張紅宇，浦恩昌，楊 林，董海翔，賀仕偉，陳 忠

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再議軍用熱像瞄準具結構設計

張紅宇，浦恩昌，楊 林，董海翔，賀仕偉，陳 忠

（昆明物理研究所，云南 昆明 650223）

介紹了軍用熱瞄具光學系統(tǒng)各光學元件，包括窗口、反射鏡、透鏡和總體機械結構設計、加工和裝配要點；基于美國《紅外與光電手冊》設計中提出的原理和準則，給出了作者10余年的工程實踐和經驗。

軍用熱瞄具；光學系統(tǒng)；機械結構設計

0 引言

軍用熱瞄具光學系統(tǒng)的質量取決于各光學元件（窗口、反射鏡和透鏡）的表面和保證這些表面位置、形態(tài)的機械結構設計、加工和裝配。它們不同于一般機械工程強調應力，而是更加注重變形。本文借鑒參考文獻[1-5]，結合作者工程經驗[6]，簡要探討紅外光學系統(tǒng)設計遇到的較普遍的機械結構問題。

本文檔是參考文獻[6]的姊妹篇，前者論述軍用熱瞄具光學系統(tǒng)各光學元件，包括窗口、反射鏡、透鏡和總體機械結構設計、加工和裝配要點，而后者論述觀瞄具結構的功能特性、設計程序、設計要領。

1 窗口

窗口是零光焦度的最簡單光學元件，是安裝在整個光學系統(tǒng)外端的突前元件，承受嚴酷多變的環(huán)境應力。

1.1 變形和斷裂

熱梯度和壓力差都可導致窗口變形，熱梯度取決于窗口材料特性；壓力差引發(fā)窗口應力。

對易碎的紅外材料，壓力差引發(fā)的最大抗拉應力不應超過：

式中：max為最大允許抗拉應力；F為窗口材料的折斷應力；SF為安全系數(shù)，工程中通常取為4。

1）簡單支撐的圓形窗口，由壓力差、材料折斷應力和泊松比決定的最大直徑厚度比為：

式中：w/為窗口直徑厚度比；為泊松比；D為窗口壓力差。

2）簡單支撐的矩形窗口，最小厚度為：

式中：為窗口最小厚度；為無支撐窗口寬度；為無支撐窗口長度。

1.2 強度

多數(shù)窗口材料是易碎的，且因斷裂而損壞。在外力作用下，窗口斷裂概率維伯爾分布為：

或：

式中：F為破裂概率；a為外加應力；o為斷裂模量；為維伯爾模量。

列舉強度計算范例如下：300mm直徑ZnSe窗，用于高度12km飛機，設備承壓和溫度分別為27kPa和300K；環(huán)境條件為：大氣壓力19kPa、氣溫217K；要求故障率10—4，安全系數(shù)4。

a＝23×106[－ln(1－10－4)]1/6＝7.27MPa

w/＝2{8×7.27×106/[3×(27－19)×103×

(3＋0.28)×4]}1/2＝27.2

最小厚度約為：＝w/27.2＝11mm。

1.3 裝配

1）消冷反射：窗口應在較小視場方向，傾斜不小于半視場角，以避免冷反射。

2）柔性粘結：窗口邊緣與安裝座間宜采用如光學硅膠粘結，以減小應力變形；必要時可加撓性擋圈，如坦克瞄鏡、機載穩(wěn)瞄窗口。

2 透鏡裝配

透鏡安裝應確保光學變形不超標，因而要求其安裝設計必須低應力。

1）對心[6]

透鏡對心就是利用定心儀，使透鏡光軸與鏡筒機械軸重合達標。透鏡徑向調整通?？捎苗R筒上對準透鏡邊緣的3個均布的細小工藝螺釘。

2）粘接

透鏡邊緣與鏡筒間預留間隙甩光學硅膠粘接；最佳粘合劑厚度為：

式中：r為粘合劑厚度；g為透鏡外徑；g為透鏡的熱膨脹系數(shù)（鍺為：6×10－6/K)；m為鏡框的熱膨脹系數(shù)（ZL101A鑄鋁合金為：21.5×10－6/K）；r為粘合劑的熱膨脹系數(shù)（常用硅膠為：200×10－6/K)。

例如，對于口徑100mm的透鏡，硅膠厚度為4.3mm。

3）座和壓圈

較小尺寸的透鏡，通常采用配合的鏡座和壓圈裝配。優(yōu)點是精確、穩(wěn)定，不足之處為座鏡接觸面存在較高應力。

自由裝配所需最小間隙一般為25mm。帶凹面透鏡，凹邊都留有平臺，與鏡座面接觸；雙凸透鏡可取尖角接觸。兩者均可保證弧高精度，鏡筒工藝簡潔。

壓圈用于透鏡預加載，保證鏡與座接觸；建議的預加載力至少為透鏡質量的2～4倍。要求螺紋1級松配合。轉動壓圈力矩為：

@0.2(7)

