0 引言

　　大型相控阵雷达(见图1)具有作用距离远、数据率多、目标跟踪多和测量精度高等特点，可为远程、精确打击提供空间位置信息，从而满足信息化战争需求。相控阵雷达的相位和幅度误差，直接影响雷达信号接收性能^[1,2,3]。

　　基于远程信息化战争需求和空中交通管制要求不断提高^[4]，对大型相控阵雷达性能需求也急剧提升。而大型相控阵雷达天线阵面安装精度是雷达获得良好性能的关键指标。雷达口径的增大导致了安装过程中雷达阵面平面度难以得到控制。阵面天线是相控阵雷达无线电工程系统的重要组成部分，其特性直接决定雷达系统的性能，其中天线阵面上辐射单元的安装平面度精度是关键指标。安装精度决定了雷达的部署效果^[5,6]。通常口径越大，雷达的结构变形误差也越大，因此在雷达阵面安装过程中进行监测并指导雷达阵面的调控，对保证整个雷达阵面安装精度具有重要意义。

　　

　　图1 相控阵雷达外观  

　　 

　　1 相控阵雷达阵面安装方式

　　目前大型相控阵雷达天线阵面安装方法主要有过渡骨架结构法和调整机构结构法^[7,8,9]，对雷达架设、阵面精度控制和装备制造成本的要求有其各自的特点。

　　1.1 过渡骨架结构法及特点

　　通过调节螺栓将过渡骨架与天线楼连接，利用调节螺栓调整过渡骨架上的平面，为阵面骨架提供安装基础。最后将阵面骨架安装在过渡骨架上形成整体阵面骨架，通过局部调整垫片精调完成阵面安装。

　　1.2 调整机构结构法及特点

　　从天线楼基础开始，依次安装过渡板、安装块、调整机构和天线阵面。首先利用过渡板完成阵面初始精度控制，消除楼面基建的高度误差，为安装块提供定位基准，保证天线阵面满足法向投影上x,y方向的位置精度要求。最后利用调整机构调整高度方向的误差实现精准安装^[10,11]。

　　2种安装方法的优缺点如表1所示。

　　  

　　表1 2种安装方法优缺点对比 

　　 

　　 

　　

　　表1 2种安装方法优缺点对比

　　2 相控阵雷达阵面调控结构设计

　　因调整机构安装方式在阵面精度保证上拥有明显优势，故选择调整机构结构法作为阵面安装方案。

　　设计相控阵雷达阵面的调控结构时，采用全站仪对架设过程进行实时监测，根据实时监测结果，指导阵面安装过程调控。调控机构作为保证阵面安装精度的重要组成部分，用于调整x,y方向倾斜。因此姿态调整过程主要体现倾斜调整兼顾平移调整。调整后整个平面度的测量也采用全站仪。

　　调整装置如图2所示，此装置的主要功能是调整所有雷达阵元的表面处于同一平面，保证雷达精度。调整装置主要由升降调整机构和液压缸组成。升降调整机构通过销钉连接到雷达阵元上，升降调整机构作用是调整雷达阵元的表面姿态。液压缸通过销钉连接到升降调整机构和雷达阵元上。由于单个雷达阵元自重达9t，安装后受自重影响，升降调整机构处于锁死状态，无法调整。因此用4个液压缸支撑雷达阵元自重，解除升降调整机构的锁死状态，从而调整雷达阵元的表面姿态。

　　

　　图2 调整装置   

　　 

　　调整装置采用电机带动蜗杆旋转，蜗杆带动蜗轮旋转，蜗轮的中心设计成丝母，调整杆设计成丝杠，蜗轮旋转时通过螺纹传导至调整杆上，使蜗轮的旋转运动转化成调整杆的直线运动。通过6个调整机构的两两配合调整阵元的姿态，满足安装要求，基本结构如图3所示。

　　

　　图3 单个阵面安装及调整机构  

　　 

　　安装后如果整体重量全部由调整机构承担，将造成调整机构变形，失去调整功能。因此，在调整前采用4个液压缸及内支撑阵元自重，减小或尽量消除调整机构变形及内力，便于调整。

　　升降调整机构2的结构如图4所示，由调整座、蜗轮丝母、丝杠、上轴承盖、防压缩垫板、上安装板、丝杠连接板、上轴承、下轴承盖、蜗杆、下轴承、蜗杆轴承端盖、联轴器、电动机、蜗杆轴承组成。

　　

　　图4 升降调整机构2  

　　 

　　3 控制与调整方式可行性理论分析

　　3.1 材料特性

　　调整范围要求为20～30mm，调整精度为±2mm。计算调整机构的外形尺寸与选材是设计的关键环节。计算依据欧拉公式:

　　

　　 

