大型相控阵雷达阵面维修机构设计

邱坤滨，李 红

（中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088）

20世纪50年代开始，为满足对本国或他国洲际弹道探测和防御的需要，地面大型相控阵雷达作为美苏导弹防御系统的骨干装备得以快速发展，美苏两国相继研制了一系列大型战略相控阵雷达[1-2]，这些雷达典型特征是阵面大、天线单元多、结构复杂，阵面口径通常达数十米，且多以固定式建筑物形式存在，大都部署在偏僻的地点[3]，大型配套维修设备很难快速就位。因此，在阵面设备安装和后期维修维护时，又经常需要人员快速到达阵面前方任意位置，为方便使用，一般会在阵面前方布置一套阵面维修机构。

1 总体布局设计

阵面维修机构在总体布局上有两种典型的结构形式：一种是导轨沿阵面宽度方向，上下布局，称为横向式，结构形式如图1所示，其工作原理是在阵面的顶部和底部各设置有一条横向导轨，在两条导轨上安装一个臂架，臂架可以沿导轨左右横向移动，工作平台通过导轨与臂架连接，并可以沿臂架方向纵向上下移动，这样通过纵向和横向导轨可以使工作平台定位于天线阵面口径范围内的任何一个工作位置，在收藏状态下将臂架置于雷达阵面的一侧。

图1 阵面维修机构横向式布局原理

另一种是导轨沿阵面高度方向，左右布局，称为纵向式，结构形式如图2所示，其工作原理是在天线阵面的宽度方向两侧位置各设一根纵向导轨，工作平台通过左右两根纵向导轨做上下移动，工作平台的长度接近于整个雷达阵面的宽度尺寸，维修人员可以在维修平台长度方向上移动，通过这种方式使人员可以到达覆盖雷达阵面口径的任意维修位置，收藏状态下，平台一般置于阵面底部。

图2 阵面维修机构横向式布局原理

两种布局方式均能满足系统功能，但横向式布局方案有明显的缺点。

（1）阵面尺寸变大。臂架在收藏状态下置于阵面的一侧，为使其不遮挡雷达信号，天线阵面在宽度方向上需要预留一定的空间用以存放桁架，这样会增加天线阵面的结构尺寸。

（2）维修安装设备不便，效率较低。工作人员在这种平台对设备进行维修或者更换时，身体会前出工作舱，而且工作舱的空间有限，对于较重的设备，不便于多人同时对设备进行操作。

（3）安全性不足。如果驱动系统或者工作舱在使用过程中出现了问题，工作人员需要从臂架慢慢下来，不能很快地进行撤离，还有可能被困在工作舱内。

纵向式布局克服了横向式布局的诸多缺点，可以允许多名工人（可以多达12人）同时上平台进行操作，效率会高很多，而且，该布局不会遮挡雷达波，外观上比较美观，维修性也较好。综上所述，在工程应用中，选用纵向式布局的阵面维修机构的应用案例会比较普遍。

2 驱动方案设计

阵面维修机构在确定采用了纵向式布局方案后，工作平台如何沿轨道上下运行成了关键，即选用何种驱动方案能更好地服务于工作平台。常用的驱动方案有两种：自行式和牵引式。

2.1 自行式驱动方案

自行式驱动就是让工作平台通过自身动力沿导轨上下运行，实现方案是在工作平台两侧各设有一套驱动系统，动力可以采用液压马达或者电机，马达或电机驱动齿轮齿条副沿左右纵向导轨进行上下运动，即“双电机/马达+齿轮齿条副”。

该方案有两个问题需要解决：（1）齿轮齿条磨损问题。齿轮在开式传动过程中，磨损比较严重，造成传动的不一致性，需要使用适当的润滑油脂对开式齿轮在运转中进行润滑，但润滑油脂会附着尘、屑等外部介质[4]，影响使用。（2）维修性问题。在运行过程中，如果平台出现了问题卡在了中间，对于这种驱动方式，维修人员不能将其松放到阵面下方进行维修，必须要登高到平台进行。如果此时有紧急任务，需要开机工作，而且维修人员在很短时间修复不好的情况下，工作平台会滞留在阵面前方，遮挡波束，耽误装备执行任务。

