雷达工业设计研究与探索

张梁娟,胡长明,江 帅,李 阳

(南京电子技术研究所, 江苏 南京 210039)

0 引 言

雷达作为典型的复杂电子装备,是具有信息感知、通信、导航、干扰等功能的机电耦合系统。20世纪80年代以来,随着微电子及电子器件等领域技术的迅猛发展及数字化技术的不断推进,雷达性能得到显著提高,应用范围也不断扩大。在国防领域,雷达已成为“三军之眼”,是获取陆、海、空、天战场全天候战略情报的重要手段之一;在民用方面,雷达也被广泛应用在空中或海上导航、气象监测、地下探测、交通监测、雷达遥感等领域。

工业设计是以工业产品为主要对象,综合运用科技成果和工学、美学、心理学、经济学等知识,对产品的功能、结构、形态及包装等进行整合优化的创新活动[1]。现阶段,工业设计不再是仅停留在产品外观层面的造物,而是更加注重解决产品在外观形式、使用性能、人机工程、技术应用、经济效益、品牌树立和发展方面的各种问题。随着各国对雷达装备综合性能要求的不断提升,雷达设计逐渐从功能至上开始向围绕性能要求、技术水平、成本限度等多方面综合性能的考量转变,对产品的工业设计能力提出了新的要求。可以说,在以技术创新为主导的复杂电子装备研制中,以工业设计为依托的设计创新正逐渐展示出不可替代的作用。

本文旨在通过综述国内外雷达工业设计的发展现状,分析雷达工业设计的技术特点并论述雷达工业设计的技术方法,引起业内专家和学者对雷达技术与设计交互融合的共同关注,促进我国雷达工业设计技术的进一步发展。

1 雷达工业设计发展现状

雷达工业诞生于20世纪初,起初的雷达设备尺寸庞大、结构笨重,工业设计在雷达设计中并未得到充分应用。在20世纪90年代之后,雷达新技术不断被突破,对产品的外观造型、人机交互、用户体验等方面提出了更高的要求,工业设计在产品研制中逐渐发挥越来越重要的作用。对雷达装备而言,工业设计可以增加装备品质感、提升人机体验和塑造企业产品形象。

欧美发达国家的雷达行业起步较早、技术成熟度较高,依托其强大的工业设计体系,在产品形象方面的研究和发展取得了丰富成果。国外雷达工业设计呈现以下特点[2]:

(1)如图1、图2所示,国外雷达工业设计形态整合度和特征辨识度较高,同时具备一定的家族化特点。针对雷达结构单元种类和数量繁多的特点,在结构设计中,利用简化形态轮廓、整合视觉单元等方法降低产品各组成部分的拼凑感和孤立感,塑造出简约、完整的产品形态。此外,通过风格明确、辨识度高的产品视觉特征传达给用户不同的形象语义,并在产品形象设计中提炼具有“继承性、拓展性、异他性”产品族基因,将同一系列、同一领域内的相关产品家族化,提升了产品市场竞争力和用户忠诚度。

图1 Ground Master系列雷达

图2 NS系列雷达

(2)国外雷达工业设计十分重视产品的人机交互,针对“人-机-环”交互系统的构建积累了丰富的经验。一方面,如图3所示,利用成熟的多通道人机交互技术打造高水准的用户界面,提高了人机交互的自然性和高效性,实现“机对人的适应”;另一方面,注重交互环境的人因设计,通过形态、颜色材料及工艺(CMF)、照度等要素的精准匹配,在生理和心理层面提升用户人机交互的效率和体验,实现“环对人的适应”。

图3 雷达方舱内部

伴随我国雷达技术性能的日益提高、设计需求的迭代更新以及国内工业设计的萌芽发展,工业设计逐渐在我国雷达设计中得到应用。为实现雷达在造型风格、人机工程、生产工艺等方面的设计提升,国内的学者和专家针对雷达工业设计进行了深入研究并取得大量成果。

