虞庆庆，王长武

(南京电子技术研究所， 南京210039)

0 引言

在当前的陆、海、空、天多维一体的信息化战争中，预警机雷达作为一种全天候、远距离、高精度的战场感知手段，在空中预警探测、战场态势侦察与感知、空中目标监视、精确打击武器控制等方面都发挥着不可替代的作用［1］。

在预警机中，雷达是最主要的探测设备和情报来源，是预警机任务系统的核心设备，其探测对象一般为不同高度上的飞行目标和海面舰船目标［2］。预警雷达体积庞大，质量重达数吨以上，随着今后对其功能、性能的要求越来越高，体积质量也会随之变高，会影响到预警机的作战能力［3］。

预警机顶罩的布局和形态需要保证雷达天线正常的扫描工作方式，并需协调好与载机空气动力学的关系，最终获得“雷达”与“载机”的最优平衡。一般顶罩系统的质量要占到全机起飞质量的3% ～9%，因此该部分的质量控制关系到雷达系统乃至预警机全系统方案的可行性及其优劣程度。

由于特有的优势，有源相控阵(AESA)技术已成为全世界机载预警雷达必然的发展趋势。本文针对机载预警中最常规的圆盘式顶罩，并以有源相控阵雷达为例，从雷达系统角度对顶罩系统的质量及其变化敏感因素进行论述和分析。

1 顶罩系统质量组成

1.1 主要形态

纵观国内外装备现状，作为预警机最重要组成部分的预警雷达顶罩系统，其形态有圆盘式、背鳍式和其他衍生变异式，如图1所示。

图1 四种机载预警雷达顶罩构型

而其中圆盘式顶罩占较大比例，其典型的装备型号外形，如图2所示。

图2 典型圆盘顶罩

1.2 主要组成

一般来说，预警机上使用的相控阵雷达规模都相当庞大，并且有源相控阵在每个辐射元后都直接连接一个固定的T/R组件。因此，相控阵雷达是载机平台上有效载荷中最关键的设备［4］。综合分析后，顶罩系统主要由“雷达系统”、“平台系统”和“其他任务系统”三大部分组成，具体如图3所示。

图3 顶罩系统组成框图

1.3 质量影响因素

顶罩系统是预警机中最关键也是最复杂的部分，其功能划分和设备组成主要是由雷达系统技术方案决定，而方案又受到顶层战技需求和载机平台状态约束和牵引。针对典型有源相控阵顶罩系统质量，进行迭代论证并归纳后，得到如图4所示的综合因素影响框图。

1.4 主要组成具体分析

在预警机系统总要求和加装平台资源的限制下，给顶罩系统内雷达的约束体现在空间、供电、冷却和质量四大方面，其中质量限制项与另外三项又是紧密耦合、互相影响。

1.4.1 雷达系统

1)天线为雷达的“眼睛”，它的布局形式在很大程度上成为了雷达及预警机的鲜明标志，比如美国E-2、E-3系列和俄罗斯A-50的雷达天线，均采用单面天线360°机械扫描形式;瑞典的Erieye则采用双面天线背靠背“平衡木”形式。天线总质量由数量和单个质量确定，其单个质量主要取决于每块天线的物理面积和典型辐射单元的结构形式，辐射单元的具体尺寸由雷达工作频率决定;而最终多个天线经合理布局组合后，必须满足在各自最大可用面积下，综合探测口径和扫描角度满足使用需求。

2)有源组件(也称T/R)实现收/发转换、相位控制，对发射信号进行放大和功率输出，对接收信号进行低噪声放大［4］。总质量同样由数量和单个质量确定，其单个质量主要取决于内部功放/滤波等器件的性能指标和单个组件内的通道数，器件性能又由雷达频率/带宽和功率要求决定;最终所有有源组件的总通道数量需与天线总辐射单元匹配，且组件单个质量必须符合人机工程要求。

3)电源主要实现对载机供电输入进行分配、变换和整流滤波，并输出至有源组件及功分、开关等耗电设备。电源总质量也由数量和单个质量确定，其单个质量取决于单个供电功率能力和人机工程要求;而所有电源的总功率能力是由载机平台已有的可分配供电资源确定的，因此电源部分总质量可以按单位功率质量进行预估。

4)功分及开关控制等设备主要对有源组件和电源的输出进行合成、分配/切换和雷达顶罩部分的相关控制，以实现多阵面协同/分时切换工作和与雷达舱内部分的传输互联;其总质量取决于单个设备的性能指标和数量。

5)电缆和管网主要是指敷设于顶罩内部的雷达供电、控制、光线、射频及液冷等管线。该部分总质量主要取决于单位长度质量和总长度，而各类管线单位质量由具体传输能力(比如耐功率、最大电流/流量等)，长度则由顶罩内设备的总体布局和走线形式确定。

