航空相機(jī)氣密光學(xué)窗口及其保護(hù)罩的設(shè)計(jì)

譚淞年，姚 園，徐鈺蕾，許永森，李 浩

（1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130033；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；3.中國科學(xué)院 航空光學(xué)成像與測量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長春 130033）

1 引言

在載機(jī)飛行過程中，載荷會處于極其嚴(yán)峻的工作環(huán)境（如載體造成的沖擊、振動(dòng)，相機(jī)載荷內(nèi)外壓力變化、溫度變化等）［1］。光學(xué)窗口作為航空光電平臺的一部分，是內(nèi)部載荷與外界環(huán)境的接口。由于工作環(huán)境惡劣，航空相機(jī)密封在保護(hù)光學(xué)窗口內(nèi)，光學(xué)窗口起到將光學(xué)系統(tǒng)與外界環(huán)境隔離的作用，避免外界的煙霧、沙塵、水汽和其他污染進(jìn)入光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部，因此光學(xué)窗口玻璃需進(jìn)行氣密處理。此外，光學(xué)窗口直接承受外界環(huán)境的氣動(dòng)沖擊、加熱熱流［2-3］、內(nèi)外壓差和載機(jī)振動(dòng)，其作為光學(xué)系統(tǒng)的一部分，為了保證光學(xué)系統(tǒng)成像清晰，光學(xué)窗口不能翹曲變形，這就要求窗口具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度，并且不會產(chǎn)生應(yīng)力集中的問題。

光學(xué)窗口玻璃是脆性材料，在外界壓力和溫度變化等影響下可能會遭到破壞［4］。光學(xué)窗口的設(shè)計(jì)決定了光電載荷的可靠性。此外，當(dāng)航空光電平臺載機(jī)在地面和起降過程中，揚(yáng)起的沙塵會對光學(xué)窗口造成劃痕和損傷，破壞光學(xué)窗口表面的膜系。在光學(xué)窗口外側(cè)增加光窗保護(hù)罩結(jié)構(gòu)是一種解決方案，可實(shí)現(xiàn)對光學(xué)窗口的保護(hù)［5］。窗口保護(hù)艙門結(jié)構(gòu)位于光學(xué)窗口外側(cè)，當(dāng)載機(jī)在地面和起降過程中，保護(hù)艙門處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)光電載荷設(shè)備工作時(shí)，艙門處于打開狀態(tài)。由于載機(jī)對航空相機(jī)體積和重量的嚴(yán)格限制，需要一種結(jié)構(gòu)尺寸緊湊、輕質(zhì)，并能對光學(xué)窗口起到保護(hù)作用的保護(hù)罩。目前航空光電載荷一般采用地面拆裝光學(xué)窗口保護(hù)蓋的方式來實(shí)現(xiàn)對光學(xué)窗口的保護(hù)，該方式造成人力資源浪費(fèi)的同時(shí)也存在起飛及降落過程中損傷光學(xué)窗口的風(fēng)險(xiǎn)。

本文提出了一種航空相機(jī)光學(xué)窗口及其保護(hù)罩的設(shè)計(jì)方案。確定了光學(xué)窗口的設(shè)計(jì)流程和方法，并設(shè)計(jì)了雙層艙門結(jié)構(gòu)形式的光窗保護(hù)罩，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的小型化。通過仿真分析和試驗(yàn)，測試了光學(xué)窗口和光窗保護(hù)罩的穩(wěn)定性，能夠滿足系統(tǒng)指標(biāo)要求。

2 方法論

光學(xué)窗口作為航空相機(jī)的一部分，是相機(jī)與外界環(huán)境的接口，同時(shí)是一個(gè)壓力氣密隔離與溫度隔離窗口，起到保護(hù)相機(jī)成像光學(xué)系統(tǒng)、隔離外界惡劣環(huán)境的作用。另外窗口本身又是一個(gè)零光焦度的光學(xué)元件，是入射光束的必經(jīng)路徑，作為相機(jī)光學(xué)系統(tǒng)的一部分，其光學(xué)性能直接關(guān)系到航空相機(jī)的分辨力和成像質(zhì)量。因此在光學(xué)窗口設(shè)計(jì)工作中不僅必須考慮到玻璃材料及其強(qiáng)度可靠性，還要考慮到其工作時(shí)對遙感高光譜相機(jī)的成像質(zhì)量的影響。光窗分系統(tǒng)包括光學(xué)窗口和光窗保護(hù)罩等。