在雷达整机设计方面,对机动式地面雷达、固定式地面雷达、舰载雷达等产品的造型设计进行了研究,分析了雷达造型与功能的关系、雷达造型设计元素及方法,并基于产品族基因对雷达产品形象识别进行了提取和应用[3-5]。如图4所示,在雷达气象探测、航空管制等民用领域,也研制出一批结构紧凑、安装维护便捷的雷达产品,并采用了家族化的设计语言,在色彩搭配和材质运用上进行了统一设计,外观辨识度高。

图4 民用领域系列雷达

在天线阵面设计方面,雷达领域的专家学者对相控阵雷达的天线进行了设计优化研究,对天线阵面的比例尺寸、架构与造型、骨架结构、形态与色彩等设计要素进行了探讨,并对某雷达天线罩的外观造型和密封散热性能开展了提升设计[6-8]。

在雷达方舱设计方面,人体的舒适性受到广泛关注。通过在方舱设计中引入工业设计思想,眩光照明、温控系统、色彩分配、噪声控制、设备布局方面等问题得到解决,进一步提升了产品的宜人性[9-11]。

在机柜显控台设计方面,外观造型、通用化、模块化、人机交互高效是研究的重点。为实现电子设备机柜的通用与互换[12-13],模块化、系列化、组合化的设计手段被提出和应用。在显控台造型设计中,为满足品质感和科技感的用户需求,大量线形特征、装饰板、色彩等设计元素被组合使用,形成造型上有节奏和韵律变化的系列产品[14-15]。此外,针对显控台人机交互密切的特性,国内学者结合人体尺寸数据、操作习惯和造型风格,开展了基于工作空间、视野和操作范围、显控交互界面的显控台人性化设计[16]。

综上可知,工业设计在雷达产品研制中发挥着越来越重要的作用。在重视技术创新和技术先进性的同时,开始关注以工业设计为支撑的设计创新。技术与设计双驱动战略逐渐得到应用,通过综合运用全新技术和全新思路实现雷达产品的突破式创新[17]。

2 雷达工业设计技术特点分析

工业产品总是以一定的形象呈现在使用者面前,雷达也不例外,但雷达因其复杂的功能要求、特殊的使命任务,其产品形象不仅蕴含了其在整个生命周期中呈现出的视觉特征、功能品质,还承载了作为“大国重器”所传递的装备文化、民族自信的精神价值。雷达工业设计水平不仅能体现雷达以及整个行业的形象,更能体现国家科学技术的综合实力。作为典型的复杂电子装备,雷达研制成本高、技术难度大、服役时间长,这对其工业设计提出了更高的要求,雷达工业设计的技术特点也更为复杂。

2.1 技术主导性

雷达形态受技术指标、装载平台的强约束性影响明显。雷达通过电磁信号进行目标探测感知,是以电讯功能为主导的复杂电子装备。雷达的形态应遵循技术指标、功能需求对整体构型的要求。雷达形态的变化与技术原理的进步息息相关,如早期抛物面型的机械式扫描雷达和现阶段平板型的相控阵机电扫雷达差异很大。工作频段和威力大小决定了雷达的整体规模,如在相同频段下,威力需求越大,则雷达规模越大;不同频段下,频段越高,则雷达阵面单元的排布越紧凑。

雷达装载平台覆盖了陆、海、空、天各类领域,不同装载平台的雷达整体形态与规模也会有巨大的差异。车载平台要求雷达具备优良的机动性与战场适应能力,这就限制了雷达运输单元的形式与规模,对雷达的模块装配和架设撤收提出了较高的要求。机载平台受限于载机外形与装备重量,因此需要雷达设备随形设计与轻量化、小型化设计。舰载平台工作环境恶劣,对雷达提出了严苛的环境控制、耐腐蚀以及抗冲击要求。对于星载平台,每一克重量的增加都带来更多的发射燃料需求,同时,在轨工作需要克服维修困难的问题,要求星载雷达具备极致的轻量化和高度的可靠性设计。大型固定式雷达的空间和重量限制较小,形式较为多样,可依托建筑进行一体设计。

