２０１０年第２６卷第３期
２０１０．Ｖｏ１．２６ Ｎｏ．３ 电子机械工程
Ｅｌｅｃｔｒｏ—Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ５
球载雷达稳定平台设计综述
钱海涛
（中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽合肥２３００８８）
摘 要：主要介绍了球载雷达稳定平台的作用、特点、类型、工作原理及关键技术。根据球载雷达系统的
使用环境与技术要求，引入了阻尼技术，通过参数分析与结构设计，成功研制了被动控制式稳定平台。
对被动控制式稳定平台的设计方法与工程化过程进行了简单的阐述，并针对关键技术给出了解决方案
与实现方法，对类似的应用具有一定的参考意义。
关键词：稳定平台；被动控制；球载雷达；粘滞流体阻尼器
中图分类号：ＴＮ９５９．７３ 文献标识码：Ａ 文章编号：１００８—５３００（２０１０）０３—０００５—０４
Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Ｓｔａｂｌｅ Ｐｌａｔｆｏｒｍ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ａｉｒｓｈｉｐ—Ｂｏｒｎｅ Ｒａｄａｒ
ＱＩＡＮ Ｈａｌ－ｔａｏ
（Ｔｈｅ ３８ｔｈ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ＣＥＴＣ，Ｈｅｆｅｉ ２３００８８，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ，ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｔｙｐｅ，ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ｓｔａｂｌｅ ｐｌａｔ—
ｆｏｒｍ ｏｆ ａｉｒｓｈｉｐ－ｂｏｒｎｅ ｒａｄａｒ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｗｏｒｋｉｎｇ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ａｎｄ ｄｅｍａｎｄ ｏｆ ｓｕｃｈ ｒａｄａｒ，ｔｈｅ ｐｒｏｊｅｃｔ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ
ｄａｍｐ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｗｉｔｈ ｐａｒａｍｅｔｅｒ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ，ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｐａｓｓｉｖｅ ｓｔａｂｌｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ ｗａｓ ｄｅｖｅｌ—
ｏｐｅｄ ａｎｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅｄ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｎｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｔａｂｌｅ ｐｌａｔ—
ｆｏｒｍ，ｏｆｆｅｒｓ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．Ｉｔ ｃａｎ ｐｒｏｖｉｄｅ ａｎ ｕｓｅｆｕｌ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｓｉｍｉｌａｒ
ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｔａｂｌｅ ｐｌａｔｆｏｒｍ；ｐａｓｓｉｖｅ；ａｉｒｓｈｉｐ ｒａｄａｒ；ｆｌｕｉｄ ｖｉｓｃｏｕｓ ｄａｍｐｅｒ
