世界先進(jìn)機(jī)載雷達(dá)與天線罩技術(shù)演進(jìn)

2016-11-29 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

圖一:機(jī)載雷達(dá)

世界先進(jìn)機(jī)載雷達(dá)與天線罩技術(shù)演進(jìn)HFSS圖片2

圖二:綜合的前機(jī)身概念

美國F-22“猛禽”戰(zhàn)機(jī)代表了當(dāng)今世界最先進(jìn)戰(zhàn)斗機(jī)的技術(shù)水平,該機(jī)裝備了先進(jìn)有源相控陣?yán)走_(dá)。機(jī)載雷達(dá)作為空戰(zhàn)能力的重要技術(shù)裝備,其性能是否卓越往往比戰(zhàn)機(jī)本身的性能更能決定空戰(zhàn)的勝負(fù)。先進(jìn)雷達(dá)必須配備先進(jìn)天線罩,才能顯現(xiàn)最終的、系統(tǒng)的、優(yōu)越的綜合性能。實(shí)現(xiàn)寬帶傳輸和隱身性能要求成為雷達(dá)和天線罩技術(shù)的新主題。

戰(zhàn)機(jī)火控雷達(dá)及天線罩的技術(shù)變革

1、從機(jī)掃到電掃

機(jī)載雷達(dá)在搜索目標(biāo)時(shí),需要不斷改變波束的方向,其傳統(tǒng)方法是轉(zhuǎn)動(dòng)天線,使波束掃過一定的空域、地面或海面,稱為機(jī)械掃描。把天線做成一個(gè)平面,上面有規(guī)則地排列許多個(gè)輻射單元和接收單元,稱為陣元。利用電磁波的相干原理,通過計(jì)算機(jī)控制輸往天線各陣元電流相位的變化來改變波束方向?qū)崿F(xiàn)的掃描,稱為電掃描。

有源相控陣是指在天線陣中每個(gè)天線單元下面都連接一個(gè)T/R組件,其中不僅有移相器,而且還包含有對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行功率放大的功率放大器,對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行放大的低噪聲放大器(LNA)、可變衰減器、控制開關(guān)等。20世紀(jì)90年代,代表機(jī)載火控雷達(dá)發(fā)展方向的有源相控陣火控雷達(dá)APG-77研制成功(見圖1);在歐洲,英、法、德國聯(lián)合研制的機(jī)載多功能固態(tài)陣列雷達(dá)(AMSAR),用于法國的“陣風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)和歐洲聯(lián)合戰(zhàn)斗機(jī)的研制中;另外,日本、俄羅斯和以色列也在研制機(jī)載有源相控陣火控雷達(dá)。相控陣?yán)走_(dá)易于實(shí)現(xiàn)能量管理,再加上天線陣的低副瓣性能,具有低的截獲概率和隱身能力。天線罩電性能設(shè)計(jì)和測(cè)試要適應(yīng)這種機(jī)掃到電掃的變化。

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2、從窄帶到寬帶

F-15、F-16等戰(zhàn)機(jī)裝備的是窄帶脈沖多普勒(PD)火控雷達(dá),頻帶寬度在300MHz左右;F-22、F-35的雷達(dá)工作頻段為X波段,帶寬在1~4GHz,從窄帶型向?qū)拵娃D(zhuǎn)變。西方國家的F-15、F-16、F/A-18、“臺(tái)風(fēng)”、“陣風(fēng)”等現(xiàn)役主力戰(zhàn)機(jī),也紛紛將火控雷達(dá)改進(jìn)升級(jí)為寬帶相控陣?yán)走_(dá),以提升其作戰(zhàn)能力。

3、從透波到兼具隱身

通常的天線罩僅對(duì)電磁透明的電性能指標(biāo)有要求;新型戰(zhàn)機(jī)還提出了低雷達(dá)散射截面(RCS)的要求,即天線罩要對(duì)雷達(dá)天線艙的強(qiáng)散射起到屏蔽作用。戰(zhàn)機(jī)提高氣動(dòng)性能和減少可探測(cè)性的要求,導(dǎo)致天線罩電性能設(shè)計(jì)上的一些新的挑戰(zhàn)。氣動(dòng)穩(wěn)定性和阻力的改進(jìn)確定由大長(zhǎng)細(xì)比、帶邊條特征的尖削機(jī)頭天線罩外形設(shè)計(jì)。該外形導(dǎo)致天線電磁波通過天線罩時(shí)波前相位的復(fù)雜變化,把高反射特性引入天線罩的電性能中,更應(yīng)注意雷達(dá)全方位搜索時(shí)雜波的控制。設(shè)計(jì)的天線罩能有效控制寬角副瓣,是保證雷達(dá)在雜波中搜索探測(cè)性能的關(guān)鍵。

