复用型飞行器微波暗箱设计与应用

朱兴明，蒋 飞，许远标，张凯强，汪浩洋

（上海机电工程研究所，上海 201109）

0 引言

飞行器雷达导引头是其实现精确制导的基础部件，具备探测、制导和控制等功能。其功能、结构复杂，为了保证雷达导引头在飞行器执行任务过程中正常工作，需要对雷达导引头进行多次测试。微波暗箱是飞行器雷达导引头测试的辅助设备，作用是在进行飞行器导引头测试时，屏蔽导引头高频信号的对外辐射以及环境噪声干扰，同时通过微波暗箱内部的天线收发回波信号，对导引头的收发性能以及航向跟踪稳定性进行检验测试等。由于飞行器的结构与直径不同，传统的微波暗箱设计方案则根据不同的飞行器设计专用的微波暗箱，导致微波暗箱复用性较低，测试研制成本较高，并且暗箱支架结构简单，不便于移动和调节。因此，有必要设计一款微波暗箱以提高微波暗箱的复用性和可操作性，降低研制成本。

传统测试用微波暗箱已不能适应现代化生产的需要，本文引入模块化设计思想，在暗箱设计过程中采用模块化技术，以模块间的通用性和互换性为基础，以工装的通用性为目标，结合数字化装配技术，实现模块化设计，缩短工装准备周期，降低工装制造成本，大幅度提高装配生产能力，有助于对新品飞行器雷达导引头的测试做出快速反应，提高测试装置的可操作性和测试效率，以满足日益增长的飞行器雷达导引头测试需求。

1 模块化设计方法

模块化设计是一种自顶向下的设计方法，是指对一定范围内的不同功能或相同功能不同性能、不同规格的产品进行功能分析、划分，并设计一系列通用、专用模块组成不同的产品，以满足市场的不同需求的现代设计方法。工装的模块化设计是在同一定位平台上实现系列化、通用化，达到不同零件只需更换部分定位、夹紧元件。工装本体通用的原则，能够极大地提高工装设计效率，降低制造成本，缩短工装准备时间。

工装模块化设计原则是在力求满足要求的基础上，使模块结构简单、性能稳定，模块划分的好坏直接影响工装模块化设计的成功或失败。工装模块化设计流程图如图1所示。工装设计员在新工装设计之前可根据产品结构特点和功能需求，评估工装模块化的可行性，确定是否能进行工装模块化设计；确定模块化设计方案后，利用三维建模软件进行工装专用模块设计、通用模块设计和工装模块组装，并进行功能性分析，最后输出工装设计图及产品。

图1 工装模块化设计流程图Fig.1 Modular design flow chart of tooling

2 复用型微波暗箱设计实现

2.1 复用型微波暗箱需求分析

为了适应多种飞行器雷达导引头的测试需求，复用型微波暗箱应具备以下功能：

1）复用型微波暗箱包含暗箱箱体和箱体移动机构，二者可拆卸作为独立设备。

2）暗箱内壁应敷设角锥形吸收材料，具备微波信号的吸收要求。

3）暗箱后端面中心固定回波馈源天线，天线可调整。

4）导引头上架结束后，暗箱移动到位应有锁定装置。

5）暗箱支架的高度要保证暗箱中心轴线离地高度可调节。支架底部安装滚轮，摆放到位后应可放下撑脚定位。

6）暗箱箱体前后可相对支架前后移动，在移动的范围内，可以在任一位置锁紧，防止暗桶在干扰的力作用下前后移动。

7）暗箱应有措施保证暗箱处于水平状态，可以通过调平装置，使得暗箱处于水平状态，并设有轴向与横向水平指示装置。

8）除满足导引头在水平状态的测试需求外，还需满足导引头处于竖直状态的测试需求。

9）有零件表面光滑无毛刺，锐角倒钝。

2.2 微波暗箱箱体设计

2.2.1 暗箱箱体组成

微波暗箱主要由屏蔽结构、吸波材料、被试设备屏蔽窗、喇叭天线及同轴电缆、线缆屏蔽贯穿口、天线机械运动装置等组成，微波暗箱结构组成如图2 所示。

图2 微波暗箱结构组成示意图Fig.2 Schematic diagram of the structure composition of the microwave darkbox

