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一体化桅杆

归档日期:11-07       文本归类:导航雷达      文章编辑:爱尚语录

  维斯比护卫舰(导弹艇??)和DDX都把雷达和各种电子设备整合到一起,圣安东尼奥级两栖坞登也采用了简洁的一体化桅杆,一体化桅杆有何优点?有何难点?...

  维斯比护卫舰(导弹艇??)和DDX都把雷达和各种电子设备整合到一起,圣安东尼奥级两栖坞登也采用了简洁的一体化桅杆,一体化桅杆有何优点?有何难点?

  展开全部严格来说DDX不是一体化桅杆,而是整体综合式上层建筑。 而维斯比护卫舰和圣安东尼奥级两栖坞登则是一体化桅杆。 随着现代作战舰艇探测设备、通信设备及电子战设备的增加,其电磁兼容和电磁隐蔽问题日益成为影响舰艇作战效能和生存能力的主要问题.为此,针对各种不同探测、通信及电子战设备研究设计一种多功能复合隐形桅杆势在必行. 所以现在世界上的海军强国都开始研究一体化桅杆。 一体化桅杆又叫 “ 封闭式桅杆/传感器系统”。也称“隐身桅杆”,它是将各种雷达、通信天线设计成平面式或球形阵列天线,组成一体化的封闭式综合传感器桅杆结构,它将取代挂满各种鞭状、条状天线和各式彩旗的传统式桅杆型式。封闭式桅杆设计中最关键的技术难点是电磁干扰,因此,材料选择十分关键。除英国以外,美海军在圣·安东尼奥级(LPD-17)两栖运输舰上装备的封闭式桅杆也采用了频选材料。 AEM/S具有两种用途:支撑和保护舰艇的传感器。它起到了传统桅杆的结构支撑作用,此外,还能够使各种装置和雷达免受干扰。该桅杆的新功能是通过复合频率选择层来实现的,该频率选择层能够阻塞敌方雷达信号,并可使非敌方雷达信号和通信信号顺利地通过。 AEM/S将替代海军使用了100多年的传统桅杆。这种桅杆将成为雷达和通信天线设备的一个组成部分,该桅杆将提高系统的性能和减少维护成本,并发挥舰艇的最大能力。 自冷战结束以后,世界形势发生了重大变化。各国海军 的任务和其受到的威胁也发生了很大的变化,不再是远海作 战,而重点已转到近海区域作战,即所谓的“濒海作战”。近十 多年来爆发的局部战争,如海湾战争,科索沃战争及伊拉克战 争都是”濒海作战”的例子。两栖战,海上封锁、区域导弹防御 和对陆支援已成为!&世纪海军的典型新任务。这些新的变 化,以及高新技术越来越多的用于水面舰艇。特别是电子信 息设备的急速增加,这就导致了严重的电磁干扰(MJ)和电 磁兼容问题。这就要求必须寻求一种新的设计方法和技术, 既可实现新的技术,又要防止由其相互作用出现的问题。因 此,国外不少国家相继开展了舰艇集成化上部结构及相关技 术的研发工作,并取得了巨大的进展。 舰艇集成化上部结构设计的主要目的是使舰艇整个平台 性能最佳而不是分系统性能最佳,追求分系统性能最佳通常 会导致整个舰艇平台欠佳。就目前的发展情况来看,实现集 成化上部结构可获得突出的总体性能的提高,彻底改变了长期以来的舰艇上部结构的面貌;减少了舰艇上部结构的重量;舰艇的整个电磁干扰和电磁兼容性得到巨大改善;提高舰艇隐身性,尤其是雷达截面积的减少十分明显。 因此,不少国家把集成化上部机构视为!&世纪水面舰艇的重要目标之一。美国正在进行研制的DD(X)驱逐舰决心采用集 成化上部结构联合孔径天线布局。荷兰QRS物理电子研究所提出的集成化上部结构设计概念舰。集成化上部结构是!&世纪水面舰艇的重大变革之一,许多国家正在从设计方法,关键技术等方面开展研究,并取得一些重大突破。有的技术已用在新建造的舰艇上。 本文将以美国海军为代表,就当前集成化上部结构的发展情况作些介绍。 & 舰艇上部结构的发展及当前存在的问题 水面舰艇上部结构是信息流、武器发射、补给及其他与外 部环境相互作用发生的地方,长期以来一直是人们极为关注 的设计和技术问题,而且随着舰艇作战任务的要求和新的武 器电子设备的发展而发展。现代舰艇发展初期,大约从马汉制海理论的提出,世界各国强调发展的战列舰,舰上的武器主要是舰炮,因此,这个时期水面舰艇上部结构的主要特征是沿中心线布置、优势火力和多座炮塔的上部结构。直到第二次世界大战结束,“舰炮”的上部结构虽然由于电子设备的增加,使舰艇中心垂向位置升高,为了解决此问题,水面舰艇采用了比较坚固的三角桅杆,水面舰艇作战能力有了很大提高,但舰艇一直未发生根本性的变化。 在1946~1991年的冷战时期,因核潜艇、喷气式飞机和导弹联合威胁的影响,水面舰艇上部结构发生重大变化,作战能力也有巨大的提高。各种系统安装越来越多的天线形成了上部结构独特的几何形状,舰艇上部结构的三角轮廓得到发展,以便解决电子设备360的覆盖问题。当相控阵雷达和垂直发射技术出现后,舰艇上部结构面貌才明显改进。冷战结束后,由于海战形势发生了重大变化和信息技术的发展,为水面舰艇面临的挑战提出新的解决方案,这就是前面提到的集成化上部结构的设计与技术问题。 当前舰艇上部结构存在的主要问题有: (1)再也找不到安装新增天线的位置;($)()信号的遮蔽和阻碍严重; (2)上部结构重量增加,体积增大,出现严重力矩问题;(+)维护和修理 费用增加; (3)电磁干扰严重,电磁兼容性差; (4)舰艇的雷达截面积增大。这些都是关系到舰艇战斗力和生命力的急待解决的问题。 $ 水面舰艇集成化上部结构的发展 20世纪中期,针对现代水面舰艇上部结构存在的问题,许多国家相继提出并着手集成化上部结构设计及关键技术的研发工作,而且已经取得一些突破性进展,对21世纪新设计的水面舰艇上部结构提出种种设想及设计方案,制定许多发展计划,集成化上部结构将成为21世纪水面舰艇重要标志,是水面舰艇上部结构的一次重大变革。 实现舰艇集成化上部结构除需要采用新的设计方法外,更需要多项关键技术的支撑,其中包括多功能有源相控阵雷达的发展;先进封闭式桅杆0传感器系统技术;多功能电磁辐射系统;难发现多功能烟囱;先进多功能射频系统;复合材料技术等。 舰载多功能有源相控阵雷达 雷达是舰上重要电子设备,随着武器装备的发展,其数量 和体积不断增加是影响舰艇上部结构设计的重要因素之一。 为减少雷达数量和减轻笨重天线系统,舰载多功能有源相控 阵雷达的发展已成为集成化上部结构设计发展的重要方面。 舰载多功能雷达是将搜索功能、跟踪功能和武器制导功 能综合为一体的雷达,主要用于区域防御和近程点防御。一 部舰载多功能雷达能代替多部功能单一的雷达,从而 减少了舰艇雷达的数量,解决了以往众多舰载雷达相 互干扰和反应时间长的问题。 随着相控阵技术、信号处理、计算机技术的发展 及数字移相器的引入,为研制可同时实施目标搜索、 多目标跟踪和武器制导的舰载多功能雷达提供了条 件。近年来,由于单片微波集成电路(3367)技术的 飞速发展并取得了突破性的进展,使收0发(% 0 ()组件 和数字波束形成(8))接收机成本大幅度下降,极大 地推动了舰载多功能相控阵雷达的发展,使固态有源 相控阵雷达在军舰上普及成为可能。从西方各海军 强国的新一代雷达装舰情况看,固态有源相控阵雷达将是未 来舰载雷达的主要发展方向。随着首批舰载固态有源相控阵 多功能雷达(3)()研究成果的积累,领先的西方海军正着手 准备革命性地转向这种新一代水上作战传感器。加拿大、德 国、荷兰、英国以及美国都已完全掌握了以有源阵列为基础的 多功能雷达技术。这些国家的海战专家相信在不确定因素不 断增加和威胁更紧迫的军事环境下,这种类型的雷达将优于 传统的雷达系统,可以明确地讲,多功能有源相控阵雷达将成 为未来舰载雷达的最佳体制。