世界先进机载雷达与天线罩技术演进

2016-11-29 by:CAE仿真在线来源:互联网

图一:机载雷达

图二:综合的前机身概念

美国F-22“猛禽”战机代表了当今世界最先进战斗机的技术水平,该机装备了先进有源相控阵雷达。机载雷达作为空战能力的重要技术装备,其性能是否卓越往往比战机本身的性能更能决定空战的胜负。先进雷达必须配备先进天线罩,才能显现最终的、系统的、优越的综合性能。实现宽带传输和隐身性能要求成为雷达和天线罩技术的新主题。

战机火控雷达及天线罩的技术变革

1、从机扫到电扫

机载雷达在搜索目标时,需要不断改变波束的方向,其传统方法是转动天线,使波束扫过一定的空域、地面或海面,称为机械扫描。把天线做成一个平面,上面有规则地排列许多个辐射单元和接收单元,称为阵元。利用电磁波的相干原理,通过计算机控制输往天线各阵元电流相位的变化来改变波束方向实现的扫描,称为电扫描。

有源相控阵是指在天线阵中每个天线单元下面都连接一个T/R组件,其中不仅有移相器,而且还包含有对射频信号进行功率放大的功率放大器,对回波信号进行放大的低噪声放大器(LNA)、可变衰减器、控制开关等。20世纪90年代,代表机载火控雷达发展方向的有源相控阵火控雷达APG-77研制成功(见图1);在欧洲,英、法、德国联合研制的机载多功能固态阵列雷达(AMSAR),用于法国的“阵风”战斗机和欧洲联合战斗机的研制中;另外,日本、俄罗斯和以色列也在研制机载有源相控阵火控雷达。相控阵雷达易于实现能量管理,再加上天线阵的低副瓣性能,具有低的截获概率和隐身能力。天线罩电性能设计和测试要适应这种机扫到电扫的变化。

2、从窄带到宽带

F-15、F-16等战机装备的是窄带脉冲多普勒(PD)火控雷达,频带宽度在300MHz左右;F-22、F-35的雷达工作频段为X波段,带宽在1~4GHz,从窄带型向宽带型转变。西方国家的F-15、F-16、F/A-18、“台风”、“阵风”等现役主力战机,也纷纷将火控雷达改进升级为宽带相控阵雷达,以提升其作战能力。

3、从透波到兼具隐身

通常的天线罩仅对电磁透明的电性能指标有要求;新型战机还提出了低雷达散射截面(RCS)的要求,即天线罩要对雷达天线舱的强散射起到屏蔽作用。战机提高气动性能和减少可探测性的要求,导致天线罩电性能设计上的一些新的挑战。气动稳定性和阻力的改进确定由大长细比、带边条特征的尖削机头天线罩外形设计。该外形导致天线电磁波通过天线罩时波前相位的复杂变化,把高反射特性引入天线罩的电性能中,更应注意雷达全方位搜索时杂波的控制。设计的天线罩能有效控制宽角副瓣,是保证雷达在杂波中搜索探测性能的关键。

战机雷达与天线罩的技术特征

天线罩是雷达或电子战系统的重要部分。洛克希德·马丁公司Skunk工厂(LMSW),在F-22飞机天线罩副瓣控制和低RCS方面的设计达到极高水平,研制了模型和设计迭代工具以保障初期雷达/天线罩/气动力折衷。这种检验电磁波对天线罩外形和壁设计变化影响的迭代分析能力代表了综合武器系统设计方面的重大进展。当特别强调天线罩的长细比特性时,这种工具允许气动力设计师在计划初期进行科学调节和协商。

鉴于隐身要求,F-22提出了一种一体化前机身(IFB)频率滤波的方案(见图2),该特性允许雷达波发射但限制雷达天线和前部腔体(由天线、安装架等与天线罩构成)暴露在外部。在整个雷达设计期间,低RCS因素贯穿雷达设计之中并极大地影响了许多方面包括天线罩复杂性、天线阵面安装及天线设计。

洛克希德·马丁公司介绍了关于进行F-22低可探测性设计而采取的一些措施及理念。其中,F-22减缩雷达信号的措施就是应用带通谐振天线罩(bandpass resonant radome)以及低信号特征雷达,并指出天线罩是F-22上最复杂的结构部件之一。可见,F-22机头天线罩采用了频率选择表面(FSS)技术,并且考虑了带内天线的RCS减缩。

飞机机头实现低RCS的典型构型是:采取低截获率雷达与频率选择天线罩并用的措施,解决机载雷达天线所导致的RCS明显上升的问题。采用有源相控阵雷达天线,并且雷达天线向后斜置,以减少直接反射波。各边缘之间的所有表面均光滑地均匀过渡而不会导致表面电流间断,从而避免了因表面突变导致的飞机信号特征增强。

高性能天线罩材料与新工艺应用

由氰酸酯树脂与S-2玻璃纤维制成的复合材料是一种良好的透波材料。美国道氏公司研制的Tactix Xu71787.07与S-2复合的材料用于F-22的天线罩。Xu71787.07的介电常数低到2.9,与双马相当;损耗角正切为0.002,低于双马;工作温度接近双马,CAI为259~280 MPa;加工性与环氧相当;吸湿率1.2%左右。