2.1 光學(xué)窗口設(shè)計(jì)原則

（1）光學(xué)儀器的光窗作為內(nèi)部元件和外部環(huán)境間的一種透明界面，需要允許所希望的輻射光通過，并對成像質(zhì)量和光強(qiáng)度有最小的影響。

（2）光學(xué)窗口安裝設(shè)計(jì)主要需考慮由于機(jī)械和熱產(chǎn)生畸變的程度，密封措施以及在光學(xué)系統(tǒng)中的位置。

（3）平面光透射通過光窗后，成像質(zhì)量會有所下降，根據(jù)所允許的最小下降來規(guī)定光窗的光學(xué)性能。透過波前誤差包括由材料不均勻或加工造成的表面殘留形狀誤差以及裝配或環(huán)境影響造成機(jī)械變形等原因而導(dǎo)致的誤差。

（4）航空相機(jī)安裝在機(jī)身有環(huán)控的艙段內(nèi)，需要使用光窗將該艙或吊艙密封起來，并保證光窗所包圍區(qū)域具有空氣動(dòng)力學(xué)的連續(xù)性。

（5）氣密窗口應(yīng)能滿足內(nèi)部增壓艙與周圍大氣之間的壓差［6］。

根據(jù)光學(xué)窗口的設(shè)計(jì)原則，可以明確光學(xué)窗口設(shè)計(jì)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)要素［7］，即材料、尺寸、鍍膜、氣密設(shè)計(jì)和力學(xué)特性等。根據(jù)光學(xué)指標(biāo)要求，對光學(xué)窗口的設(shè)計(jì)要素進(jìn)行計(jì)算，通過建模仿真來判斷設(shè)計(jì)合理性。然后開展光學(xué)窗口保護(hù)罩的設(shè)計(jì)，確定尺寸和結(jié)構(gòu)形式。光學(xué)窗口及光窗保護(hù)罩設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 光學(xué)窗口及光窗保護(hù)罩設(shè)計(jì)流程Fig.1 Design process of optical window and optical window protector

2.2 光學(xué)窗口設(shè)計(jì)方法

2.2.1 光學(xué)窗口材料選擇

針對光學(xué)系統(tǒng)不同的應(yīng)用環(huán)境及探測波段，窗口材料的選取標(biāo)準(zhǔn)不同。光學(xué)窗口材料的選取主要考慮兩方面的因素，物理性能和機(jī)械性能［8］。物理性能主要是指材料的光學(xué)性能，例如材料的體吸收率、光學(xué)波段透過率等。機(jī)械性能是指窗口材料的力學(xué)性能等。航空相機(jī)在可見波段常用的窗口材料參數(shù)如表1所示。

表1 常用窗口材料參數(shù)Tab.1 Common window material parameters

2.2.2 光學(xué)窗口厚度確定

窗口采用簡單支撐的側(cè)邊固定的方式，在承受壓差的情況下玻璃窗口的最小厚度L為：

其中：Aw為光學(xué)窗口直徑，方形窗口取對角線長度；ΔPw為光學(xué)窗口表面法向壓差；Kw為支撐條件系數(shù)，受到夾持的窗口取Kw=0.75；fs為安全系數(shù)，一般取fs=4；σF為光學(xué)玻璃材料的斷裂應(yīng)力。

2.2.3 壓力對光學(xué)窗口的影響

光學(xué)窗口工作過程中，一側(cè)是低壓，另一側(cè)是一個(gè)大氣壓，兩側(cè)的壓差使得窗口趨于凸向艙外，這種變形將會使通過窗口的波前光程差發(fā)生變化，在整個(gè)通光口徑內(nèi)壓差為ΔPw，則圓形窗口形變帶來的光程差LOPD為：

其中：n為玻璃窗口的折射率，E為窗口玻璃的彈性模量。

2.2.4 光學(xué)窗口鍍膜設(shè)計(jì)

