某无人机载雷达结构设计

唐 敖，虞庆庆

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

某无人机载雷达结构设计

唐 敖，虞庆庆

(南京电子技术研究所， 江苏 南京 210039)

文中论述了某型无人机载雷达的结构设计方案, 并具体分析了方案中的关键技术及其实现途径。文中阐述了实现雷达小型化和轻型化的多种技术措施，提出了利用飞行时机箱外壁散热器与空气相对运动产生的强迫对流实现雷达冷却的方案。该技术方案成功解决了无人机载雷达面临的空间、重量资源紧张以及无冷却资源等技术难题，其设计思路和方法可供同类无人机载雷达设计参考和借鉴。

无人机;雷达;结构设计;热设计

引 言

无人侦察机可深入敌方腹地进行侦察，无人员伤亡，且研制及维护成本低，目前已发展成为作战的一种主要机型。世界各国十分重视，先后研制出了多型具有成像功能的无人侦察机。而雷达具有全天候、全天时、远距离和高分辨等优点，已成为无人侦察机的主要载荷[1]。近年来，我国无人侦察机及无人机载雷达的技术发展也十分迅速。

与有人机相比，无人机的安装空间小，载重轻，功耗低，因此无人机载雷达的小型化、轻型化以及冷却设计是结构设计研究的热点。

文献[1]、文献[2]和文献[3]结合国外各型无人机载雷达的特点，对其发展趋势进行了探讨。文献[4]则对无人机载雷达小型化技术进行了研究。本文通过论述某型无人机载雷达的结构总体设计方案，探讨了无人机载雷达小型化、轻型化及冷却设计等关键技术的解决方法。

1 结构方案设计

为满足装机空间和重量需求，雷达需开展小型化及轻型化设计。系统设计时必须突破雷达常规的单元划分概念，提高集成度，减少LRU的种类。经优化，雷达由天馈伺接收单元、处理单元、发射单元3个LRU组成。天馈伺接收单元由天线、天线座和接收等单元组成，整体安装于机身腹部的载荷舱内，其中天线、天线座位于天线罩内。处理单元、发射单元分别置于机身两侧，如图1所示。

该雷达天线为波导裂缝天线，雷达的伺服传动系统采用机电驱动方案，其中天线座采用两轴转动的结构形式，以满足驱动天线两维扫描的需求。接收单元、处理单元、射频单元采用小型机载通用模块，在满足标准化、通用化要求的同时，实现小型化。

图1 无人机载雷达总体布局

文中提出利用载机飞行时机箱外壁与空气相对运动产生的强迫对流实现雷达设备的冷却，该冷却方案经济、高效、零能耗，成功解决了载机在无冷却资源的条件下雷达设备的冷却难题。

2 关键技术及解决措施

2.1 小型化设计技术

受制于无人机平台的空间限制，雷达必须实现小型化，方能满足适装性要求。

雷达的小型化主要采取以下措施：

1)通过合并模块功能减少模块种类，从而减少设备的数量；

2)通过结构一体化技术实现天线、天线座、接收等单元的集成，减少互联结构和电缆数量，减小体积；

3)通过采用小型机载通用模块，在满足标准化、通用化要求的同时，实现设备小型化。

2.2 轻型化设计技术

无人机载雷达对重量的要求也十分苛刻，因此需采用多种措施，方能满足指标要求。上述小型化措施，在减小体积的同时，也减轻了重量。另外，在结构上还采取了多种措施实现轻型化：

1)机箱壳体、天线座等选用高强轻质材料，以满足功能需求，减轻比重量；

2)机箱壳体与散热肋条结构实行一体化设计；

3)选择小型电机、弦变、交连等传动部件，同时优化传动部件在天线座内的布局，实现天线座的轻型化；

4)针对载机的环境特性，采用力学仿真优化结构设计，充分去除结构件的冗余材料，以减轻机箱、天线座、天线等的结构重量。图2和图3分别为机箱的力学仿真应力图和力学仿真变形图。

图2 机箱力学仿真应力图

图3 机箱力学仿真变形图

2.3 冷却设计技术

在载机不提供冷却资源的条件下，雷达设备的常规冷却方法为自带风机，但自带风机强迫风冷不仅增加了雷达的体积、重量，还需将雷达的部分功率提供给风机，降低了雷达的威力。

载机的巡航飞行速度为100 km/h左右，且雷达处理单元、射频单元均为外挂设备，接收单元底盖板也外露，因此可在机箱外壁增加散热肋条，利用载机飞行时，机箱外壁与空气相对运动产生的强迫对流实现雷达设备的冷却[5]，具体解决措施如下：

1)在处理单元、射频单元机箱两侧及接收单元底盖板增加散热肋条，以提高强迫对流的散热能力；

2)在满足功能需求的同时，优化系统方案，将电源等高功率模块调整至两侧的单元机箱内，以提高其冷却效果；

3)优化热源至模块、模块至机箱外壁的传热路径，以减小热阻；

4)通过专业热分析软件，对设备建模，进行仿真计算，并优化散热肋条的尺寸及密度，以提高散热效果。图4和图5分别为机箱的热仿真速度矢量图和热仿真温度云图。

各单元的计算流体力学仿真结果表明，雷达各单元内功率模块的温度低于额定值。产品顺利通过了高温环境试验及飞行试验，其在试验中的测量结果也表明各单元的冷却效果良好。

图4 机箱热仿真速度矢量图

图5 机箱热仿真温度云图

3 结束语

该无人机载雷达结构设计针对载机的技术需求，突破雷达常规的单元划分概念，通过多种技术措施，实现雷达的轻小型化，满足适装性要求。本文创新性地提出了高效、零能耗的冷却方案，利用载机飞行时机箱外壁散热器与空气相对运动产生的强迫对流实现雷达设备的冷却。该技术方案成功解决了无人机载雷达面临的空间、重量资源紧张以及无冷却资源等技术难题，对同类无人机载雷达的结构设计具有一定的参考价值。

[1] 白光瑞. 军用无人机载雷达发展综述[J]．雷达与电子战, 2001(4): 15-22.

[2] 邓大松．无人机雷达载荷发展浅析[J]．飞航导弹, 2010(12): 765-79.

[3] 孙寒冰，曲长文．舰载无人机合成孔径雷达[J]．中国雷达, 2009(1): 1-4.

[4] 何均，任培宏．无人机机载合成孔径雷达的小型化发展[J]．无人机, 2008(6): 36-38.

[5] 唐敖，向华平．某机载雷达的热设计及仿真优化[J]．电子机械工程, 2011, 27(2): 20-22.

唐 敖(1980-)，男，高级工程师，主要从事机载雷达结构总体及热设计工作。

虞庆庆(1981-)，男，高级工程师，主要从事机载雷达结构总体设计工作。

Structure Design of a UAV Radar

TANG Ao，YU Qing-qing

(NanjingResearchInstituteofElectronicsTechnology,Nanjing210039,China)

An innovative scheme for the structure design of a UAV radar is presented in this paper. The key technologies and the corresponding implement methods are also discussed in detail. Several solutions in technology to make the radar smaller and lighter are analyzed. The cooling scheme to add radiators on the radar box is put forward. The cooling problem of the radar can be solved because of the forced convection caused by the relative movement between the radiator and air during flight. The scheme can solve the difficult problems (space, weight and cooling resources) in the structure design of the UAV radar successfully. The ideas and methods to solve these key technological problems can be used as reference for structural design of the similar UAV radar．

UAV; radar; structure design; thermal design

2014-08-28

TN95

A

1008-5300(2015)02-0020-02