许家民，张 垒，郭月霞

(南京恩瑞特实业有限公司， 江苏 南京 211100)

基于风洞试验的二次雷达天线风载特性研究*

许家民，张 垒，郭月霞

(南京恩瑞特实业有限公司， 江苏 南京 211100)

天线工作时经常受到风载荷作用而产生风力矩，该力矩决定天线驱动电机的功率和安装基础的扭转负载大小。文中通过安装风力平衡板对天线风载特性进行了研究。首先测出了天线不同方位转动中心的风阻力和风力矩系数，然后在天线背面安装风力平衡板进行试验，最后通过试验确定平衡板的最佳安装位置，有效减小了方位风力矩系数。该研究可为航管二次雷达天线的设计提供参考。

风洞试验；天线；风载特性

引 言

天线作为雷达的一个重要部件，经常会工作在露天环境下，因此必然会受到风载荷的作用，且风载荷是天线所受的重要载荷之一。天线受风载荷影响而产生方位风力矩，该力矩的大小决定驱动电机功率和天线塔扭转负载的大小。通过合适的方法减小方位风力矩，可以降低天线驱动电机功率，减小天线安装基础的扭转负载，提高雷达探测精度。

天线风载荷一般通过理论计算获得，而理论计算中的风阻力和风力矩系数是凭借经验选取的，不同结构形式的天线选取的系数存在误差。目前，对该结构天线的风载特性研究常用CFD数值风洞仿真，通过优化天线本身的结构造型、材料选择等方法来减小方位风力矩，而这些方法大多具有加工工艺性差、成本高等弊端。本文基于风洞试验，通过选择合适的转轴位置和安装风力平衡板的方法来减小方位风力矩。

1 天线结构及风载特性概述

二次雷达天线为大垂直口径平面开放式阵列形式，外形尺寸为8 120 mm × 643 mm ×1 710 mm(宽 × 深 × 高)，重约400 kg。天线的正面是35组等间距排列的列馈和反射杆，天线箱体背面中心是小型化背馈，天线实物如图1所示。

图1 二次雷达天线

二次雷达天线工作时安装在独立转台上或一次雷达天线上端，其工作状态表现为绕固定轴旋转。天线常在露天环境下工作，风载荷应是其考虑的一种主要载荷。在进行强度计算和驱动功率选择时，风载荷往往起着决定性的作用。另外，在高架可移动式二次雷达研制中，天线架高后，研究天线支撑平台的稳定性必须要考虑风载特性。

研究表明，天线的风力矩与风向角有关，在某些方向角位置上风力矩较大，采取适当的措施，可以使峰值力矩减小[1]。常用的减小风力矩的方法如下：

1)通过合理的结构形式设计来减小风力矩，比如以孔板、栅条或网格替代实体反射面，合理选择反射面支撑背架的形式和构件外形[2]。

2)合理选择转轴位置。风力矩与转轴的位置有很大关系，合理选择转轴位置，可以使风力矩减小。通常，选择转轴位置需要考虑最佳风力矩中心、重心、旋转中心的三心合一[3]。

3)增加风力平衡板。在某些情况下，可以采用加风力平衡板的方法来减小峰值风力矩，使回转风力矩趋于均匀。

该天线列馈的形状在结构设计时已充分考虑到减小风阻这一点，因此本文通过在天线箱体上安装一副对称的风力平衡板，来减小风载荷带来的方位力矩，从而降低天线驱动电机功率和对天线支撑平台的载荷，提高支撑平台的稳定性及雷达探测精度。

2 风洞试验介绍

2.1 试验模型

根据二次雷达天线的结构形式，结合风洞试验的要求，在保证外形结构相同的情况下，本次风洞试验的模型缩比为1∶10，包括天线阵面、箱体、V型支架和安装底盘。模型天线的阵面长812 mm，高171 mm。

为研究增加风力平衡板后天线的风载特性，设计了2种大小不一的风力平衡板，由薄铜片制成，尺寸分别为34 mm × 60 mm(长 × 宽)和34 mm × 40 mm(长 × 宽)。平衡板安装在天线箱体上，左右对称，与天线阵面的夹角可以调整，试验选用的平衡板偏角为30°和40°。

2.2 试验方法

本次试验选用NH-2型串置双试验段闭口回流风洞，小试验段的主要技术性能为：尺寸3000mm×2500mm×6000mm(宽×高×长)；进口截面积7.18 m2； 最大风速90 m/s； 最小稳定风速5 m/s；平均风流偏角Δα≤±0.1°，Δβ≤±0.1°；紊流度ε≤0.1%～ 0.14%；模型区速度场系数Δμ≤ 0.5%。试验选用塔式六分量机械-应变天平进行测量，该天平的载荷系数重复性精度均方差为0.000 3。试验天线模型结构如图2所示。

图2 试验天线模型结构

从模型强度考虑，本次风洞试验的风速为25 m/s和32 m/s，通过风洞机构转动代替风向角，试验模型风向角范围为0°～ 360°，每间隔10°测量一次模型的气动力。由于模型较小，洞壁对模型测力结果影响很小，因此本次试验无需进行风洞洞壁干扰修正。