光學(xué)窗口外表面鍍增透膜、硬質(zhì)保護(hù)膜和憎水膜，光學(xué)窗口內(nèi)表面鍍增透膜和硬質(zhì)保護(hù)膜。增透膜用來減少光的反射及增加穿透強(qiáng)度；硬質(zhì)保護(hù)膜可以增加光學(xué)鏡片表面的硬度，對窗口起到保護(hù)的作用；憎水膜即防水防塵膜，使水、塵等臟污與光學(xué)窗口的接觸面積變小，使其不易粘附于光學(xué)窗口表面，提高了光學(xué)窗口防水、防霧、防塵、防指紋等防污染的能力。根據(jù)窗口材料和窗口厚度尺寸參數(shù)可以計(jì)算得到光學(xué)窗口的體透過率，公式如下：

其中：τ為窗口體透過率，α為窗口體吸收系數(shù)。

2.2.5 氣密光窗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與氣密設(shè)計(jì)

氣密光學(xué)窗口玻璃直接與穩(wěn)定平臺連接，是光學(xué)系統(tǒng)的第一個(gè)工作面，外界環(huán)境的溫度、濕度、腐蝕性、壓力、塵土、飛蟲等都直接作用于它。因此，對氣密光窗的要求比較高。光學(xué)窗口氣密結(jié)構(gòu)如圖2所示。為了實(shí)現(xiàn)快速裝配，光學(xué)窗口未選擇粘接連接方式［9］，而是選用硫化硅橡膠進(jìn)行密封。硫化硅橡膠具有良好的密封性，并具有優(yōu)良的耐熱性和耐寒性，滿足航空環(huán)境使用要求。硫化硅橡膠是包覆住光學(xué)窗口的完整膠圈，截面成丁字型。硫化硅橡膠的上下兩部分通過窗口壓蓋壓緊可以實(shí)現(xiàn)光學(xué)窗口的氣密，密封圈壓邊大于2 mm，固定窗口壓蓋的螺釘間距應(yīng)小于60 mm，同時(shí)在螺釘處涂密封膠。

圖2 氣密光窗結(jié)構(gòu)組成示意圖Fig.2 Schematic diagram of airtight optical window structure

在金屬框架與光學(xué)窗口間隙處的硫化硅橡膠是為了補(bǔ)償溫度的影響。硫化硅橡膠補(bǔ)償溫度變化的最小間隙厚度計(jì)算公式如下：

其中：αM為殼體的線膨脹系數(shù)，αg為玻璃的線膨脹系數(shù)，ΔT為最大溫差。

2.3 光窗保護(hù)罩設(shè)計(jì)方法

為了保護(hù)光學(xué)窗口免受沙塵等雜質(zhì)的污染，在光學(xué)窗口外側(cè)設(shè)計(jì)光窗保護(hù)罩。光窗保護(hù)罩設(shè)計(jì)的關(guān)鍵點(diǎn)包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的小型化和艙門的動(dòng)密封。

2.3.1 光窗保護(hù)罩驅(qū)動(dòng)方案

受安裝空間限制，傳統(tǒng)的單層平移式艙門結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)干涉。為了實(shí)現(xiàn)小型化，設(shè)計(jì)了一種平移式雙層艙門結(jié)構(gòu)光學(xué)窗口保護(hù)罩。具體實(shí)現(xiàn)方式如圖3所示。結(jié)構(gòu)主要包括艙門機(jī)構(gòu)、支撐板、導(dǎo)向機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、自鎖機(jī)構(gòu)和電控機(jī)構(gòu)等。所有部件安裝在支撐板上，支撐板上有通光孔，該通光孔尺寸滿足航空光電平臺內(nèi)部載荷對外成像角，保證對外成像時(shí)不被遮擋。艙門機(jī)構(gòu)為上下兩塊平板結(jié)構(gòu)艙門，上下艙門與光軸垂直放置。在關(guān)閉狀態(tài)下，上下艙門水平并列放置，對所述的支撐機(jī)構(gòu)中的通光孔進(jìn)行遮擋。在開啟狀態(tài)下，上下艙門層疊放置在支撐機(jī)構(gòu)的一側(cè)，開放所述的支撐機(jī)構(gòu)中的通光孔，保證航空光電平臺內(nèi)部載荷對外成像，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的小型化。

