大口径高精度航管雷达天线天线结构设计技术研究与应用-0610

1基金项目：中国民航协同空管技术综合应用与示范项目：机动多功能航管雷达（2011BAH24B11）大口径高精度航管雷达天线结构设计技术研究与应用中国电科38所四创公司，合肥，230088【摘要】针对大口径、高响应和低副瓣类雷达天线结构的设计难点，本文尝试突破传统设计方法瓶颈，建立一种基于TRIZ理论的设计方法，实现创新设计。该设计流程主要包括：1.概念阶段的构型拓扑优化；2.工程设计阶段的试验设计（DOE）；3.验证阶段的仿真优化和试验测试。以某机动式航管雷达为应用对象，首次实现了大口径碳纤维A夹层复合材料反射面的设计与制造，并最终实现天线系统设计减重50%。【关键词】机动式雷达；碳纤维复合材料；TRIZ理论；天线结构设计中图分类号：TN82,TB3,TH12Researchonthedesignandapplicationofthelarge-diameterandhigh-precisionATCradarantennaSunCreateLtd.co.,ofNo.38InstituteCETC,Hefei,230088Abstract：Aimtothedesigndifficultyofradarantennastructurewithlargediameter,highresponseandlowsidelobecharacteristics,anewdesignmethodthatbreakingthroughthetraditionaltechniquewasproposedinthispaper.ThedesignmethodbasedontheTRIZtheorywasestablishedandtheinnovationwasachieved.Thedesignflowmainlyincluded:first,thetopologyoptimizationofconfigurationintheconceptstep;second,theexperimentaldesign(DOE)intheprojectdesignstep;finally,thesimulationoptimizationandexperimentaltestinthevalidationstep.WiththemethodmentionedaboveandusingthemotorizedATCradarasthestudyobject,forthefirsttimethedesignandmanufactureofthelarge-diameterreflectivesurfacewiththecarbonfiberAsandwichcompositeswererealized,andthedesignweightoftheantennasystemreduced50%.Keyword：Mobileradar;Carbonfibercompositematerial;TRIZtheory;Designofantennastructure;0引言航管雷达主要用于航空交通管制系统，通常分为固定式和机动式两类。固定式指航管雷达架设位置（或安装平台）不可搬移，如常见的塔架式、楼架式等；机动式航管多指雷达平台系移动载体，如车载式或艇载式。从结构设计来说，固定式设计难度要小于机动式，但系统建设费用高，基本缺少应急能力，在一些在地形变化大和远离机场的地方，具有快速架设和即需即用等优点的机动式航管雷达需求强烈，因此研制机动式航管雷达是当前航管雷达发展的一种趋势。航管雷达具有高响应、高精度和低副瓣的要求，目前多采用高精度双曲率反射面作为其主要的天线型式。天线作为雷达系统的关键设备，它的结构设计直接关系到接收、发射信号的质量和系统的稳定性。反射面天线口径一般以椭圆型为主，从结构设计上有三大特点：口径大、载荷恶劣、精度高。