2.2 系统复杂性

雷达工业设计多因素混合特征更显著。在传统工业设计领域,往往遵循密斯的“少即是多”原则,但是雷达作为一部复杂的电子装备,其功能、性能的要求以及关联的软硬件的复杂耦合是必需的,同时为了确保维修性、环境适应性、长期服役可靠性以及具备各种故障模式下的应急操作等,复杂性必然是雷达工业设计的一部分,是不可避免的。从雷达产品本身来看,系统组成复杂,零部件众多,还需要统筹传力、散热、屏蔽、密封、互联等多维度因素。而对于雷达用户来说,一方面,雷达的采购者和使用者可能是分开的,另一方面,雷达的功能还直接与系统效能的贡献率息息相关,具有显著的产品组成复杂、客户需求复杂、产品功能复杂的特点,其工业设计不仅表现在雷达外在的感性形式所呈现的美,还需要通过多因素优化实现雷达产品内在的和谐与有序,呈现出结构自身的技术美。

2.3 稳定延续性

雷达工业设计对其风格的长期稳定性要求更高。相较于消费类电子产品,雷达作为“大国重器”,使用和服役时间长,要求装备具备极高的稳定性和可靠性,造型风格在短时间内不会出现明显代际变换。对于雷达的工业设计来说,一方面要求雷达产品的风格设计要能够经得起时间的沉淀和设计趋势变化的考验;另一方面还需要提升雷达装备模块化、标准化和系列化的水平,在接口关系、外形包络等方面使用统一标准,按照功能需求进行模块化设计,保持装备研制的延续性。同时从绿色设计角度来说,雷达装备的稳定延续性也能最大程度地减少维护和产品大修对于资源的消耗。

2.4 人机协同性

雷达使用效能与“人-机-环”设计关联紧密。雷达装备是复杂的人机系统,具有人机协同关系复杂、系统交互操作繁多、工作环境相对恶劣等特点。在信息化的发展趋势下,雷达接收和处理的信息量大幅增加,给使用人员的生理和心理带来了繁重的工作负荷,雷达设备的布局、结构尺寸、交互界面与人员的效率和舒适度密切相关。而方舱作为雷达使用人员日常活动的作业空间,其内部环境设计(如色彩、光照、吸声、隔热等)也是雷达用户体验的重要体现。此外,雷达架设的流程合理性、整机及设备维护保障的便捷性与雷达使用效能密切相关。因此,雷达人机工程设计已经成为雷达工业设计中非常重要的内容。

2.5 环境多样性

雷达服役环境多样性对CMF提出了更高要求。雷达因其特殊的任务和使命,产品分布在各个经度、纬度、海拔地区,从地球、临近空间到太空,面临各种极端的低温、高温、高湿、高盐、低气压、沙尘、辐射等严酷环境。普通消费类电子产品的材料选择、涂覆标准和加工工艺已远远不能满足雷达装备的设计、制造和使用要求。此外,雷达装备种类多、形态各异、组成复杂,涉及的色彩、材料和工艺要素更是多种多样,雷达的涂装往往也有其特有的伪装要求,因此雷达工业设计在细节的构型设计以及CMF上需要充分考虑使用场景和环境的要求。

3 雷达工业设计方法

针对雷达工业设计技术主导性、系统复杂性、稳定延续性、人机协同性和环境多样性的技术特点,雷达工业设计应以先进技术为驱动,综合考虑复杂的设计因素和多样的环境条件,以用户的良好体验为核心,提供美观、可靠、高效的产品系统解决方案。

因此,在雷达研制的全生命周期(方案拟制、设计、制造和维修)中,应充分结合研制周期、性能、成本、资源、环境等因素,运用产品形象设计、人机工程设计、CMF设计等设计原理和方法。以表达技术为目的,以设计内容为主体,贯穿整个产品阶段,最终实现技术和设计的高度融合。

3.1 产品形象设计

雷达产品形象设计是提升产品品质与核心竞争力的关键因素,贯穿雷达产品研发全生命周期的各个阶段。要深入研究雷达产品形象设计,首先要紧跟国内外雷达发展趋势,融合企业品牌战略与企业文化,形成顶层形象设计策略。再针对不同领域、不同平台雷达产品,构建完善的雷达产品形象识别体系,体现不同领域雷达的产品形象特点。经过实施、验证、评价与迭代,最终形成各领域外观设计通用规范与指南,保证产品视觉、品质和使用感受的一致性,树立具有高识别性、高品质感的雷达产品形象,提升企业的核心竞争力。