6)雷达综合安装结构及附件的总质量，则视具体雷达设备结构安装形式而定，并且与平台结构的一体化集成程度密切相关。

1.4.2 平台系统

主要由航空顶罩主结构件(DOME)和透波天线罩(RADOME)组成，如图5所示。DOME结构一般为大型整体金属件，质量主要取决于由全机气动确定的最大外形、结构综合载荷和内部雷达系统的结构安装集成方式。RADOME总质量则取决于单个质量和数量，其中单个质量由罩体复合材料的单位面积铺层材料和形式决定，数量由天线数量决定;最终RADOME的质量可归结为由阵面布局形式(天线口径、数量及布置方式)和透波频率/带宽确定。

图5 两种典型圆盘顶罩形式

1.4.3 其他任务系统

顶罩系统中除了雷达系统外，根据不同需要会布置比如IFF/SSR、卫星通信等其他任务系统，如图6所示。该部分质量较之雷达部分来说相对较少，主要是解决如何与雷达系统在顶罩内的电讯及结构兼容问题。

图6 顶罩内其他任务系统

结合图4和本节分析可以看出，预警雷达顶罩是一个复杂的物理系统。不同类型预警雷达功能和平台约束条件差异较大，系统质量组成要素繁杂，并且相互影响、制约。因此，为了解顶罩系统中主要质量影响因素及由此引起的各体积质量(注:原文为比重，比重是废弃单位，以下按国家标准改为体积质量)变化，有必要进行顶罩系统质量的敏感性分析。

2 质量敏感性分析

2.1 敏感性分析方法

任一顶罩系统，影响其总质量的参数和因素很多，而且这些变量之间的关系一般是非线性和非结构化的，很难直接用一个明确的数学函数来表示，往往是和其他多种因素交织在一起的多级映射关系［5］。其中，某些参数的变化，就引起质量组成的显著改变，可以认为顶罩系统质量对该参数变化反应敏感;而有的参数即使发生较大的变化，质量组成变化也比较微弱，可以认为其对该参数反应迟钝(即不敏感)。因此，敏感性分析就是一种定量描述输入参变量对系统特定总变量的重要性程度的方法。

2.2 敏感性参数选择

对顶罩系统质量而言，敏感性参数往往是重要指标，找出这些重要的指标，分析其对顶罩系统质量的影响，以作为确定及优化雷达顶罩方案的依据。在敏感性分析中，不可能也没必要对所有的参数进行分析，而应根据特定的雷达系统，结合其具体的功能、形式和结构等情况，对一些主要的参数进行分析。

顶罩系统的总重指标主要是由载机平台负载能力决定，针对某种载机平台，必须保证不同顶罩方案下的总重不大于某一上限值。从图4质量影响框图和实际具体分析可知，雷达“构型”和“频带”这两个参数，对雷达及平台主要结构形式、尺寸、质量组成起到关键性决定作用。因此，在尽量保证其他参数一致的前提下，下面选定此两项作为敏感性参数分别进行具体分析。

2.3 应用举例

针对“构型”这个参变量，本文以某椭球圆盘形顶罩为例，按双面和三面两种构型(如图5所示)进行分析。经评估计算，得到图7两种构型的顶罩系统质量组成饼图。

图7 两种构型顶罩系统质量组成

图8为两种构型顶罩质量组成百分比变化对照图。其中天线由于数量及总面积的增加，导致体积质量增加了4%;有源组件随着天线总辐射通道数的增加而数量大幅增加，而实际为了保证顶罩总质量不超限，多面阵系统必要时需进行组件的专/共用合理分配，以减少设备总数量及总质量，这里体积质量上升了6%;由于载机供电一致，因而电源部分变化不大;功分及开关控制等部分由原来1%提升至3%，原因是由于面阵数量增加而引起的系统控制复杂、如有源组件中共用部分的切换设备增加等;电缆及管网的体积质量上升5%，同样是由天线总通道数及有源组件等设备量的增加，加之各设备在DOME空间内分布间隔更大、路径更长，导致以射频、供电、液冷三类为主的管线质量增加;综合安装结构及附件部分差别最大，体积质量相差18%，关键是不同于三面构型，双面构型顶罩存在驱动顶罩旋转的转台部分及用于电、液等信号传输的交连部分，而这两部分的质量占综合安装结构及附件总重的近75%，其他25%为罩内相关设备安装用结构件;平台结构及其他任务系统二者体积质量差别不大，其中虽然三面构型DOME结构质量要大于双面构型DOME质量，但加上各自对应的天线罩总质量后，整体质量基本相当。

图8 两种构型顶罩系统质量组成百分比变化图

以其中的“有源组件”为例，进行具体敏感性分析。双面构型中，由于采用两套天线背靠背分时工作，故只需一套组件通过开关即可满足切换工作，其总质量约1 800 kg。三面构型中，因电讯因素有一套有源组件不满足切换三阵面工作，同时若采用三套组件将突破顶罩质量上限，故这里采用1∶1的专/共用组件比例规划方案。此时，除了组件总数量有显著增多外;由于三面构型中单个天线辐射通道数较双面构型要小近20%，在总输出功率不变的前提下，导致组件内的每个通道功率要相应增加进而组件质量增加。最终，三面构型中有源组件总重达到2 500 kg，较双面构型中组件增幅近40%。