戰(zhàn)機(jī)雷達(dá)與天線罩的技術(shù)特征

天線罩是雷達(dá)或電子戰(zhàn)系統(tǒng)的重要部分。洛克希德·馬丁公司Skunk工廠(LMSW),在F-22飛機(jī)天線罩副瓣控制和低RCS方面的設(shè)計(jì)達(dá)到極高水平,研制了模型和設(shè)計(jì)迭代工具以保障初期雷達(dá)/天線罩/氣動(dòng)力折衷。這種檢驗(yàn)電磁波對(duì)天線罩外形和壁設(shè)計(jì)變化影響的迭代分析能力代表了綜合武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的重大進(jìn)展。當(dāng)特別強(qiáng)調(diào)天線罩的長(zhǎng)細(xì)比特性時(shí),這種工具允許氣動(dòng)力設(shè)計(jì)師在計(jì)劃初期進(jìn)行科學(xué)調(diào)節(jié)和協(xié)商。

鑒于隱身要求,F-22提出了一種一體化前機(jī)身(IFB)頻率濾波的方案(見圖2),該特性允許雷達(dá)波發(fā)射但限制雷達(dá)天線和前部腔體(由天線、安裝架等與天線罩構(gòu)成)暴露在外部。在整個(gè)雷達(dá)設(shè)計(jì)期間,低RCS因素貫穿雷達(dá)設(shè)計(jì)之中并極大地影響了許多方面包括天線罩復(fù)雜性、天線陣面安裝及天線設(shè)計(jì)。

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洛克希德·馬丁公司介紹了關(guān)于進(jìn)行F-22低可探測(cè)性設(shè)計(jì)而采取的一些措施及理念。其中,F-22減縮雷達(dá)信號(hào)的措施就是應(yīng)用帶通諧振天線罩(bandpass resonant radome)以及低信號(hào)特征雷達(dá),并指出天線罩是F-22上最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)部件之一。可見,F-22機(jī)頭天線罩采用了頻率選擇表面(FSS)技術(shù),并且考慮了帶內(nèi)天線的RCS減縮。

飛機(jī)機(jī)頭實(shí)現(xiàn)低RCS的典型構(gòu)型是:采取低截獲率雷達(dá)與頻率選擇天線罩并用的措施,解決機(jī)載雷達(dá)天線所導(dǎo)致的RCS明顯上升的問題。采用有源相控陣?yán)走_(dá)天線,并且雷達(dá)天線向后斜置,以減少直接反射波。各邊緣之間的所有表面均光滑地均勻過渡而不會(huì)導(dǎo)致表面電流間斷,從而避免了因表面突變導(dǎo)致的飛機(jī)信號(hào)特征增強(qiáng)。

高性能天線罩材料與新工藝應(yīng)用

由氰酸酯樹脂與S-2玻璃纖維制成的復(fù)合材料是一種良好的透波材料。美國道氏公司研制的Tactix Xu71787.07與S-2復(fù)合的材料用于F-22的天線罩。Xu71787.07的介電常數(shù)低到2.9,與雙馬相當(dāng);損耗角正切為0.002,低于雙馬;工作溫度接近雙馬,CAI為259~280 MPa;加工性與環(huán)氧相當(dāng);吸濕率1.2%左右。

前機(jī)身中的天線罩,是在洛克希德·馬丁公司的帕姆戴爾工廠生產(chǎn)的。薄壁結(jié)構(gòu)天線罩采用玻璃纖維/蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料纏繞成型技術(shù)制造。F-22復(fù)合材料件的加工一律采用Invar鋼模具(內(nèi)裝能測(cè)量零件溫度的熱電偶)。注重天線罩生產(chǎn)成本風(fēng)險(xiǎn),其中將考慮用于研制階段和生產(chǎn)型F-22飛機(jī)天線罩可采用的制造方法。采用分析工具以明顯地減少新天線罩制造方法的轉(zhuǎn)換風(fēng)險(xiǎn)。

F-22的天線罩、天線以及機(jī)翼、機(jī)身、尾翼的尖銳邊緣均采用了吸波結(jié)構(gòu)。電子戰(zhàn)天線罩多處于飛機(jī)的邊邊角角,邊緣結(jié)構(gòu)為一種V字形的夾層材料,夾層中有特型的蜂窩芯子。蜂窩芯子的切削加工至為關(guān)鍵,以保證蒙皮與蜂窩之間不存在空穴從而產(chǎn)生雷達(dá)特征問題。成型時(shí)用蜂窩芯子將蒙皮推入一V字形工裝內(nèi)而形成夾層結(jié)構(gòu)。

F-22飛機(jī)的生產(chǎn)商在生產(chǎn)復(fù)雜的、多層的、保護(hù)雷達(dá)天線的多功能天線罩方面經(jīng)歷了困難,花大力氣進(jìn)行天線罩制造工藝改進(jìn)。通過并行流程模塊結(jié)構(gòu)的使用來加速流程。設(shè)計(jì)作了大量的改變以適應(yīng)制造工藝的改變。最終產(chǎn)品必須保持電性能和結(jié)構(gòu)性能,同時(shí)也得驗(yàn)證防雷擊和可接受的維修性。