　　式中:E为压杆材料弹性模量;I为压杆材料截面惯性矩;l为压杆长度。

　　

　　 

　　式中:λ为柔度或长细比，(μ为长度因数)，它集中反映了压杆的长度、约束条件、截面尺寸和形状等因素对临界应力的影响。

　　1)大柔度压杆(λ≥λ₁)

　　

　　 

　　λ₁与材料性质有关。

　　2)中柔度压杆(λ<λ₁)

　　需根据经验公式:

　　

　　 

　　式中:a,b为与材料性质有关的常数。

　　3)小柔度压杆

　　主要考虑应力达到屈服极限而失效。此时:

　　

　　 

　　如果λ<λ₂，则按照压缩强度计算，要求:

　　

　　 

　　3.2 压杆稳定性

　　影响压杆稳定的因素主要有:压杆的截面形状、长度和约束条件、材料性质等。

　　3.2.1 选择合理的截面形状

　　由欧拉公式可知，截面的惯性矩I越大，临界压力F_cr越大，柔度λ越小，临界应力越大。由于，所以提高惯性半径i可减小λ。如不增加截面面积，尽可能把重量放在离截面形心较远处，可得到较大的I和i，提高临界压力，如空心环形截面比实心圆截面合理。

　　3.2.2 改变压杆的约束条件

　　改变压杆的约束条件直接影响临界力的大小。一般来说，增加压杆的约束，使其更不容易发生弯曲变形，可以提高压杆的稳定性。

　　3.2.3 合理选择材料

　　根据压杆的不同尺寸(长度和直径)可以计算柔度λ。

　　假设选择优质碳钢(45号钢)，E=210GPa，σ_s=350MPa，σ_p=280MPa;压杆的长度为l₁=230mm，外径为D₁=100mm;液压杆的长度l₂=614mm，外径为D₂=40mm。

　　1)调整压杆的压力为:

　　

　　 

　　液压杆的压力为:

　　

　　 

　　2)稳定的安全因数n_st=10，液压杆的强度计算由公式:

　　

　　 

　　

　　 

　　压杆两端固定。

　　

　　 

　　由于λ_液<λ₂，则适合小柔度压杆强度公式。

　　

　　 

　　满足强度理论，故采取以上结构尺寸是可行的。

　　调整压杆受到单元阵面在其轴向上的分力F₁和与其垂直方向分力F₃同时作用，分析调整压杆任一截面上的应力需从分析F₁,F₃进行。

　　

　　 

　　材料的最大许用应力:

　　

　　 

　　式中:[σ]为45号钢的许用应力;σ_s为屈服极限，σ_s=350MPa;n为安全因数。

　　在实际应用中，材料的工作应力应当小于材料的许用应力，即:

　　

　　 

　　当工作安全因数n<10.6时，本设计设定的工作安全系数为10，所以本设计是合理的。

　　4 控制与调整方式可行性有限元分析

　　利用有限元软件MSC.Patran&Nastran分别计算调整杆和液压杆，及单独计算只有调整杆，模型如图5所示。

　　

　　图5 有限元模型  

　　 

　　由应力云图可以看出，当使用液压缸抵消阵元重量时，液压杆所受应力最大为38MPa，出现在与销钉连接部位，调整机构应力为10.2MPa，出现在丝杠的较细部位。液压缸卸载后，支撑机构的最大应力为31.3MPa，满足强度要求。

　　5 安装精度预估分析

　　根据雷达面的安装要求，需在30m×30m的安装范围内实现安装精度±2mm，实际误差源如下。

　　5.1 系统误差

　　主要包括雷达阵面的制造误差δ₁，测试设备误差δ₂，调整误差δ₃，标准块制造误差δ₄，塔楼安装误差δ₅，基准面构建误差δ₆。其中阵面的制造容许误差δ₁=±0.1mm，测试设备的容许误差δ₂=±0.2mm。根据误差理论，系统误差不应在测试结果中体现。根据误差取舍准则，即保证各单项误差均在±0.2mm以内即可舍去。

　　5.2 随机误差

　　安装塔架安装节点的测试误差δ₇，测试面安装过程的测试误差δ₈，环境变化引起的误差δ₉。

　　根据随机误差合成的极限误差合成法，假设各项误差间相互独立不相关。采用式(7)计算总误差:

　　

　　 

　　为使δ_总≤2mm，按等精度分配原则，各单项随机误差量<1mm即可满足安装精度要求。

　　6 结语

　　大型相控阵雷达阵面精确调整的难点在于体积大、重量重、面型精度要求高，须考虑在安装过程中进行监测与调整，保障首次安装成功率。通过安装过程的监测手段、调整过程的卸载手段及调整精度的调控手段等。对具体设计进行了仿真分析及精度计算，为大型相控阵雷达的安装与调整起到指导作用。