本文作者：米宏偉、常立新 單位：中國電子科技集團公司第五十四研究所、總參信息化部駐石家莊地區軍事代表室

1引言

0.45m衛星通信(簡稱衛通)天線項目系某型多用途載機首次安裝如此大尺寸、高帶寬的衛通天線,國內尚無類似產品裝備可參考,并且其使用環境條件復雜,這些都對天線結構設計提出了重大挑戰。天線結構設計過程重點考慮了各結構件在載機實際工作環境下的剛度、強度問題。其中許多關鍵部位的結構件,起著支撐天線、固定通信饋線及執行伺服驅動的作用,同時承擔和隔離載機產生的振動和沖擊,并實現天線的轉動、定位和定向。天線結構件的剛度、強度、重量、轉動慣量,直接影響到天線系統的精度和可靠性[1]。在天線結構整體設計階段,采用了ProE三維設計軟件進行結構設計,采用有限元法利用大型結構設計仿真軟件MSC.Patran/Nas-tran對天線結構進行結構力學分析和仿真,加強和優化主結構件關鍵部位。仿真和實驗結果以及實際飛行使用效果顯示,天線的結構特性均能滿足技術指標和使用要求。

2系統和整機要求

根據系統要求,天線系統在飛行過程中要實現準確地手動/自動跟蹤衛星功能,依賴于天線座結構應具有足夠的剛度、強度和傳動精度,以保證整個伺服系統的結構諧振頻率,提高伺服帶寬,增加系統的穩定性、動態響應和傳動精度。此外,根據載機實際工作環境要求,在最大限度減輕載機負擔(即減輕天線重量)的前提下,應采取合理布局的設計思路以優化結構設計,使天線在使用過程中能夠排除和降低載機工作環境對其產生的不利影響,保證其可靠性,達到指標要求[2]。

3總體結構設計與優化

根據載機實際情況,在保證性能的前提條件下,要求天線的尺寸和重量到達最小,對此進行了大量的優化工作,使得0.45m衛通天線外形安裝尺寸(直徑×高度)自最初方案提出的740mm×600mm(天線罩),重量約為50kg,優化為700mm×500mm(天線罩),重量約為40kg,如圖1所示。其總體優化過程如下:天線的反射體為降低安裝高度,放棄了傳統的拋物面天線,采用了最新研發成功的低剖面波導陣列天線;座架則仍采用典型的方位-俯仰型結構以保證跟蹤的可靠性;為了減輕重量,除關鍵傳動部件采用40Cr合金鋼外,其余結構件全部選用高強度輕質鋁合金2A12-T4;由于鋁合金螺紋連接處強度不夠,且重復拆裝性不好,參考已有航空設備安裝措施,裝入鋼絲螺套以提高螺牙強度;天線與機體安裝平臺間裝有隔振裝置以降低機體振動帶給天線的影響;天線罩為降低重量,在保證抗風強度的前提下,棄用傳統的環氧玻璃布結構,采用最新的紙蜂窩夾層結構,大大降低了安裝重量;所有電纜和波導則為保證氣密性而經密封處理后通過安裝孔進入機艙內部。按照以往的工程經驗,此類機載通信/雷達天線在類似的環境和使用要求下,一般應超過此重量與尺寸。因此,與以往工程設計的不同之處之一,即在設計之初就對各結構件進行了反復的比對和二次優化。

3.1天線結構介紹

波導陣列天線的結構尺寸為597mm×300mm×17.5mm,四周切角以減小回轉半徑;經過減重處理后的重量約8kg,電氣性能與0.45m口徑拋物面天線等效,而高度和厚度則大大低于傳統的拋物面天線。采用這種天線的優勢包括剖面低、輻射效率高、口徑分布控制精確、低副瓣、波束指向穩定、功率容量大、剛度和強度好、結構緊湊、厚度薄、相對重量輕、可靠性高等優異的電氣和結構性能等。

3.2天線座架結構設計與優化

天線座架采用典型的方位-俯仰形式,結構緊湊,受力情況合理,調整方便;設計選定承載能力強、剛度好、重量輕、結構緊湊的轉臺式結構;因而從整體幾何尺寸的優化滿足了最小安裝空間的要求。俯仰機構的轉動支撐采用了圓錐滾子軸承,可同時承受徑向力和軸向力,以最輕質最緊湊的結構滿足天線支撐的需要。關鍵件俯仰支臂用厚鋁板加工而成,其主要受力部位為軸承孔及與方位轉盤的連接面,因此必須在保持結構強度要求的前提下,對支臂的非承力部分進行減重優化設計,具體做法如下:整體按照最小幾何尺寸布置;保留軸承孔周邊最小結構尺寸;與方位轉盤、驅動、軸角裝置的連接面相應保留足夠厚度;保留一側面的相對完整,另一面完全成空腔結構;增加與軸承孔的兩道同心加強環筋,并根據此零件結構力學特性將其布置在最優強度位置。此外,根據以往工程設計經驗,俯仰支臂與方位機構的的連接根部和俯仰傳動鏈末級兩處通常是整個座架結構的最薄弱環節,因此在這兩點處預先進行了局部二次加強,加厚并盡可能圓滑支臂的連接根部,其優化過程如圖2所示。

