艦載光電系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

馬優(yōu)恒，陸培國，郭渝琳，王 虎，劉 瑩

(西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安，710065)

引言

艦船作為海上作戰(zhàn)的重要平臺和運(yùn)輸工具，相對于陸基、空基、天基載體，常年在海洋中航行和執(zhí)行任務(wù)。惡劣的海洋氣候環(huán)境和特殊的艦船機(jī)械環(huán)境嚴(yán)重影響著艦船上幾乎所有設(shè)備的使用性能、工作可靠性和預(yù)期壽命。對于光電系統(tǒng)而言，環(huán)境因素會影響光電傳感器的成像質(zhì)量和系統(tǒng)的動態(tài)性能，降低對目標(biāo)的跟蹤精度，引起設(shè)備機(jī)械結(jié)構(gòu)材料、電子器件的腐蝕、生霉、疲勞損傷甚至失效破壞，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重時會帶來致命的災(zāi)難性后果。因此，改善環(huán)境適應(yīng)性是提高艦載光電系統(tǒng)可靠性、保障武器裝備戰(zhàn)斗力和生命力的重要環(huán)節(jié)，環(huán)境適應(yīng)性已成為艦載光電系統(tǒng)的重要戰(zhàn)術(shù)性能之一。環(huán)境適應(yīng)性涉及產(chǎn)品設(shè)計(jì)、加工、試驗(yàn)和使用等各個階段，從設(shè)計(jì)出發(fā)，在根本上增強(qiáng)產(chǎn)品抗惡劣環(huán)境的能力是極其重要的。

1 環(huán)境對艦載光電系統(tǒng)的影響分析

艦載光電系統(tǒng)在其服役期內(nèi)，長期受到溫度、濕度、鹽霧和霉菌等氣候環(huán)境以及振動和沖擊等機(jī)械環(huán)境帶來的影響。

溫度引起的裝備故障占各種環(huán)境因素引起故障的40%[1]。包括非金屬材料的脆化或老化、金屬材料的氧化、元器件電性能的下降、材料內(nèi)應(yīng)力的增加、機(jī)械結(jié)構(gòu)的變形、潤滑劑的潤滑特性降低或失效以及活動部件的卡滯和磨損等；還會造成光學(xué)參數(shù)改變，導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降，圖像質(zhì)量惡化。

潮濕促使金屬產(chǎn)生化學(xué)或電化學(xué)腐蝕，導(dǎo)致絕緣材料的絕緣性能下降。非金屬材料吸潮后，會使與其接觸的金屬的臨界濕度下降，如鋼鐵與吸潮的非金屬接觸，臨界濕度可由RH70%降為RH40%～RH50%，加速金屬的腐蝕。潮氣還會改變光傳輸特性，影響光電系統(tǒng)的成像質(zhì)量和分辨率。

鹽霧的影響效應(yīng)包括：腐蝕效應(yīng)，產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕、加速應(yīng)力腐蝕、海水鹽分電離形成酸堿溶液的腐蝕；電效應(yīng)，鹽沉積產(chǎn)生導(dǎo)電層，導(dǎo)致絕緣材料和金屬腐蝕，甚至光電系統(tǒng)損壞；物理效應(yīng)，活動部件的阻塞或卡死，因電解作用致使漆層起泡[2]。鹽霧還會導(dǎo)致大氣透過率減小，造成光電傳感器作用距離下降。

霉菌在其生命活動周期內(nèi)，一方面以吸收和分解有機(jī)材料中的某些成分作為養(yǎng)料，破壞材料的結(jié)構(gòu)和性能；另一方面由于代謝作用而分泌出來的酶和有機(jī)酸會對金屬產(chǎn)生腐蝕，降低絕緣性能，破壞金屬表面的保護(hù)層。另外霉菌會對光學(xué)鏡頭的鍍膜造成不可修復(fù)的破壞[3]。

振動和沖擊會導(dǎo)致設(shè)備與設(shè)備內(nèi)的動態(tài)位移[4]，對所有設(shè)備具有極大的威脅。振動和沖擊會改變光束指向精度，影響光電傳感器的成像質(zhì)量，導(dǎo)致目標(biāo)識別能力和測距能力下降。振動和沖擊會引起繞環(huán)架軸的整流力矩和振動干擾，使陀螺儀產(chǎn)生漂移或附加角運(yùn)動，造成系統(tǒng)跟蹤精度的降低，甚至目標(biāo)的丟失。振動和沖擊會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件內(nèi)應(yīng)力增大，材料強(qiáng)度降低和疲勞加速，帶來零部件的機(jī)械磨損和緊固件的松動，破壞設(shè)備的機(jī)械性能，造成密封件失效，改變材料的絕緣強(qiáng)度，降低元器件性能，產(chǎn)生電路噪聲和脫焊、短路等。