以车载雷达为例。作为地面预警探测和情报侦察的核心力量,车载雷达在瞬息万变的现代战场中有着举足轻重的作用,因而将车载雷达产品形象定位为“力量、坚固、威慑、可靠”。盾牌作为古代防御性武器,外表坚固可靠,防御性强,在冷兵器时代大显神威,其象征意义与车载雷达的形象定位不谋而合,因此提炼车载雷达产品语义为“卫国重器,国之后盾”。在简化盾牌造型的基础上,对其形象元素进行提取凝练。提取棱角分明、强劲有力的折线线条作为产品族基因,表达军事产品硬朗坚实、具有强大威慑力的特点,如图5所示。

图5 车载雷达产品族基因提取

在车载雷达产品形象设计过程中,注重将车载雷达产品族基因灵活运用到车载雷达整机外观、平台设备和通用部件的造型设计之中,打造具有独特形象识别特点的产品系列。如图6a)所示,通过贯穿首尾的腰线形态将相对独立的单元联系到一起,在增强整体感的同时,使整车更富于力量和韵律。错落有致的腰线造型特征形成了具有强识别度的家族基因。在细节设计中,结合产品结构特点,将折线元素作为造型特征拓展运用在不同部件设计中,在体现整车统一性和整体性的同时,打造出契合家族理念的细节识别特征,如图6b)所示。

图6 车载雷达形象识别

3.2 人机工程设计

在信息化的发展趋势下,雷达需要接收和处理大量的监测信息,系统的复杂程度大幅增加,因此雷达装备的操作可靠性、人机舒适性、设备维护性与作战效能密切相关,雷达人机工程设计已成为雷达产品设计中的重要内容。根据雷达操作人员的使用特点,雷达人机工程设计主要包含雷达显控台工效性和交互设计、雷达舱室内部环境设计和雷达整机人机工程设计。

(1)雷达显控台工效性和交互设计

雷达显控台作为主要的人机交互的媒介,是与人的关系最为密切的雷达设备,其人因工程设计需从操作性、舒适性、维护性以及信息结构、视觉显示等方面着手,通过设备和界面软硬件协同优化,以降低操作人员的工作负荷和疲劳度,提升操作效率和体验舒适性。

对于雷达显控台来说,台体宽度及深度、台面高度、容膝空间等工作空间尺寸按相关标准规范的要求,已有较为完备的尺寸系列和推荐数值。而雷达显控台的维修便捷性受限于设备尺寸的影响,人员进行机箱、插件的维护操作时通常处于蹲姿状态,带来了极大的工作负荷和生理疲劳。

图7为某雷达显控台在维护性方面进行的优化设计,利用基座转动、键盘翻转、台面上翻等设计,减轻人员维护时的生理负荷,降低雷达显控台故障修复时的困难程度,提升对现有功能改进的可能性。

图7 显控台维护性提升设计

在雷达交互操作设计方面,提高用户在使用过程中的流畅性是需要关注的重点。现有雷达显控界面交互一般以键鼠交互为主,也存在语音、触控、手势等交互方式[16]。如图8所示,语音用以快速传达或接收指令,触控和手势相比键鼠操作更符合人的生理习惯。通过多模态交互协同操作,可以帮助用户更快适应显控界面操作,更加方便快捷,提高人机工效。

图8 手势和语音交互[16]

(2)雷达舱室内部环境设计

雷达舱室内部环境主要由空间、色彩、材料、灯光、设备、陈设等构成,因此如何运用空间规划、色彩分配、防眩光、降噪吸声等设计手段实现舱室空间、色彩环境、光照环境、减振吸声以及绿色环保的优化是雷达舱室内部环境设计的主要内容。图9为某雷达方舱内部环境,该方舱在空间利用、成型工艺、灯光布局、环境控制上取得突破,创造性地采用漫光灯带间接照明、隐藏式出风口等设计手法,打造了宽敞、明亮、舒适的工作环境,极大地提升了产品的用户体验。

