世界先進機載雷達與天線罩技術(shù)演進

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

圖一:機載雷達

圖二:綜合的前機身概念

美國F-22“猛禽”戰(zhàn)機代表了當今世界最先進戰(zhàn)斗機的技術(shù)水平,該機裝備了先進有源相控陣雷達。機載雷達作為空戰(zhàn)能力的重要技術(shù)裝備,其性能是否卓越往往比戰(zhàn)機本身的性能更能決定空戰(zhàn)的勝負。先進雷達必須配備先進天線罩,才能顯現(xiàn)最終的、系統(tǒng)的、優(yōu)越的綜合性能。實現(xiàn)寬帶傳輸和隱身性能要求成為雷達和天線罩技術(shù)的新主題。

戰(zhàn)機火控雷達及天線罩的技術(shù)變革

1、從機掃到電掃

機載雷達在搜索目標時,需要不斷改變波束的方向,其傳統(tǒng)方法是轉(zhuǎn)動天線,使波束掃過一定的空域、地面或海面,稱為機械掃描。把天線做成一個平面,上面有規(guī)則地排列許多個輻射單元和接收單元,稱為陣元。利用電磁波的相干原理,通過計算機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天線單元下面都連接一個T/R組件,其中不僅有移相器,而且還包含有對射頻信號進行功率放大的功率放大器,對回波信號進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90年代,代表機載火控雷達發(fā)展方向的有源相控陣火控雷達APG-77研制成功(見圖1);在歐洲,英、法、德國聯(lián)合研制的機載多功能固態(tài)陣列雷達(AMSAR),用于法國的“陣風”戰(zhàn)斗機和歐洲聯(lián)合戰(zhàn)斗機的研制中;另外,日本、俄羅斯和以色列也在研制機載有源相控陣火控雷達。相控陣雷達易于實現(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)計和測試要適應(yīng)這種機掃到電掃的變化。

2、從窄帶到寬帶

F-15、F-16等戰(zhàn)機裝備的是窄帶脈沖多普勒(PD)火控雷達,頻帶寬度在300MHz左右;F-22、F-35的雷達工作頻段為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、“臺風”、“陣風”等現(xiàn)役主力戰(zhàn)機,也紛紛將火控雷達改進升級為寬帶相控陣雷達,以提升其作戰(zhàn)能力。

3、從透波到兼具隱身

通常的天線罩僅對電磁透明的電性能指標有要求;新型戰(zhàn)機還提出了低雷達散射截面(RCS)的要求,即天線罩要對雷達天線艙的強散射起到屏蔽作用。戰(zhàn)機提高氣動性能和減少可探測性的要求,導致天線罩電性能設(shè)計上的一些新的挑戰(zhàn)。氣動穩(wěn)定性和阻力的改進確定由大長細比、帶邊條特征的尖削機頭天線罩外形設(shè)計。該外形導致天線電磁波通過天線罩時波前相位的復雜變化,把高反射特性引入天線罩的電性能中,更應(yīng)注意雷達全方位搜索時雜波的控制。設(shè)計的天線罩能有效控制寬角副瓣,是保證雷達在雜波中搜索探測性能的關(guān)鍵。

戰(zhàn)機雷達與天線罩的技術(shù)特征

天線罩是雷達或電子戰(zhàn)系統(tǒng)的重要部分。洛克希德·馬丁公司Skunk工廠(LMSW),在F-22飛機天線罩副瓣控制和低RCS方面的設(shè)計達到極高水平,研制了模型和設(shè)計迭代工具以保障初期雷達/天線罩/氣動力折衷。這種檢驗電磁波對天線罩外形和壁設(shè)計變化影響的迭代分析能力代表了綜合武器系統(tǒng)設(shè)計方面的重大進展。當特別強調(diào)天線罩的長細比特性時,這種工具允許氣動力設(shè)計師在計劃初期進行科學調(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身(IFB)頻率濾波的方案(見圖2),該特性允許雷達波發(fā)射但限制雷達天線和前部腔體(由天線、安裝架等與天線罩構(gòu)成)暴露在外部。在整個雷達設(shè)計期間,低RCS因素貫穿雷達設(shè)計之中并極大地影響了許多方面包括天線罩復雜性、天線陣面安裝及天線設(shè)計。

洛克希德·馬丁公司介紹了關(guān)于進行F-22低可探測性設(shè)計而采取的一些措施及理念。其中,F-22減縮雷達信號的措施就是應(yīng)用帶通諧振天線罩(bandpass resonant radome)以及低信號特征雷達,并指出天線罩是F-22上最復雜的結(jié)構(gòu)部件之一?？梢?F-22機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。

飛機機頭實現(xiàn)低RCS的典型構(gòu)型是:采取低截獲率雷達與頻率選擇天線罩并用的措施,解決機載雷達天線所導致的RCS明顯上升的問題。采用有源相控陣雷達天線,并且雷達天線向后斜置,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導致表面電流間斷,從而避免了因表面突變導致的飛機信號特征增強。

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;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;吸濕率1.2%左右。

前機身中的天線罩,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)的復合材料纏繞成型技術(shù)制造。F-22復合材料件的加工一律采用Invar鋼模具(內(nèi)裝能測量零件溫度的熱電偶)。注重天線罩生產(chǎn)成本風險,其中將考慮用于研制階段和生產(chǎn)型F-22飛機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)換風險。

F-22的天線罩、天線以及機翼、機身、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)生雷達特征問題。成型時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飛機的生產(chǎn)商在生產(chǎn)復雜的、多層的、保護雷達天線的多功能天線罩方面經(jīng)歷了困難,花大力氣進行天線罩制造工藝改進。通過并行流程模塊結(jié)構(gòu)的使用來加速流程。設(shè)計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,同時也得驗證防雷擊和可接受的維修性。

機載雷達與天線罩技術(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。美國達信公司開發(fā)了一種無機聚合物,以硅為基,具有獨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。

2、電磁智能蒙皮

如果能把戰(zhàn)斗機的機體表面結(jié)構(gòu)作為傳感器的天線孔徑,無疑會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多目標的跟蹤能力產(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,又能使整個飛機的外表面變成天線,帶來的好處是既降低了結(jié)構(gòu)重量和成本又增強了天線性能。飛機上大約有100多個天線,占用了60多個孔徑。采用電磁智能蒙皮可使飛機機體上的開口數(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試驗飛機的右側(cè)垂尾頂端結(jié)構(gòu)上進行了飛行試驗,試驗結(jié)果顯示,與F/A-18標準天線相比,其信噪比提高了15~25dB,通信距離提高了5倍,信號的空地和空空傳播質(zhì)量大大提高,改善了飛機的通信、導航和識別能力,整體天線也降低了雷達反射信號,增強了飛機的生存能力。

3、耐高溫高透波天線罩

據(jù)分析預測,美國的NMD在2020年構(gòu)成實質(zhì)性的威脅。應(yīng)對辦法就是遠程打擊用的戰(zhàn)略武器的突防和生存。導彈再入大氣層很容易被NMD系統(tǒng)測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米時雷達自動開啟。此時,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、隱身、電子對抗等諸多國防技術(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(即負介電常數(shù)頻帶內(nèi))出現(xiàn)一個正的介電常數(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)計超材料單元結(jié)構(gòu)使其對預定頻段的電磁波有選擇性地吸收與透射,實現(xiàn)天線罩罩壁結(jié)構(gòu)的吸波與透波一體化。

結(jié)束語

縱觀世界機載雷達與天線罩發(fā)展情況,面對高空高速、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)計與工藝技術(shù)的研究和應(yīng)用。