星載小型二軸穩(wěn)瞄轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

王雅雄，邵雅男，王　璞

（1.陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710119；2.西安光學(xué)精密機(jī)械研究所，陜西 西安 710119）

星載小型二軸穩(wěn)瞄轉(zhuǎn)臺是空間成像系統(tǒng)的載體，用以在干擾因素復(fù)雜的空間環(huán)境中實(shí)現(xiàn)對成像系統(tǒng)光軸的穩(wěn)定及對目標(biāo)的跟蹤。“穩(wěn)瞄技術(shù)”作為穩(wěn)瞄轉(zhuǎn)臺的關(guān)鍵技術(shù)，一直是高精度跟蹤平臺的研究熱點(diǎn)。穩(wěn)瞄技術(shù)最先在陸軍領(lǐng)域的坦克系統(tǒng)中得到應(yīng)用，其典型應(yīng)用是車長搜索瞄準(zhǔn)鏡。通過配備車長鏡，可實(shí)現(xiàn)在惡劣環(huán)境下對敵作戰(zhàn)和對移動目標(biāo)的自動跟蹤，從而完善了戰(zhàn)車員對目標(biāo)的自主發(fā)現(xiàn)能力和首發(fā)摧毀能力。美國M1A2系列坦克[1-2]、俄羅斯T-95坦克[3]以及法國“勒克萊爾”2015坦克[4-5]在這方面都是成功的應(yīng)用實(shí)例。隨著戰(zhàn)爭時(shí)代的結(jié)束，人們加強(qiáng)了對空間技術(shù)的探索，衛(wèi)星、無人機(jī)等對穩(wěn)瞄技術(shù)的需求日漸突出。光電吊艙成為這一領(lǐng)域的典型代表。美國Lockheed Martin公司研發(fā)的Sniper吊艙[6]，可在多種復(fù)雜的環(huán)境之中運(yùn)行；以色列Rafael公司與美國Northrop Grumman公司聯(lián)合研發(fā)的Litening II吊艙[7]穩(wěn)定精度高且具備良好的前視搜索功能。中國凱邁測控的PLY-2光電吊艙[8]具有良好的自動視頻跟蹤功能，搜索范圍廣，精度高，適用于各種嚴(yán)酷環(huán)境及突發(fā)事件。軍事領(lǐng)域的研究熱潮同樣引領(lǐng)了穩(wěn)像技術(shù)在民用領(lǐng)域的興起。日本松下的NV-S1型攝像機(jī)可實(shí)現(xiàn)垂直±1.4°、水平±2°的穩(wěn)定范圍[9]；AXIS公司的Q系列產(chǎn)品可使其畫面在劇烈晃動環(huán)境里保持較穩(wěn)畫質(zhì)[10]。

盡管國內(nèi)外在穩(wěn)像轉(zhuǎn)臺領(lǐng)域從事了大量的研究，但是現(xiàn)階段產(chǎn)品多存在價(jià)格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性較差等問題。本文針對目前的穩(wěn)像轉(zhuǎn)臺的研究現(xiàn)狀，進(jìn)行了新的探索。限于本設(shè)計(jì)為空間產(chǎn)品，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中，重點(diǎn)考察結(jié)構(gòu)的小型化與輕量化，從衛(wèi)星發(fā)射到定規(guī)運(yùn)行過程中產(chǎn)品對動力學(xué)環(huán)境及空間低溫環(huán)境的抗性，動力學(xué)環(huán)境主要包括具有加速度載荷、正弦載荷及隨機(jī)載荷等的環(huán)境。本設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，通過模塊的小型化與輕型化來實(shí)現(xiàn)總體的小型化與輕型化，在滿足強(qiáng)度和剛度要求的情況下，盡可能多的采用輕質(zhì)鋁合金、鈦合金等材料；通過選用具有高動力學(xué)環(huán)境抗性的模塊結(jié)構(gòu)來提高總體的環(huán)境抗性，動力學(xué)環(huán)境要求模塊結(jié)構(gòu)具有良好的強(qiáng)度、剛度及韌性，低溫環(huán)境要求對模塊結(jié)進(jìn)行防冷焊設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)過程中，采用環(huán)境仿真分析的方法對產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)值分析，通過不斷的分析與修正，得出滿足設(shè)計(jì)要求的結(jié)構(gòu)，最后對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1　二軸穩(wěn)瞄轉(zhuǎn)臺設(shè)計(jì)要求及設(shè)計(jì)

星載小型二軸穩(wěn)瞄轉(zhuǎn)臺的技術(shù)指標(biāo)如表1所列。

表1　星載小型二軸穩(wěn)瞄轉(zhuǎn)臺的技術(shù)指標(biāo)