式中：為期望的軸向預加載力；為壓圈的力矩；為壓圈直徑。

例如，轉動50mm鍺透鏡壓圈力矩為：＝0.12Nm。

4）裝配引起的透鏡內熱應力

因透鏡和鏡筒材料間的熱膨脹系數(shù)差異，溫度變化在透鏡內部會產生應力，特別是溫度下降會使透鏡內產生嚴重應力，這會影響透鏡光學性能，在最壞情況會導致機械斷裂。

為避免溫度變化使鏡座收縮時在透鏡內產生徑向引力，透鏡和鏡座之間需預留一定的初始間隙，對溫度下降要求的最小徑向間隙為：

式中：r為最小徑向間隙；D為溫度下降量；G為透鏡外徑；m為鏡座內徑；G為透鏡材料熱膨脹系數(shù)；m為鏡座材料熱膨脹系數(shù)。

鍺透鏡在233K工作，裝配在298K進行；透鏡直徑40mm：

r@0.5×(298－233)×0.04×(23－6)×10－6@22mm

在預留初始間隙不足時，溫度下降產生的徑向壓力由下兩方程估算為：

式中：r為透鏡內產生的徑向壓力；G為透鏡半徑；r為初始徑向間隙；m為鏡座壁厚；G為透鏡材料的彈性模量；m為鏡座材料的彈性模量。

例：鍺透鏡在233K工作，裝配在298K進行；鋁合金鏡座，壁厚2.5mm，徑向初始間隙2.5mm，壓圈和鏡座有40mm公共直徑，溫差應力估算如下：

3 透鏡筒

透鏡安裝應確保光學變形不超標，因而要求其安裝設計必須低應力。

3.1 鏡筒材料

鏡筒材料特性要求：

①熱膨脹與透鏡匹配；②低密度輕質量；③高彈性模量低變形；④尺寸穩(wěn)定；⑤抗腐蝕；⑥易加工處理；⑦低成本。

可選常用材料有[6]：

①鋁合金：輕質易加工，尺寸穩(wěn)定；②鎂合金：更輕質易加工，抗腐蝕差；③鈦合金：輕質，抗腐蝕，熱膨脹匹配，成本高。

3.2 鏡筒設計

1）共膛裝配

鏡筒最簡結構是共膛裝配（Common bore assembly）。在共膛裝配中，所有元件包括透鏡、壓圈和隔圈均加工成相同外徑，然后置于鏡筒單一共腔內。元件間的間隔由隔圈保證，用一個壓圈給整個裝配提供預加載力。由于各元件與鏡筒膛的摩擦力，需很高的預加載力方能保證所有元件良好接觸。中繼鏡和探測器透鏡可采用這類設計。

2）單透鏡裝配

通常各個透鏡的直徑是漸變的，沿光軸朝向或遠離光闌方向均勻遞減或遞增。這種情況下，每個元件有各自的鏡座和壓圈。鏡座可與實測透鏡尺寸配作。為保證良好對心，相關部位應一次裝夾加工。物鏡應采用這類設計[6]。

3）滑座裝配

調焦變倍鏡和補償鏡通常需滑座裝配。透鏡座與滾動絲杠滑軌副的載物座定位連接從動。兩者接口提供光軸定心基準。鏡組重心應盡量放低并落在滑座形心。

3.3 鏡筒密封

鏡筒應預留通氣孔道，以便隨系統(tǒng)充氮密封[6]；也可在兩端采用半撓性粘結裝配，獨立密封。

4 折轉反射鏡設計和裝配

折轉反射鏡[6]尺寸較小，但對變形和定位精度要求高。因尺寸小，可忽略增重和自重偏心，采用較大厚寬比和強度高變形小的材料鋁合金；金屬母基合金鋁/硅碳化物是有望用于紅外的加強材料。鏡面采用鉆石切（磨）削加工。

為達到鏡面位置精度，多采用鏡背三點靠座修切裝配，螺釘固定。

5 光學平臺

光學平臺[6]是系統(tǒng)總體結構（System Structure），它承載光學、電子和機械全部總成，形成要求的內外接口和剛性包絡外形；獨立使用形態(tài)，又構成為環(huán)境屏障，提供全部性能及物理特性和內部設置及外部操控功能。

