4）变形要满足结构和电性能要求，要求不大于2 mm。

1.2 载荷组成与布局设计

载荷包括天线单元、耦合器、天线框架和电子设备机柜。其中天线单元通过天线框架安装在一起，天线单元、耦合器和天线框架安装在位于飞机机腹右侧的吊舱内，电子设备机柜安装在飞机机舱内。为保证飞机飞行时重心保持稳定，机柜安装于吊舱另一侧。挂飞载荷剖面示意图如图1所示。天线单元法线与水平面法线的安装夹角为40°，吊舱天线罩可以整体打开，吊舱通过安装支架固定在机腹安装支点上。天线的射频电缆由天线后端接到飞机机舱内。

图1 挂飞载荷剖面示意图

2 载荷结构设计

2.1 天线单元结构设计

天线单元采用偶极子天线形式，主要由天线辐射部分、天线馈电部分、泡沫支撑部分以及底板组成，如图2所示。天线辐射部分由垂直短路面和偶极子天线两部分构成。

图2 天线剖面示意图

偶极子天线是4个厚0.5 mm的正方形，垂直短路面是4个厚0.5 mm的“L”型结构。为了减少加工和安装误差，偶极子天线和垂直短路面采用一体化设计加工。天线辐射部分与底板通过螺钉固定在一起。底板上有供安装的机械接口。天线馈电部分采用十字交叉的“Γ”型结构，末端通过2个N型连接器分别给垂直极化和水平极化馈电。“Γ”型结构在保证双极化辐射的同时也提高了天线2个馈电端口的隔离度。

在底板与辐射部分、馈电部分之间填充聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）泡沫，采用热成形工艺将其封闭成一个整体结构。PMI泡沫是一种轻质闭孔的硬质泡沫塑料，其介电常数低，具有良好的力学性能、加工性能、耐化学腐蚀性能、热成形性能和防火性能，可大大提高机载环境下天线单元的环境适应能力。

2.2 天线框架结构设计

天线单元通过天线框架与吊舱连接固定，天线框架是天线单元的安装和承力主体。要实现框架刚度好、重量轻的目标，在满足机载平台使用要求的前提下，框架结构形式和材料的选择尤为关键。在材料的选择上，主要考虑铝合金、槽钢和复合材料。在设计方案时，主要考虑整体加工、分段加工再组装、焊接和复合材料成型几种结构形式[4]。其中整体加工是指将整块大铝板加工成一个大框架的结构形式；分段加工再组装是指将框架分为若干部分，分别加工后再通过定位销、螺栓连接成一个整体；焊接是指将槽钢分为若干段再将它们焊接成一个整体；复合材料成型是指利用复合材料成型工艺来制作框架。在确定结构外形和尺寸的条件下，对几种方案和选择进行了分析、比较，结果见表1。

表1 几种方案和材料的比较

通过对重量和成本进行分析、比较，本文选择了铝合金分段加工再组装的设计方案。在结构上把框架分为长边框、短边框、内边框和中边框等几部分进行零件加工，再组装成框架整体。组装时利用定位销定位，连接处每间隔35 mm用M6螺栓固定连接。组装完成后对安装面和安装孔进行精加工，以满足天线的安装要求。天线框架示意图如图3所示。

图3 天线框架示意图

2.3 优化设计

为满足载机要求和探测需求，对天线单元、天线框架、装配和电缆布线进行了以下优化设计：

1）为满足吊舱包络要求和实现天线超宽带多极化性能，对P波段偶极子天线进行了低剖面设计。

2）为了提高结构刚度，进一步降低结构重量，基于尺寸优化设计，一方面在保证一定刚度的前提下，通过对天线框架各个边框的厚度尺寸进行寻优，获取各个边框的最佳厚度尺寸，从而提高结构刚度；另一方面通过边框截面优化设计，最终选择U型截面作为框架的边框截面。同时还在天线框架非主承载位置上开设若干减重孔、线缆穿线孔和固定孔。

3）天线框架与天线单元、吊舱等一起构成了整体封闭多筋腔体结构，具有刚度好、重量轻等优点。该整体式结构有助于实现天线框架与天线单元、吊舱之间的快速拆装。

4）通过三维布线设计，能够准确控制电缆长度，布线也更加规范整齐。

3 力学设计

机载电子设备在使用过程中经常会受到飞机发动机机械振动、喷气噪声、飞机外部气流干扰、飞机的飞行姿态以及起飞、着陆、滑行等因素产生的振动和冲击的影响。这些振动和冲击会损害电子设备[5]，因此必须进行传力路径设计和抗冲振设计，以提高电子设备的抗冲击、振动能力。

3.1 传力路径设计

在最初的装配设计中，天线单元通过托板螺母直接安装在吊舱侧壁翻边上，此时传力路径为机体→吊舱→天线单元。吊舱和天线单元之间缺乏有效的支撑，导致天线单元应力和变形过大，需要增加一级传力路径。

在后续改进设计中，在吊舱和天线单元之间增加一个天线框架，此时传力路径为机体→吊舱→天线框架→天线单元。天线框架可以有效地将机体产生的力均匀地传递到天线单元。

3.2 抗冲振设计

抗冲振设计包括加固设计和隔振缓冲。

1）在天线单元、天线框架以及其他铝合金材料上嵌入高强度、耐磨损的钢丝螺套，防止螺钉因振动和冲击而松动，提高螺钉连接时的连接强度。

2）在天线框架组装的螺栓上使用高强度的340螺纹锁固胶实现永久性锁固；在需要拆卸的连接器、天线单元和其他设备的接口上使用低强度的乐泰222螺纹锁固胶。这样可以有效避免设备安装螺钉因振动而松动。

3）天线框架与吊舱底板连接时采用六角自锁螺母。

4）将线缆绑扎在一起，并用线夹分段固定；在线缆外面包裹耐磨热缩套管，防止振动和冲击环境下线缆磨损。

5）机柜通过8个钢丝绳减振器（布置在底部）及安装支架与飞机的地轨连接，通过机柜背部上方的4个钢丝绳减振器（与底部减振器相同）与安装支架相连接。

6）天线单元采用的PMI泡沫具有较高的阻尼特性，对机载振动环境下天线的振动、冲击起到阻尼缓冲作用。

4 力学分析

4.1 有限元建模

框架采用壳单元模拟，天线采用体单元模拟，对于连接器、电缆等非承力件，采用质量单元等效。天线与框架有限元模型如图4所示。

图4 天线与框架有限元模型

4.2 模态分析

为了验证结构的动刚强度是否满足设计要求，对结构进行模态分析。由于模态分析是随机振动分析的基础，且随机振动的频率为20∼2 000 Hz，因此计算结构2 000 Hz内的所有模态。表2列出了天线和框架的主要模态频率和振型，模态振型见图5。

表2 天线和框架的频率和振型

图5 模态振型图

4.3 加速度过载分析

以飞机飞行方向为前，重力加速度方向为下，加速度过载分析输入条件见表3。

表3 加速度过载分析输入条件

根据加速度过载条件，对天线进行过载分析，结果见表4。由于有限元建模中采用的单元、材料和属性都是线性的，因此计算结果在前后、上下、左右方向上也为线性。这里仅给出了向后4.5g、向上6.75g和向左3g的计算结果。表4为过载情况下天线的最大应力和最大变形。最大应力出现在天线底板与框架连接处，为11.55 MPa，小于天线材料5A06铝合金的屈服强度155 MPa，表明系统载荷在加速度过载情况下是安全可靠的。