張 健，田海英，張景國，聶 品，董 斌

(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所中國科學(xué)院航空光學(xué)成像與測量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春130033)

航空遙感器是應(yīng)用最普遍的航空偵察設(shè)備，它以光學(xué)成像的方式給人以直觀、清晰的圖像信息，具有實(shí)時性好、機(jī)動性強(qiáng)等特點(diǎn)［1－2］。為了在地面為航空遙感器進(jìn)行檢測、維護(hù)和維修時提供相應(yīng)條件和環(huán)境［3］，需要相應(yīng)的地面保障設(shè)備。維修架即航空遙感器必不可少的一種地面保障設(shè)備。

維修架是在航空遙感器檢修與維護(hù)時使用的。維修架一般采用蝸輪蝸桿傳動，帶動航空遙感器作整周旋轉(zhuǎn)，可以在任意角度自鎖，方便航空遙感器維修和地面成像。維修架很少用于航空遙感器的裝配和調(diào)試過程中。本文結(jié)合航空遙感器自身需要，在分析維修架功能時，提出利用維修架輔助航空遙感器裝調(diào)，從而節(jié)約了研制相應(yīng)輔助裝調(diào)設(shè)備的成本。由于該航空遙感器無需整周旋轉(zhuǎn)，故在維修架設(shè)計(jì)中未采用蝸輪蝸桿傳動方式，可以簡化維修架的結(jié)構(gòu)，但提高了靜平衡的要求。文中依據(jù)功能要求對維修架進(jìn)行設(shè)計(jì)，并對維修架的旋轉(zhuǎn)部分進(jìn)行了靜平衡計(jì)算。最后利用ANSYS軟件對維修架進(jìn)行了靜力學(xué)分析，校核其剛度和強(qiáng)度。

1 航空遙感器對維修架的功能要求

本航空遙感器為全景式航空遙感器，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。遙感器使用時水平安放，要求支撐面平面度小于0.3mm;工作時掃描頭、機(jī)身等組件一起繞回轉(zhuǎn)軸線旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)對地物的掃描成像。

維修架即航空遙感器檢修與維護(hù)的地面保障設(shè)備，用于工作間內(nèi)維修遙感器或在貯藏室里存放遙感器［4］。根據(jù)遙感器自身的要求，位于后機(jī)身組件中的電器元件、電路板及濾光鏡等要方便檢修和更換，前、后支撐組件中由于含有電機(jī)、導(dǎo)電滑環(huán)和軸系等也應(yīng)方便維修。由于該遙感器航向尺寸較長，裝調(diào)難度較大，考慮利用維修架輔助遙感器的裝調(diào)。因此，遙感器對維修架有如下功能要求:

(1)方便電器元件、電路板及濾光片等的檢修與更換;

(2)方便遙感器前、后支撐組件等的拆卸，在遙感器裝調(diào)期間起到輔助裝調(diào)作用［5］;

(3)方便遙感器地面成像;

(4)具有良好的剛度和強(qiáng)度;

(5)在運(yùn)輸過程中考慮遙感器的安全性。

圖1 航空遙感器組成示意圖

2 維修架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)合遙感器對維修架的要求，并以操作簡單，便于工作為原則設(shè)計(jì)維修架。維修架主要由旋轉(zhuǎn)組件、主體框架、輔助裝調(diào)組件、地腳組件和下過渡架組件等部分組成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

遙感器通過螺栓聯(lián)接安裝在旋轉(zhuǎn)組件上，在人力驅(qū)動下，旋轉(zhuǎn)組件帶動遙感器繞其旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，在某些特定的角度可以將其鎖住，一方面便于檢修和更換電路板、濾光片等，另一方面便于遙感器地面成像。當(dāng)遙感器由輔助裝調(diào)組件支撐時，遙感器可由輔助裝調(diào)組件帶動沿航向前后移動，方便維修前、后支撐等組件。下過渡架組件中安裝腳輪和拖架便于維修架短途運(yùn)輸遙感器;在下過渡架組件與主體框架之間安裝減振器，在運(yùn)輸遙感器時起到減振作用。在維修遙感器和遙感器地面成像時，地腳組件用于保證整個維修架平穩(wěn)。

圖2 維修架結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 旋轉(zhuǎn)組件

旋轉(zhuǎn)組件由主體框架上的4個支承座支撐，使旋轉(zhuǎn)組件在外力作用下可繞其旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。設(shè)計(jì)時，使旋轉(zhuǎn)組件旋轉(zhuǎn)軸線與遙感器回轉(zhuǎn)軸線重合。為防止旋轉(zhuǎn)組件變形過大影響遙感器正常工作，設(shè)計(jì)要點(diǎn)即保證旋轉(zhuǎn)組件的剛度。錐形座上的螺紋孔是與遙感器的接口，而當(dāng)遙感器沿航向移動時又需要錐形座脫離遙感器，故采用燕尾槽機(jī)構(gòu)使支座可以滑動，在初始的接口位置處用圓錐銷定位，并用螺釘緊固。