圖3 光學(xué)窗口保護(hù)罩Fig.3 Optical window protector

如圖4所示為艙門結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方案。光窗保護(hù)罩的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)包括電機(jī)、聯(lián)軸器和滾珠絲桿等，驅(qū)動(dòng)艙門進(jìn)行水平運(yùn)動(dòng)。選用微直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件，微直流電機(jī)能夠以小巧的尺寸實(shí)現(xiàn)高功率，且具有堅(jiān)固耐用、可控性高、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊的優(yōu)點(diǎn)。采用稀有金屬環(huán)向器，可以實(shí)現(xiàn)最高的總體持續(xù)運(yùn)行性能。驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)選用滾珠絲杠，電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠，進(jìn)而帶動(dòng)艙門實(shí)現(xiàn)水平移動(dòng)。支撐機(jī)構(gòu)采用直線導(dǎo)軌保證艙門機(jī)構(gòu)的支撐與導(dǎo)向，使艙門機(jī)構(gòu)水平移動(dòng)。2個(gè)固定直線導(dǎo)軌水平安裝在支撐板上，下艙門直接安裝在固定直線導(dǎo)軌滑塊上。2個(gè)隨動(dòng)直線導(dǎo)軌側(cè)向安裝在下艙門結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)，減小了厚度方向的尺寸，上艙門安裝在隨動(dòng)直線導(dǎo)軌滑塊上。直線導(dǎo)軌涂低溫潤滑脂，保證航空光電平臺在飛行過程中正常工作。

圖4 艙門結(jié)構(gòu)驅(qū)動(dòng)方案Fig.4 Driving scheme of hatch structure

當(dāng)系統(tǒng)給出艙門開啟指令，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，通過聯(lián)軸器帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滾至絲杠滑塊的直線運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)上艙門運(yùn)動(dòng)。上下艙門的兩端有擋板，當(dāng)上艙門擋板與下艙門擋板接觸時(shí)，帶動(dòng)下艙門一起運(yùn)動(dòng)。在此運(yùn)動(dòng)期間，上下艙門相對靜止，直到艙門接觸關(guān)閉端限位時(shí)，艙門運(yùn)動(dòng)停止，實(shí)現(xiàn)艙門開啟。當(dāng)艙門處于開啟狀態(tài)，系統(tǒng)給出艙門關(guān)閉指令時(shí)，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)電機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，通過聯(lián)軸器帶動(dòng)滾珠絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，滾珠絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滾至絲杠滑塊的直線運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)上艙門運(yùn)動(dòng)。當(dāng)上艙門擋板與下艙門擋板接觸時(shí)，帶動(dòng)下艙門一起運(yùn)動(dòng)，在此運(yùn)動(dòng)期間，上下艙門相對靜止，直到艙門接觸開啟端機(jī)械限位時(shí)，艙門運(yùn)動(dòng)停止，實(shí)現(xiàn)艙門關(guān)閉。

艙門機(jī)構(gòu)的動(dòng)密封設(shè)計(jì)是滿足環(huán)境適應(yīng)性的關(guān)鍵。上下艙門之間通過迷宮密封結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)動(dòng)密封，下艙門和安裝板之間通過滑動(dòng)密封圈來實(shí)現(xiàn)動(dòng)密封。艙門結(jié)構(gòu)除導(dǎo)軌安裝面為平面外，通光孔徑可以實(shí)現(xiàn)隨形設(shè)計(jì)。

2.3.2 光窗保護(hù)罩驅(qū)動(dòng)力

驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要克服由外部負(fù)荷引起的摩擦扭矩T1并抵抗外部負(fù)載以進(jìn)行加速驅(qū)動(dòng)所需的加速扭矩T2。外部負(fù)荷包括光窗保護(hù)罩和空氣阻力，極限情況下，滾珠絲杠垂直，承受全部重力。另外需要克服空氣阻力。旋轉(zhuǎn)扭矩Tt如下式所示：

