機(jī)載天線結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

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

1引言

0.45m衛(wèi)星通信(簡稱衛(wèi)通)天線項目系某型多用途載機(jī)首次安裝如此大尺寸、高帶寬的衛(wèi)通天線,國內(nèi)尚無類似產(chǎn)品裝備可參考,并且其使用環(huán)境條件復(fù)雜,這些都對天線結(jié)構(gòu)設(shè)計提出了重大挑戰(zhàn)。天線結(jié)構(gòu)設(shè)計過程重點考慮了各結(jié)構(gòu)件在載機(jī)實際工作環(huán)境下的剛度、強(qiáng)度問題。其中許多關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)件,起著支撐天線、固定通信饋線及執(zhí)行伺服驅(qū)動的作用,同時承擔(dān)和隔離載機(jī)產(chǎn)生的振動和沖擊,并實現(xiàn)天線的轉(zhuǎn)動、定位和定向。天線結(jié)構(gòu)件的剛度、強(qiáng)度、重量、轉(zhuǎn)動慣量,直接影響到天線系統(tǒng)的精度和可靠性[1]。在天線結(jié)構(gòu)整體設(shè)計階段,采用了ProE三維設(shè)計軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計,采用有限元法利用大型結(jié)構(gòu)設(shè)計仿真軟件MSC.Patran/Nas-tran對天線結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析和仿真,加強(qiáng)和優(yōu)化主結(jié)構(gòu)件關(guān)鍵部位。仿真和實驗結(jié)果以及實際飛行使用效果顯示,天線的結(jié)構(gòu)特性均能滿足技術(shù)指標(biāo)和使用要求。

2系統(tǒng)和整機(jī)要求

根據(jù)系統(tǒng)要求,天線系統(tǒng)在飛行過程中要實現(xiàn)準(zhǔn)確地手動/自動跟蹤衛(wèi)星功能,依賴于天線座結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠的剛度、強(qiáng)度和傳動精度,以保證整個伺服系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)諧振頻率,提高伺服帶寬,增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動態(tài)響應(yīng)和傳動精度。此外,根據(jù)載機(jī)實際工作環(huán)境要求,在最大限度減輕載機(jī)負(fù)擔(dān)(即減輕天線重量)的前提下,應(yīng)采取合理布局的設(shè)計思路以優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計,使天線在使用過程中能夠排除和降低載機(jī)工作環(huán)境對其產(chǎn)生的不利影響,保證其可靠性,達(dá)到指標(biāo)要求[2]。

3總體結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

根據(jù)載機(jī)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(dá)最小,對此進(jìn)行了大量的優(yōu)化工作,使得0.45m衛(wèi)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(yōu)化為700mm×500mm(天線罩),重量約為40kg,如圖1所示。其總體優(yōu)化過程如下:天線的反射體為降低安裝高度,放棄了傳統(tǒng)的拋物面天線,采用了最新研發(fā)成功的低剖面波導(dǎo)陣列天線;座架則仍采用典型的方位-俯仰型結(jié)構(gòu)以保證跟蹤的可靠性;為了減輕重量,除關(guān)鍵傳動部件采用40Cr合金鋼外,其余結(jié)構(gòu)件全部選用高強(qiáng)度輕質(zhì)鋁合金2A12-T4;由于鋁合金螺紋連接處強(qiáng)度不夠,且重復(fù)拆裝性不好,參考已有航空設(shè)備安裝措施,裝入鋼絲螺套以提高螺牙強(qiáng)度;天線與機(jī)體安裝平臺間裝有隔振裝置以降低機(jī)體振動帶給天線的影響;天線罩為降低重量,在保證抗風(fēng)強(qiáng)度的前提下,棄用傳統(tǒng)的環(huán)氧玻璃布結(jié)構(gòu),采用最新的紙蜂窩夾層結(jié)構(gòu),大大降低了安裝重量;所有電纜和波導(dǎo)則為保證氣密性而經(jīng)密封處理后通過安裝孔進(jìn)入機(jī)艙內(nèi)部。按照以往的工程經(jīng)驗,此類機(jī)載通信/雷達(dá)天線在類似的環(huán)境和使用要求下,一般應(yīng)超過此重量與尺寸。因此,與以往工程設(shè)計的不同之處之一,即在設(shè)計之初就對各結(jié)構(gòu)件進(jìn)行了反復(fù)的比對和二次優(yōu)化。

3.1天線結(jié)構(gòu)介紹

波導(dǎo)陣列天線的結(jié)構(gòu)尺寸為597mm×300mm×17.5mm,四周切角以減小回轉(zhuǎn)半徑;經(jīng)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(tǒng)的拋物面天線。采用這種天線的優(yōu)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(wěn)定、功率容量大、剛度和強(qiáng)度好、結(jié)構(gòu)緊湊、厚度薄、相對重量輕、可靠性高等優(yōu)異的電氣和結(jié)構(gòu)性能等。

