中國預警機與機載雷達

高壓大功率電源技術

 

大閱兵背后的科技實力


2019 年 10 月 1 日,是我們祖國母親 70 周年的生日,舉國同慶。為了向世界展示國力,尤其是軍事實力,中國如期在天安門廣場進行了 10 年 1 次的大閱兵儀式。

 

回首此次備受矚目的大閱兵,空中梯隊以 7 分 50 秒的時長,在天安門上空劃下了完美的航跡,展示了新中國成立以來空中力量從無到有、由弱到強的發展態勢。這樣的成果來之不易,科技強國的背后,是成千上萬的科研人員殫精竭慮、夜以繼日的付出。

 


提到空中力量,作為空軍眼睛的預警機絕對是其中的中流砥柱,戰略地位極其重要。


什么是預警機?


預警機即空中指揮預警飛機(Air Early Warning,AEW),是指擁有整套遠程警戒雷達系統,用于搜索、監視空中或海上目標,指揮并可引導己方飛機執行作戰任務的飛機。


預警機具有監視范圍大、指揮自動化程度高、目標處理容量大、抗干擾能力強,通常遠離戰線、縱深部署、執勤時有殲擊機掩護,工作效率高等優點,被稱為信息化戰爭的“空中帥府”。


空軍在配備預警機的情況下,可使防空效率提高 15~30 倍,攔截與擊落敵機的數量增加 35%~150%,后方遭敵機襲擊的次數減少一半以上。


預警機如此重要,為何擁有這項技術的國家寥寥無幾?這是因為預警機的研制門檻極高,也因為其難度高,中國曾被軍事發達國家調侃:中國不可能有能力掌握這項技術。

 
中國人不服輸、中國研發人員不服輸!在一窮二白、科技荒地的年代,以王小謨、張良、張義光、唐登平為代表的科研人員經過十幾年、幾十年的努力,終于開創了預警機自研的先河。其中,20 世紀 60 年代研制的空警 -1 型是中國第一代預警機,本世紀服役的空警 -2000、空警 -200 是第二代預警機,空警 -500 則是中國研制裝備的第三代預警機 。

 


預警機雷達是電老虎?


預警機之所以有強大的探測能力,離不開預警機雷達這副隱形的“千足觸須”。


雷達(Radio Detectiori and Ranging)的工作原理:典型的雷達是脈沖雷達,主要由天線、收發轉換開關、發射機、接收機、定時器、顯示器、電源等部分組成。發射機產生強功率高頻振蕩脈沖。具有方向性的天線,將這種高頻振蕩轉變成束狀的電磁波(簡稱波束),以光速在空間傳播。電磁波在傳播過程中遇到目標時,目標受到激勵而產生二次輻射,二次輻射中的一小部分電磁波返回雷達,為天線所收集,稱為回波信號。接收機將回波信號放大和變換后,送到顯示器上顯示,從而探測到目標的存在。


70 周年大閱兵上,空警 -500 采用的是與現役空警 -2000 相似的圓盤形三面陣有源相控陣天線,橢圓形截面,中央段下方通過兩根支柱固定在機背后部。敵我識別天線、高速戰術情報數據傳輸天線、雷達天線冷卻系統、雷達罩空調系統等都裝在中央段上。


雷達電源作為整個雷達工作的能量供給單元,起著十分重要的作用,而預警機雷達發射功率大,被稱為電老虎,而如果電源體積和重量太大,就無法安裝到飛機上。因此如何研制出理想中的身量輕便的預警機雷達高壓電源是一個實實在在擺在預警機科研團隊面前的難題。


國外專家調侃說:這是中國研制團隊無法完成的任務!


中國電子科技集團公司第十四研究所的唐登平工程師和他的團隊做了一千多次試驗,在三年間,攻克了功率、散熱、電磁干擾等多項技術難題,產品技術性能終于有了新的突破。


預警機雷達與雷達電源的特點


在傳統雷達中,通常采用集中式的大功率、高電壓的發射機,而近年由于雷達技術地不斷創新、進步,有源相控陣雷達成為了軍用雷達的首選。


由于采用了有源相控陣技術,傳統的發射機也被固態有源相控陣雷達中分布式的組件所代替,從而低電壓大電流的大功率陣面電源代替了傳統的大功率高電壓發射機電源。


在閱兵式上的空警 -500 對比現役的空警 -2000,采用運 -9 中型運輸機作為改裝平臺,這是預警機史上首次全面采用國產處理平臺、國產操作系統和數據庫。但是運 -9 相對體型較小,因此不得不摒棄現役大型預警雷達的特點,改用世界領先的數字相控陣雷達技術,實現在重量、雷達天線口徑上的大幅下降。同時,預警機雷達的情報處理能力、抗干擾能力等綜合性能不能下降,因此雷達的小型化迫在眉睫,但是發射功率要求卻還是非常高,這也是雷達電源相比普通開關電源的區別:功率大、體積小、重量輕、可靠性高。


高壓大功率電源技術國內外現狀


我國針對高壓大功率開關電源的研究是在上個世紀 80 年代初期開始的,相比國外發達國家而言,我國晚了 10 年左右。


在預警機雷達對電源提出“特殊需求”時,國內在此領域還是一片空白,當時國際形勢復雜多變,在一片質疑聲中,我國的科研工作者們堅持不懈、屢攻難題,為電源領域發展開拓了一方天地。如 200kV 高壓直流開關電源,其輸出功率可以達到 20kW,又如 20kHz 高壓逆變電源,其轉換效率超過 80%,輸出功率可以達到 20kW,而本體非常小,體積質量為 250g/m³。隨著電源技術的進步,靜電除塵高壓直流電源實現了高頻化的目標,當輸出負載為純電阻的條件下,可以輸出 55kV 的直流電壓,工頻可以達到 25.6Hz。