其中：k為安全系數(shù)，選取k=2；M為光窗保護(hù)罩的重量；u為滾珠絲杠的螺距；l為滾珠絲杠的長度；η為滾珠絲杠的機(jī)械效率，選取η=0.9；D為滾珠絲杠的絲杠軸外徑；N為電機(jī)轉(zhuǎn)速；t為加速時(shí)間。

光窗保護(hù)罩開關(guān)時(shí)間決定了光學(xué)載荷是否可以快速使用，開關(guān)時(shí)間的計(jì)算公式如下式所示：

3 光學(xué)窗口的設(shè)計(jì)與分析

3.1 光學(xué)窗口設(shè)計(jì)輸入條件

航空相機(jī)包含高光譜載荷和可見光載荷，高光譜載荷的應(yīng)用可以實(shí)現(xiàn)對海洋等領(lǐng)域更好的探測［10］。相關(guān)的指標(biāo)輸入如表2所示。

表2 光學(xué)輸入指標(biāo)Tab.2 Optical input indexes

3.2 光學(xué)窗口設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)輸入條件，設(shè)計(jì)的氣密光學(xué)窗口組件結(jié)構(gòu)如圖5所示。主要由載荷框架、光學(xué)窗口和光學(xué)窗口保護(hù)罩等組成。

圖5 氣密光學(xué)窗口組件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Schematic diagram of airtight optical window assembly structure

航空相機(jī)工作于可見光譜段，根據(jù)表1所示，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性和加工難度，選用BK7玻璃作為光學(xué)窗口的材料。為了保證不遮擋載荷成像，在成像范圍之外留有一定余量，兩個(gè)窗口尺寸最終確定為170 mm×184 mm和110 mm×154 mm。

光學(xué)窗口厚度按照極限條件來設(shè)計(jì)。玻璃窗口直徑取高光譜成像儀方形窗口的對角線為250 mm，光窗玻璃需能在外界2個(gè)大氣壓條件下正常工作，取光學(xué)窗口表面法向承受壓差為0.202 6 MPa；BK7光學(xué)玻璃材料的斷裂應(yīng)力為48 MPa。相關(guān)數(shù)據(jù)代入公式（1）可得到光學(xué)窗口的最小厚度值為14.06 mm。結(jié)合制造工藝的合理性和結(jié)構(gòu)尺寸空間排布，選取高光譜相機(jī)光學(xué)窗口和可見相機(jī)光學(xué)窗口的厚度均為15 mm。光學(xué)窗口材料及尺寸參數(shù)見表3。

表3 光學(xué)窗口材料及尺寸參數(shù)Tab.3 Optical window materials and size parameters

確定光學(xué)窗口厚度后，計(jì)算壓力作用下的窗口形變。BK7玻璃窗口的折射率為1.515（λ=632.8 nm），彈性模量為79 GPa。根據(jù)最大飛行高度為8 000 m，大氣壓力為0.036 MPa，光學(xué)窗口內(nèi)側(cè)為加壓狀態(tài)，取艙內(nèi)壓力值為常壓值0.1 MPa，光學(xué)窗口表面法向承受壓差為0.064 MPa。根據(jù)公式（2）計(jì)算得窗口形變帶來的光程差為0.972 nm，優(yōu)于105 nm。

BK7材料的體吸收系數(shù)為1.72×10-3cm-1，代入公式（3）計(jì)算得到窗口的體透過率為99.7%，結(jié)合鍍膜的膜層透過率，計(jì)算得窗口的平均透過率為97.3%（400 nm～900 nm），滿足指標(biāo)要求。

穩(wěn)定平臺框架結(jié)構(gòu)為鋁合金材料，線膨脹系數(shù)為23.6×10-6K-1。BK7材料的線膨脹系數(shù)為7.5×10-6K-1。代入式（4）計(jì)算得到硅橡膠的最小厚度dr=0.3 mm，綜合考慮硅橡膠圈的成形工藝和裝配難度，取硅橡膠的厚度為2.5 mm。氣密光學(xué)窗口組件安裝后，在所有螺釘位置注膠，保證螺釘位置的氣密性。

