世界先進機載雷達與天線罩技術演進

2016-11-29 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網

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的新主題。

戰(zhàn)機火控雷達及天線罩的技術變革

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實現(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。天線罩電性能設計和測試要適應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,從窄帶型向寬帶型轉變。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,更應注意雷達全方位搜索時雜波的控制。設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鍵。

戰(zhàn)機雷達與天線罩的技術特征

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方面的設計達到極高水平,研制了模型和設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計變化影響的迭代分析能力代表了綜合武器系統(tǒng)設計方面的重大進展。當特別強調天線罩的長細比特性時,這種工具允許氣動力設計師在計劃初期進行科學調節(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成)暴露在外部。在整個雷達設計期間,低RCS因素貫穿雷達設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計。

洛克希德·馬丁公司介紹了關于進行F-22低可探測性設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上最復雜的結構部件之一?？梢?F-22機頭天線罩采用了頻率選擇表面(FSS)技術,并且考慮了帶內天線的RCS減縮。

飛機機頭實現(xiàn)低RCS的典型構型是: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的。薄壁結構天線罩采用玻璃纖維/蜂窩夾層結構的復合材料纏繞成型技術制造。F-22復合材料件的加工一律采用Invar鋼模具(內裝能測量零件溫度的熱電偶)。注重天線罩生產成本風險,其中將考慮用于研制階段和生產型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構。電子戰(zhàn)天線罩多處于飛機的邊邊角角,邊緣結構為一種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鍵,以保證蒙皮與蜂窩之間不存在空穴從而產生雷達特征問題。成型時用蜂窩芯子將蒙皮推入一V字形工裝內而形成夾層結構。

F-22飛機的生產商在生產復雜的、多層的、保護雷達天線的多功能天線罩方面經歷了困難,花大力氣進行天線罩制造工藝改進。通過并行流程模塊結構的使用來加速流程。設計作了大量的改變以適應制造工藝的改變。最終產品必須保持電性能和結構性能,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。低的介電常數,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)斗機的機體表面結構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生質的飛躍。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構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試驗飛機的右側垂尾頂端結構上進行了飛行試驗,試驗結果顯示,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

據分析預測,美國的NMD在2020年構成實質性的威脅。應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領域具有廣闊的應用前景,在雷達、隱身、電子對抗等諸多國防技術領域擁有應用潛力和發(fā)展空間。由于超材料電磁響應的頻譜范圍與結構單元形式及其尺寸的大小密切相關,具有非常靈活的可調控性,如果在超材料的傳輸禁帶(即負介電常數頻帶內)出現(xiàn)一個正的介電常數頻域,那么就可得到良好的頻率選擇特性?？赏ㄟ^合理的設計超材料單元結構使其對預定頻段的電磁波有選擇性地吸收與透射,實現(xiàn)天線罩罩壁結構的吸波與透波一體化。

結束語

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/超表面設計與工藝技術的研究和應用。