在系統(tǒng)的使用過程中，實(shí)際還存在太陽輻射、傾斜、搖擺以及風(fēng)、雨、雪等，而且各種環(huán)境因素不是孤立的，往往都是相互關(guān)聯(lián)的綜合效應(yīng)，這種效應(yīng)常常高于單一因素的影響，如表1所示。

表1 環(huán)境因素的綜合效應(yīng)Table 1 Synthetical effect of environmental factors

2 環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)

為保證艦載光電系統(tǒng)能夠長期在艦船環(huán)境中可靠工作，需要對各組成設(shè)備進(jìn)行加固優(yōu)化與隔離防護(hù)，具體從材料選用、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和三防工藝技術(shù)等方面給出設(shè)計(jì)方法和解決措施。

2.1 材料選用

材料的抗惡劣環(huán)境能力主要取決于材料本身的性能，選擇正確合理的材料是提高光電系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性的基礎(chǔ)。選用材料時從技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)合理性出發(fā)，在考慮其力學(xué)性能的同時，綜合考慮材料的腐蝕機(jī)理、破壞形式和相容性問題，優(yōu)先選用耐蝕性較好的金屬材料，耐老化、不長霉的非金屬材料以及化學(xué)穩(wěn)定性較好的光學(xué)材料。耐腐蝕性能較好的金屬材料有金、鉻、鎳、鈦及鈦合金、鋁合金、銅合金和不銹鋼等。根據(jù)各設(shè)備所處位置和使用環(huán)境的不同，通常選用鋁合金、銅合金、鈦合金、不銹鋼和優(yōu)質(zhì)碳素鋼等。

常用的耐老化、不長霉非金屬材料包括硅橡膠、聚四氟乙烯、聚碳酸酯、改性聚苯乙烯、有機(jī)玻璃以及復(fù)合材料等。圖1所示的泰勒斯荷蘭分公司研制的Mirador光電火控系統(tǒng)[5]，采用碳纖維復(fù)合材料外殼結(jié)構(gòu)，提高和改善了剛性/質(zhì)量比和伺服控制性能，同時具有良好的防腐耐蝕性。對于外露光學(xué)零件，如可見光窗口常選用SiO2含量高且化學(xué)穩(wěn)定性較好的材料，如石英玻璃，避免選用堿性金屬氧化物含量多的材料，如ZBaF5重鋇火石玻璃；紅外窗口則使用熱穩(wěn)定性和抗腐蝕性較好的鍺晶體或硫?qū)倩锊ＡВ灰诉x用硒化鋅材料，其在周期性接觸海水后，體透射性明顯下降。

光電系統(tǒng)常年暴露在甲板上，長期受各種環(huán)境因素的影響。在設(shè)計(jì)中，外露結(jié)構(gòu)件選用比剛度較高和耐蝕性較好的Al-Si系的鑄造鋁合金

圖1 Mirador光電火控系統(tǒng)Fig.1 Mirador electro-optical fire-control system

ZL101A或ZL114A；緊固件選用含有Mo元素的耐酸鋼材料；光學(xué)窗口分別采用石英玻璃和鍺晶體。同時光電傳感器所處的密封艙殼體外安裝有碳纖維復(fù)合材料制作的截面為蜂窩狀結(jié)構(gòu)的隔熱罩，如圖2所示。不僅改善了設(shè)備的耐腐蝕性，而且隔熱罩和殼體之間形成空氣夾層，有效提高了熱阻，減小了太陽輻射熱量向艙內(nèi)的穿透。

圖2 密封艙內(nèi)外結(jié)構(gòu)Fig.2 Inside and outside structure of airtight cabin

經(jīng)過一周時間同等條件的試驗(yàn)，有隔熱罩和無隔熱罩的密封艙內(nèi)外溫差對比如圖3所示，最大溫差分別為14.8 ℃和6.7 ℃，即有隔熱罩比無隔熱罩艙內(nèi)溫度低8.1 ℃，明顯降低了太陽輻射對密封艙內(nèi)帶來的附加溫升，改善了光電傳感器的工作環(huán)境。

圖3 連續(xù)一周密封艙內(nèi)外溫差對比圖Fig.3 Comparison of temperature difference of inside and outside airtight cabin for a week