０ 引 言
稳定平台是球载雷达系统的重要组成部分，其性
能的优劣直接影响到雷达探测指标的实现与否。因
此，研制一台性能优良、可靠性高的稳定平台是球载雷
达系统研制工作中的重要内容。
１ 球载雷达稳定平台的作用与特点
稳定平台的主要作用是消除或减弱雷达载体姿态
变化对雷达天线的影响，实现天线指向可控，并可驱动
天线作预定扫描动作。球载雷达的载体——系留气球
在空中具有六个自由度，要求稳定平台稳定其横滚和
俯仰两个转动自由度，以及在限定时间内消除或减弱
前向与侧向平动自由度的影响。
球载雷达稳定平台主要有如下三个特点：
（１）对重量体积较为敏感，要求重量轻、体积小。
从雷达系统的综合性能考虑，需要尽量降低雷达系统
收稿日期：２０１０—０２～０３ 各组成部分的体积重量。这就要求稳定平台自重较
轻、体积较小。在减轻自重与体积的同时考虑其结构
刚强度及输出功率要求，即要求稳定平台具有合理的
功率重量比（Ｇ／Ｐ）；
（２）功能多，控制复杂。为了实现其稳定功能，稳
定平台必须设计为三轴稳定结构，且每个根轴均需可
控可调；
（３）维护困难，可靠性要求高。球载雷达的连续
工作时间通常要求６００ ｈ以上，在连续工作期间不允
许器件更换与维护。这就对稳定平台的可靠性提出了
较高的要求。
１．１稳定平台负载的特点
为了优化球载雷达系统的探测性能，需要缩短射
频信号传输链路，最大程度的减少射频信号的损耗。
常规做法是将发射、接收、信号处理等电子设备与天线
一体化设计，在稳定平台的控制下同步运动。省去了
旋转关节并简化了汇流环。这就导致稳定平台的负载 ６ 电子机械工程 第２６卷
具有体积、重量较大的特点，提高了稳定平台的技术要
求，增加了设计难度。
１．２稳定平台的设计依据与指标
球载雷达稳定平台的主要设计依据与指标有：
・气球在空中飘浮的姿态参数；
・负载的质量与结构尺寸；
・负载的转速与加速度要求；
・稳定精度与稳定时间要求；
・定位精度要求；
・环境与可靠性要求。
设计中对上述要求与指标进行综合考虑，平衡其
制约关系，遵循轻小化，可靠的设计原则，展开稳定平
台的设计工作。
２ 稳定平台类型与选择
稳定平台从控制方式上可划分为主动控制式与被
动控制式两种类型。
主动控制式稳定平台是在平台转轴上施加动力
源，主动控制转轴的转速与转角来抵消载体姿态的变
化，以保持负载姿态的稳定；主动控制式稳定平台适用
于负载惯量较小、反应速度较快、稳定精度较高的场
合。但其结构与控制复杂、重量与体积相对较大。
被动控制式稳定平台是利用耗能装置将负载姿态
变化产生的机械能迅速消耗转化，从而把负载姿态稳
定在要求范围以内。被动控制式稳定平台适用于负载
惯量较大、反应速度较慢、稳定精度较低的场合。但其
结构与控制简单、重量与体积相对较小。
在本方案中稳定平台负载惯量较大、反应速度与
稳定精度要求较低，同时有轻小化要求，故稳定平台类
型最终定为被动控制式稳定平台。
３ 稳定平台结构与工作原理
基于上述考虑及指标要求，经过结构优化与仿真，
最终结构设计为：通过连轴节连接的定机座与动机座
构成了稳定平台的主体结构，四根耗能装置（阻尼器）
以两端铰接的形式对称安装在定机座与动机座四角之
间，具有结构与视觉上的稳定性与美观性。动机座上
安装有驱动、控制、测量元件等。稳定平台通过定机座
的安装接口与气球连接，天线吊装在动机座的转盘下，
通过齿轮传动链驱动转盘转动而完成天线的预定扫描
运动。
气球姿态发生变化时，定机座与动机座产生相对
运动，耗能装置（阻尼器）在被动拉伸或压缩的同时将 天线摆动的机械能消耗转化而起到稳定天线的作用。
即利用阻尼技术将天线载荷的机械能转化为热能散发
掉，使天线载荷在限定时间里稳定在要求的摆角内。
稳定平台原理模型如图１所示。
ＡＡ ，ＢＢ ，ＣＣ ，ＤＤ 为阻尼器，ＡＢＣＤ为定机座； Ａ Ｂ Ｃ Ｄ 为动机座；Ｐ为边轴节 图１球载雷达稳定平台原理模型
针对稳定平台的重量要求，在材料上大量采用轻
质铝合金材料。在部分刚强度要求较高的位置采用了
高强度钢板及空心薄壁焊接技术，在保证了刚度、强度
