機(jī)載激光測照器發(fā)射光軸不穩(wěn)定度仿真分析

耿園園,徐光爍,謝桂娟,呂華昌,趙開瑞,褚凡忠

(華北光電技術(shù)研究所,北京 100015)

1 引 言

激光測照器現(xiàn)階段已在各類軍用中高空無人機(jī)機(jī)載光電平臺中得到廣泛應(yīng)用。利用它不但能實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)距離目標(biāo)的準(zhǔn)確測距定位,還能為激光半主動(dòng)制導(dǎo)導(dǎo)彈提供照射指引。激光測照器的發(fā)射光軸不穩(wěn)定度是衡量自身能力和可靠性的一項(xiàng)重要指標(biāo)。激光指向不穩(wěn)定會(huì)嚴(yán)重影響測距和照射精度,當(dāng)光軸偏離角度過大時(shí),將最終導(dǎo)致測距失準(zhǔn)以及被引導(dǎo)的導(dǎo)彈脫靶[1]。然而隨著對無人機(jī)載荷的日益輕量化要求,激光測照器也在盡可能地壓縮體積和減輕重量,這又對其穩(wěn)定性和可靠性帶來挑戰(zhàn)。

在機(jī)載較為嚴(yán)酷的使用環(huán)境中,激光測照器受安裝力、熱和振動(dòng)沖擊等因素影響會(huì)使敏感的諧振腔及擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生微小的機(jī)械形變,這些微小形變會(huì)引起激光光路變化,導(dǎo)致發(fā)射光軸產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)。為了滿足使用要求,激光的最大偏轉(zhuǎn)角度即發(fā)射光軸不穩(wěn)定度必須被限定在可允許的范圍內(nèi)。然而在實(shí)際中,對于此項(xiàng)指標(biāo)的靜態(tài)測試難度大且成本高,綜合動(dòng)態(tài)測試更是難以實(shí)現(xiàn),通常只能隨系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,無法得到準(zhǔn)確的定量數(shù)據(jù)。而利用CAE軟件對激光測照器的結(jié)構(gòu)和光路進(jìn)行模擬分析將是解決此問題的一種有效途徑[2-4]。本文就將以某小型化LD泵浦固體型機(jī)載激光測照器為例,通過仿真方法,分析和計(jì)算發(fā)射光軸的動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定度,以對整機(jī)的可靠性進(jìn)行評估。

2 激光測照器的結(jié)構(gòu)和相關(guān)參數(shù)

2.1 激光測照器結(jié)構(gòu)

該激光測照器采用了雙平面鏡直線腔型和一體化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),主體部分主要由激光諧振腔(包括LD泵浦模塊,輸出鏡和全反鏡等組件),散熱組件,擴(kuò)束光學(xué)系統(tǒng),接收光學(xué)系統(tǒng),支承結(jié)構(gòu),以及附屬電路等組成,如圖1所示。

圖1 激光測照器結(jié)構(gòu)示意圖

采用了一體化的設(shè)計(jì)省去了激光器作為獨(dú)立單元的支承和連接部分,可以有效縮減整機(jī)體積和重量,以滿足機(jī)載光電吊艙的小型化和輕量化要求[5-6]。

2.2 相關(guān)參數(shù)

激光測照器的主要參數(shù)如表1所示;激光測照器的使用環(huán)境要求如表2所示;激光測照器中所使用的主要零件材料如表3所示。

表1 激光測照器主要參數(shù)

表2 激光測照器的使用環(huán)境要求

表3 激光測照器零件材料屬性

3 仿真分析與計(jì)算

3.1 安裝力作用下的結(jié)構(gòu)靜力分析

激光測照器在工作時(shí)會(huì)受自身重力、振動(dòng)和沖擊等多種載荷作用,為了保證安裝穩(wěn)定,三個(gè)固定點(diǎn)(圖2中A、B、C)的安裝螺釘必須有足夠預(yù)緊力,以保證激光測照器底部凸臺與吊艙安裝基面之間不會(huì)出現(xiàn)分離和切向滑動(dòng)。由于受面形精度影響,即使三點(diǎn)固定也可能在接觸平面之間存在微小間隙,在激光測照器受螺釘預(yù)緊力作用時(shí),光路結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生一定彈性機(jī)械形變,在經(jīng)過長時(shí)間的時(shí)效作用后,平面間隙會(huì)持續(xù)變化,從而導(dǎo)致激光光軸產(chǎn)生偏離。

圖2 安裝受力圖

通常安裝面之間的間隙可能出現(xiàn)在固定點(diǎn)A、B、C的任意位置。根據(jù)三點(diǎn)在激光測照器上的位置分布特點(diǎn),假定間隙在A點(diǎn)時(shí),在螺釘拉力作用下激光測照器將主要產(chǎn)生長度方向的彎曲變形,發(fā)射光軸亦會(huì)產(chǎn)生俯仰角度變化。而在B點(diǎn)和C點(diǎn)中的某一點(diǎn)出現(xiàn)間隙時(shí)激光發(fā)射光軸主要產(chǎn)生的是平移和繞光軸轉(zhuǎn)動(dòng),對光軸的指向性影響不大。因此,受安裝力形變可主要選取針對A點(diǎn)出現(xiàn)最大平面間隙的情況進(jìn)行分析。