2.2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

艦載光電系統(tǒng)的工作溫度范圍為-40 ℃～+60 ℃，溫度變化會帶來光學(xué)參數(shù)變化，光學(xué)參數(shù)變化則會導(dǎo)致成像質(zhì)量的下降，其中紅外熱像儀尤為敏感。為消除溫度變化的影響，通常采用無熱化(athermalisation)設(shè)計(jì)進(jìn)行補(bǔ)償。目前的無熱化技術(shù)有3大類[6-7]：1)主動式，即通過手動或電動的方式調(diào)節(jié)光學(xué)系統(tǒng)中透鏡的軸向位置，實(shí)現(xiàn)對溫度變化引起的像面位移的補(bǔ)償；2)被動式，即利用膨脹系數(shù)不同材料的零件組合、有形狀記憶特性的合金或液壓裝置等，對像面位移進(jìn)行補(bǔ)償(機(jī)械被動式)?；蚶霉鈱W(xué)材料熱特性的差異，通過合理選擇透鏡材料、分配光焦度，保證在工作溫度范圍內(nèi)成像的穩(wěn)定性(光學(xué)被動式)；3)混合式，即光學(xué)系統(tǒng)具有一定的被動補(bǔ)償能力(機(jī)械或光學(xué))，殘留的少許像面離焦采用主動式調(diào)節(jié)。

在紅外熱像儀的設(shè)計(jì)中，采用像元間距(pitch)為35 μm的探測器，光學(xué)系統(tǒng)彌散斑半徑不大于像元間距時，能夠滿足成像質(zhì)量要求。光學(xué)系統(tǒng)采用4片式物鏡結(jié)構(gòu)，材料依次選用Ge、ZnSe、Ge、Ge，同時引入非球面結(jié)構(gòu)。利用CODE V軟件模擬溫度變化對光學(xué)系統(tǒng)的影響，常溫(20 ℃)下彌散斑均方差半徑為 15.3 μm，滿足要求。而在-40 ℃和+60 ℃環(huán)境下熱離焦量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過焦深，彌散斑明顯增大，均方差半徑分別為234 μm和196 μm，像質(zhì)惡化。因此結(jié)構(gòu)系統(tǒng)使用多層鏡筒結(jié)構(gòu)，進(jìn)行機(jī)械被動式補(bǔ)償，如圖4所示，其中外套筒采用膨脹率較低的鈦合金，內(nèi)套筒采用采用膨脹率較高的尼龍。溫度升高時，內(nèi)套筒膨脹伸長量大于外套筒，使鏡筒整體向光敏面靠近，溫度降低時反之，將熱離焦量控制在焦深范圍內(nèi)，保證彌散斑滿足要求。對采用補(bǔ)償措施的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，在-40 ℃和+60 ℃環(huán)境下最大彌散斑均方差半徑分別為30 μm以及27 μm，達(dá)到要求。經(jīng)高低溫試驗(yàn)表明，在-40 ℃～+60 ℃溫度范圍內(nèi)，該熱像儀成像清晰。

圖4 光學(xué)和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)圖Fig.4 Layout of optical and structure

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是光電系統(tǒng)充分發(fā)揮其性能的關(guān)鍵。為了避免腐蝕問題，應(yīng)考慮外形構(gòu)成、密封方式、應(yīng)力控制和材料相容等問題。為了改善抗沖振能力，可從提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度、優(yōu)化內(nèi)部支撐形式等方面考慮。

