楊艷妮

（中航工業(yè)計(jì)算所生產(chǎn)部 陜西 西安 710068）

0 前言

隨著現(xiàn)代軍事的發(fā)展，武裝直升機(jī)作為精確打擊武器扮演著越來越重要的角色。直升機(jī)載穩(wěn)瞄系統(tǒng)利用電視、激光、紅外、跟蹤設(shè)備等對(duì)目標(biāo)進(jìn)行搜索、瞄準(zhǔn)、定位、測(cè)距及跟蹤，它是直升機(jī)的“眼睛”，是直升機(jī)精確制導(dǎo)系統(tǒng)的重要組成部分。直升機(jī)載穩(wěn)瞄系統(tǒng)的精確打擊能力在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中顯得越來越重要。

由于直升機(jī)采用旋翼驅(qū)動(dòng)，與其它武器搭載平臺(tái)相比，直升機(jī)的環(huán)境特點(diǎn)主要有幾個(gè)方面：

1)振幅較大，引起的響應(yīng)和產(chǎn)生的應(yīng)變較大；

2)使用溫度范圍較寬；

3)對(duì)隔振系統(tǒng)既有隔離度的要求還有定位精度的要求；

4)定頻較多且間隔較近，對(duì)系統(tǒng)固有頻率的選擇要求較高；

5)系統(tǒng)對(duì)減重要求很高，因此很難獲得較大的支撐剛度；

6)內(nèi)部空間較小，隔振器的合理布局難度較大。

由于直升機(jī)工作時(shí)旋翼的高速旋轉(zhuǎn)，光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)的振動(dòng)不可避免。穩(wěn)瞄系統(tǒng)采用相互獨(dú)立的內(nèi)外框架結(jié)構(gòu)；精密的光電傳感器安裝在內(nèi)框架上，外框架對(duì)外部環(huán)境（包括沙塵、風(fēng)阻、煙霧、雨水、直接的磕碰等）能夠起到隔離作用。但從振動(dòng)的基本原理可以看出，外框架對(duì)外部的沖擊和振動(dòng)并不能實(shí)現(xiàn)有效的隔離，甚至?xí)⒅鄙龣C(jī)輸入的振動(dòng)幅度放大，并傳遞到相應(yīng)的光電傳感器上而導(dǎo)致器件的損壞，降低系統(tǒng)的可靠性。此外，振動(dòng)會(huì)影響穩(wěn)瞄系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線的穩(wěn)定性，這將影響圖像的質(zhì)量，同時(shí)也會(huì)降低精確打擊任務(wù)中的目標(biāo)命中概率。隨著光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的不斷增加，要求有更高的瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定精度，因此減振系統(tǒng)也需要具有更高的減振效率。

典型的穩(wěn)瞄系統(tǒng)如圖1：

圖1 典型穩(wěn)瞄系統(tǒng)示意圖

一種典型的振動(dòng)情況可以看出外框架的振動(dòng)情況：如圖2：

圖2 外框架振動(dòng)情況

可以看出在77.5Hz的位置，輸入振動(dòng)被明顯放大了，并且由于結(jié)構(gòu)阻尼較低，所以幅值很大。被放大的振動(dòng)將直接作用到內(nèi)框架上并傳遞到相應(yīng)的光電傳感器上而導(dǎo)致其損壞。

因此，針對(duì)直升機(jī)載環(huán)境的特點(diǎn)，穩(wěn)瞄系統(tǒng)減振技術(shù)的研究是十分必要的。目前最行之有效的辦法就是通過各種類型的減振器構(gòu)建滿足系統(tǒng)要求的減振系統(tǒng)，以下討論重點(diǎn)在于減振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及減振器的合理使用。

1 減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)及減振理論

典型的減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)是通過合理選用及布局減振器來實(shí)現(xiàn)的。大多數(shù)減振問題的解決都得益于把支撐系統(tǒng)簡(jiǎn)化成一個(gè)有阻尼的單自由度系統(tǒng)。

減振系統(tǒng)設(shè)計(jì)基于以下的假設(shè)：

1）設(shè)備的中心與隔離系統(tǒng)的彈性中心是一致的，它也是隔振系統(tǒng)最合適的承載方式；

2）在各個(gè)方向上系統(tǒng)的剛度相等；

3）設(shè)備的剛度比減振系統(tǒng)的剛度要大的多。

通過上節(jié)的分析和假設(shè)，合理的減振系統(tǒng)可以用有阻尼的單自由度系統(tǒng)進(jìn)行分析。

阻尼系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程必須考慮加在系統(tǒng)上的阻尼。

它是：mx+cx+kx=F(t)阻尼因子用符號(hào)“ζ”表示。

阻尼比ζ定義為：ζ=C/CC

這里，一個(gè)阻尼振動(dòng)系統(tǒng)的臨界阻尼定義為：

一個(gè)阻尼系統(tǒng)的絕對(duì)傳遞率方程寫為：

依據(jù)減振系統(tǒng)的原理，我們可以劃分減振系統(tǒng)的特性分區(qū)如圖3：

圖3 減振系統(tǒng)的特性分區(qū)