图9 某雷达方舱内部环境

(3)雷达整机人机工程设计

雷达整机人机工程设计更多关注雷达架设和维修过程,以提升过程中的用户体验为重点,使工作系统中“人-机-环境系统”整体协调,有利于提高人的工作效绩,减少差错、确保安全。可借助用户体验地图等流程分析工具,通过定位和描述用户与产品、环境之间的复杂交互体验过程,图形化整个体验流程、用户与产品的接触点和用户的情感曲线走势,挖掘产品的设计机会点,并为产品的交互设计提供新的视角,最终实现设计指标与用户需求的综合平衡。

3.3 CMF设计

雷达装备制造技术涉及专业面广,技术门类配套齐全,新材料、新工艺的出现给雷达工业设计带来了更多的选择性与创造性。雷达CMF设计应从典型材质、典型生产工艺、典型表面处理工艺出发,以更好的产品质量和品质为目标,综合考虑成本、周期、性能,在运用新材料、新工艺的过程中稳中求进、充分验证,以提供最可靠的雷达整体CMF解决方案。雷达CMF设计主要包含以下三个方面:

(1)典型材质

工业设计中,材料表示产品设计、生产中使用的客观存在的物质,工业表示由材料转化为产品的整个过程。随着大量的现代新型材料被研究开发出来,雷达工业设计中的造型设计、色彩设计、绿色设计和加工工艺等设计内容与材料的联系更加紧密。如图10a)所示,金属材料在雷达产品中的应用越来越趋于多样化,高强高韧材料、轻量化材料及部分具有特殊性能的功能金属材料已有广泛应用。如图10b)所示,为满足雷达产品的透波性、高强度、低密度、耐冲击性等性能,先进复合材料在军用电子装备领域的应用比例和范围逐渐拓宽,有效提升了产品的综合性能。

图10 雷达产品典型材质

(2)生产工艺

雷达装备的制造技术是实现电子探测、通讯导航、电子对抗、指挥控制和数据链等系统及装备制造的关键技术,其重点在于“电、器、精、调、表”。电气互联技术是核心,元器件制造是电子机械装备制造技术的基础,精密加工技术是支撑,装配调试技术是保证,表面工程技术是保障。

雷达装备从大中型的“天线阵面类构件、天线座类构件、承载平台”,到中小精密的“高频元件、铰链类构件、高效冷却构件、伺服传动构件、电子设备结构件”等,几乎应用了所有常规的加工成型方法。同时,随着新材料和新技术的发展,增材制造、虚拟制造、智能制造、微系统制造等前沿颠覆性技术和核心系统性技术应用也发展迅猛。

(3)表面处理工艺

雷达装备经受的腐蚀环境较为复杂,极易受到盐雾、湿热、太阳辐射等腐蚀因素的影响[18]。电子装备自身还将引入微波、电磁辐射及热等因素,多种腐蚀因素的交互作用使得雷达绝大部分构件需要通过有针对性的表面处理技术提高产品的环境适应性和可靠性。此外,还可以通过表面处理改善产品表面的色彩、亮度和肌理等视觉和触觉效果,并赋予基材导电、疏水和润滑等特殊功能。

4 结束语

雷达工业自诞生起已有近百年的历史,我国工业设计从诞生到发展也有40余年,工业设计作为跨学科专业,将技术、设计及应用场景(用户)紧密联系在一起,提供策略性的问题解决方案。对于以技术创新为主导的雷达装备研制,以工业设计为依托的设计创新也正逐渐展示出不可替代的作用,对于引领技术与产品创新、优化性能与成本以及提升装备品牌价值有着重要的意义。

随着新材料、新技术以及新工艺的不断进步,在未来雷达产品的研制中,需通过进一步加强对工业设计理论与技术的应用研究,将产品形象设计、人机工程设计、CMF设计等完全融入到装备研发过程,并开展雷达工业设计水平评价体系的研究,有力服务产品的技术创新,提高雷达装备的用户体验和整体工业设计水平。