2.2.2 微波暗箱箱体结构设计

微波暗箱主体结构钢制屏蔽箱体，暗箱屏蔽箱体由屏蔽层和网格框架焊接组成，网格框架主要保证屏蔽层具备足够的刚性。屏蔽箱采用1.5mm 厚冷轧钢板通过氩弧焊工艺进行屏蔽焊接，屏蔽层焊接完毕后放至于网格框架内并与网格框架点焊牢固。屏蔽箱体两端开口各焊接一个4mm厚钢制圆形法兰，屏蔽箱体的前后端盖板通过法兰螺栓连接在箱体法兰上。

网格框架采用薄壁型钢结构焊接，便于在保证箱体刚性的同时，能够最大程度减轻箱体重量。

在微波段，屏蔽钢板的屏效主要跟材质有关，采用1.5mm 厚的屏蔽钢板主要考虑的是低含碳量和良好的焊接性能，钢板厚度减薄后其加工变形将会变大。1.5mm 厚的屏蔽钢板冷弯加工、工艺焊接后暗箱表面的平整度可以保证，屏蔽钢板的刚度和强度适合作为吸波材料和其他附属设备和系统的安装载体，局部也进行了结构加强设计。

屏蔽箱体侧面安装有一只小型暗箱，用于天线机械运动装置的控制线缆贯穿暗箱壳体用；小型暗箱的上方另外安装一只硬波导贯穿屏蔽壳体，波导外侧固定一只波导同轴转换接头，用于暗箱内天线收发链路的输入和输出，用户可以通过手动操作切换信号源和接收设备连接。

微波暗箱外表面安装有水平显示仪（箱体侧面）和激光发射器（箱体上方）。暗箱侧面设置水平显示仪，能够判断暗箱整体的水平度；被试品伸入暗箱后，打开暗箱上的激光发射器。该激光线与暗箱中心线平行，这样可以通过该指示调整被试品的中轴线与暗箱中轴线重合，避免被试品偏轴现象的发生。

箱体结构两侧各安装3 只钢制把手，用于微波暗箱的起吊、搬运。激光发射器与钢制把手如图3 所示。

图3 激光发射器与钢制把手示意图Fig.3 Schematic diagram of laser transmitter and steel handle

图4 圆形屏蔽窗结构示意图Fig.4 Schematic diagram of circular shielding window structure

2.2.3 吸波材料设计

微波暗箱内壁安装聚氨酯角锥吸波材料。吸波材料采用聚氨酯泡沫角锥，外形结构美观，尺寸准确，无粉尘脱落，无吸潮变色现象。其耐功率性能能够接收2000W、占空比20%的大功率信号，并能保持至少3min 不因过热而烧毁。阻燃性能达到国家B2 级材料标准要求，氧指数≥28%，满足NRL 8093 试验标准要求。

2.2.4 屏蔽装置设计

微波暗箱前端为被试设备屏蔽窗，采用金属屏蔽层加吸波材料的方法进行屏蔽吸波处理。为了匹配不同被试设备进行试验，将屏蔽窗设计为可更换结构：暗箱前端预留固定式圆形屏蔽窗，内部粘贴一层高吸波材料；根据被试设备的头罩的详细尺寸设计可更换屏蔽窗，试验时可更换屏蔽窗一端嵌套在圆形屏蔽窗外，另一端与被试设备相连。

2.2.5 天线控制机构设计

天线机械运动装置主要由执行机构和控制系统两部分组成。天线机械运动装置是一个二维电动平台，能够实现喇叭天线在水平和垂直两个方向的运动，机械运动装置X轴两端底座与暗箱侧壁通过转接结构过渡（安装底座），螺钉连接。

天线机械运动装置采用伺服电机驱动齿形带加直线导轨方案，主要包括伺服电机（自带光学码盘）、行星减速器、齿形带、直线导轨（双导轨）、无触点开关等结构单元。天线机械运动装置端面提供天线安装接口，为了减小天线机械运动装置金属表面对暗箱静区性能的影响，在天线机械运动装置表面（除导轨部分外）包裹粘贴吸波材料，包裹吸波材料区域如图5 蓝色部分所示。

图5 天线机械运动装置吸波材料布局图Fig.5 Layout of absorbing materials for antenna mechanical motion device

