某中型無人機光電偵察吊艙升降裝置設計與實現(xiàn)

張博今

摘 要：對某中型無人機光電偵察吊艙升降減振裝置的傳動機構、減振系統(tǒng)等進行設計并進行機械運動性能計算分析。通過采用螺旋傳動機構和二級減振設計，實現(xiàn)了復雜環(huán)境條件下寬頻段、大衰減率地隔離因無人機發(fā)動機振動以及空氣動力等因素產(chǎn)生的強烈振動，解決飛行過程中光電偵察吊艙工作時圖像模糊、跟蹤抖動及目標丟失等問題，有效提高光電偵察吊艙的成像質(zhì)量、跟蹤精度。

關鍵詞：光電偵察吊艙;升降裝置;傳動機構

中圖分類號：V279文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2020）22-0038-03

Abstract： In this paper， the transmission mechanism and vibration damping system of a medium UAV photoelectric reconnaissance pod were designed， and the mechanical motion performance was calculated and analyzed. By adopting spiral transmission mechanism and two-stage damping design， the strong vibration caused by UAV engine vibration and aerodynamic factors can be isolated in a wide frequency band and with a large attenuation rate under complex environmental conditions. The problems of image blur， tracking jitter and target loss during the operation of photoelectric reconnaissance pod are solved， and the imaging quality and tracking accuracy of the photoelectric reconnaissance pod are effectively improved tracking accuracy.

Keywords： opto-electronic reconnaissance pod;lifting mechanism;transmission mechanism

1 研究背景

無人機光電偵察吊艙主要用于在多種氣象條件下執(zhí)行空中偵察、戰(zhàn)場動態(tài)監(jiān)視、目標搜尋定位、精確打擊等任務。升降裝置是光電偵察吊艙的關鍵組件，用于載機上掛載光電轉塔，隔離無人機飛行過程中產(chǎn)生的振動和偏擺，保證光電吊艙拍照、偵察時輸出穩(wěn)定清晰的圖像，并在非目標區(qū)域收進機腹減小載機風阻。在飛行過程中，載機發(fā)動機振動和高速氣流振動會嚴重影響光電偵察吊艙跟蹤精度和圖像質(zhì)量，甚至會丟失搜索及跟蹤的目標;同時，載機著陸產(chǎn)生的強烈沖擊容易使吊艙受到損壞。

針對此問題，在傳統(tǒng)升降裝置基礎上設計了減振系統(tǒng)和傳動機構。減振緩沖組件采用三維等剛度粘彈性阻尼無諧振區(qū)減振技術，實現(xiàn)了復雜環(huán)境條件下全（寬）頻段、大衰減率的隔離載機自身及空氣動力等因素產(chǎn)生的強烈振動，并有效解決了光電吊艙抗沖擊問題;同時，采用限制角位移機構，限制了振動環(huán)境中光電轉塔與載機軟連接產(chǎn)生的角位移運動，解決了相機和攝像機工作時的圖像抖動、模糊等問題。升降組件采用大減速比行星齒輪傳動技術與螺紋直線傳動技術相結合，保證了升降運動時能任意位置自鎖，升降平穩(wěn)，有效提高了光電吊艙的成像質(zhì)量、跟蹤精度。

2 升降裝置設計

2.1 光電吊艙升降裝置結構技術指標

本文以某中型無人機光電偵察吊艙的研制要求為輸入，技術指標主要包括外形尺寸、包容量、重量、載荷及升降行程等方面。外形尺寸：410 mm×388 mm×420 mm;包容量：SΦ380 mm;重量：10.5 kg;載荷：23 kg;升降行程：≥225 mm[1]。

2.2 傳動機構設計

光電偵察吊艙升降裝置的使用環(huán)境及性能要求決定其傳動機構需要具備高精度、高可靠性、傳動平穩(wěn)等主要特征。常見的傳動結構中滿足研制要求的主要有齒輪-齒條機構、剪叉式液壓（氣壓）機構、螺旋傳動機構等。

齒輪-齒條機構，由升降平臺上齒輪與外框架上齒條構成齒輪-齒條嚙合副，通過嚙合轉動驅動升降裝置上下升降，結構緊湊，運動平穩(wěn)，傳遞效率高，但升降裝置上驅動齒輪的電機系統(tǒng)占用了光電轉塔的安裝空間[2]。

剪叉式液壓（氣壓）機構，由液壓（氣壓）提供驅動力，通過連桿推動剪叉框架作角運動使升降平臺上下升降，結構簡易，升降行程大，但其升降運動并非勻速，因此易產(chǎn)生沖擊，并且安裝及運動精度較低，對性能產(chǎn)生較大影響[3]。

螺旋傳動機構，通過在升降平臺上安裝螺母、外框架上安裝絲杠組成螺旋傳動副，通過電機系統(tǒng)驅動絲杠轉動使升降平臺上下升降。螺旋傳動機構安裝方便，傳動平穩(wěn)，可靠性高，并可實現(xiàn)自鎖功能，但絲杠軸向剛度不高，需要保證外框架剛度，防止絲杠變形，加劇傳動副磨損[4]。

綜上所述，由于螺旋傳動機構具有傳動平穩(wěn)、可靠性高、可實現(xiàn)自鎖等功能，因此，本設計中將其作為升降裝置的傳動機構，在外框架中加裝導向桿組消除絲杠軸軸向剛度較低的影響。升降裝置結構簡圖如圖1所示。