從減振系統(tǒng)的特性看主要分為剛性區(qū)、阻尼區(qū)和慣性區(qū)。對(duì)減振設(shè)計(jì)最為主要的是阻尼區(qū)。因?yàn)樽枘釁^(qū)是控制減振系統(tǒng)固有頻率和共振響應(yīng)幅值的核心區(qū)域。

減振的基本理論還說明減振系統(tǒng)的固有頻率不能有干擾頻率相同或者接近，否則擾動(dòng)會(huì)被顯著放大，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不能工作；阻尼可以有限的抑制減振系統(tǒng)的共振放大率，但是過分提高阻尼會(huì)顯著降低高頻區(qū)（振動(dòng)隔離區(qū)）的減振效能；一般減振系統(tǒng)的高頻減振是以犧牲系統(tǒng)的低頻特性為代價(jià)的；減振器對(duì)伺服控制系統(tǒng)有一定的影響。

2 減振器設(shè)計(jì)

減振系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)主要有兩個(gè)，系統(tǒng)固有頻率fn和阻尼比ζ。合理控制這兩個(gè)指標(biāo)是設(shè)計(jì)減振系統(tǒng)的要點(diǎn)。這兩個(gè)參數(shù)的計(jì)算根據(jù)所選減振器的不同，在方法上略有不同。一般廠家會(huì)提供比理論模型更簡(jiǎn)潔的計(jì)算公式。作為減振器選擇的初步估算可以使用以下兩個(gè)簡(jiǎn)化公式：

減振系統(tǒng)：

通過以上公式可以看出，減振器的主要指標(biāo)是剛度K和阻尼比ζ。其中，剛度K決定了系統(tǒng)的固有頻率，阻尼比ζ決定了系統(tǒng)的共振響應(yīng)放大率。這一點(diǎn)在減振器的選擇和設(shè)計(jì)上至關(guān)重要。

圖4 實(shí)際測(cè)試取曲線

當(dāng)前國際先進(jìn)直升機(jī)載穩(wěn)瞄系統(tǒng)主要采用橡膠減振器和金屬減振器。而橡膠減振器更容易獲得高阻尼和合適的固有頻率。有“世界戰(zhàn)斗機(jī)”之稱的F-35所配備的光電吊艙使用的也是橡膠減振器。橡膠減振器的彈性模量不是一個(gè)固定值，動(dòng)態(tài)彈性模量同應(yīng)變之間的一般趨勢(shì)是應(yīng)變?cè)黾觿t彈性模量減小。相同的趨勢(shì)也適用于阻尼模量。

值得注意的是：在分析或測(cè)試一個(gè)隔離系統(tǒng)應(yīng)記住以下幾點(diǎn)：

1）確定系統(tǒng)將經(jīng)歷的動(dòng)態(tài)條件是非常重要的；

2）動(dòng)態(tài)條件的改變會(huì)導(dǎo)致減振系統(tǒng)的性能發(fā)生改變；

3）由于動(dòng)態(tài)環(huán)境改變導(dǎo)致的系統(tǒng)性能的改變可以進(jìn)行估計(jì)。

用于該設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)了某型產(chǎn)品的減振器，某典型產(chǎn)品的振動(dòng)情況與減振器的實(shí)際測(cè)試如圖4。

3 結(jié)束語

隨著光學(xué)、材料、精密機(jī)械加工等技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，國內(nèi)光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)的減振技術(shù)也在不斷發(fā)展，無論是減振設(shè)備的使用年限，還是光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)的穩(wěn)定精度都取得了較大進(jìn)步。由于減振器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料以及制造技術(shù)水平還有所欠缺，在減振器的壽命和穩(wěn)瞄系統(tǒng)穩(wěn)定精度這兩方面，與國外相應(yīng)技術(shù)領(lǐng)域相比還有很大的差距。

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，減振器的類型不斷增多，不同的減振機(jī)理，不同的減振結(jié)構(gòu)種類繁多。未來減振技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)應(yīng)該是主動(dòng)減振，即融合控制技術(shù)、電磁技術(shù)和減振技術(shù)的合成技術(shù)，在減振技術(shù)的研究上我們依然任重而道遠(yuǎn)。

［1］Singiresu S.Rao.機(jī)械振動(dòng)[M].4 版.李欣業(yè)，張明路，編譯.北京：清華大學(xué)出版社，2009，08.

［2］季文美.機(jī)械振動(dòng)[M].北京：科學(xué)出版社，1985.

［3］方同,薛璞.振動(dòng)原理及應(yīng)用[M].西北工業(yè)大學(xué)出版社，2004，04.

［4］安源，張雷，金光，賈繼強(qiáng).光電平臺(tái)無角位移減振裝置設(shè)計(jì)研究[J].計(jì)算機(jī)仿真，2008，07.

［5］張衛(wèi)國，陶忠，孟立莊.兩軸四框架結(jié)構(gòu)光電穩(wěn)瞄吊艙減振器諧振頻率計(jì)算與試驗(yàn)[J].應(yīng)用光學(xué)，2008，01.