考虑到机动性设计，需具备可运输性，因此对于大口径反射面天线多采用分块设计，分块数量依据天线尺寸和运输安全性考虑，一般分为三块、五块和七块等；载荷恶劣是指天线结构在运输、工作、储存等不同技术状态时需经受的环境载荷，特别是露天工作时还需考虑防雨、防雷、裹冰等恶劣环境载荷适应性设计；精度高是指航管雷达对天线阵面的严苛精度要求，通过高精度的反射面设计与制造来实现高增益低副瓣的电讯性能，一般航管雷达反射面精度RMS值需2在1mm以内。从技术成熟度方面，固定式航管雷达技术成熟，而机动式航管雷达作为新的发展方向，与固定式最大不同在于机动性，需满足自动架设指标要求，因此在天线结构设计时，需对阵面的分块连接、折叠机构、阵面的保型机构等方面需细化论证，这样也增加了机动式航管雷达天线结构设计难度。机动式航管雷达装备系新环境和新市场孕育的新型装备，传统的设计思路很难在多维度上保障其指标要求。针对航管雷达天线系统，重量要求高，面密度一般不超过10kg/m2，通过传统结构优化改进，天线结构面密度将超过50Kg/m2，这显然无法满足高精度指标要求，因此需要尝试采用新的设计理论和方法来改进航管雷达的结构设计。随着计算机技术的发展，新的设计理论和设计方法不断涌现，其中最值得推崇的是TRIZ方法，它是一种系统的方法学，是基于知识的、面向人的发明问题解决系统化方法学。目前基于TRIZ理论的设计方法已经在航空航天产品设计中得到应用，而在雷达天线结构设计领域应用较少。本文将在前人研究工作基础之上，基于TRIZ理论，尝试改进天线结构设计思路，形成基于TRIZ理论的天线设计流程，并针对某型机动式航管雷达天线结构设计中的天线布局优化、反射板和支撑结构共形设计以及快速架设的关键连接设计进行论述，采用先进的仿真分析方法，保障天线结构的环境适应性设计和高精度指标要求。1天线结构设计要求某机动航管雷达以陕汽越野二类底盘车为机动平台，上装设备包括载车自动调平支撑系统、天线转台及支座、天线及天线倒伏机构、电子设备及设备舱。天线结构主要指标要求如下：双曲率反射面天线口径尺寸5500mm×3047mm阵面精度RMS值≤0.75mm重量要求≤150Kg机械载荷风载荷：40m/s，不破坏；25m/s，工作天线转速：25转/分，不破坏；15转/分，工作工作温度：-40～+50℃（舱外）2基于TRIZ理论的天线结构设计基于上述设计指标输入，该天线结构的面密度已达到9Kg/m2，15平方米的阵面，需能经受高风速、高转速作用下不破坏，同时还要求阵面RMS精度达到0.75mm以内，该天线结构设计具有一定的难度，加上其机动性要求，传统的设计已很难保证。基于此，本文大胆尝试TRIZ理论中的系统思维的多屏幕法对天线结构设计的思路进行拓展，典型的系统思维的多屏幕法如图1（a）所示。（a）系统思维（b）天线结构案例图1系统思维的多屏幕法根据系统的观点，系统由多个子系统组成，并通过子系统的相互作用实现一定的功能，简称3为系统。多屏幕法是一种考虑问题的方法，是指在分析和察觉问题的时候，不仅要考虑当前系统，还要考虑它的超系统和子系统的过去和将来。针对天线结构设计的当前系统而言，采用多屏幕法进行分析，如图1（b）所示，为满足机动式航管雷达高精度、高荷载的天线结构设计要求，可从材料体系轻质化、骨架与支撑共形设计、构型优化设计、载荷小型化设计等多个思路来解决。目前的天线结构设计，均是首先基于设计输入对天线阵面上装进行合理布局，然后依据设计经验，构建初始模型，采用单一的CAE技术或手工方法进行校核和优化，并进一步进行关键件的投产试验验证，如有问题，则修改设计模型。该设计思路，虽改变了传统“设计-验证-重新设计”的循环设计思路，但采用仿真技术的应用层次还不够深入，对于高荷载、高精度的机动式航管雷达结构设计仍有难度，加上设计周期也较长，也逐渐满足不了目前短周期、高可靠的设计需求，迫切需在现有天线结构设计思路上进行优化。基于此，尝试形成基于TRIZ理论的天线结构设计思路。