此升降裝置主要由基板（上、下）、升降平臺、導向桿、驅動電機系統(tǒng)及減振裝置等部件構成。上、下基板由4塊支撐板（未示出）固聯(lián)構成外框架，上、下基板與載機固聯(lián)，具有較高的強度和剛度。兩根絲杠和兩根導向桿交錯安裝于外框架的四個支角，由安裝在外框架的驅動電機系統(tǒng)驅動蝸輪蝸桿傳動副，通過鏈條帶動裝有從動輪的兩根絲杠同步轉動，在兩根導向桿導向作用下驅使帶有螺母的升降平臺上下運動。通過將驅動電機系統(tǒng)、蝸輪蝸桿傳動副及鏈條等主要傳動機構布置在外框架上部，可有效提高升降裝置的穩(wěn)定性，并提供較大的包容量用于安裝光電轉塔。

3 強度及其穩(wěn)定性校核

3.1 螺桿強度校核

升降裝置工作時，驅動絲杠承受軸向載荷和轉矩。選用Tr16×2-8h鈦合金梯形螺紋，螺距為2 mm，螺紋中徑[d2]=14.701 mm，螺紋底徑[d3]=13.5 mm，螺距[t]=2 mm，螺旋升角[λ=2.48?]，當量摩擦角[Ψv=5.9?]，升降載荷為28 kg。

驅動絲杠危險截面應力[σca]利用第四強度理論計算：

式中：[F]表示工作時絲杠所受軸向載荷，承受過載5 g，兩根絲杠同步驅動，單根軸向載荷[F]=70 kgf;[T]表示螺旋副轉矩，計算公式為：

將相關數(shù)據(jù)代入式（1）可計算得出[σca=132 MPa]，驅動絲杠[σb=1 180 MPa]，其許用應力[σ=σb/（5?7）][=168?236 MPa>σca]，滿足設計要求。

3.2 螺桿穩(wěn)定性校核

升降裝置工作時，驅動絲杠（[Ld]>8～10）如果承受軸向載荷過大，則有可能因失穩(wěn)而產(chǎn)生側向撓曲，此時應對絲杠進行穩(wěn)定性校核。絲杠失穩(wěn)時，臨界載荷[Fc]利用歐拉公式計算：

式中：[nw]表示安全系數(shù)，取5;[Famax]表示絲杠最大軸向載荷，載機沖擊最大為25 g，則單根絲杠承受載荷[Famax]=350 kgf;[E]表示絲杠材料的彈性模量，為1.5×105? MPa;[μ]表示長度系數(shù)，查表得[μ]=0.5;[l]表示絲杠最大工作長度，[l]=320 mm;

將相關數(shù)據(jù)代入公式（3）可計算得出[Fc]=0.94×104 kgf?[nwFamax]=0.18×104 kgf，穩(wěn)定性滿足設計要求。

4 減振機構設計

光電偵察吊艙在目標區(qū)伸出機艙執(zhí)行偵察任務，此時對跟蹤精度和圖像質(zhì)量影響較大的振源有載機發(fā)動機組產(chǎn)生的振動;飛機航線、速度、高度、姿態(tài)的急劇變化產(chǎn)生的振動;高速氣流、擾流、抖振產(chǎn)生的振動。各種振動疊加后產(chǎn)生的寬頻振動為10～500 Hz，這種振動傳遞至光電轉塔，引起平臺內(nèi)框架和任務載荷的振動。當激勵頻率和系統(tǒng)固有頻率相等時將引起共振，直接影響光電偵察吊艙工作的穩(wěn)定性，降低跟蹤精度和圖像質(zhì)量。為了隔離疊加后的振動，在升降裝置上采用了二級減振設計，其結構簡圖如圖2所示。

具體設計為：在升降平臺與轉塔吊掛點之間加裝彈簧組和特定阻尼減振墊;在升降平臺與外框架下基板之間加裝特定阻尼減振球。

此減振機構通過彈簧組和特定阻尼減振墊組成的復合結構構成粘彈阻尼減振系統(tǒng)，通過彈簧組的線性變形和特定阻尼減振墊在承受非線性阻尼以熱能方式耗散振動能量，衰減振動幅值。該設計通過非線性特性實現(xiàn)了大振幅低頻振動，具有較大阻尼，限制了轉塔相對載機的線位移和角位移;對小振幅高頻振動，阻尼較小，大量衰減振動能量的傳遞。

5 結論

升降裝置作為光電偵察吊艙的重要組成部分，其傳動設計和減振效果對系統(tǒng)的穩(wěn)定精度、跟蹤性能和可靠性產(chǎn)生較大影響。通過采用螺旋傳動機構和二級減振設計，解決了因振動導致吊艙拍照時的圖像模糊、跟蹤抖動及目標丟失等問題，實現(xiàn)了復雜環(huán)境條件下寬頻段、大衰減率的隔離載機自身及氣流等因素產(chǎn)生的強烈振動。該升降裝置隨系統(tǒng)進行了內(nèi)場環(huán)境試驗、外場飛行試驗及交付列裝使用，對傳動設計、減振和抗沖擊性能進行了充分評估和驗證，證明系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，大幅提高了光電偵察吊艙工作過程中的成像質(zhì)量、跟蹤精度。

參考文獻：

[1]曹尹琦，齊媛，程剛，等.軍用無人機小型光電吊艙的發(fā)展和關鍵技術[J].飛航導彈，2019（3）：63-68.

[2]王方玉.美國無人機的光電載荷與發(fā)展分析[J].激光與紅外，2008（4）：311-314.

[3]王永娟，龍澤倫.齒輪齒條和螺旋傳動機構的分析與比較[J].科學技術與工程，2012（36）：9963-9967.

[4]Pai P F ， Schulz M J . A refined nonlinear vibration absorber[J]. International Journal of Mechanical ences，2000（3）：537-560.