舰载雷达抗恶劣环境设计与发展

赵静，沈文军(南京电子技术研究所，南京210039)



舰载雷达抗恶劣环境设计与发展

赵静，沈文军
(南京电子技术研究所，南京210039)

摘要:基于舰载雷达环境，结合具体雷达的抗恶劣环境设计，从抗气候环境、机械环境以及生物、电磁等环境几个方面总结了舰载雷达抗恶劣环境设计的方法，并对未来的需求进行了分析。

关键词:舰载雷达;抗恶劣环境;隔振缓冲设计;热设计

0　引言

舰载电子装备抗恶劣环境的能力是雷达可靠工作的重要保障。这些恶劣环境因素有来自装备所处海上环境带来的冲击、震动等机械因素，也有高热、潮湿、盐雾等恶劣气候因素，还存在着由于气候环境导致的霉菌等微生物的破坏因素，以及由于舰载复杂电磁环境带来的电磁兼容性因素等。舰载雷达的环境适应性设计需从系统和顶层设计的角度予以重视。

1　舰载的环境定义与分类

根据国家标准GB2422《电工电子产品基本环境试验规程名词术语》的规定，环境条件的定义是产品所经受其周围的物理、化学、生物的条件。舰载雷达经受的典型环境平台组成如下［1］:

(a)恶劣的气候环境:温度、湿度、气压、风、雨雪冰霜、凝露、沙尘、油雾、游离气体;

(b)机械环境:周期性振动和颠振、冲击、离心加速度、碰撞、跌落、摇摆、静力负荷、失重、爆炸、冲击波;

(c)电磁及辐射环境:电场、磁场、闪电、雷击、电晕、放电、太阳辐射、核辐射、紫外线辐射、宇宙线辐射;(d)化学腐蚀环境:腐蚀性大气、酸、碱、盐类等;(e)生物学环境:霉菌、微生物、昆虫、甲壳类和啮齿类;

(f)人为因素:同一设备在包装、维护保养、使用过程中的人为因素。

1.1抗恶劣环境的通用分析方法

(a)经验估算法

雷达中所包含的元器件、结构件数量繁多，它们对不同环境的适应能力也千差万别。因此，在工程中，对那些比较成熟的、有类同设备的环境适应性结果可供参考时，有经验的结构设计师通常可采用经验估算法，对其环境适应性指标进行修订，从而形成新设备的环境适应性平台。

(b)理论分析法

在现有研究成果的基础上，对那些环境与电性能指标耦合关系比较清楚且在理论分析软件又比较成熟可靠的前提下，可通过各类CAD、CAT技术进行理论分析，建立电子设备的环境平台，如各类天线CAD、振动分析、DDAM、热设计，电磁兼容设计(EMC)等等。

(c)试验法

对于雷达中某些关键的结构件或模块，它们对环境的影响非常敏感，经验估算和理论分析也无法真实地反映其环境适应性时，只能通过试验法来建立其环境平台进行相关试验验证。

1.2雷达抗恶劣环境设计

针对温度、辐射、盐雾霉菌潮湿、淋雨、砂尘、浸渍、爆炸性大气、海况、浪高、摇摆、振动、颠震、冲击方面的环境条件要求，雷达系统在设计过程中须结合理论研究、仿真分析和试验，开展抗气候环境、抗机械环境、抗生物和电磁环境的研究和设计，通过采取各种技术措施，来抵御恶劣环境对设备的影响。

舰载雷达设备的组成包含有源阵面、各种设备机柜。设备安装的温度环境属于机舱内设备，属于A级设备。设备安装的位置为舰船的III类区域，机柜的安装带隔离系统，有源阵面直接与基座连接。根据设备所处的环境条件和经验积累，主要从环境控制、隔振缓冲、防护三个方面开展雷达的抗恶劣环境设计［2］。