前机身中的天线罩,是在洛克希德·马丁公司的帕姆戴尔工厂生产的。薄壁结构天线罩采用玻璃纤维/蜂窝夹层结构的复合材料缠绕成型技术制造。F-22复合材料件的加工一律采用Invar钢模具(内装能测量零件温度的热电偶)。注重天线罩生产成本风险,其中将考虑用于研制阶段和生产型F-22飞机天线罩可采用的制造方法。采用分析工具以明显地减少新天线罩制造方法的转换风险。

F-22的天线罩、天线以及机翼、机身、尾翼的尖锐边缘均采用了吸波结构。电子战天线罩多处于飞机的边边角角,边缘结构为一种V字形的夹层材料,夹层中有特型的蜂窝芯子。蜂窝芯子的切削加工至为关键,以保证蒙皮与蜂窝之间不存在空穴从而产生雷达特征问题。成型时用蜂窝芯子将蒙皮推入一V字形工装内而形成夹层结构。

F-22飞机的生产商在生产复杂的、多层的、保护雷达天线的多功能天线罩方面经历了困难,花大力气进行天线罩制造工艺改进。通过并行流程模块结构的使用来加速流程。设计作了大量的改变以适应制造工艺的改变。最终产品必须保持电性能和结构性能,同时也得验证防雷击和可接受的维修性。

机载雷达与天线罩技术发展趋向

1、多功能宽带高透波天线罩

雷达的多功能性使天线的频带加宽,要有相应带宽的天线罩相匹配。美国达信公司开发了一种无机聚合物,以硅为基,具有独特的高温性能和低的介电常数。低的介电常数,放大了电厚度的公差,可大大降低制造成本。由这种聚合物制成的复合材料在538℃以上高温有稳定性,有极好的抗热冲击性能和烧蚀性能。在30MHz到30GHz之间的介电性相当稳定。目前有两种树脂正在用来制造天线罩,一种是DI-100树脂,主要用来浸渍三维石英纤维复合材料,用作重返飞行器的天线罩。另一种是DI-200树脂,专为天线罩用二维石英纤维织物而开发的。这两种树脂均可用来制造低介电常数的合成泡沫材料,以用来制造多层介电梯度功能天线罩,可满足宽带要求。DI树脂石英复合材料室温下介电常数为3,损耗角正切为0.008。加工性与传统的热固性树脂聚酰亚胺同样容易。

2、电磁智能蒙皮

如果能把战斗机的机体表面结构作为传感器的天线孔径,无疑会极大地提高天线的幅射能力,从而使传感器的作用距离和分辨力以及对多目标的跟踪能力产生质的飞跃。美国诺斯罗普·格鲁门公司和TRW公司早在20世纪90年代初就开始研制成了天线功能的电磁智能蒙皮,它既能承载,又能使整个飞机的外表面变成天线,带来的好处是既降低了结构重量和成本又增强了天线性能。飞机上大约有100多个天线,占用了60多个孔径。采用电磁智能蒙皮可使飞机机体上的开口数量降低65%,减重100~500千克。1997年3月这种电磁智能蒙皮被安装在F/A-18SRA试验飞机的右侧垂尾顶端结构上进行了飞行试验,试验结果显示,与F/A-18标准天线相比,其信噪比提高了15~25dB,通信距离提高了5倍,信号的空地和空空传播质量大大提高,改善了飞机的通信、导航和识别能力,整体天线也降低了雷达反射信号,增强了飞机的生存能力。

3、耐高温高透波天线罩

据分析预测,美国的NMD在2020年构成实质性的威胁。应对办法就是远程打击用的战略武器的突防和生存。导弹再入大气层很容易被NMD系统测出弹道轨迹而被拦载。采取自由滑翔再入大气层,距地面还有500米,甚至300米时雷达自动开启。此时,NMD发现已来不及拦载,这需要耐高温高透波天线罩,要求在1500℃时仍能保持介电性能的稳定性。

4、超材料天线罩

超材料在雷达天线罩、高性能天线等微波器件和隐身等技术领域具有广阔的应用前景,在雷达、隐身、电子对抗等诸多国防技术领域拥有应用潜力和发展空间。由于超材料电磁响应的频谱范围与结构单元形式及其尺寸的大小密切相关,具有非常灵活的可调控性,如果在超材料的传输禁带(即负介电常数频带内)出现一个正的介电常数频域,那么就可得到良好的频率选择特性。可通过合理的设计超材料单元结构使其对预定频段的电磁波有选择性地吸收与透射,实现天线罩罩壁结构的吸波与透波一体化。

结束语

纵观世界机载雷达与天线罩发展情况,面对高空高速、全频谱全向隐身以及航电系统高度综合化与信息化的新要求,应进一步开展宽带、隐身、双模多模、共形阵电磁智能蒙皮、耐高温材料和超材料/超表面设计与工艺技术的研究和应用。