3.3 光學(xué)窗口工程分析

相機(jī)工作時(shí)光學(xué)窗口暴露在外界低溫低壓的環(huán)境中，而艙內(nèi)常溫常壓，導(dǎo)致光學(xué)窗口承受較大的內(nèi)外壓差和溫度梯度。組件中所用的光學(xué)窗口BK7玻璃材料屬于脆性材料，在壓力作用下，氣密光窗由于尺寸較大，高空飛行過程中內(nèi)外壓差會對氣密光窗面形造成一定影響，可能發(fā)生塑性變形，光學(xué)玻璃表面變形會導(dǎo)致光學(xué)性能下降，變形嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)p壞光學(xué)玻璃，當(dāng)光學(xué)玻璃表面塑性變形小于壓力引起的變形時(shí)，其表面就會出現(xiàn)裂紋或者斷裂。為了保證相機(jī)能安全工作，要求光學(xué)窗口必須具有一定的剛度和強(qiáng)度，能承受壓差和溫度梯度的影響。因此對光學(xué)窗口進(jìn)行強(qiáng)度分析十分必要。

通過Hypermesh軟件對光學(xué)窗口組件進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，光學(xué)窗口組件的有限元網(wǎng)格模型如圖6所示。根據(jù)實(shí)際安裝情況，在分析時(shí)對下安裝座的安裝位置進(jìn)行三自由度全約束。

圖6 氣密光窗組件有限元網(wǎng)格模型Fig.6 Finite element mesh model of airtight optical window assembly

光學(xué)窗口結(jié)構(gòu)的材料性能如表4所示。

表4 光學(xué)窗口組件材料屬性表Tab.4 Material attribute of optical window Assembly

3.3.1 載荷工況

光窗氣密承載不小于2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，則光學(xué)窗口表面法向承受壓差為0.2 MPa，光學(xué)窗口重力方向?yàn)楣鈱W(xué)表面法向方向，分析光窗組件在1g向下重力和0.2 MPa壓差共同作用下的變形情況和應(yīng)力分布。

當(dāng)載荷處于工作狀態(tài)時(shí)，飛行高度為8 000 m，大氣壓力為0.036 Mpa，光學(xué)窗口同時(shí)受到壓差、重力和溫度變化的影響。分析光學(xué)窗口組件在1g向下重力、內(nèi)外壓差0.064 Mpa和低溫溫度-55℃共同作用下的變形情況和應(yīng)力分布。

3.3.2 分析計(jì)算結(jié)果

利用optistruct進(jìn)行求解計(jì)算。光學(xué)窗口組件窗口玻璃的最大變形數(shù)值結(jié)果和最大Mises應(yīng)力數(shù)值結(jié)果均列于表5中。載荷工況a時(shí)，可見光相機(jī)窗口玻璃出現(xiàn)最大應(yīng)力點(diǎn)，皆出現(xiàn)在窗口膠圈邊緣處。仿真分析結(jié)果表明，光窗中光學(xué)窗口玻璃所受最大應(yīng)力10.97 Mpa小于BK7玻璃的彎曲強(qiáng)度93.8 Mpa，光學(xué)窗口可以安全工作［11］。載荷工況a時(shí)，可見光相機(jī)窗口玻璃的變形云圖和應(yīng)力云圖如圖7所示。

表5 不同工況下窗口玻璃和殼體的仿真分析結(jié)果Tab.5 Simulation analysis results of window glass and structure under different working conditions

圖7 可見光相機(jī)窗口玻璃的分析結(jié)果Fig.7 Analysis results of visible light camera window glass

3.4 光學(xué)窗口壓力試驗(yàn)

對光學(xué)窗口開展水壓試驗(yàn)，驗(yàn)證組件的抗靜壓破壞強(qiáng)度。在氣密光窗組件的載荷框架上加蓋密封蓋，密封蓋與載荷框架通過密封條密封，密封蓋上有入水/出水接口和壓力測試儀器接口。光學(xué)窗口壓力試驗(yàn)如圖8所示，壓力測試儀器采用F-98壓力表，如圖8（a）所示。為了排除水重力對光學(xué)窗口的影響因素，測試時(shí)，光學(xué)窗口水平向上放置，密封蓋向下，向載荷框架中加水直至載荷框架中充滿水。此時(shí)水對窗口施加均布向上的壓力，當(dāng)壓力達(dá)到0.2 MPa后，立即釋放，減壓排水。試驗(yàn)后，觀察光學(xué)窗口，窗口玻璃完好，表面無明顯劃痕、裂膜和腐蝕，表面清潔無異物。試驗(yàn)完成后的光學(xué)窗口內(nèi)側(cè)結(jié)構(gòu)如圖8（b）所示。試驗(yàn)證明光學(xué)窗口設(shè)計(jì)合理，能夠滿足指標(biāo)要求。

