Антенная система со стабилизированной плоскостью вращения обзорного корабельного радиолокатора

Изобретение относится к области радиолокационной техники и может быть использовано при построении или модернизации обзорных радиолокаторов, размещаемых на корабле или других качающихся объектах. Техническим результатом является снижение массогабаритных характеристик и стабилизация плоскости вращения антенной системы при скоростях вращения системы более 30 об/мин. Сущность изобретения состоит в том, что антенная система выполнена в виде уравновешенного относительно пересечения осей ее вращения гироскопа. Антенная система обладает гироскопическим эффектом за счет кинетического момента вращения всей системы в целом. В качестве исполнительных элементов коррекции плоскости вращения используют соленоиды-датчики импульсов силы, а в качестве информационных элементов коррекции - датчики сигналов управления коррекцией плоскости вращения. 1 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области радиолокационной техники и может быть использовано при построении или модернизации обзорных радиолокаторов, размещаемых на корабле или других качающихся объектах.

Уровень техники

Скорость вращения антенных систем обзорных корабельных радиолокаторов со временем, от образца к образцу, возрастает. Это связано с требованием повышения темпа обновления информации радиолокатора. Прежде достаточно было периода 10 с, затем 5 с, а теперь, в многофункциональном радиолокаторе на быстровращающихся антеннах, 0,5 с. Этот темп и скорость вращения уже на порядок выше. При этой скорости вращения не применим традиционный силовой способ стабилизации антенной системы по качкам. Его суть состоит в том, что плоскость вращения антенной системы стабилизируется в плоскости горизонта электродвигателями через систему редукторов и приводов [Ханевский Г.С. Механизмы вращения антенн. - М.: Советское радио, 1951. - 191 с.].

При высоких скоростях вращения (порядка 120 об/мин) появляются существенные недостатки силового способа. Быстровращающаяся антенная система обладает кинетическим моментом, который придает ей свойство сохранять плоскость своего вращения и сопротивляться ее перемене, то есть свойство гироскопа. Привода не могут работать без ошибки, она пропорциональна ускорению углов качки. Привода не успевают за движением антенной системы-гироскопа, сопротивляются ее безошибочному движению. Антенная система, натыкаясь на препятствия, прецессирует и, прикладывая момент от прецессии к валам приводов, в свою очередь затрудняет их работу. В результате антенная система-гироскоп и привода мешают друг другу взаимно.

Для устранения возникших проблем необходимо отказаться от силовых приводов стабилизации. Существуют несколько технических решений в области стабилизации антенных постов, в которых не предусмотрено использование силовых приводов, а именно:

1. Патент РФ №2125326, 20.01.99, Бюл. №2, автор Виноградов Л.Г. Стабилизированная зеркальная антенна судовой РЛС, H01Q 1/34.

2. Патент РФ №2205476, 27.05.2003, Бюл. №15, автор Виноградов Л.Г. Самостабилизирующее устройство для антенных постов радиолокационных станций и других датчиков судовой радиоэлектронной аппаратуры, Н01Q 1/18.

3. Патент США №3893123, 1.07.1975, автор Albert H. Bieser, Стабилизированная за счет совместного использования гироскопа и маятника платформа антенной системы, 343/706, Н01Q 3/00.

В патенте РФ №2205476 предложено самостабилизирующееся устройство, в котором стабилизация осуществляется с использованием свойств маятника за счет веса антенного поста. Антенный пост подвешен на мачте «вниз головой». Недостатком такого маятника является то, что поступательные движения мачты при качках приведут к качанию системы-маятника, что в свою очередь приведет к нарушению стабилизации плоскости вращения антенной системы. Кроме того, мачта перекроет значительный сектор обзора, что недопустимо для обзорных РЛС.

В стабилизированной зеркальной антенне судовой РЛС, предложенной в патенте РФ №2125326, также используются свойства маятника, но она лишена недостатка выше рассмотренного технического решения, а именно - сектор обзора ничем не перекрыт, т.к. предполагается установка на мачте сверху. Недостаток тот же - поступательные движения мачты при качках приведут к качанию системы маятника, что в свою очередь приведет к нарушению стабилизации плоскости вращения.

Стабилизированная за счет совместного использования гироскопа и маятника платформа антенной системы, заявленная в патенте США №3893123, лишена недостатка рассмотренных выше технических решений, так как в конструкцию платформы введен гироротор. Приводимый в быстрое вращение мотором, гироротор приобретает гироскопический момент, который препятствует раскачке системы-маятника, демпфируя колебания.

Стабилизированная платформа по патенту США выбрана нами в качестве прототипа заявляемого стабилизированного антенного поста обзорного радиолокатора.