轉(zhuǎn)臺設(shè)計(jì)采用地平式U型二軸轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)剛度較大、沿方位軸系方向彎曲撓度較小且在結(jié)構(gòu)的中上部分有額外布置載荷的空間。二軸轉(zhuǎn)臺由俯仰和垂直軸系構(gòu)成。俯仰軸系搭載相機(jī)，其左右軸系安裝于U型架頂端兩側(cè)；垂直軸系連接U型架和基座，用于實(shí)現(xiàn)方位轉(zhuǎn)動。軸系的旋轉(zhuǎn)和限位由電機(jī)控制，可輕易實(shí)現(xiàn)無盲區(qū)監(jiān)控。轉(zhuǎn)臺的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1　二軸轉(zhuǎn)臺總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2　環(huán)境仿真分析

無論是樣機(jī)階段還是鑒定階段，空間產(chǎn)品都要做大量的動力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)，為了盡可能少地減少環(huán)境試驗(yàn)的周期和成本，本研究采用有限元法對這些動力學(xué)環(huán)境進(jìn)行仿真分析。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，用Solidworks建立星載小型二軸穩(wěn)瞄轉(zhuǎn)臺的有限元模型并將其導(dǎo)入到ANSYS Workbench中，各零件的接觸類型定義為Bonded（綁定）類型，按表2添加各零件所材料屬性；最后對轉(zhuǎn)臺實(shí)體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，節(jié)點(diǎn)數(shù)為419 622個(gè)，單元數(shù)為221 451個(gè)。

表2　材料屬性

2.1　加速度載荷分析

在衛(wèi)星的發(fā)射階段，由于火箭發(fā)動機(jī)的推力可使衛(wèi)星獲得加速度，它由兩部分組成：1）變化相當(dāng)緩慢的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)加速度；2）瞬態(tài)事件引起的瞬態(tài)加速度。根據(jù)GJB加1027-1990D的定義，試驗(yàn)加速度值為衛(wèi)星發(fā)射時(shí)的兩種加速度復(fù)合的最大值[11]。為了與試驗(yàn)保持一致，在加速度分析中采用ANSYS Workbench中的靜力學(xué)分析模塊，主要考察結(jié)構(gòu)的剛度及強(qiáng)度，分別由系統(tǒng)形變和應(yīng)力體現(xiàn)[12]。在分析中對轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)施加固定約束和加速度載荷，加速度載荷取7g（g為重力加速度），分別沿著 X+、Y+、Z+、X-、Y-、Z-的六個(gè)方向施加。圖2列出了X軸正向施加載荷的加速度分析結(jié)果，其他方向分析結(jié)果不在贅述。由圖2可知，轉(zhuǎn)臺的各個(gè)方向上最大位移量出現(xiàn)在轉(zhuǎn)臺頂部，平均值為0.14 mm，在除減振器外的其他部分最大應(yīng)力的平均值為0.000 35 MPa，遠(yuǎn)小于所選材料的許用應(yīng)力。轉(zhuǎn)臺頂部變形量過大是由于橡膠減振器受壓，轉(zhuǎn)臺整體傾斜，放大了轉(zhuǎn)臺頂部在系統(tǒng)坐標(biāo)系中的位移值，去掉減振器后對云臺進(jìn)行同樣的分析，結(jié)果如圖3所示，最空間小型二維云臺的最大變形發(fā)生在U形架左右兩端的頂部，各個(gè)方向上最大位移量的平均值為0.03 mm，最大應(yīng)力出現(xiàn)在在螺釘安裝孔處，其均值為8.1 MPa.通過以上分析，轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)強(qiáng)度高剛度好能夠抵抗加速度環(huán)境。

圖2　加減振器系統(tǒng)位移云圖和應(yīng)力云圖

圖3　不加減振器系統(tǒng)位移云圖和應(yīng)力云圖

2.2　模態(tài)分析

模態(tài)分析采用ANSYS Workbench中的模態(tài)分析模塊，用于確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，以避免共振帶來的影響[13]。對一個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析實(shí)質(zhì)上是對該系統(tǒng)的動力學(xué)方程進(jìn)行特征值以及特征向量求解，從而得到各階自振頻率及對應(yīng)振型。

本分析采用和靜力學(xué)分析相同的固定約束，各階固有頻率結(jié)果如表3所列。通過分析可知，施加不同的約束，轉(zhuǎn)臺整體的固有頻率不同，最大位移發(fā)生在U型架頂端兩側(cè)。通?？臻g產(chǎn)品的一階固有頻率須大于100 Hz，這樣可以避免產(chǎn)品與衛(wèi)星共振。通過表格可以發(fā)現(xiàn)，空間小型二軸轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的各階振型固有頻率均大于100 Hz，從而有效地減小了共振引起的結(jié)構(gòu)形變，滿足空間產(chǎn)品對固有頻率的要求。圖4是轉(zhuǎn)臺一階模態(tài)位移云圖。