1.2.1设备的环境控制

(a)阵面的环控设计

阵面的环控设计包含阵面设备的热设计和除湿设计。热设计的目的是控制阵面内组件、模块、等电子器件的温度，使阵面在舰上工作时设备可以可靠工作。阵面采取常温水冷控制措施，冷却水系统由末端冷却装置为阵面提供一路18℃～40℃的循环冷却水，给阵面内子阵、电源冷却。通过冷板热交换后，冷却水再回至末端机组冷却(见图1)。通过与海水换热器与海水交换，将设备热量带走，保证阵面内设备可靠工作。

由于舰船设备存在高温高湿的工作环境，潮湿、盐雾和霉菌对电子装备、电气产品的危害甚大。资料表明，当相对湿度低于65%后，就能有效地防止因潮湿、盐雾和霉菌对电子设备的腐蚀。为给阵面提供良好的工作环境，阵面采取了除湿措施，综合考虑舰上的冷媒水(15℃)资源，除湿箱采用盘管除湿方式，当循环风高湿时，盘管除湿箱处于除湿模式，此时除湿箱主要功能为除湿，使循环风在盘管内结露，降低空气绝对湿度后在送至阵面内。采用盘管除湿方案阵面内湿度为≤65%。图2为0～5min的阵面除湿过程。有效的除湿控制保证了阵面内设备能可靠地工作。

图1　阵面液冷热设计

图2　阵面内部除湿过程

(b)机柜环控设计

除阵面外，雷达电子设备均安装在密闭机柜内。密闭机柜采用铸铝密闭机柜。该机柜环控效果好，屏蔽性能优，密封性能好，承载能力高。机柜的环境控制系统由中心控制单元、冷却单元和传感器三部分组成。中心控制单元是本系统的“大脑”，由信息采集模块、运算分析模块、指令发送模块和二次显示模块组成。传感器是本系统的“眼睛”，监测机柜内的温度和湿度信息，将信息实时传给中心控制单元。冷却单元是本系统的执行单元，是实现环境控制的关键设备。它是一个制冷冷却装置，根据中心控制单元的指令，通过内部控制模块控制，实现机柜内部的空气的加热、制冷和除湿，并将自身的工作状态报告给中心控制单元。设计雷达的机柜带有1.5 kW和3 kW冷却单元，可满足机柜最大1.5 kW和3 kW的散热要求，保持机柜内部的空气温度控制在0℃～60℃，湿度控制在60%以内。见图3。

1.2.2加固隔离设计

设备的抗机械环境能力包括加固技术和隔离技术。加固技术是经过优化设计技术，选择高品质的材料和工艺措施，提高和强化产品自身的抗恶劣环境能力;隔离技术是采取各种技术措施将设备与恶劣环境隔离。由于阵面的安装条件限制，阵面采用加固技术进行抗机械环境设计，机柜采用隔离技术进行抗机械环境设计。

图3　机柜环控设计

(a)阵面的抗恶劣环境设计

阵面直接和基座连接。阵面的模态、振动、冲击性能应从设计上充分考虑。应用ANSYS软件对阵面进行自重分析、模态分析、抗冲击分析、振动分析、颠震分析。阵面整个模型包含1万多个shell 181单元、3千多个Beam 188单元、4千多个Mass 21单元，共计1万多个节点。模型网格见图4。对内的设备采用等效质量进行处理。针对各种工况开展了全面的仿真分析，对雷达阵面进行了安全性能整体评估，并对结构优化设计提出了一些改进意见。分析结果如下:阵面的首阶频率44.7 Hz(见图5);阵面在冲击条件下环境最为恶劣，此时最大应力136 MPa(见图6)，不超过材料的许用应力。经过仿真验证，该阵面结构设计满足总体的机械环境要求。

(b)机柜的隔震缓冲

根据已有设计经验，机柜的隔振缓冲系统采用无谐振峰隔振器、复合阻尼隔振器组成隔振缓冲系统。根据振动和冲击条件，对机柜样机进行了相关试验，见图7。试验结果表明，采用复合阻尼隔振缓冲系统和无谐振峰隔振缓冲系统均能满足系统缓冲要求。

1.2.3三防设计

除了采用环控和隔震缓冲设计外，对雷达的材料、结构设计和涂装体系上采取统一要求，具体如下:

(a)阵面采用防锈铝拼接而成，具有很高的耐腐蚀性能，阵面内所有紧固件采用不锈钢材料;

(b)避免采用不均匀性或多相性的机构设计，尽量采用密封的结构;

(c)采用特征三防油漆和成熟的工艺涂装体系。

图4　阵面模型网格

图5　阵面模态

图6　阵面垂向冲击分析

图7　机柜冲击试验

2　总结与展望

根据多型舰载产品的设计和实际的应用，舰载产品的抗恶劣环境设计工作从气候环境、机械环境、防护上积累了一定的设计经验和方法，通过梳理和总结，可以从以下几个方面开展工作(见表1)，为同类产品提供参考和借鉴。

表1　抗恶劣环境方法

随着新技术的迅速发展，各种性能优良(远距离、大范围、高精度、实时化)的雷达不断涌现，雷达结构上的高集成、多平台、反隐身等技术应运而生，对雷达抗恶劣环境设计提出更高的要求:

(1)高集成的一体化设计

由于舰艇的空间有限，要求舰载阵面雷达应尽可能做到体积小和重量轻，降低造价。目前，可采取如下措施:在结构上，采取骨架和水道结合、单元和骨架结合、冷板和组件壳体结合等方式实现结构一体化设计;在微波集成电路技术上，尽可能地将组件、功放、电源、接收等电子器件结合建立互连，采用组件的自动化生产和组装技术等，从优化结构设计和器件集成防护设计上提高抗恶劣环境性能。

(2)不同平台的适装性［2］

根据不同平台的不同需求及舰型(大、中、小)的特点和舰上的资源，结合可能列装的装备对象，从环境适应能力、散热能力、安装基座等几个方面，充分利用先进的优化设计方法和系统化的创新设计思想。选用适用海洋环境的轻型高性能材料和先进的散热冷却技术，有效地提高舰载雷达的适装性，促进舰载雷达系列化、组合化发展，从而适应舰艇雷达装备的轻型化、小型化、系列化的列装要求。

(3)结构隐身设计［3］

雷达波隐身就是尽可能降低目标的雷达波散射截面。根据雷达波不同散射波的生成机理，设备的隐身设计途径包括构型隐身设计和吸波材料应用。构型隐身技术是通过目标的非常规结构设计形式降低其RCS，而雷达吸波技术是指利用雷达吸波材料吸收衰减入射的电磁波。舰载设备常用的隐身设计通常有设备表面电连续;外露的安装结合部位采用沉陷方式将被联接的两个结构的外表面齐平;天线罩尽可能多用平面设计。

3　结束语

电子设备抗恶劣环境设计是一个巨大的系统工程，它需要各学科协同努力。在方案阶段必须建立抗恶劣环境设计体系和防护体系，通过相应的可靠性试验验证，积累长期的工程经验，引用先进的技术和材料，保障雷达设备的抗恶劣环境性能。

参考文献:

［1］季馨.电子设备抗恶劣环境设计概论［J］.电子机械工程，2014(6).

［2］赵广涛，吴洪才.舰载雷达适装性研究［J］.雷达与对抗，2010(1).

［3］朱彬.机载设备中结构隐身设计技术研究［J］.现代雷达，2011(12).

Design and development of anti-adverse environment for shipborne radars

ZHAO Jing，SHEN Wen-jun
(Nanjing Research Institute of Electronics Technology，Nanjing 210039)

Abstract:Based on the shipborne radar environment，the methods of the anti-adverse environment of specific radars are designed and summarized in terms of the climate，mechanical，biological and electromagnetic environment resistance.Besides，the future demands are analyzed.

Keywords:shipborne radar; anti-adverse environment; vibration isolation buffer design; thermal design

作者简介:赵静(1978-)，女，高级工程师，硕士，研究方向:雷达结构总体设计;沈文军(1970-)，男，研究员级高级工程师，硕士，研究方向:雷达结构总体设计。

收稿日期:2014-12-28

文章编号:1009-0401(2015)01－0054－04

文献标志码:A

中图分类号:TN957.8