按照一般要求,激光測照器的安裝基準(zhǔn)面與激光發(fā)射光軸的不平行度α≤0.5 mrad,當(dāng)激光測照器與吊艙裝配并調(diào)好的情況下,凸臺面A與安裝面可能存在的最大平面間隙δmax為:

δmax=αmax·w=0.5×10-3×8=0.004 mm

(1)

式中,w為A點(diǎn)處的凸臺面寬度,尺寸為8 mm。由于螺釘處在凸臺面中心,當(dāng)最大間隙為0.004 mm時(shí),螺釘中心處接觸面法向最大可移動(dòng)量為0.004/2=0.002 mm。

根據(jù)螺釘預(yù)緊力公式計(jì)算A點(diǎn)螺釘?shù)念A(yù)緊力F′為:

(2)

其中,Z為螺釘數(shù)量,此處值為3;f為結(jié)合面間摩擦系數(shù),查表取值為0.17;Kf為摩擦力不穩(wěn)定的可靠系數(shù),查表取值1.2;R為橫向載荷,考慮最大載荷的情況,即激光測照器在受到最大沖擊a=20 g時(shí),R=m·a=2.0×9.8×20=392 N,m為整機(jī)重量2.0 kg;Q為縱向載荷,同R,Q=m·a=2×9.8×20=392 N；C為螺釘相對剛度,可直接查表取值為0.3；

因此:

出于安全性的考慮,取螺釘預(yù)緊力為1200 N。

在ANSYS Work bench中對激光測照器進(jìn)行靜力分析(Static Structural),設(shè)置B、C兩點(diǎn)凸臺固定約束,A點(diǎn)螺孔中心處施加沿Z軸方向1200 N的拉力,并設(shè)置A點(diǎn)凸臺允許最大位移量為0.002 mm,仿真得到總體形變圖如圖3所示。

圖3 安裝力作用下的總體形變

從分析云圖中看出,激光發(fā)射光軸主要沿Z軸方向發(fā)生整體剛性俯仰轉(zhuǎn)動(dòng),而激光內(nèi)部光路和兩個(gè)腔鏡夾角幾乎未發(fā)生相對變動(dòng)[7]?？拷鼣U(kuò)束鏡頭前端面處位移最大,為3.9092×10-6m,根據(jù)分析結(jié)果數(shù)據(jù)和幾何關(guān)系計(jì)算得到該激光測照器在受安裝力作用下的發(fā)射光軸最大偏轉(zhuǎn)角度φf為:

φf=0.018 mrad

3.2 熱-結(jié)構(gòu)耦合分析

激光測照器的LD泵浦模塊使用了TEC進(jìn)行精確控溫,只通過散熱片與外部環(huán)境進(jìn)行熱交換,LD熱沉與支承結(jié)構(gòu)的所有連接部位都采用了隔熱處理,使LD及熱沉溫度保持在工作溫度+30 ℃。除LD泵浦模塊和散熱片外,其余零部件的溫度跟隨外部環(huán)境變化。激光測照器的使用環(huán)境溫度范圍為-40～+60 ℃。低溫與常溫的溫差大于高溫與常溫的溫差,因此在低溫-40 ℃工作時(shí),激光測照器較高溫時(shí)的熱形變更大。由于整機(jī)處在密閉吊艙內(nèi),艙內(nèi)溫變相對均勻緩慢,而殼體、鏡筒和鏡座等結(jié)構(gòu)件都使用了導(dǎo)熱率較高的鋁材料,因此零件內(nèi)部溫度可認(rèn)為均勻變化而無須考慮瞬態(tài)溫度梯度。

將-40 ℃時(shí)的各零部件溫度作為輸入邊界條件對激光測照器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱-結(jié)構(gòu)耦合分析[8](steady-state thermal-static structural)得到總體熱形變圖如圖4所示。

圖4 總體熱形變圖

此時(shí)激光測照器發(fā)射光路幾何中心在X、Y、Z三軸方向上的位移分量如圖5所示。

圖5 熱形變位移分量

由分析結(jié)果看出,激光測照器在-40 ℃的環(huán)境溫度下工作時(shí),整體表現(xiàn)為冷縮態(tài)。在三軸方向上分別表現(xiàn)為:Y軸方向的形變位移最大,Z軸次之,而X方向最小。由于Y向形變主要表現(xiàn)為光路沿光軸方向的拉長或縮短,并不會(huì)對光軸指向產(chǎn)生影響,因此可不予考慮,而X軸方向和Z軸方向的形變都會(huì)引起激光光軸指向的變化。

根據(jù)諧振腔光軸轉(zhuǎn)向率以及擴(kuò)束光學(xué)放大倍率與光軸的變化關(guān)系,激光光軸的偏轉(zhuǎn)角度φ可表示為:

φ=φr+φo=φr+ε·θ·Γ-1

(3)

式中,φr為整機(jī)剛性偏轉(zhuǎn)角度；φo為內(nèi)部光路變化引起的光軸偏轉(zhuǎn)角度；ε為光軸轉(zhuǎn)向率,在平行平面腔中取近似值為1/2；θ為由形變引起的腔鏡法向夾角；Γ為擴(kuò)束鏡頭倍率,此值為5.5。

從圖5看出φr和φo在軸線同側(cè)且角度很小,接近直線變化。為了便于計(jì)算可假設(shè)右側(cè)全反鏡中心位置為相對零位,其位移為S0,輸出鏡中心位置位移為S1,此時(shí)公式(3)可近似為:

(4)

式中,L0為腔鏡之間距離。由分析數(shù)據(jù)和幾何關(guān)系通過公式(4)可得到X向和Z向的光軸偏轉(zhuǎn)角度φtx,φtz分別為:

根據(jù)正交關(guān)系計(jì)算該激光測照器在-40℃工作時(shí)由熱形變引起的最終合成光軸偏轉(zhuǎn)角度φt為:

(5)

3.3 隨機(jī)振動(dòng)分析

激光測照器在受振動(dòng)和沖擊作用時(shí),激光諧振腔會(huì)產(chǎn)生瞬態(tài)機(jī)械形變[9-10]。由于沖擊的時(shí)間極短,如果不發(fā)生結(jié)構(gòu)失效,這種形變通常也可瞬間恢復(fù),一般不會(huì)對光軸穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。而振動(dòng)的累積時(shí)間則比較長,其影響不可忽略。根據(jù)所處無人機(jī)的振動(dòng)環(huán)境,激光測照器振動(dòng)條件是由寬帶隨機(jī)譜上疊加窄帶尖峰組成,其加速度的PSD譜如圖6所示,其中F1=113 Hz,F2=2F1,F3=3F1,F4=4F1。四個(gè)窄帶尖峰(F1～F4)的振動(dòng)帶寬為圍繞各自頻率的±5 %fi。L1對應(yīng)的功率譜值為0.1 g2/Hz。

圖6 振動(dòng)加速度PSD譜

由于PSD譜不是確定性譜而是基于概率的統(tǒng)計(jì)規(guī)律,只能使用隨機(jī)振動(dòng)而不能用瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析代替。利用ANSYSWorkbench的隨機(jī)振動(dòng)(Random Vibration)功能對激光測照器進(jìn)行振動(dòng)響應(yīng)分析,并將加速度PSD譜以表數(shù)據(jù)形式作為隨機(jī)振動(dòng)的激勵(lì)載荷分別在激光測照器的X、Y、Z方向進(jìn)行加載,分析求解得到激光測照器在三軸方向3σ(統(tǒng)計(jì)概率為99.73%)范圍內(nèi)的形變?nèi)鐖D7所示。

圖7 振動(dòng)形變圖

其中,激光發(fā)射光路幾何中心在各方向上的形變位移分量如圖8所示。

圖8 振動(dòng)形變位移分量

從分析結(jié)果看,激光光路幾何中心沿X軸方向形變較大,而沿Z軸方向相對很小可忽略不計(jì),Y方向的形變同樣對激光光軸不產(chǎn)生影響,因此只分析計(jì)算X方向的光軸變化情況。

依照前文公式(4),計(jì)算得到由隨機(jī)振動(dòng)引起的激光光軸偏轉(zhuǎn)角度φv值為:

φv=0.043 mrad

3.4 綜合不穩(wěn)定度

由于以上得到的三種因素影響下的激光發(fā)射光軸偏轉(zhuǎn)角度處在不同方向,并且相互獨(dú)立,同時(shí)出現(xiàn)的概率亦微乎其微,為了反映激光測照器的發(fā)射光軸綜合不穩(wěn)定度,取其均方根作為有效值,此時(shí)激光測照器發(fā)射光軸的綜合不穩(wěn)定度ω為:

(6)

4 結(jié) 論

通過以上的仿真分析和計(jì)算得到激光測照器在工作時(shí)的動(dòng)態(tài)發(fā)射光軸不穩(wěn)定度為0.075 mrad,此值為最不理想情況下的極限值,且小于指標(biāo)中的0.08 mrad,因此滿足可靠性要求。

此外從分析計(jì)算過程和仿真結(jié)果可以看出,激光測照器由安裝力帶來的光軸不穩(wěn)定度主要和安裝接觸面尺寸以及激光發(fā)射光軸與基準(zhǔn)面的調(diào)節(jié)平行精度相關(guān),減小接觸面尺寸并提高光軸與基準(zhǔn)面的平行度可以減小激光光軸的不穩(wěn)定度；而由振動(dòng)引起的激光光軸不穩(wěn)定則主要表現(xiàn)在剛性最弱且懸臂較長的x方向上,加強(qiáng)x方向剛度并減小懸臂尺寸也可以相應(yīng)減小激光發(fā)射光軸的不穩(wěn)定度。