如圖5所示，將光電系統(tǒng)的外形設(shè)計(jì)成由球形和圓錐形組成的不易積水的塔式結(jié)構(gòu)，在俯仰支架中間設(shè)置有排水槽，避免縫隙和凹坑結(jié)構(gòu)，防止海水和鹽霧等腐蝕性介質(zhì)的進(jìn)入或聚集。光電傳感器所處艙體設(shè)計(jì)成密封艙，安裝干燥裝置并充入干燥的氮?dú)猓乐钩睔膺M(jìn)入。所有外露接縫都設(shè)有密封繩或密封墊，并保證有良好的可實(shí)現(xiàn)性。在方位和俯仰動靜結(jié)合部位采用氈圈和迷宮的組合密封結(jié)構(gòu)且涂滿潤滑脂，避免雨水、海水和灰塵等雜質(zhì)的進(jìn)入。為改善應(yīng)力分布的均勻性，避免應(yīng)力集中的出現(xiàn)，所有棱邊均采用圓角過渡，同時注意控制關(guān)重件的表面粗糙度，進(jìn)一步提高零件的抗蝕能力。對于易腐蝕部位的結(jié)構(gòu)截面厚度盡量相近，防止溫度變化和機(jī)械電氣負(fù)載下薄弱部位發(fā)生變形，引起材料晶格扭曲而產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，甚至改變電參數(shù)。在同一結(jié)構(gòu)中盡量使用同一種金屬材料，或選用金屬電偶序中電位差不大于0.25 V的2種材料進(jìn)行配對。否則在2種金屬之間采取防護(hù)措施，即在一種金屬上鍍覆允許與第2種金屬相接觸的金屬層[8]，或涂絕緣保護(hù)層和加絕緣襯墊等，避免產(chǎn)生電化偶腐蝕效應(yīng)。如鋁和鐵的電位差為1.22 V，設(shè)計(jì)中在鋁制的俯仰支架和鋼制的方位裝置法蘭盤之間的貼合面上均勻涂抹有704硅橡膠。

圖5 光電系統(tǒng)外形Fig.5 Figure of electro-optical system

光電系統(tǒng)通過方位裝置殼體與武器系統(tǒng)剛性連接，艦船搖擺、傾斜以及武器系統(tǒng)射擊產(chǎn)生的劇烈沖擊振動，特別是橫向沖擊振動，會直接作用在方位裝置上，因此要求其要有足夠的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和徑向支撐剛度。設(shè)計(jì)時，方位軸系采用圓柱滾子軸承和可承受雙向載荷的雙聯(lián)角接觸球軸承，并加裝輔助定位的推力軸承，如圖6所示。對安裝和未裝推力軸承2種狀態(tài)的光電系統(tǒng)進(jìn)行建模分析，得出前6階固有頻率和振型特點(diǎn)，如表2所示?？梢钥闯霭惭b推力軸承狀態(tài)的各階固有頻率均有大幅提高，其中1階(沿左右方向振動)和2階(沿前后方向振動)反應(yīng)了徑向支撐剛度，分別提高了25.9%和30.2%。固有頻率越高，剛性越好，在受到?jīng)_擊和振動時，振幅就越小，產(chǎn)生的應(yīng)力就越小，設(shè)備的抗沖振能力也就得到提高。經(jīng)對產(chǎn)品試驗(yàn)和使用效果表明，在穩(wěn)定性振動、30 g沖擊和武器系統(tǒng)射擊條件下，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。

圖6 方位軸系結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure of azimuth-shafting

表2 2種狀態(tài)的前6階固有頻率和振型Table 2 Preceding 6 step natural frequency and model shape of two states

2.4 三防工藝技術(shù)

三防工藝技術(shù)是指防潮濕、防霉菌、防鹽霧所采取的工藝方法，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必要的補(bǔ)充。技術(shù)設(shè)計(jì)和工藝設(shè)計(jì)中主要采取了以下措施：

1) 根據(jù)應(yīng)用材料的組成、表面狀態(tài)、應(yīng)力存在與分布情況，選用合適的熱處理、噴丸強(qiáng)化和機(jī)械加工工藝進(jìn)行改性處理[9]，改善材料的金相組織。鋁合金毛坯料進(jìn)行固溶處理加時效處理。對重要受力的機(jī)械件，熱處理選用等溫淬火加低溫回火[10]。對機(jī)加、熱處理和表面處理等產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，在最終熱處理后要進(jìn)行溫度沖擊、振動、噴砂等消除應(yīng)力處理措施，提高金屬材料的抗應(yīng)力腐蝕能力。

2) 進(jìn)行表面處理和涂鍍處理。鋼鐵進(jìn)行磷化或氧化處理，鋁及鋁合金進(jìn)行陽極氧化，銅及銅合金進(jìn)行化學(xué)鈍化或氧化。外露鋼件和緊固件采取鍍鎘處理，防止海水與鹽霧的侵蝕。常用的油漆涂料按三防性能、膜層機(jī)械強(qiáng)度、硬度、柔韌性等特性綜合考慮，主要有醇酸漆、氨基漆、丙烯酸聚氨酯漆等，艙外設(shè)備選用丙烯酸聚氨酯漆，艙內(nèi)設(shè)備選用氨基漆。此外，涂鍍前進(jìn)行表面噴砂處理可增加涂鍍層強(qiáng)度。