當然,國外在高壓開關電源上的研究還是領先于我國的,差距仍然存在。


在軍事強國中,功率在 10kW~30kW 范圍內的高壓開關電源產品已經非常成熟,同時,他們還在研發更高功率的高壓開關電源產品。如俄羅斯已經研制出了能夠用于雷達發射機的 140kW 高壓開關電源,美國已經研制出了 300kW 的恒流充電電源。


高壓大功率電源技術難點


相控陣雷達陣面電源,作為機載有源相控陣雷達的關鍵件之一,要求輸出功率大、變換效率高、體積重量小、動態響應快。而傳統的開關電源, 其功率開關管一般工作在硬開關條件下,開關損耗較大,難以提高開關頻率,限制了電源的小型化。因此基于相控陣雷達的特點,其陣面電源設計受到諸多因素的限制,機載相控陣雷達陣面電源要解決的技術難題很多。


通??蒲腥藛T在設計陣面電源時,選擇設計方案依次考慮的因素是可靠性、噪聲、雜散、重量、效率、可維護性、可生產性、成本?;谶@些考慮因素,下面針對具體的技術難點進行討論。


并聯均流技術


為了使高壓開關電源擁有足夠大的功率,通常會采用并聯的方式來對 2 個或兩個以上的電源模塊進行功率合成。但是這種方法在解決功率需求的基礎上會由于單體差異性帶來各個模塊分擔電流不均勻的情況出現。一旦出現這種狀況,分擔較多的電源模塊由于其耐受電流限度有限,就有可能產生熱應力過大或者過載現象,從而導致電源模塊受損,功率下降。


針對此類問題,研發人員嘗試了主從法、平均電流法、熱應力法等高壓電源內部解決方法,雖然在一定程度上能達到均流的目的,但或多或少存在一些不足。


基于以上嘗試,研發人員嘗試采用外加控制器的方法來進行均流的同時,彌補上述缺陷。該方法是利用均流控制器,對電源模塊進行控制,當控制器檢測到電源模塊中的電流不均衡時,會自行調整,從而各個電源模塊實現均流。盡管這種方法具有明顯的應用優勢,但必須保證設計的合理性,否則可能會使高壓開關電源的運行穩定性降低。


諧振變換器


脈寬調制技術在高壓開關電源中的應用十分廣泛,它的應用可使電源系統中的開關器件在高電壓和大電流的條件下,完成導通與關斷。但是受到電磁干擾的影響,使開關器件的功率很難大幅度提升。


針對這一問題,研發人員們開發出了軟開關技術,通過該技術的采用,使得高壓開關電源系統中的開關器件在零電流或是零電壓的條件下,能完成導通與關斷動作,從而解決了電磁干擾問題,同時大幅降低了器件得損耗,功率水平得到顯著提升。諧振變換器是軟開關技術中的代表性產品,其通過對諧振現象的利用,使開關器件中的電流能減小至零后進行關斷,為高壓大功率開關電源的實現提供可能。在高壓開關電源中,諧振變換器的連接方式有三種:串聯、并聯及混合連接。


串聯方式:較適合高壓小電流的環境;


并聯方式:適合用在固定負載的電路當中,或是一些負載變化并不十分明顯的環境中;


混合連接方式:兼具串聯方式和并聯方式得優點,是高壓開關電源電路接入諧振變換器的主要方式。


功率合成技術


以單個逆變器實現高壓大功率輸出會受到開關器件、整流器、高頻變壓器等產品制造技術方面的限制,因此研制難度較大,尤其是 20kW 以上得高壓大功率電源。


針對以上問題,可采用多路中等功率的高壓逆變模塊對功率進行合成。通過功率的合成,達到對供電容量無限擴大的目的,同時提高供電系統的可靠性,降低系統的故障維修成本。例如,想要獲得一個 20kW 高壓大功率開關電源,可以通過 4 個 5kW 的模塊以并聯的方式,進行功率合成,這種方法既簡單又經濟實用。


相控陣雷達陣面電源保護電路


作為軍品雷達電源,電源的可靠性是電源的第一要素,怎樣保證電源在惡劣環境下,各種保護電路能夠按照預定設置可靠的工作,對相控陣雷達陣面電源及陣面裝置的安全性和可靠性是至關重要的。因此相控陣雷達陣面電源完善的保護功能是陣面電源設計的關鍵指標,是評價陣面電源質量指標的第一原則。


相控陣雷達陣面電源的保護電路主要有輸入防浪涌軟啟動保護、輸入電壓過壓保護、輸入電壓欠壓保護、輸入缺相保護、過熱保護、輸入過流保護、輸出過壓保護、輸出過流保護等保護電路。
為了獲得系統的穩定性和可靠性,供電電源與控制電路必須隔離,因此輸入端的防浪涌軟啟動保護、輸入電壓過壓保護、輸入電壓欠壓保護、輸入缺相保護電路設計比較復雜。而輸出端的保護電路 由于與控制電路共地,不需要對保護信號作隔離處理,因此設計相對簡單。


總結語


從 1949 年建國以來,我國以軍事力量、經濟實力為代表的綜合實力的增強有目共睹,這是一個質的飛躍。但是對比國外發達國家而言,差距不可否認。這個差距體現在多個方面,當然也包括軍事力量中的主干:空中梯隊。為了攻克這些難題,減小與發達國家的差距,我國的科技工作者們必須立足創新、用多倍的努力才能趕上世界領先的步伐。

 

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