0 引言
战场侦察雷达是指采用超轻设计,供单元作战小组或小分队便携使用,探测战场活动目标的侦察雷达,主要用于前沿侦察,以为战场指挥官提供实时、准确的战场情报等为目的。除了在战场的应用以外,在和平时期,这类侦察雷达也可以用于边境侦察、反恐、缉毒与反走私行动、国际维持和平行动等。
为了适应使用场合,战场侦察雷达在使用上必须轻便和人机工程好,便于单兵携带和操作[1]。本文以某型战场侦察雷达的研发过程为例,阐述在结构顶层规划时,合理运用工业设计、一体化设计、商品化设计等并行式设计理念,解决产品轻小型化、操作便捷化、架设快速化[2]的问题。
1 设计要求
该型雷达的指标如下:
手动调平:简易调平(水泡);
天线分档可调转速:4°/s,8°/s,16°/s;
架设、撤收时间:≤5 min/2人 ;
俯仰角度:-4°～4°;
总重量:≤35 kg(单件携带重量不超过30 kg);
电子罗盘定北。
该型雷达结构设计特点要求如下:
1)轻型化、小型化、便携式设计
a)采用可折叠、可拆卸技术,减少单元携行重量及尺寸;
b)使用轻质材料减少携行重量。
2)设备高度集成化
a)减少各单元间的连线;
b)减少各单元间的接口操作时间和步骤;
c)减少各单元间的连接附属设备。
2 工业设计与总体布局的并行设计
2.1 顶层布局设计
各分系统的布局设计不是乐高式积木形的拼接,而是采用TOP-DOWN的设计理念,从顶层布局规划边界条件(运输要求、系统组成、外形包络等),依据各分系统的边界条件采用一体化集成化的设计手段尽可能地压缩体积、减轻重量[3]。
工业设计是在总体布局的基础上,坚持与结构设计互相融合的设计理念,以工业设计引导系统结构设计,以结构工艺的实现性修正工业设计,最终实现在人机工程及产品外形上满足用户要求,设计流程如图1所示。
图1 设计流程
该型雷达从设备组成及携带单元考虑分为天线头、终端显控单元(笔记本)、支撑架单元以及供电单元四部分[4],如图2所示。其中,天线头作为一个整体,集成了天馈、收发、天线座、天线俯仰机构等设备。
图2 设备组成及布局
2.2 构型设计
战场侦察雷达具备军民两用的特征,所以外形设计上不但要考虑便携性要求,而且同时还要考虑到美观性要求,所以在构型设计过程中首先要考虑到以下影响因素:
1)机动性:轻小型化、组装便捷、高生存性;
2)便携性:人机工程好,单元重量分配合理;
3)环境适应性:从面向用户的沙漠使用环境来考虑散热与配色问题;
4)约束条件:天线的形状及旋转要求对造型的影响;
5)整体协调性:天线与支撑之间的造型呼应等。
根据以上影响因素,考虑沙漠中工作的产品形态,该战场侦察雷达便以沙漠中的蜘蛛形态进行仿生设计,根据其构造特点、攻击形式、环境色、天线形状等元素进行演变而成,构型设计过程如图3所示。
图3 构型设计理念
2.3 人机工程设计
人机工程设计贯穿于战场侦察雷达的整个设计流程,对系统机动性、携行性、维修性等方面起着重要作用,决定着雷达的战场生存适应能力。
1)最佳人机配合高度
操作平台最佳的离地高度h=0.61H-70,H为人的身高(取平均值1 700 mm计算),0.61H为人的手肘高度,所以电子集成单元安放的最佳位置在1 m左右,如图4所示。
2)维修及搬运设计
天线头是整套雷达系统中最重的携行单元,所以无论是其维护还是搬运应尽可能做到操作方便。其后部盖板是电子设备集成区,又是维修窗和散热通道,通过快锁装置与壳体紧固。在壳体的两侧设计有搬运把手,可方便单人或两人搬运,如图5所示。
3)各单元快连机构设计
天线头与三脚架的连接、供电箱子与三脚架的连接均不需要任何辅助工具的协助,全部采用快速连接机构实现,如图6所示。
图4 操作高度
图5 维修及搬运设计
图6 各单元间的快连机构
3 一体化设计
3.1 一体化小型天线平台的设备组成
一体化小型天线平台即天线头是整个雷达系统的核心,通过一体化设计合理地把天线座、天线、电子设备单元及俯仰调节机构等设备集成于一个薄壁的铝壳体中,结构示意图如图7所示。
图7 天线头设备组成
因为天线头集成了雷达系统的大部分分系统,所以重量较重、尺寸较大;为了减重和携行方便,外观壳体采用薄壁铸造件,左右两侧设计了搬运把手。其中,收发单元、天线单元及天线座之间的信号传输通过盲配插座实现。