2.2 牵引式驱动方案

牵引式驱动方案是通过卷扬机收放钢丝绳来牵引工作平台沿左右两根导轨进行升降运动。根据使用电机的情况，又可以分为单电机牵引和双电机牵引方式。

对于单电机驱动，可通过一个卷扬机同时控制左右两侧收放钢丝绳的收放动作实现机械同步，图2即是单电机驱动；对于双电机驱动，采用伺服电机同步控制来实现平台平稳的上下运行。

采用单电机驱动，由于每边使用2根钢丝绳（安全备份），使用一个卷扬机来缠绕4根钢丝绳，空间上很难布置，传动结构较复杂，体积较大。使用双电机驱动，在阵面顶部两端各放置一组驱动机构，结构简单，占用空间较小，对双电机同步控制方法研究很多，也比较成熟[5]，能够满足同步性要求。当平台出现问题时，可通过手动操作电机尾部的释放杆进行人工释放，工作平台依靠重力下降到阵面底部合适位置，不会影响雷达后续工作。

因此，选择“双电机牵引式驱动”方案可以更好满足系统要求。

3 安全性设计

安全性是整个阵面维修机构设计中非常重要的一个方面，在设计过程中要综合考虑各方面影响安全的因素，主要包括以下几个方面。

（1）整个结构要能满足不同工况下刚强度设计的要求，包括平台自重载荷、集中载荷（典型载荷：1 t）、冰雪载荷、风载以及过载等。

（2）完善的安全保护措施，对每一种可能的事故都要有防护手段，可能的意外及措施如下。

①电机制动器发生故障，工作平台突然下滑，应在驱动机构上设有防超速装置，当其速度达到设定速度时，该装置立即动作，将整个工作平台制停，避免发生快速礅底的危险。

②在钢丝绳的使用数量上，每个驱动机构与维修平台之间均采用两根钢丝绳连接，互为备份，即便是断了一根，另一钢丝绳还能工作，达到安全保护作用，不会使维修平台滑落下来。

③如果两根钢丝绳同时断绳，在钢丝绳断裂的瞬间，工作平台也可以通过防脱棘爪将自身固定在轨道上（沿导轨长度方向上每间隔一定的距离设置一个踏步，维修机构上的挂钩通过钢丝绳触发），防止平台脱落。

④如果限位开关失灵，在导轨的底端还设有缓冲座，即便是发生礅底也能够起到一定的缓冲作用，尽可能保护工作人员的安全。

（3）运行、制动平稳，操作性好，最大限度减少工作人员受伤概率。采用变频控制技术，运行平稳，起制动应无冲击，运行速度可以随时调整（建议运行速度控制在3.5 m/min左右较为合适）。另外，在操作方式上，采用了电箱操作和遥控操作两种操作方式，操作人员可以原地操作平台的运行，减少因来回操作造成的风险。

4 结语

阵面维修机构有横向式和纵向式两种总体布局方式，现有工程和应用案例表明，纵向式布局配合双电机牵引式驱动方案，更能充分发挥阵面维修机构的功能，这种配置必然会成为大型雷达维修配套方案的首选。另外，阵面维修机构作为建筑升降机械的一种，属于特种专业设备，安全性设计是重中之重。

[参考文献]

[1]崔茂东，李华.美国弹道导弹防御系统[J].导弹与航天运载技术，2004（6）：22-26.

[2]花良发.俄罗斯战略相控阵雷达部署现状及发展[J].火力指挥与控制，2007（2）：1-4.

[3]张根烜，查金水，胡劲松.大型相控阵雷达阵面结构设计研究[J].雷达科学与技术，2016（3）：337-342.

[4]水琳，李向杰，张春辉，等.开式齿轮机械的传动与润滑[J].中国建材装备，2001（6）：42-44.

[5]杨晨娜，张怡.双电机同步控制系统的设计与仿真[J].工业控制计算机，2009（1）：36-37.