的同时减轻了重量。
稳定平台结构设计具有以下技术特点：
（１）十字连轴节悬挂承载：二轴异面垂直布置，最
大程度的减小了结构件的体积与重量。同时零件加工
简单，装配方便；
（２）阻尼器同时工作：四根阻尼器对称布置，双向
作用，可同时发生耗能作用，减小了阻尼器的单位体积
与重量；
（３）齿轮驱动天线扫描：传动链简单、可靠，有效
提高了传动精度与效率，维护方便；
（４）双电机并联驱动：可靠性高，一台电机维护或
更换时，另一台可单独工作，维持系统正常运转。
４ 稳定平台载荷分析
稳定平台设计中首先要根据载荷大小计算稳定平
台工作需要的驱动功率（或驱动力矩），并据此选择合
适的传动形式及驱动元件。稳定平台的载荷取决于负
载质量与结构尺寸、转速与加速度等指标，主要由惯性
载荷、附加风载荷及摩擦载荷组成。
４．１惯性载荷
惯性载荷是由于一定质量的物体具有加速度或者
角加速度才产生的。稳定平台负载工作时作圆周或扇
形扫描运动，扫描中有加减速运动过程，
需要计算其惯 第３期 钱海涛：球载雷达稳定平台设计综述 ７
性载荷。
负载由椭圆口径的抛物面天线及长方体形状的机
柜组合而成，机柜、天线按质量均匀分布考虑。机柜转
动惯量为：
‘，。： （口 ＋ｂ２） ９１ ｋｇ．ｍ２
天线转动惯量为：
＝字［ －１１】一 ｍ２ 一４【７（ 一） Ｊ～～ ｇ “
Ｐ＝２ｆ（ｆ为焦距） ／３：１ Ｒ２
Ｐ
式中：Ｒ为天线椭圆Ｅｌ径半长轴。
机柜与天线质心对转轴的具有偏心ｅ ，ｅ 。根据
平行轴定理，负载总的转动惯量为：
Ｊ＝Ｊ１＋ｍ１ｅ ＋ ＋ｍ２ｅ； ４００ｋｇ・ｍ
最后根据加速度ｏＬ，得惯性载荷（或惯性力矩）为：
Ｍｊ＝ ＝８．４ Ｎｍ
４．２附加风载荷
雷达系统在天线罩内工作，不受自然风力影响，但
天线扫描过程中会由于空气阻力的作用而产生附加风
载荷。附加风载荷大小与天线Ｅｌ径及转速有关，必须
对附加风载荷（即附加风力矩）大小进行估算。
附加风力矩：
＝ Ａ ・ ５．１６Ⅳｍ
式中：Ｃ 为风力系数；ｇ为动压头（Ｎ／ｍ ）；Ａ为天线口
径面积（Ｉｎ ）； 为相对风速（ｍ／ｓ）； 为角速度（ｒａｃＥ／
ｓ）； 为天线半径轴（ｍ）。
４．３驱动功率计算
由上述分析可知稳定平台的总体载荷，即需要的
最小驱动力矩为：
Ｍ＝ｋ（Ｍ１＋ ）一６３ Ｎｍ
式中：ｋ为考虑摩擦载荷后的修正系数。
根据驱动力矩及天线转速的要求，经过电机、减速
机及末级齿轮副之间转矩与速比的匹配优化，稳定平
台输出功率确定如下：
额定功率：
Ｐｄ＝１４５ Ｗ
额定输出力矩为： ＝１４７ Ｎｍ
安全系数：
＝ Ｔｍ ２．３
５ 关键技术与解决方案
在被动控制式稳定平台中，需要一种耗能装置将
天线姿态变化产生的机械能消耗转化，从而可以在限
定时间内把天线的姿态变化控制在要求范围内。因
此，耗能装置的选择与设计技术（即被动控制技术）为
被动控制式稳定平台的关键技术。
５．１耗能装置选择
被动控制装置中常用各种阻尼器作为耗能装置，
阻尼器类型有摩擦阻尼器、弹塑性阻尼器、粘弹性阻尼
器及粘滞流体阻尼器等几类。结合具体的使用环境与
要求进行筛选，粘滞流体阻尼器的特点符合球载雷达
稳定平台的使用要求，故选择粘滞流体阻尼器作为耗
能装置。
粘滞流体阻尼器是一种无刚度的速度相关型阻尼
器。作为一种耗能减振装置，它不改变主体结构的刚
度，只对主体结构提供附加阻尼。在低频工作范围，
阻尼器的阻尼力与活塞的运动速度近似呈线性关系。
５．２ 阻尼器的工作原理与特点
针对稳定平台的结构型式特点，开发了活塞式粘
滞流体阻尼器。
活塞式粘滞流体阻尼器主要由缸筒、活塞、阻尼材
料、密封件和连接铰链等部分组成。活塞上设计有阻
尼孔，缸筒空腔内装满半流体高分子化合物作为阻尼
介质。阻尼器的原理示意如图２所示。
图２阻尼器结构原理不意图
稳定平台工作时，通过连接铰链带动活塞与缸筒
之间发生相对运动，由于活塞两侧的压力差使半流体
阻尼材料从阻尼孔中通过，阻尼材料流动时与阻尼孔
产生粘滞阻力，将机械能迅速转化为热能并释放，达到
耗能与缓冲作用。
稳定平台用粘滞流体阻尼器采用了一种半流体高
分子化合物作为阻尼介质，与常用的各类矿物油阻尼