表3　模態(tài)分析結(jié)果

2.3　正弦振動載荷分析

正弦激勵來自運(yùn)載火箭發(fā)動機(jī)不穩(wěn)定燃燒而產(chǎn)生的推力變化，旋轉(zhuǎn)設(shè)備的不平衡轉(zhuǎn)動及供應(yīng)系統(tǒng)在燃燒室壓力和推力脈動變化下而產(chǎn)生的縱向自激振動[11]。在本研究中采用ANSYS Workbench中的諧響應(yīng)分析模塊，通過分析結(jié)構(gòu)對幾種頻率的響應(yīng)，來預(yù)測結(jié)構(gòu)的持續(xù)動力特性。分析中施加的載荷為加速度載荷，其幅值為16 g（g為重力加速度），頻率范圍是5 Hz~100 Hz，施加方向分別沿X、Y、Z軸三個(gè)方向。圖5例舉了沿X方向施加簡諧載荷后出現(xiàn)最大應(yīng)力值時(shí)的頻率對應(yīng)的應(yīng)力云圖。分析結(jié)果表明，轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)整體應(yīng)力分布均勻，最大應(yīng)力值為25.971 MPa，所受應(yīng)力均在系統(tǒng)承受范圍之內(nèi)，系統(tǒng)能很好地抵抗簡諧載荷環(huán)境。

圖5　正弦振動載荷分析應(yīng)力云圖

2.4　隨機(jī)載荷分析

隨機(jī)載荷屬于一種聲致振動，主要源自火箭起飛排氣噪聲及跨聲速飛行及高速飛行時(shí)引起的氣動噪聲。本分析采用ANSYS Workbench中的隨機(jī)振動分析模塊，主要用于考察轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)在隨機(jī)載荷環(huán)境下的綜合情況。分析之前根據(jù)試驗(yàn)要求定義PSD Acceleration載荷，如表4所列。

表4　加速度PSD Acceleration載荷

采用響應(yīng)譜分析相同的步驟對轉(zhuǎn)臺進(jìn)行X、Y、Z方向上的隨機(jī)振動分析。圖6例舉X方向上的加速度云圖和應(yīng)力云圖。由分析可知，在X、Y、Z方向上的加速度最大響應(yīng)值分別約為6.3 g、6.9 g和4.92 g，出現(xiàn)最大值的響應(yīng)位置均為U形架的頂部，同時(shí)系統(tǒng)的最大應(yīng)力值約為30 MPa.分析結(jié)果表明，轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)均在材料許用應(yīng)力范圍以內(nèi)，轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)能很好地抵抗具有隨機(jī)載荷的環(huán)境。

圖6　系統(tǒng)加速度云圖和應(yīng)力云圖

3　轉(zhuǎn)臺隨機(jī)振動試驗(yàn)

為了檢驗(yàn)轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及實(shí)際減振能力，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的隨機(jī)振動試驗(yàn)。設(shè)定的隨機(jī)振動試驗(yàn)條件主要為隨機(jī)載荷的頻率、譜形、量級、持續(xù)時(shí)間以及方向等條件[11]。試驗(yàn)過程中，根據(jù)試驗(yàn)條件在X、Y、Z方向施加試驗(yàn)要求的隨機(jī)載荷，利用加速度計(jì)測出系統(tǒng)在隨機(jī)載荷激勵作用下的加速度響應(yīng)。在這里列舉轉(zhuǎn)臺在X方向上的加速度響應(yīng)曲線，如圖7所示。

圖7　轉(zhuǎn)臺隨機(jī)振動試驗(yàn)加速度響應(yīng)曲線

在上圖中，有五條近似平行的曲線及一條不規(guī)則的曲線，五條平行線最中間的那條曲線為控制曲線，由試驗(yàn)條件生成，與其相鄰最近的兩條對稱的曲線為控制曲線波動的允許范圍。與控制曲線相隔較遠(yuǎn)的兩條對稱的曲線為控制曲線的試驗(yàn)容差[14]。那條不規(guī)則的曲線為空間小型二軸轉(zhuǎn)臺的加速度響應(yīng)曲線。通過對比上圖中的各曲線可知：頻率在20 Hz~130 Hz的加速度響應(yīng)曲線較控制曲線有所放大，當(dāng)達(dá)到最大值時(shí)加速度曲線開始下降，最大值對應(yīng)的頻率約130 Hz，與有限元分析計(jì)算出系統(tǒng)的固有頻率一致，其響應(yīng)的均方根加速度值分別為15.9 g、14 g、11 g.說明小型二軸轉(zhuǎn)臺在高頻隨機(jī)振動環(huán)境中抗振效果明顯。

4　結(jié)束語

根據(jù)空間小型轉(zhuǎn)臺成像系統(tǒng)的功能需求，本文設(shè)計(jì)了二軸轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)成像系統(tǒng)光軸的穩(wěn)定及對目標(biāo)的跟蹤。利用SolidWorks構(gòu)建轉(zhuǎn)臺模型并導(dǎo)入到ANSYS Workbench中進(jìn)行有限元分析。通過對轉(zhuǎn)臺在包括加速度載荷、正弦載荷及隨機(jī)載荷等在內(nèi)的動力學(xué)環(huán)境中的分析，獲得了其形變、應(yīng)力、共振等情況，最后通過隨機(jī)振動試驗(yàn)證明了小型二軸轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性。同時(shí)本文也為轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性優(yōu)化提供了可靠的分析依據(jù)。