圖3 旋轉(zhuǎn)組件與支撐主體的結(jié)構(gòu)示意圖

遙感器安裝到維修架上之后，要求人力驅(qū)動旋轉(zhuǎn)組件能在較小作用力下平穩(wěn)低速轉(zhuǎn)動，因此需要對旋轉(zhuǎn)部分(遙感器和旋轉(zhuǎn)組件)進(jìn)行靜平衡。設(shè)遙感器質(zhì)量為M，旋轉(zhuǎn)組件(除錐形座外)質(zhì)量為m，錐形座質(zhì)量為m1，假設(shè)遙感器質(zhì)心位于遙感器的回轉(zhuǎn)軸線上。為了使旋轉(zhuǎn)部分達(dá)到平衡，在錐形座和支座之間添加一個調(diào)整墊，將遙感器抬高距離d(即調(diào)整墊的厚度)，此時遙感器的回轉(zhuǎn)軸線與旋轉(zhuǎn)組件的旋轉(zhuǎn)軸線不再重合。設(shè)調(diào)整墊底面積為A，密度為ρ，則其質(zhì)量m2為

加入調(diào)整墊后，遙感器和旋轉(zhuǎn)組件在圖2所示位置時，質(zhì)心位于過旋轉(zhuǎn)組件旋轉(zhuǎn)軸線的豎直平面內(nèi)，選擇兩端錐形座質(zhì)心所在的回轉(zhuǎn)平面I、II作為平衡平面，如圖4所示，設(shè)M、m等效到平面 I、II內(nèi)的質(zhì)量分別為 M'、M″、m'、m″，對應(yīng)的回轉(zhuǎn)半徑分別為 d'、d″、r'、r″，在平面 I、II中以 m2作為平衡質(zhì)量，計(jì)算得:

由(6)+(7)，并代入(1)、(2)和(4)整理得

式(11)中除d外其余均為已知量，故可以求出調(diào)整墊的理論厚度d。由于實(shí)際上遙感器質(zhì)心位于其回轉(zhuǎn)軸線附近，而旋轉(zhuǎn)組件的實(shí)際質(zhì)心位置也與理論位置稍有差別，因此，需要在遙感器與維修架試裝后根據(jù)實(shí)際情況對調(diào)整墊進(jìn)行修整，直到平衡為止［6］。

圖4 靜平衡計(jì)算示意圖

2.2 輔助裝調(diào)組件

輔助裝調(diào)組件主要由托輥、升降臂、滑板、導(dǎo)軌、調(diào)整手輪、過渡板和托盤等部分組成，如圖5所示。利用調(diào)節(jié)手輪調(diào)節(jié)升降臂的高低，由托輥和托盤支撐住遙感器。在外力作用下帶動遙感器沿航向前后移動，方便拆卸前、后支撐組件。

圖5 輔助裝調(diào)組件結(jié)構(gòu)示意圖

在設(shè)計(jì)航空遙感器維修架時，一般是考慮遙感器出廠后用于工作間內(nèi)檢修與維護(hù)遙感器。由于該遙感器航向尺寸較長且質(zhì)量較重，在裝調(diào)時十分不方便，故在設(shè)計(jì)維修架時考慮將其用于輔助遙感器的裝調(diào)。在遙感器裝配時，利用維修架上除旋轉(zhuǎn)組件之外的部分，借助起吊設(shè)備可以在維修架上將鏡頭、機(jī)身等組件裝配在一起，該部分可在輔助裝調(diào)組件帶動下前后移動，方便前、后支撐組件及掃描頭組件等的安裝，如圖5所示。在遙感器進(jìn)行星點(diǎn)試驗(yàn)、定焦面及傳遞函數(shù)測試等裝調(diào)工作時，可以利用維修架支撐遙感器，此時需要地腳組件支撐地面，為遙感器營造一個穩(wěn)定的成像環(huán)境。利用地腳組件可以調(diào)節(jié)遙感器的高度，同時輔助裝調(diào)組件中利用調(diào)整手輪調(diào)節(jié)升降臂也可以調(diào)節(jié)遙感器的高度，方便將遙感器調(diào)整到檢測設(shè)備要求的高度。通過維修架輔助遙感器裝調(diào)，既節(jié)約了研制相應(yīng)輔助裝調(diào)設(shè)備所需的成本，也提高了維修架的使用性能。