機(jī)載雷達(dá)與天線罩技術(shù)發(fā)展趨向

1、多功能寬帶高透波天線罩

雷達(dá)的多功能性使天線的頻帶加寬,要有相應(yīng)帶寬的天線罩相匹配。美國達(dá)信公司開發(fā)了一種無機(jī)聚合物,以硅為基,具有獨(dú)特的高溫性能和低的介電常數(shù)。低的介電常數(shù),放大了電厚度的公差,可大大降低制造成本。由這種聚合物制成的復(fù)合材料在538℃以上高溫有穩(wěn)定性,有極好的抗熱沖擊性能和燒蝕性能。在30MHz到30GHz之間的介電性相當(dāng)穩(wěn)定。目前有兩種樹脂正在用來制造天線罩,一種是DI-100樹脂,主要用來浸漬三維石英纖維復(fù)合材料,用作重返飛行器的天線罩。另一種是DI-200樹脂,專為天線罩用二維石英纖維織物而開發(fā)的。這兩種樹脂均可用來制造低介電常數(shù)的合成泡沫材料,以用來制造多層介電梯度功能天線罩,可滿足寬帶要求。DI樹脂石英復(fù)合材料室溫下介電常數(shù)為3,損耗角正切為0.008。加工性與傳統(tǒng)的熱固性樹脂聚酰亞胺同樣容易。

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2、電磁智能蒙皮

如果能把戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)體表面結(jié)構(gòu)作為傳感器的天線孔徑,無疑會(huì)極大地提高天線的幅射能力,從而使傳感器的作用距離和分辨力以及對(duì)多目標(biāo)的跟蹤能力產(chǎn)生質(zhì)的飛躍。美國諾斯羅普·格魯門公司和TRW公司早在20世紀(jì)90年代初就開始研制成了天線功能的電磁智能蒙皮,它既能承載,又能使整個(gè)飛機(jī)的外表面變成天線,帶來的好處是既降低了結(jié)構(gòu)重量和成本又增強(qiáng)了天線性能。飛機(jī)上大約有100多個(gè)天線,占用了60多個(gè)孔徑。采用電磁智能蒙皮可使飛機(jī)機(jī)體上的開口數(shù)量降低65%,減重100~500千克。1997年3月這種電磁智能蒙皮被安裝在F/A-18SRA試驗(yàn)飛機(jī)的右側(cè)垂尾頂端結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了飛行試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果顯示,與F/A-18標(biāo)準(zhǔn)天線相比,其信噪比提高了15~25dB,通信距離提高了5倍,信號(hào)的空地和空空傳播質(zhì)量大大提高,改善了飛機(jī)的通信、導(dǎo)航和識(shí)別能力,整體天線也降低了雷達(dá)反射信號(hào),增強(qiáng)了飛機(jī)的生存能力。

3、耐高溫高透波天線罩

據(jù)分析預(yù)測(cè),美國的NMD在2020年構(gòu)成實(shí)質(zhì)性的威脅。應(yīng)對(duì)辦法就是遠(yuǎn)程打擊用的戰(zhàn)略武器的突防和生存。導(dǎo)彈再入大氣層很容易被NMD系統(tǒng)測(cè)出彈道軌跡而被攔載。采取自由滑翔再入大氣層,距地面還有500米,甚至300米時(shí)雷達(dá)自動(dòng)開啟。此時(shí),NMD發(fā)現(xiàn)已來不及攔載,這需要耐高溫高透波天線罩,要求在1500℃時(shí)仍能保持介電性能的穩(wěn)定性。

4、超材料天線罩

超材料在雷達(dá)天線罩、高性能天線等微波器件和隱身等技術(shù)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景,在雷達(dá)、隱身、電子對(duì)抗等諸多國防技術(shù)領(lǐng)域擁有應(yīng)用潛力和發(fā)展空間。由于超材料電磁響應(yīng)的頻譜范圍與結(jié)構(gòu)單元形式及其尺寸的大小密切相關(guān),具有非常靈活的可調(diào)控性,如果在超材料的傳輸禁帶(即負(fù)介電常數(shù)頻帶內(nèi))出現(xiàn)一個(gè)正的介電常數(shù)頻域,那么就可得到良好的頻率選擇特性。可通過合理的設(shè)計(jì)超材料單元結(jié)構(gòu)使其對(duì)預(yù)定頻段的電磁波有選擇性地吸收與透射,實(shí)現(xiàn)天線罩罩壁結(jié)構(gòu)的吸波與透波一體化。

結(jié)束語

縱觀世界機(jī)載雷達(dá)與天線罩發(fā)展情況,面對(duì)高空高速、全頻譜全向隱身以及航電系統(tǒng)高度綜合化與信息化的新要求,應(yīng)進(jìn)一步開展寬帶、隱身、雙模多模、共形陣電磁智能蒙皮、耐高溫材料和超材料/超表面設(shè)計(jì)與工藝技術(shù)的研究和應(yīng)用。