3.2天線座架結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

天線座架采用典型的方位-俯仰形式,結(jié)構(gòu)緊湊,受力情況合理,調(diào)整方便;設(shè)計選定承載能力強(qiáng)、剛度好、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊的轉(zhuǎn)臺式結(jié)構(gòu);因而從整體幾何尺寸的優(yōu)化滿足了最小安裝空間的要求。俯仰機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)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(zhì)最緊湊的結(jié)構(gòu)滿足天線支撐的需要。關(guān)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(zhuǎn)盤的連接面,因此必須在保持結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的前提下,對支臂的非承力部分進(jìn)行減重優(yōu)化設(shè)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(jié)構(gòu)尺寸;與方位轉(zhuǎn)盤、驅(qū)動、軸角裝置的連接面相應(yīng)保留足夠厚度;保留一側(cè)面的相對完整,另一面完全成空腔結(jié)構(gòu);增加與軸承孔的兩道同心加強(qiáng)環(huán)筋,并根據(jù)此零件結(jié)構(gòu)力學(xué)特性將其布置在最優(yōu)強(qiáng)度位置。此外,根據(jù)以往工程設(shè)計經(jīng)驗,俯仰支臂與方位機(jī)構(gòu)的的連接根部和俯仰傳動鏈末級兩處通常是整個座架結(jié)構(gòu)的最薄弱環(huán)節(jié),因此在這兩點處預(yù)先進(jìn)行了局部二次加強(qiáng),加厚并盡可能圓滑支臂的連接根部,其優(yōu)化過程如圖2所示。

方位機(jī)構(gòu)的核心傳動部件轉(zhuǎn)盤軸承,優(yōu)選了應(yīng)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(jié)構(gòu)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(yōu)化了方位總傳動比。另一重要部件滑環(huán),采用具有超長壽命、免維護(hù)、無需潤滑、外形緊湊的空心軸多路滑環(huán)。方位運動的另一核心部件方位轉(zhuǎn)盤同樣用厚板材加工而成,負(fù)擔(dān)著天線和俯仰支撐的重量,并要具備足夠的剛度,其優(yōu)化思路過程與俯仰支臂相似,也包括軸承結(jié)構(gòu)保留、連接面強(qiáng)化、空腔化減重及同心加強(qiáng)環(huán)筋的布置,其優(yōu)化過程如圖3所示。方位驅(qū)動和俯仰驅(qū)動均選用輕質(zhì)、緊湊、高輸出扭矩的直流減速電機(jī),末級增加間隙調(diào)整裝置,可調(diào)節(jié)傳動回程間隙。將經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計的結(jié)構(gòu)模型再由力學(xué)仿真進(jìn)行分析驗算。

4天線結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析

由于天線的質(zhì)量分布很復(fù)雜,很難用解析的方法得到其解析解,因此采用專業(yè)有限元分析軟件MSC.PATRAN/NASTRAN進(jìn)行力學(xué)分析和仿真。

4.1有限元模型的建立

天線整體結(jié)構(gòu)的有限元模型包括反射體、座架結(jié)構(gòu)、俯仰齒輪及其連接支撐結(jié)構(gòu)、方位轉(zhuǎn)動機(jī)構(gòu)等。為降低軟件的計算量和復(fù)雜度,先對天線整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化,去掉冗余節(jié)點,再采用MSC.PATRAN軟件單獨對其組成零件劃分網(wǎng)格,最后將劃分好的網(wǎng)格進(jìn)行組裝。采用了映射網(wǎng)格劃分方法,面上網(wǎng)格全部為四邊形,體則全部為六面體,這種劃分能夠更準(zhǔn)確地描述天線座架結(jié)構(gòu)的應(yīng)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(zhuǎn)角自由度釋放,方位軸系釋放繞垂直軸轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)有限元模型如圖4所示。

4.2模態(tài)分析

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

4.3沖擊振動分析

依據(jù)實際環(huán)境使用要求,沖擊環(huán)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(jìn)行有限元分析,得到了如下分析結(jié)果:最大應(yīng)力出現(xiàn)在z軸(圖5),可以看出最大應(yīng)力處位于俯仰支臂的連接根部位置,最大應(yīng)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(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)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(jìn)行有限元分析,得到了如下分析結(jié)果:最大應(yīng)力出現(xiàn)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(guī)律的應(yīng)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(jī)振動條件下,結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度要求。

4.4實驗結(jié)果驗證

按照要求對完成的設(shè)備進(jìn)行沖擊振動實驗,從結(jié)果來看:主結(jié)構(gòu)件經(jīng)優(yōu)化過的關(guān)鍵部位未出現(xiàn)以往相似工程中出現(xiàn)的剛度、強(qiáng)度不足的問題;改用輕質(zhì)材料或采取減重措施的零部件受力情況與分析結(jié)果基本一致,均能滿足設(shè)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(jié)論

在0.45m機(jī)載天線的設(shè)計中,對載機(jī)的工作模式和環(huán)境特點進(jìn)行了較為深入的研究,找出了結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中需要增強(qiáng)或優(yōu)化的多個關(guān)鍵點,驗證了天線結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能對伺服系統(tǒng)的重要性。在天線結(jié)構(gòu)的設(shè)計與優(yōu)化過程中,采用專業(yè)軟件較好地解決了天線結(jié)構(gòu)尺寸重量強(qiáng)度的優(yōu)化設(shè)計、載機(jī)環(huán)境適應(yīng)性等主要問題。天線系統(tǒng)精度較高,結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)等各項性能指標(biāo)均完全滿足系統(tǒng)要求。

由于國內(nèi)機(jī)載衛(wèi)星通信應(yīng)用尚處于初步階段,0.45m機(jī)載天線的研究結(jié)果對類似的機(jī)載雷達(dá)/通信天線的研發(fā)可以提供相應(yīng)的技術(shù)參考和借鑒。需要指出的是,各種載機(jī)平臺擁有各自不同的特性,對天線結(jié)構(gòu)的要求也相應(yīng)有所不同,建議今后對不同的載機(jī)平臺,應(yīng)進(jìn)一步增加針對性的設(shè)計工作。