方位機構的核心傳動部件轉盤軸承,優選了應用廣泛的帶外齒的四點接觸球軸承,使天線座架在保持緊湊的結構和較輕的重量的前提下,能同時承受較大的軸向載荷、徑向載荷、傾覆力矩和雙向推力載荷,還優化了方位總傳動比。另一重要部件滑環,采用具有超長壽命、免維護、無需潤滑、外形緊湊的空心軸多路滑環。方位運動的另一核心部件方位轉盤同樣用厚板材加工而成,負擔著天線和俯仰支撐的重量,并要具備足夠的剛度,其優化思路過程與俯仰支臂相似,也包括軸承結構保留、連接面強化、空腔化減重及同心加強環筋的布置,其優化過程如圖3所示。方位驅動和俯仰驅動均選用輕質、緊湊、高輸出扭矩的直流減速電機,末級增加間隙調整裝置,可調節傳動回程間隙。將經過優化設計的結構模型再由力學仿真進行分析驗算。

4天線結構的力學分析

由于天線的質量分布很復雜,很難用解析的方法得到其解析解,因此采用專業有限元分析軟件MSC.PATRAN/NASTRAN進行力學分析和仿真。

4.1有限元模型的建立

天線整體結構的有限元模型包括反射體、座架結構、俯仰齒輪及其連接支撐結構、方位轉動機構等。為降低軟件的計算量和復雜度,先對天線整體結構進行簡化,去掉冗余節點,再采用MSC.PATRAN軟件單獨對其組成零件劃分網格,最后將劃分好的網格進行組裝。采用了映射網格劃分方法,面上網格全部為四邊形,體則全部為六面體,這種劃分能夠更準確地描述天線座架結構的應力和位移情況[3]。模型的約束條件如下:天線座架的2個俯仰軸系各有一點的3個轉角自由度釋放,方位軸系釋放繞垂直軸轉角自由度及垂直方向位移自由度,約束其余4個自由度。模型的材料屬性如下:天線座架的各軸、軸承、齒輪定義屬性為鋼40Cr,而其他零件定義屬性為硬鋁2A12-T4。建立的天線結構有限元模型如圖4所示。

4.2模態分析

天線座架是一個復雜的彈性系統,如果其結構固有頻率與伺服帶寬靠近甚至落入伺服帶寬之內,各種伺服噪聲就會激發系統發生諧振,造成伺服系統不穩定,無法工作,甚至使結構破壞。為保證伺服系統的穩定性,并有足夠的穩定裕度,通常要求結構固有頻率高于伺服帶寬3~5倍[4]。通過計算得到天線結構模型的固有頻率,在第1、2、3、4階模態下,其值分別為28.7Hz、29.2Hz、51.4Hz、60.8Hz,而本天線伺服系統的帶寬為2.7Hz左右,可見固有頻率遠大于伺服系統的帶寬,因此,天線的伺服系統擁有足夠的穩定裕度。

4.3沖擊振動分析

依據實際環境使用要求,沖擊環境條件為:采用半正弦脈沖,峰值加速度15g,脈沖寬度11ms,3個互相垂直軸,6個軸向施加。對模型施加沖擊載荷并進行有限元分析,得到了如下分析結果:最大應力出現在z軸(圖5),可以看出最大應力處位于俯仰支臂的連接根部位置,最大應力值為109MPa,小于材料的屈服極限σ0.2=275MPa。所以,在給定的沖擊載荷條件下,結構滿足強度要求。振動條件見圖6振動譜,其中額外迭加的4處定頻振動峰值依次為1.6g、2.5g、1.7g、1.5g。對模型施加振動載荷并進行有限元分析,得到了如下分析結果:最大應力出現在y軸(圖7),同樣位于俯仰支臂的連接根部位置,其高斯分布規律的應力3σ值為178MPa,小于材料的屈服極限值σ0.2=275MPa。所以,在給定的隨機振動條件下,結構滿足強度要求。

4.4實驗結果驗證

按照要求對完成的設備進行沖擊振動實驗,從結果來看:主結構件經優化過的關鍵部位未出現以往相似工程中出現的剛度、強度不足的問題;改用輕質材料或采取減重措施的零部件受力情況與分析結果基本一致,均能滿足設計要求;天線整體頻響特性較好,在功能實驗全程中運行正常,能夠滿足跟蹤要求。

5結論

在0.45m機載天線的設計中,對載機的工作模式和環境特點進行了較為深入的研究,找出了結構設計過程中需要增強或優化的多個關鍵點,驗證了天線結構的力學性能對伺服系統的重要性。在天線結構的設計與優化過程中,采用專業軟件較好地解決了天線結構尺寸重量強度的優化設計、載機環境適應性等主要問題。天線系統精度較高,結構性能良好,從實際飛行過程中的具體通信效果來看,電氣、伺服、結構等各項性能指標均完全滿足系統要求。

由于國內機載衛星通信應用尚處于初步階段,0.45m機載天線的研究結果對類似的機載雷達/通信天線的研發可以提供相應的技術參考和借鑒。需要指出的是,各種載機平臺擁有各自不同的特性,對天線結構的要求也相應有所不同,建議今后對不同的載機平臺,應進一步增加針對性的設計工作。