3 維修架靜力學(xué)分析

維修架應(yīng)具有良好的剛度和強(qiáng)度，在設(shè)計(jì)完成后利用有限元軟件ANSYS對其進(jìn)行靜力學(xué)分析。結(jié)合實(shí)際使用狀況，分兩種受力狀態(tài)進(jìn)行分析:第一種情形，遙感器重力全部施加在旋轉(zhuǎn)組件上;第二種情形，遙感器重力全部施加在輔助裝調(diào)組件上，去掉旋轉(zhuǎn)組件。由于維修架為對稱結(jié)構(gòu)，故取一半模型進(jìn)行分析，根據(jù)這兩種情況分別建立物理模型，采用六面體單元劃分網(wǎng)格［7］。施加載荷時，根據(jù)遙感器質(zhì)心位置將遙感器重力分配到錐形座的支撐面上，設(shè)置固定和對稱邊界條件，并考慮重力，經(jīng)計(jì)算得到兩種情形的位移分布云圖和應(yīng)力分布云圖如圖6和圖7所示。由圖6和圖7知，遙感器重力全部施加在旋轉(zhuǎn)組件上時，最大變形量為0.15mm，最大應(yīng)力值為111MPa;遙感器重力全部施加在輔助裝調(diào)組件上時，最大變形量為0.26mm，最大應(yīng)力值為49.5MPa。對于第一種情形，出現(xiàn)最大應(yīng)力處的材料為ZL114A，其條件屈服強(qiáng)度σP0.2為220MPa;第二種情形中，最大應(yīng)力處所對應(yīng)材料為7A09，其條件屈服強(qiáng)度σP0.2為 420MPa［8］。故由

得，當(dāng)遙感器重力全部施加在旋轉(zhuǎn)組件上時，安全系數(shù)n1為2.0;當(dāng)遙感器重力全部施加在輔助裝調(diào)組件上時，安全系數(shù)n2為8.5。因此維修架的強(qiáng)度是滿足要求的。

圖6 第一種情形的位移分布云圖與應(yīng)力分布云圖

圖7 第二種情形的位移分布云圖與應(yīng)力分布云圖

前面提到遙感器對其支撐平面的平面度要求應(yīng)小于0.3mm。根據(jù)ANSYS分析結(jié)果，提取支撐平面的變形信息，經(jīng)計(jì)算，變形后平面度為0.05mm。根據(jù)旋轉(zhuǎn)組件的總體尺寸，要求裝配完成后支撐面的平面度為0.2mm，因此變形后的平面度小于0.3mm，滿足遙感器的使用要求。

4 結(jié)論

維修架是航空遙感器地面維護(hù)和檢修時必不可少的地面保障設(shè)備。本文為航空遙感器設(shè)計(jì)了具有輔助遙感器裝調(diào)功能的維修架，可用于遙感器裝配和在星點(diǎn)試驗(yàn)、定焦面及傳遞函數(shù)測試等裝調(diào)工作時作為穩(wěn)定支撐。設(shè)計(jì)中對維修架使用時的旋轉(zhuǎn)部分進(jìn)行了靜平衡計(jì)算，給出了平衡質(zhì)量(即調(diào)整墊)的理論厚度。利用ANSYS軟件對維修架進(jìn)行了靜力學(xué)計(jì)算，經(jīng)校核和分析表明，維修架的強(qiáng)度和剛度均滿足要求。

［1］陳偉，丁亞林，惠守文，等.推掃式航空遙感器像面調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.中國光學(xué)，2012，5(1):30 －34.

［2］劉明.航空偵察相機(jī)的發(fā)展分析［J］.光機(jī)電信息，2011，28(11):32 －37.

［3］劉寶霞，范斌.飛機(jī)地面保障設(shè)備的發(fā)展趨勢［J］.沈陽航空工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)，2000，17(2):84－86.

［4］耿立中，編譯.KA－112A全景式航空照相機(jī)［M］.北京:中國人民解放軍空軍司令部情報(bào)部，1988.

［5］M.Trifoglio，A.Traci，F(xiàn).Gianotti，et al.The Mechanical Ground Support Equipment for the AIV and Calibration of the AGILE Integrated Payload［J］.Proc.of SPIE，2004，5488:771 －780.

［6］鄭文緯，吳克堅(jiān).機(jī)械原理［M］.北京:高等教育出版社，1997.

［7］Erdogan Madenci，Ibrahim Guven.THE FINITE ELEMENT METHOD AND APPLICATIONS INENGINEERING USING ANSYS?［M］.Springer，2006.

［8］《中國航空材料手冊》編輯委員會.中國航空材料手冊(第2版)第3卷鋁合金鎂合金［M］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2002.