3.2 天线俯仰机构的集成化设计
针对天线-4°～4°的俯仰角要求,在天线壳体内置了双滑块俯仰连杆机构,该机构集成于天线和壳体之上,实现了小空间内的俯仰要求,同时利用天线旋转轴在壳体上安装有俯仰角度指示标牌,如图8所示。该俯仰机构与天线、壳体高度集成,因少了俯仰支撑构件、辅助连接附件、架设/撤收连接单元,具有重量轻、外形整洁、连接简化的特点。
3.3 电子设备单元的一体化设计
集传热与承载于一体的多功能电子设备单元[5]由功放、接收通道、频综、信号处理板、伺服驱动板、电子罗盘、电源模块、环行器、电缆、接插件等组成。因考虑防护、散热、维护等需求,把电子设备单元统一集成到一块安装板上,该安装板既作为天线壳体的防护盖板,又作为电子设备单元的母体基板。该安装板的后部加工有一定高度的散热翅片,可把电子设备单元工作时的热耗通过它导到外部空间。电子设备单元作为整体通过10个松不脱螺钉安装于天线壳体后部,当需要维修维护时,可方便地整体拆除。
图8 集成化天线俯仰机构
在环境温度55℃、太阳辐射、无风条件下,对电子设备单元进行热分析,功放芯片温度约82℃(见图9(a)),满足使用要求。同时,为模拟沙漠高温下太阳辐射对雷达工作状态的影响,在安装板的散热片上和内部安装温度测量装置在外场进行了反推试验(见图9(b)),进一步证明分析设计满足使用指标要求。
图9 温度设计验证
3.4 多功能一体化的小型天线座设计
天线座设计采用一体化的并行设计理念,集成设计了多功能小型天线转台,具有尺寸小、重量轻、功能全的特点,集成了驱动单元、角度反馈单元、汇流环等(见图10),可实现雷达扇扫、环扫以及跟踪等多模式运动,满足天线转速4°/s,8°/s,16°/s的要求。
图10 一体化天线座
天线座系统由转盘、底座、驱动单元、汇流环、编码器等组成,安装在天线壳体内,浑然一体。该天线座设计时考虑整体布局,为了压缩系统尺寸,将驱动单元安装于转盘上倒置驱动转盘,结构上采用大齿轮固定,电机带动小齿轮围绕大齿轮旋转。
4 商品化设计
因便携式雷达是一款军民两用的探测设备且主要以出口为主,所以其成本要低、外形要美观、人机工程要合理;综合以上特点,本雷达设备在设计时要多以外购成熟的、商品化的产品为主。选择商品化的产品要坚持以下原则:
1)市场销量大、用户多的商品:这种产品一般人机工程好、价格便宜,如摄像机三脚架等。
2)专业生产厂家的库存产品(非订制产品):这种产品一般批量生产,且质量可靠、价格低,如齿轮、轴承等。
3)对于影响产品性能的重要设备,且市场销售较少,无法把握可靠性的,要设计师自己设计。
比如该雷达采用的三脚架即为市场上常用的碳素纤维材质三脚架,除价格便宜外,各项功能均满足指标要求,如高低温、振动、防腐蚀等;监控电源机箱为市场上型材机箱的改装设计,如图11所示。
图11 商品化产品
5 结束语
该战场侦察雷达以实战需求为牵引[5],从顶层设计入手,全流程设计融入构型设计、一体化设计、商品化设计等并行设计理念,使雷达结构除满足电讯指标要求外,还在美观性、人机性等多方面取得了一定的进步和突破;解决了系统间连接多、环控难度大、集成度复杂等多重难题。
该产品通过设计及材料选型,最终实物达到的重量约33 kg,架设和撤收时间约4 min,满足性能指标要求。样机经过烤机及联调之后交付给用户单位试用,基本上得到了用户的肯定和认同。
参考文献:
[1]郑志宽,何强,韩壮志.战场侦察雷达的研究与发展[J].飞航导弹,2013(10):75-79.
[2]郭军,李俊伟,石金彦.轻型战场侦察雷达结构总体设计理论及应用思路分析[J].电子机械工程,2006,22(1):20-22,29.
[3]王恒科.国外地面战场侦察雷达发展现状与趋势[J].电讯技术,2015,55(7):817-821.
[4]许兵.轻型战场侦察雷达的结构总体设计[J].现代电子技术,2005,28(13):29-30.
[5]刘炳辉.功能结构一体化技术在雷达结构设计中的应用[J].电子机械工程,2013,29(6):40-44.
[6]陈曙.轻型战场侦察雷达的发展与概念设计[J].火控雷达技术,1996,25(2):1-39.