为此,美国海军还专门制定了 “雷达路线)系统 先进封闭式桅杆0传感器(123 0 4)系统是美海军集成化 上部结构设计的重点之一。研究重点是解决高频话音和数据 传输的天线问题,以及封装雷达的可能性。 123 0 4系统的设计采用一种自撑式封闭的桅杆结构。 这种桅杆结构的壳体由先进的复合夹层结构材料构成,它可 保护所有的内部甲板、天线和电缆通道。在这种复合材料夹 层里嵌入了具有过滤电磁波特性的频率选择层())4)。该过 滤层的突出特点是允许发射和接收预定的频率,同时滤除敌 方雷达信号。将这些电磁特性设计到复合材料夹层结构中, 使这种桅杆结构能有效减少雷达截面积。 123 0 4系统有许多优点。首先,可为传统天线系统提供 信号特征控制,提供了目前减少舰艇雷达截面积的一种方法。 其次,许多正研制的新型天线系统都计划使用相控阵天线结构的平面特性为安装这些未来的天线系统提供了 必要的平坦表面。而且由于封闭式舰载天线很少发生信号阻 塞,其性能明显优于传统金属桅杆。另外,由于封闭式天线不 直接暴露在不利的天气、风载荷、盐水或烟道气下,减少了天 线的维护工作,维护工作的减少直接降低了舰艇全寿期成本。 美国海军已成功研制了先进的封闭式桅杆系统,并在“雷 福德”号驱逐舰上进行海上测试,图*为123 0 4系统先进技 术演示(1%)构形,这种全复合、自支撑式壳体约高!..9:、直 径*-9:、重+.:。该系统安装在; !=两栖船坞登陆舰上。 $ 5 *多功能电磁辐射系统(32(4) 多功能电磁辐射系统设计的目标是将特高频(?))视距 通信、甚高频(@?))视距通信、敌我识别(6)))、联合战术信息 分配系统(A%64)和作战测向(7))四种天线合并成单个天线 结构。开发这种技术的目的是使直视通信天线系统激增的情 况明显减少,新增线路不再需要增加新的天线,这就会使舰船 上部结构重量减轻、体积减小、雷达截面积减小、电磁干扰和 天线阻塞大大减少。 自(()年以来,美国海军先后完成$#*&计划的理论设 计和系统开发、天线系统研制、全比例演示等过程。经过几年 来$#*&计划的发展,美国海军已取得重大突破,并完成了 $#*&系统海上实验,从而用$#*&系统取代了以前的四大系 统。这也是舰艇集成化上部结构设计的重要突破之一。 +,-难发现的多功能烟囱(.$&) “难发现的多功能烟囱”设计是舰艇集成化上部结构设计 的重点之一。这种多功能烟囱解决了如排气系统红外辐射、 降低舰壳和机电设备的雷达截面的上部结构信号特征问题, 同时,将多功能阵列卫星通信天线安装到甲板舱室结构中。 特别值得一提的是,该.$&项目演示了两套由低信号特征复 合结构封闭起来的先进排气抑制系统,其封闭式结构中装入 了两套嵌入式天线系统,可为现有服役海军战斗舰艇提供- 条卫星通信链路,即特高频卫星通信、极高频卫星通信、全球 广播系统(/0&)和国际海事卫星通信。 美国海军的“难发现的多功能烟囱”概念如图-所示,该 多功能烟囱已装在海军的一艘舰上进行了海试,它为集群通 信天线提供低识别雷达截面积的安装面。当.$&的先进技 术开发完成时,将取代五个分离的卫星通信蝶形天线,不仅减 小雷达截面积,而且同样也减少了舰艇上部结构的拥挤。 +,1先进多功能射频系统 $*2&技术是集成化上部结构关键技术之一。各国海 军基于舰艇天线数量不断增加的情况和未来舰艇的功能需 求,提出了先进多功能射频系统的概念,先进多功能射频系统 结合了雷达、通信和电子战能力,可大量地减少所需要的上部 结构天线数量。换句话说,就是把当前舰艇上的体监视%跟 踪、水平搜索和跟踪、火控系统%照射、对空搜索和跟踪、对空 交通管制、电子监视、电子攻击和部分通信系统的天线系统最 终结合到一部射频系统中,即将各系统按频率和功能分组之 后集成。这将是射频技术上的一次重大突破。 