2.3 微波暗箱移动机构设计

2.3.1 暗箱移动机构组成

暗箱移动机构由底盘、电动升降系统、水平运动机构、滚轮、升降控制机箱、调平机构、支撑结构等组成，暗箱移动机构组成如图6 所示。

图6 暗箱移动机构组成图Fig.6 Composition diagram of the dark box moving mechanism

2.3.2 升降系统设计

为了实现暗箱结构在高度上的运动与调整，设置电动升降系统。电动升降系统由升降机构及升降控制机箱组成。

电动升降机构由4 个同步升降电动缸、联轴器、减速器、安川伺服电机等组成。电动缸具有传动效率高，节能环保，超长寿命，定位精度高，可靠性高等优点。电动升降机构结构可靠，不会出现长时间停放后缓降的现象。暗箱运输时，需要将电动缸停在最低位置以免碰撞损坏。每只电动缸升降杆能承载最大垂直力不小于250kg。升降控制系统集成于一只3U 控制机箱内，机箱安装在小车底盘上，便于控制系统的检修、维护。升降控制系统能够通过上位机自动或手动方式实现暗箱的升降运动，并能通过伺服电机的反馈实时显示运动位置。

2.3.3 水平运动机构设计

水平运动机构的作用是为了实现暗箱的整体平移，在底盘滚轮锁死后能够实现暗箱整体可在安装面上水平滑动（前后方向）。水平机构安装在升降杆机构的上方，并通过螺钉可靠连接。

水平运动结构由框架、直线导轨、滑块、锁紧结构、限位块、支撑结构等组成。

框架由两根矩形钢管及5 根横梁焊接而成，对微波暗箱起到支撑作用并直接支撑直线导轨；框架两端安装限位块，限制暗箱的水平移动；直线导轨由铝制托架及镀铬光轴组成，导轨两端分别设置限位块，对滑块的水平运动位置进行限制；滑块选用TBR 型滑块（型号HGH 15CA），用于连接暗箱底部的法兰；滑块上设置有手动锁紧机构，滚花结构锁紧螺钉采用手动操作便于快速锁紧、放松操作。

2.3.4 底盘与滚轮设计

底盘为暗箱系统提供重量支撑，同时为天线控制机箱及电动升降控制机箱等提供安装空间。

支架底部安装环球牌滚轮4 只，滚轮选用两只万向脚轮，两只定向脚轮，万向脚轮安装在微波暗箱后部，并带刹车结构。底盘四角设置手动调平装置，通过工具调整能够对暗箱的水平度进行微调。

4 只调平支腿的顶面为六边形机构，需要进行调平操作时，用户只需要利用随机配置的棘轮扳手连续转动支腿，就可以很方便地实现调平功能。

2.4 微波暗箱整体设计

完成专业模块微波暗箱箱体和通用模块微波暗箱移动机构设计后组装成一个整体，如图7 所示，暗箱箱体和暗箱移动机构作为两个独立设备可分别使用，提高暗箱的复用性。

图7 暗箱整体组装示意图Fig.7 Schematic diagram of the overall assembly of the dark box

在使用过程中，微波暗箱需要经常地转场运输。考虑到系统分体运输拆装不便，且安装时重复定位将对安装位置造成误差，因此采用一体运输方案。运输时，首先将电动升降装置降到最低位置，然后将微波暗箱箱体移动到水平导航中部并通过4 个滑块上的锁紧装置将其水平位置锁紧，最后通过叉车或者吊车将整个暗箱箱体移动到运输平台上，调节4 套调平机构支腿及4 套支撑机构支腿，使其均匀平稳地与运输平台相接触。

本暗箱的天线机械运动装置的选型已经考虑了长距离运输的形变和刚性问题，长距离公路运输不会造成伤害，二维机构的运动机构具备内部自锁能力。

3 应用实例验证

为了验证复用型微波暗箱使用效果，选用某型号飞行器雷达导引头按照正式流程分别采用传统微波暗箱和复用型微波暗箱进行了应用对比测试，测试结果统计见表1。

表1 测试效率提升情况Table 1 Improvement of testing efficiency

由表1 可知，使用复用型微波暗箱进行测试后，效率得到大幅提升，对准时间由原来的20min 缩短至8min，时间节约近60%，测试项目消耗时间由原来的10min 缩短至6min，效率提升40%。

每年生产多种飞行器产品，按照传统微波暗箱设计方案则要对应生产A 套微波暗箱，采用本文设计的复用型微波暗箱则可兼用多种飞行器产品，则每年可大幅度降低经济成本。

4 结束语

通过微波暗箱装置的模块化设计，探索在保证工装设计满足使用要求的前提下，考虑产品结构相似、部件相似或相同等特点，利用模块化技术实现工装的通用性要求，减少工装制造成本。通过实际应用表明，本文所设计的复用型微波暗箱可提升效率约40%，操作性高，复用性强，能够满足日益增长的型号批产总装测试需求，提高市场竞争力。