Из описания заявленного в патенте устройства следует, что под неподвижным радиопрозрачным кожухом устанавливается на стабилизированную платформу антенный пост любой существующей конструкции. При этом конструкция антенного поста остается неизменной.

Стабилизированная платформа представляет собой площадку, имеющую возможность сохранять горизонтальное положение за счет использования карданного подвеса, внешняя ось которого укреплена в верхней части неподвижного металлического кожуха, установленного на мачте или на надстройке судна. Снизу площадки укреплен металлический кожух с присоединенным мотором, вертикальная ось которого расположена по центру подвижной системы карданного подвеса, стабилизированной платформы и устанавливаемого на платформе антенного поста РЛС. Ось мотора проходит в отверстие кожуха внутрь кожуха. Внутри кожуха на оси мотора укреплен гироротор, приводимый во вращение мотором.

Соосно оси мотора и ротора снизу мотора укреплен нарезной штырь, на который наворачивается и стопорится снизу гайкой груз, обеспечивающий сохранение платформой с устанавливаемым на ней антенным постом РЛС в статике горизонтального положения. Масса груза и его расстояние ниже осей карданного подвеса платформы должны обеспечивать расположение центра тяжести всей подвижной системы ниже центра оси карданного подвеса платформы. Для повышения точности стабилизации платформы за счет силы земного притяжения используется указанный гироротор, приводимый в быстрое вращение мотором.

К недостаткам стабилизированной платформы по патенту США, выбранной нами в качестве прототипа, следует отнести недопустимо большие массогабаритные характеристики, в том числе из-за использования вспомогательных узлов и механизмов для стабилизации платформы. А именно:

- для уравновешивания конструкции и придания ей свойств маятника используется противовес;

- для стабилизации платформы используются мотор и гироротор.

Заявленная в указанном патенте США стабилизированная платформа имеет следующие общие с предлагаемым антенным постом признаки:

- стабилизированная платформа, имеющая карданный подвес;

- система обладает гироскопическими свойствами;

- наличие колпака.

Правильнее использовать гироскопические качества самой быстровращающейся антенной системы и использовать кинетический момент антенной системы для сохранения плоскости ее вращения.

Раскрытие изобретения

Суть предлагаемого способа стабилизации плоскости вращения антенной системы состоит в использовании гироскопического эффекта быстровращающейся антенной системы. Оси карданного подвеса антенной системы свободны, на них нет приводов - им ничего не мешает вращаться. Независимо от ускорения в угловом перемещении основания, на котором подвешена антенная система, антенная система-гироскоп сохраняет свое положение неизменно. Этот результат получается без затрат энергии.

Чтобы реализовать гироскопический способ стабилизации, конструкцию антенной системы выполняют в виде симметричного уравновешенного гироскопа с внутренним карданным подвесом, при этом центр масс гироскопа находится в центре симметрии карданного подвеса и антенная система в целом обладает гироскопическим эффектом за счет кинетического момента вращения системы.

Антенная система закрыта колпаком сферической формы для исключения сообщения элементов конструкции с воздухом и минимизации действия ветра. Колпак жестко связан с антенной системой и вращается вместе с ней - этим обеспечивается значительное снижение воздушного сопротивления вращению.

В качестве исполнительных элементов коррекции плоскости вращения антенной системы используются соленоиды-датчики импульсов силы, воздействующие на карданные кольца импульсами силы длительностью 0,1 с. В качестве информационных элементов коррекции используются: нуль-датчики - индикаторы горизонта, которые размещаются на карданных кольцах бортовой и килевой качек и служат датчиками сигналов управления начальной установкой плоскости вращения антенной системы в плоскость горизонта на стоянке корабля и лазерные датчики угловых скоростей дрейфа антенной системы, размещаемые на карданных кольцах бортовой и килевой качек и используемые в качестве датчиков сигналов для управления коррекцией плоскости вращения во время работы.

Для начальной установки плоскости вращения АС в плоскость горизонта в условиях хода и качки корабля используется информация от корабельного гиро-азимут-горизонта.

Внедрение предлагаемого изобретения призвано решить задачу стабилизации плоскости вращения антенной системы обзорного качающегося радиолокатора в связи с повышением скорости вращения более 30 об/мин, что продиктовано необходимостью повышения темпа обновления информации радиолокатора.

В предлагаемом способе стабилизации плоскости вращения антенной системы обзорного качающегося радиолокатора используется карданный подвес, что является общим признаком с ближайшим аналогом.