首先基于设计输入指标体系，对天线结构设计的难点进行评估，采用TRIZ理论的相关方法，对天线结构设计进行顶层思路决策；基于决策的思路，设计初始拓扑模型，并依据高刚度轻量化设计思路，形成最优的拓扑构型；基于拓扑构型和工程可实现性，建立骨架与支撑的共形设计雏形；进一步对设计雏形进行参数优化设计，如是复合材料，可对铺层进行优化设计；形成满足设计要求的设计方案，再进行系统的组合环境载荷作用的系统校核与优化，并对局部进行详细设计。具体设计流程如图2所示。该设计流程与传统设计流程的区别在于，增加了基于TRIZ理论的顶层设计思路决策环节，同时更深入地应用了仿真优化技术。该流程的优势在于在设计前期全盘考虑，对可供考虑的设计思路进行决策，利用成熟的仿真设计软件，对天线结构设计进行系统综合设计。图2基于TRIZ理论的天线结构设计流程3某机动式航管天线结构设计应用3.1天线结构方案设计3.1.1材料体系选择由于天线口径较大、形状复杂、反射面精度要求高，同时还需具备一定的机动性，天线骨架的结构设计需要平衡质量和刚度的矛盾问题，因此在方案前期拟采用复合材料和高强铝合金材料进行设计，详细对比如表1所示。表1材料体系特性对比构型重量精度制造防护成本复合材料简单轻易满足较难难度小较贵高强铝复杂重较难满足易难度大便宜由表1知，复合材料的优势在于比刚度、比强度和可设计性，劣势在于可制造性，但随着近4十年来复合材料加工成型技术的发展，制造成本大幅降低，可制造性大幅提高，因此综合考虑，选择复合材料作为本方案的主材料体系。本方案的天线反射板采用蜂窝A夹层，其中蒙皮为T300的碳纤维，夹层为铝蜂窝；背板支撑采用低膨胀系数的M40J碳纤维作为蒙皮，内部填充硬质泡沫。3.1.2基于虚拟装配技术的天线布局设计天线结构设计是机动式航管雷达结构设计的关键，为满足电讯设计要求，采用双曲率反射面天线，口径尺寸是5500mmX3047mm，反射面深度为150mm。为满足运输性要求，必须对天线进行分块，使雷达天线运输车尺寸不超标。考虑到本方案的架设时间指标较低，可采用三块方式进行分块，在三向尺寸不超标和中块刚度最佳的前提下，运用虚拟装配技术，在DELIMIA环境下对分块尺寸进行优选和干涉检测，优选出中块长度为2400mm，边块左右对称，长度均为1550mm，如图3所示。图3天线阵面分块示意图工作状态时，须将三拼块组装到一起，要求装配速度快，安装精度高，具有设计规定的抗风性；运输状态时，拆除左右边块，然后将天线中块利用倒伏机构向后翻转。3.1.3反射板与支撑共形设计支撑结构设计是天线系统高精度设计的技术保障，传统设计方法未考虑自身刚度对天线系统刚度的改善，属于典型的单向设计，易造成过设计。本方案基于TRIZ理论，采用一件多用的设计思路，考虑将反射板与支撑一体化设计，并基于复合材料的可设计特点，最大程度优化支撑筋条的分布和截面尺寸。a.构型拓扑优化采用拓扑优化设计技术，依据中块尺寸大小以及初始厚度的立方块作为拓扑优化对象，以反射板面为非优化设计区域，背板立方块作为可设计区域，以最大位移响应点的位移数值为约束条件，获取天线最佳的支撑构型，最终优化出类“田”字格的主传力筋条，如图4所示。据此进一步依据工程可设计，明确本方案的筋条分布和截面尺寸。（a）拓扑构型（b）设计方案图4最优筋条分布与可设计方案b.最佳铺层设计结合碳纤维复合材料可设计和加工成型特点，确定面板和背筋均采用A夹层形式。其中面板表面为T300碳纤维层，中间夹层为铝蜂窝，碳纤维层厚度为0.6mm，铝蜂窝厚度为30mm；背筋表面为M40J碳纤维层,中间夹层为泡沫，碳纤维层厚度为1mm，泡沫层厚度为40mm。通过DOE试验方案设计，梳理出0.6mm的6层和3层不同铺层厚度和铺层角度方案，共计6类，通过刚度矩阵性能对比，优选最佳的铺层设计。同样对于筋条骨架也采用类似的DOE优化设计，对铺层厚度1mm的M40J材料进行铺层优化设计，获取最佳的刚度性能。c.共形设计对于单一分块，反射板与背撑互相提供支撑刚度，背撑承担主支撑刚度。天线阵面系统刚度由分块反射板与背撑共形刚度