若针对“频带”这个参变量(细分为频率和带宽两个参数)，以某椭球三面构型圆盘顶罩为例，并按高/窄频、中频及低/宽频三种频段系统进行分析。经评估计算，得到图9的顶罩系统质量组成饼图。

对照图10所示三种频带顶罩质量组成百分比变化趋势可以得到:随着频率的降低和频带的加宽，天线和有源组件两部分的体积质量均有所升高，其中有源组件的体积质量最大上升了10%。这主要有两方面原因:1)对应的主要结构尺寸与波长成非线性的正比关系，即可简单理解为频率越低(即波长越长)，相应尺寸越大。2)频带越宽导致后端主要有源器件的性能要求和功率容量越高，也直接导致结构尺寸和质量的较大增加。电源和功分及开关控制等相比前两项对频带变化的敏感性较弱，且各自总质量有限，因此所占顶罩体积质量变化差异不大;电缆及管网和综合安装结构及附件两部分的体积质量仅在4%范围内浮动，该两部分的变化主要是由有源组件、电源等设备的尺寸/数量和安装布局不同而引起的，另外受到各自顶罩系统中某些组成占比较大差异而引起的体积质量变化牵连影响;同样，该原因也能用来解释平台结构及其他任务系统部分的体积质量差异。

图9 三种频带顶罩系统质量组成

图10 三种频带顶罩系统质量组成百分比变化图

同样，以“有源组件”为例，进行具体敏感性分析。高/窄频系统中，有源组件的总质量约1 600 kg。随着频率/频带逐级降低/加宽，导致组件单重逐步增加;且受主要元器件的功率和尺寸的影响，增幅也逐步增加。最终，中频、宽/低频系统中有源组件的总质量分别达到2 500 kg和4 000 kg，较高/窄频系统中组件增幅分别达到56%和150%。这里需要说明的是，为了保证顶罩总质量和罩内布局空间限制，对应三种频带系统的有源组件专/共用规划比例并不相同。

除了“构型”和“频带”两个主要参变量外，影响到顶罩系统质量组成的还有比如“有源组件单台通道数”、“专/共用规划比例”、“多阵面不同频段组合”、“配电及整流划分形式”等变量。但这些变量间的耦合更加复杂、与具体的雷达系统实施方案密切相关，因此本文不作展开分析。

3 结束语

通过以上对顶罩系统的质量组成及其敏感性案例分析，形成以下主要结论:

(1)机载预警相控阵雷达顶罩是规模庞大、组成复杂的系统，受到顶层需求、总体方案和平台能力资源的多维度制约。

(2)该系统主要由雷达系统、平台系统和其他任务系统三大部分组成，其影响质量及组成的参变量数量多、牵涉广、耦合强，暂无可供质量组成参考的通用评估方法。

(3)敏感性分析是一种有效的系统级分析方法。本文对顶罩系统采用此法，优选主要参变量，探寻最佳的质量组成控制方式手段，以获得对雷达方案决策/优化、系统轻量化、工程设计等诸方面的有用结论。

(4)针对相控阵雷达顶罩的具体分析评估，得到“构型”和“频带”是对顶罩质量组成影响的关键参数，尤其对“构型”的敏感性程度更高;另外，该类顶罩系统总重中“雷达”和“平台结构及其他任务系统”分别约占60%和40%(偏差±5%)。

上述结论将对相关雷达系统的方案论证、详细设计及具体的系统质量控制，提供一定的参考及借鉴作用。

［1］ 陈国海.下一代预警机雷达技术［J］.现代雷达，2010，32(3):1-4.Chen Guohai.Technologies for next generation airborne early warning radar［J］.Modern Radar，2010，32(3):1-4.

［2］ 路 军，郦能敬，曹 晨，等.预警机系统导论［M］.2版.北京:国防工业出版社，2011.Lu Jun，Li Nengjing，Cao Chen，et al.Introduction to air borne early warning system［M］.2nd ed.Beijing:National Defense Industry Press，2011.

［3］ 李玉峰，秦 昆.机载预警雷达结构总体技术研究［J］.现代雷达，2013，35(8):89-92.Li Yufeng，Qin Kun.A study on system structure of AEW radar［J］.Modern Radar，2013，35(8):89-92.

［4］ 张润逵，戚仁欣，张树雄，等.雷达结构与工艺［M］.北京:电子工业出版社，2007.Zhang Runkui，Qi Renxin，Zhang Shuxiong，et al.The structure and technics of radar［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2007.

［5］ 周智超.面向武器装备系统效能的敏感性分析［J］.火力与指挥控制，2013，38(2):98-102.Zhou Zhichao.Sensitivity analysis of oriented to system effectiveness of weapons and equipment［J］.Fire Control ＆Command Control，2013，38(2):98-102.