3) 鑄件、蓋板等外露鑄造零件，特別是密封艙的殼體進(jìn)行浸潤處理，可以提高鑄件的致密性和防滲透能力，既利于保證艙內(nèi)的氣密要求，又能防止材料的晶間腐蝕。

4) 對變壓器繞組和線圈進(jìn)行浸漬處理，對接插件和電路等焊點(diǎn)較多的部位進(jìn)行硅橡膠灌封處理，提高其防潮耐蝕能力，增加粘接強(qiáng)度，改善抗沖振能力。

5) 電路板和電器組件噴涂三防聚氨酯漆、電纜和接插件連接部位套熱縮管并填充熱熔膠、外露緊固件應(yīng)進(jìn)行涂漆或灌膠處理、在光學(xué)窗口外表面鍍?nèi)涝魉?、光學(xué)組件在裝調(diào)好后用硅橡膠密封等，提高設(shè)備的防護(hù)能力。

3 結(jié)論

基于實(shí)際研究經(jīng)驗(yàn)，分析了海洋氣候環(huán)境和艦船機(jī)械環(huán)境對光電系統(tǒng)的影響和危害，從材料選用、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和三防工藝技術(shù)等方面開展環(huán)境適應(yīng)性設(shè)計(jì)的研究，并結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計(jì)實(shí)例，給出了提高系統(tǒng)抗腐蝕性能、耐溫度變化和抗沖振能力的具體方法和措施。通過仿真分析、環(huán)境試驗(yàn)以及裝備應(yīng)用，設(shè)備在-40 ℃～+60 ℃溫度范圍內(nèi)和沖擊振動條件下工作穩(wěn)定，多年未出現(xiàn)零部件的腐蝕問題，證明所采取的方法和措施得當(dāng)可靠，滿足系統(tǒng)的環(huán)境適應(yīng)性要求。

[1] 祝耀昌．產(chǎn)品環(huán)境工程概論[M]. 北京：航空工業(yè)出版社，2003.

ZHU Yao-chang．Generality of product environmental engineering[M]．Beijing：Aeronautics Industry Press，2003.(in Chinese)

[2] 吳晗平．光電系統(tǒng)環(huán)境與可靠性[M]. 北京：科學(xué)出版社，2009．

WU Han-ping．Environment and reliability of electro-optical system[M]. Beijing：Science Press，2009．(in Chinese)

[3] 張衛(wèi)國，王玉坤，王斌，等．艦載光電設(shè)備的防護(hù)技術(shù)及設(shè)計(jì)[J]. 紅外技術(shù)，2008，30(4)：214-216．

ZHANG Wei-guo，WANG Yu-kun，WANG Bin，et al. Design and three-proofing technique of shipborne optic-electronic equipment[J]. Infrared Technology，2008，30(4)：214-216.(in Chinese with an English abstract)

[4] WILLIAM K. A tradition of testing[J]. Environmental Engineering, 1998(6)：331-339.

[5] GETHING M J. Jane’s electro-optic systems 2011-2012 [M]. UK：Jane’s Information Group Ltd.，2011.

[6] 李娟，王英瑞，張宏．一種機(jī)械被動式無熱補(bǔ)償方法[J]．紅外與激光工程，2006，35(4)：476-480．

LI Juan，WANG Ying-rui，ZHANG Hong. New passive compensating mechanism for athermalisation[J]. Infrared and Laser Engineering，2006，35(4)：476-480．(in Chinese with an English abstract)

[7] ROBERTS M. Athermalisation of infrared optics：A Review[J]. SPIE，1989，1049：72-81.

[8] 邱成悌，趙惇殳，蔣全興．電子設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理[M]. 南京：東南大學(xué)出版社，2001．

QIU Cheng-ti，ZHAO Dun-shu，JIANG Quan-xing. Design theories of electronic equipment structure [M]. Nanjing：Southeast University Press，2001.(in Chinese)

[9] 謝義水．艦載電子設(shè)備的三防設(shè)計(jì)[J]．機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2007，43(1)：83-86.

XIE Yi-shui. Three-proofing design of shipborne electronic equipment[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering，2007，43(1)：83-86.(in Chinese with an English abstract)

[10] 喬健，曹立華，施龍．艦載光電設(shè)備的三防設(shè)計(jì)[J]．應(yīng)用光學(xué)，2012，33(2)：245-249.

QIAO Jian，CAO Li-hua，SHI Long. Three-proofing design of shipborne optic-electronic equipment[J]. Journal of Applied Optics，2012，33(2)：245-249.(in Chinese with an English abstract)