试验模型通过一个过渡接头连接到天平上，试验前先对该接头进行测试试验，其结果作为支架干扰量。由于发现该接头所产生的干扰量不稳定，因此最终试验时模型直接连接到了天平上。风洞试验过程如图3所示。

图3 风洞试验过程

试验前，先通过基本模型状态试验来确定最优试验状态。在选择不同的风速进行试验时，发现风速为32 m/s时的试验曲线比风速为25 m/s时的平滑。考虑到模型太小、空气动力很小、风速较大时试验结果相对误差较小等因素，确定本次试验风速为32 m/s。

2.3 试验过程

本次风洞试验在32 m/s风速环境下选择不同的天线状态进行，先后选择了不同旋转中心、不同大小平衡板以及相同平衡板不同安装位置的气动力进行测量，试验测出了最大风力矩及其所在位置。不同状态下的试验数据见表1。

表1 风速为32 m/s时不同状态下的试验数据

3 试验结果分析

首先通过基本模型状态试验，确定最优试验状态。图4为不同风速下气动力曲线图。由图4可知，风速为32 m/s时的试验曲线比风速为25 m/s时相对平滑，因此确定本次试验风速为32 m/s。图5为不同转动中心气动力曲线图，通过比较发现转轴O比转轴A的力矩系数均方根值小，因此选择转轴A为最优转轴中心。图6为和图7分别为平衡板大小及偏角影响试验结果曲线图。从图中可看出，有无平衡板对模型的风阻系数影响不大，但对方位力矩系数影响较大。无平衡板时，模型方位力矩系数均方根为0.01159；安装大小为34 mm × 40 mm的平衡板时，模型方位力矩系数均方根为0.00722，方位风力矩系数均方根值减小了37.3%。

图4 不同风速下气动力曲线图

图5 不同转动中心气动力曲线图

图6 不同大小平衡板气动力曲线图

图7 不同角度平衡板中心气动力曲线图

通过试验，最终确定在天线背面箱体上左右对称位置、距天线阵面对称中心3 260 mm处，安装4个大小为340 mm × 400 mm(宽 × 高)的风力平衡板，平衡板与天线阵面中轴面偏角为30°。安装后能使静态风力矩(均方根)降低37.3%，总风力矩减小约6%。

4 安装风力平衡板后天线结构仿真分析

天线箱体是天线结构的主要承力构件，设计时有必要对其进行刚强度校核。这里按正常工作风速32 m/s的工况进行有限元分析，比较安装风力平衡板前后天线结构性能的变化。建模时，天线上的面板简化为板单元，方管为梁单元，列馈、反射杆作为质量元，馈电网络作为载荷。

天线安装风力平衡板前后的应力云图如图8和图9所示，变形矢量云图如图10和图11所示。因受风阻力，天线在水平方向出现两侧向后弯曲的现象，安装风力平衡板前后天线箱体的最大变形和最大应力均变化不大，计算出的阵面变形对天线的电性能影响也不大，能够满足雷达电讯性能要求。由此可见，安装风力平衡板对天线的刚强度及电讯性能不会产生影响。

图8 安装风力平衡板前的应力云图

图9 安装风力平衡板后的应力云图

图10 安装风力平衡板前的应变云图

图11 安装风力平衡板后的应变云图

5 结束语

风洞试验作为研究风载特性的有效手段，能直观地测出天线在不同状态下的风载特性。本文利用风洞试验，测出了二次雷达天线不同方位转轴和不同风力平衡板的风阻力和风力矩系数。结果表明，在合适的位置安装风力平衡板对改善二次雷达天线风载特性有很好的效果。该研究可为长方形天线的设计及风载特性研究提供参考。

[1] 叶尚辉, 李在贵. 天线结构设计[M]. 西安: 西北电讯工程学院出版社,1986.

[2] 张润逵. 雷达结构与工艺[M]. 北京: 电子工业出版社, 2004.

[3] 罗超人. 大型相控阵雷达天线系统“三心合一”设计的研究[J]. 现代雷达, 2000, 22(4): 58-61.

许家民(1981-)，男，硕士，高级工程师，主要从事雷达结构总体设计工作。

Research on Wind Load Characteristics of Secondary SurveillanceRadar Antenna Based on Wind Tunnel Test

XU Jia-min，ZHANG Lei，GUO Yue-xia

(NanjingNRIETIndustrialCo.,Ltd.,Nanjing211100,China)

The wind torque is generated under the wind load when the antenna is working. It decides the power of the driving motor and the torsion load of the antenna base. In this paper the wind load characteristics of the antenna is researched by fixing the wind balance boards. Firstly, the coefficients of wind resistance and wind torque at different azimuth rotation centers are measured; secondly, experiments are carried out by fixing the wind balance boards on the back of the antenna; finally, the best fixing position of the wind balance boards are obtained by experiments. As a result, the coefficient of the azimuth wind torque is reduced. This can be used as a reference for the design of air traffic control secondary surveillance radar antenna.

wind tunnel test; antenna; wind load characteristics

2015-12-24

TN82

A

1008-5300(2016)03-0011-04