圖8 光學(xué)窗口壓力試驗(yàn)Fig.8 Pressure test of optical window

3.5 光窗保護(hù)罩設(shè)計(jì)

光窗保護(hù)罩采用模塊化設(shè)計(jì)，位于光學(xué)窗口外側(cè)，用于對光學(xué)載荷和光學(xué)窗口的保護(hù)。根據(jù)方法論，確定了光窗保護(hù)罩的結(jié)構(gòu)形式，整個(gè)厚度僅為37 mm。光窗保護(hù)罩如圖9所示。

圖9 光學(xué)窗口保護(hù)罩Fig.9 Optical window protector

根據(jù)公式（5）確定電機(jī)的力矩，即電機(jī)輸出端力矩需要大于0.012 N·m。電機(jī)采購福爾哈貝直流電機(jī)，減速比為18：1，經(jīng)減速箱后輸出力矩為0.086 N·m。最大電機(jī)轉(zhuǎn)速為11 000 r/min，根據(jù)公式（6）計(jì)算得光窗保護(hù)罩打開關(guān)閉理論時(shí)間為7.42 s，能夠滿足光窗保護(hù)罩開合單次時(shí)間小于30 s的指標(biāo)要求。電機(jī)由機(jī)械件密封防塵安裝，電機(jī)電源出線孔通過注膠密封，保證工作環(huán)境密閉。

3.6 光窗保護(hù)罩測試

對光窗保護(hù)罩進(jìn)行了單次開啟或關(guān)閉時(shí)間實(shí)際測試，經(jīng)過測試，光窗保護(hù)罩在20℃環(huán)境下，開啟/關(guān)閉時(shí)間為7.7 s。導(dǎo)軌和滾珠絲杠涂低溫潤滑脂，保證航空光電平臺在飛行過程中正常工作。對光窗保護(hù)罩組件進(jìn)行了高低溫啟動(dòng)測試。高溫70℃條件下，光窗保護(hù)罩能夠滿足正常啟動(dòng)要求。低溫-55℃環(huán)境下光窗保護(hù)罩開啟/關(guān)閉時(shí)間為10.4 s，這是由于低溫潤滑脂在低溫狀態(tài)下引起摩擦力增大。對光窗保護(hù)罩進(jìn)行了低溫連續(xù)工作、常溫連續(xù)工作和高溫連續(xù)工作測試，工作穩(wěn)定無故障。

4 結(jié)論

光學(xué)窗口保證了航空相機(jī)對外成像的穩(wěn)定性和成像精度。光學(xué)窗口的設(shè)計(jì)和保護(hù)對航空相機(jī)至關(guān)重要。本文對強(qiáng)壓力下的氣密光學(xué)窗口的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了理論分析，避免了光學(xué)窗口設(shè)計(jì)的盲目性。經(jīng)過壓力測試，光學(xué)窗口能在2個(gè)大氣壓下正常工作。為了保護(hù)光學(xué)窗口，設(shè)計(jì)了光學(xué)窗口保護(hù)罩，實(shí)現(xiàn)了非工作狀態(tài)下對光學(xué)窗口的保護(hù)。光學(xué)窗口保護(hù)罩采用雙層艙門結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的小型化，整個(gè)厚度僅為37 mm，開啟/關(guān)閉時(shí)間為7.7 s，整個(gè)系統(tǒng)能夠滿足在航空振動(dòng)與高低溫等惡劣環(huán)境中工作的要求。本文的研究為航空光學(xué)窗口的設(shè)計(jì)和保護(hù)提供了相關(guān)的設(shè)計(jì)流程和方法。