采用$*2&将减少舰艇电子设备所存在的问题,并提供 如下的几方面的好处:减少了全寿期成本;减少信号特征;增 加了硬件资源分配的灵活性;通过减少质量、尺寸、体积和天 线的数量,改进舰艇上部结构传感器的设计;提高设备的生命 力;增强电磁兼容性;不断提高原有系统作战能力;减少或消 除电磁阻塞,保障射频系统的初始性能;由于射频系统集成多 种功能,减少了系统各功能之间的切换时间。 在研制开发方面,美国海军已做了大量的前期 研究工作,同时,英国、法国、瑞典、荷兰等国也投入相当大研 发力量进行这方面深入的研究。 美海军的政府部门联合工作组已提出的关于七个方面的关键支撑技术(不按优先级顺序排列)包括:辐射单元天线阵列结构;发射%接收隔离;固态模块和部件;直接数字式频率合成;模%数转换器;真时延;动态资源分配与管理最佳化。 3 复合材料 复合材料是用两种或多种组分按一定方式组合而成的材 料,它的许多性能都优于单组分材料。先进复合材料是指用 纤维、织物、晶须及颗粒等增强基体材料所制成的高级材料。 按基体材料的不同,先进复合材料可分为树脂基复合材料、金 属基复合材料、碳基复合材料、陶瓷基复合材料;按增强剂不 同,可分为纤维增强复合材料、晶须增强复合材料等。按功能 又可分为导电复合材料、导磁复合材料、阻导复合材料、屏蔽 复合材料等。 随着对舰艇隐身性要求的提高,各国海军都在不断研究 新型的舰艇隐身复合材料。舰艇隐身复合材料包括涂敷性吸 波材料、结构型复合吸波材料及有源吸波材料等。吸波材料 的机理是使入射电磁波能量在分子水平上产生振荡,转化为 热能,有效地衰减雷达回波强度。按吸收机理不同,可分为吸 收型、谐振型和衰减型三大类。目前,国外还在不断研究新的 吸波材料,如:具有螺旋结构、旋光性结构并利用其旋光色散 特性吸收电磁波能量的特性聚合材料;具有极好吸波特性的 纳米隐身材料;具有轻质宽频带特性的导电高聚物材料;靠涡 流损耗和磁滞损耗来降低电磁波辐射的多晶铁纤维吸收材 料;具有感知功能、信号处理功能、自我指令并对信号作出最 佳响应的新型智能型隐身材料等。美国海军建造的先进封闭 式桅杆(#$%&)就采用新型的吸波材料技术,利用其先进的 信号处理功能进行信号(或频率)的选择。 !结语 集成化上部结构设计技术已成为海军舰艇发展的关键, 引起了许多国家海军和有关工业部门的高度重视。几年的研 究开发说明,该项综合技术虽然复杂,涉及许多学科,但其发 展方向明确,而且其研究成果正在转变为产品,它将使新世纪 水面战斗舰艇上部结构发生重大变革。 两栖船坞运输舰圣·安东尼奥号(LPD 17)日前安装了高83.7英尺(约25.5米)的船尾先进封闭式桅杆/传感器系统(AEM/S)。该舰是首艘安装有两部革命性桅杆的舰。诺斯鲁普·格鲁曼船舶系统公司在格尔夫波特的工厂制造了圣·安东尼奥号艏艉两部AEM/S系统。舰艏部的AEM/S系统已于2003年4月28日装到舰艇上。 舰艏部桅杆将支撑SPQ-9B水平搜索雷达,并封闭各种通信天线系统,减少直接暴露在外时受空气和盐水的影响。艉部较高的AEM/S封闭了SPS-48E 三坐标对空搜索雷达、附带的传感器和天线系统。 优点:减小雷达截面、内倾式上层建筑以及内置有集成式孔径天线的全封闭式桅杆,而且在高度更低。为尽量减少舰体的雷达截面积,达成全面隐身的目的,将声、热、电磁等信号特征降低到可能达到的最低限度, 进一步实现了将全舰探测、通信系统有机整合的“孔径集成”,这样做的好处是将散落于舰体各处的探测器、天线集中起来,既降低了雷达反射截面积,又较好地解决了电磁兼容问题。 缺点:电磁兼容设计难度大,先进多功能射频系统、复合材料技术难以解决!

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