光學平臺是安裝全部光學部件、探測器/制冷機組合的剛性機械架構，它保障光學元件動態(tài)表面及探測器入瞳位置精度和穩(wěn)定度；周邊立壁加強結構剛度，又構成完整三維箱體。

光學平臺也可預裝光學系統(tǒng)，構成整裝結構（Equipped Structure）。

光學部件間隙及周邊安裝電子部件,在滿足系統(tǒng)安裝及維修可達、散熱、電磁兼容和安全性條件下，布局應盡量緊湊，尤其對配裝穩(wěn)瞄轉塔用系統(tǒng)。

5.1 布局與協(xié)調

1）布局與協(xié)調的基本條件

項目組內部：

確定了探測器/制冷機組合選型；

完成了光學設計；

已提供電路板外形尺寸與機電接口；

選定可得或可繼承重要機電元部件，如電機、絲杠導軌。

穩(wěn)瞄系統(tǒng)：

取得了配裝系統(tǒng)接口和外形包絡要求；

配裝網(wǎng)絡節(jié)點。

2）布局與協(xié)調的基本內容和程序

繪制探測器/制冷機組合、光學系統(tǒng)元件和電機、絲杠導軌部件及電路板三維圖；

以主光軸為基準，將部件三維圖組合為系統(tǒng)三維圖；

依各部件接口和定位，繪制光學平臺接口框架三維圖；

確定安裝程序，有效利用空間交錯，提高空間利用率；

將電路板布置在光學系統(tǒng)周邊，選取最佳擬合外部外形包絡，形成系統(tǒng)外形包絡。

無論系統(tǒng)外形包絡與外部要求外形包絡有無差異，均提交外部協(xié)調；

按反饋協(xié)調結果，或認可或再修改協(xié)調，直至認可。

5.2 結構設計

1）初步設計

依協(xié)調認可外形包絡，設計光學平臺內外接口三維詳圖，設計應遵循保證結構強度[2-3]及可靠性[4]的前提下，進行合理的減重及人機工程設計；

確定部件外形接口要求；

確定加工基準。

2）初樣設計

設計完成總體結構三維詳圖，必要時采用有限元分析軟件進行結構應力分析[5]；

完成工藝匹配設計；

完善細節(jié)設計。

5.3 加工和裝配

1）加工

選擇加工中心低應力裝夾；

嚴格時效工序；

設計一致加工基準。

2）裝配

完成驅動程序預調；

確定裝配工序；

安裝電機、絲杠導軌部件；

按光學工藝裝配光學部件；

安裝電路板和連接器。

6 結論

筆者遵循本文論述的設計原理和準則完成的三代紅外焦平面三視場連續(xù)變焦瞄具，體小量輕可靠性高。

[1] Dudzik M C. Electro-optical system design, analysis and test[M]//, Washington: SPIE Optical Engineering Press, 1993.

[2] 王步瀛. 機械零件強度計算的理論和方法[M]. 北京: 高等教育出版社, 1986.

WANG Buying.[M]. Beijing: Higher Education Press, 1986.

[3] 陳慶生. 沖擊振動理論與應用[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 1989.

CHEN Qingsheng.[M]. Beijing: National Defense Industry Press.

[4] 總裝備部技術基礎管理中心. 裝備可靠性工作通用要求: GJB 450A-2004[S]. 北京: 總裝備部軍標出版發(fā)行部, 2004.

General Equipment Department Technology Base Management Center. General requirements for reliability of equipment: GJB 450A-2004[S]. Beijing: Department of General Equipment Department of Military Standard Publishing, 2004

[5] ABAQUS有限元分析軟件在機械行業(yè)中的應用[J]. 機械工業(yè)信息與網(wǎng)絡, 2006(2): 44-45.

ABAQUS. The application of finite element analysis software in the machinery industry[J].,2006(2): 44-45 .

[6] 張紅宇. 軍用熱像觀瞄具結構設計[J]. 紅外技術, 2009, 31(10): 594-597. ZHANG Hongyu. Design of thermal imaging sights structure for military[J]., 2009, 31(10): 594-597.

Rethinking the Structure Design of Thermal Sights

ZHANG Hongyu，PU Enchang，YANG Lin，DONG Haixiang，HE Shiwei，CHEN Zhong

(,650223,)

Thermal sights for military applications and various optical components of this optical system, including windows, mirrors, lens and mechanical structure design, were introduced. Based on principles from, combined with more than 10 years of engineering practice and experience, key points of processing and assembling were discussed.

military thermal sights，optical system，mechanical structure design

TN216

A

1001-8891(2016)06-0505-04

2014-03-26；

2014-06-10.

張紅宇（1970-），男，天津人，高工，主要研究方向為熱成像系統(tǒng)總體結構設計。