Отличие состоит в том, что антенную систему выполняют в виде симметричного, уравновешенного относительно точки пересечения осей вращения и подвеса гироскопа симметричной, близкой к сферической, формы и используют кинетический момент антенной системы для сохранения плоскости ее вращения. При этом в качестве исполнительных элементов коррекции плоскости вращения используются соленоиды-датчики импульсов силы, а в качестве информационных элементов коррекции - нуль-датчики и лазерные датчики угловых скоростей дрейфа антенной системы.

Внедрение предлагаемого гироскопического способа стабилизации обеспечит следующие преимущества над прототипом:

- на стабилизацию не требуется затрат энергии, только на коррекцию плоскости вращения;

- для стабилизации плоскости вращения не требуются дополнительные устройства и механизмы, так как антенная система стабилизируется за счет своего вращения;

- снижены массогабаритные характеристики антенного поста, так как из конструкции исключены дополнительные устройства - гироротор с его приводом и двигателем, противовес и его регулируемый подвес;

- динамическая ошибка стабилизации равна нулю, а в прототипе неизбежно возникают нарушения стабилизации стабилизированной платформы вследствие переносных ускорений всей системы, выполненной в виде маятника.

В сравнении с наиболее распространенным силовым способом стабилизации внедрение предлагаемого гироскопического обеспечит следующие преимущества:

- существенное повышение темпа обновления информации радиолокатора за счет увеличения скорости вращения антенной системы;

- нет необходимости в приводах стабилизации;

- на стабилизацию не требуется затрат энергии, только на коррекцию плоскости вращения;

- динамическая ошибка стабилизации равна нулю.

Осуществление изобретения

Схема конструкции такого антенного поста, разработанного с учетом перечисленных выше требований, приведена на чертеже где:

1^* - антенна обнаружительная;

2^* - полуколпак, колпак обнаружительной антенны;

3^* - антенна измерительная;

4^* - полуколпак, колпак измерительной антенны;

5^* - верхний подшипник;

6 - неподвижный стабилизированный несущий раструб;

7 - ось-вал килевой качки (КК);

8 - карданное кольцо килевой качки;

9 - ось-вал бортовой качки (БК);

10 - карданное кольцо бортовой качки;

11^* - вращающийся несущий раструб;

12 - соленоид-датчик силы по бортовой качке;

13 - соленоид-датчик силы по килевой качке;

14 - нижний подшипник;

15 - статор безредукторного двигателя вращения антенной системы;

16^* - ротор безредукторного двигателя вращения антенной системы;

17^* - нижняя часть обтекателя;

18 - станина;

19^* - стык колпаков;

20* - герметизирующая заглушка;

21 - защитная чашка;

22 - нуль-датчик килевой качки;

23 - лазерный датчик угловых скоростей килевой качки;

24 - нуль-датчик бортовой качки;

25 - лазерный датчик угловых скоростей бортовой качки.

^* - элементы вращаются вместе с антенной системой.

Представленная конструкция антенного поста имеет следующие параметры:

- диаметр антенн 1,4 м;

- масса каждой антенны ˜100 кг;

- угол наклона нормали к антеннам относительно горизонта 20°;

- диаметр колпака ˜2,2 м;

- масса колпака ˜ 100 кг;

- общая масса вращающейся антенной системы ˜500 кг;

- внутренний диаметр цилиндрической станины 150 мм.

Скорость вращения антенной системы 2 об/с, при этом кинетический момент вращающейся конструкции ≈3000 кГм²/с. Каждый соленоид схемы обеспечивает импульс коррекции длительностью 0,1 с и равный 75 кг силы тяжести.

Внедрение изобретения обеспечит следующие преимущества над прототипом:

- на стабилизацию не требуется затрат энергии, только на коррекцию плоскости вращения;

- для стабилизации не требуются дополнительные устройства и механизмы, так как антенная система стабилизируется за счет своего вращения;

- снижены массогабаритные характеристики антенного поста, так как из конструкции исключены дополнительные устройства - гироротор с его приводом и двигателем, противовес и его регулируемый подвес;

- динамическая ошибка стабилизации плоскости вращения антенной системы равна нулю (что является свойством гироскопа).

Антенная система со стабилизированной плоскостью вращения обзорного корабельного радиолокатора, имеющая карданный подвес и колпак, отличающаяся тем, что она выполнена в виде уравновешенного относительно пересечения осей ее вращения гироскопа так, что ее кинетический момент стабилизирует плоскость ее вращения, при этом колпак сферической формы жестко связан с антенной системой, в качестве исполнительных элементов коррекции плоскости вращения используют соленоиды-датчики импульсов силы, а в качестве информационных элементов коррекции - датчики сигналов управления коррекцией плоскости вращения.