王雅雄，邵雅男，王　璞

（1.陜西師范大學(xué)物理學(xué)與信息技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710119；2.西安光學(xué)精密機械研究所，陜西 西安 710119）

星載小型二軸穩(wěn)瞄轉(zhuǎn)臺是空間成像系統(tǒng)的載體，用以在干擾因素復(fù)雜的空間環(huán)境中實現(xiàn)對成像系統(tǒng)光軸的穩(wěn)定及對目標的跟蹤。“穩(wěn)瞄技術(shù)”作為穩(wěn)瞄轉(zhuǎn)臺的關(guān)鍵技術(shù)，一直是高精度跟蹤平臺的研究熱點。穩(wěn)瞄技術(shù)最先在陸軍領(lǐng)域的坦克系統(tǒng)中得到應(yīng)用，其典型應(yīng)用是車長搜索瞄準鏡。通過配備車長鏡，可實現(xiàn)在惡劣環(huán)境下對敵作戰(zhàn)和對移動目標的自動跟蹤，從而完善了戰(zhàn)車員對目標的自主發(fā)現(xiàn)能力和首發(fā)摧毀能力。美國M1A2系列坦克[1-2]、俄羅斯T-95坦克[3]以及法國“勒克萊爾”2015坦克[4-5]在這方面都是成功的應(yīng)用實例。隨著戰(zhàn)爭時代的結(jié)束，人們加強了對空間技術(shù)的探索，衛(wèi)星、無人機等對穩(wěn)瞄技術(shù)的需求日漸突出。光電吊艙成為這一領(lǐng)域的典型代表。美國Lockheed Martin公司研發(fā)的Sniper吊艙[6]，可在多種復(fù)雜的環(huán)境之中運行；以色列Rafael公司與美國Northrop Grumman公司聯(lián)合研發(fā)的Litening II吊艙[7]穩(wěn)定精度高且具備良好的前視搜索功能。中國凱邁測控的PLY-2光電吊艙[8]具有良好的自動視頻跟蹤功能，搜索范圍廣，精度高，適用于各種嚴酷環(huán)境及突發(fā)事件。軍事領(lǐng)域的研究熱潮同樣引領(lǐng)了穩(wěn)像技術(shù)在民用領(lǐng)域的興起。日本松下的NV-S1型攝像機可實現(xiàn)垂直±1.4°、水平±2°的穩(wěn)定范圍[9]；AXIS公司的Q系列產(chǎn)品可使其畫面在劇烈晃動環(huán)境里保持較穩(wěn)畫質(zhì)[10]。

盡管國內(nèi)外在穩(wěn)像轉(zhuǎn)臺領(lǐng)域從事了大量的研究，但是現(xiàn)階段產(chǎn)品多存在價格昂貴、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、穩(wěn)定性較差等問題。本文針對目前的穩(wěn)像轉(zhuǎn)臺的研究現(xiàn)狀，進行了新的探索。限于本設(shè)計為空間產(chǎn)品，在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，重點考察結(jié)構(gòu)的小型化與輕量化，從衛(wèi)星發(fā)射到定規(guī)運行過程中產(chǎn)品對動力學(xué)環(huán)境及空間低溫環(huán)境的抗性，動力學(xué)環(huán)境主要包括具有加速度載荷、正弦載荷及隨機載荷等的環(huán)境。本設(shè)計采用模塊化設(shè)計思路，通過模塊的小型化與輕型化來實現(xiàn)總體的小型化與輕型化，在滿足強度和剛度要求的情況下，盡可能多的采用輕質(zhì)鋁合金、鈦合金等材料；通過選用具有高動力學(xué)環(huán)境抗性的模塊結(jié)構(gòu)來提高總體的環(huán)境抗性，動力學(xué)環(huán)境要求模塊結(jié)構(gòu)具有良好的強度、剛度及韌性，低溫環(huán)境要求對模塊結(jié)進行防冷焊設(shè)計。在設(shè)計過程中，采用環(huán)境仿真分析的方法對產(chǎn)品進行數(shù)值分析，通過不斷的分析與修正，得出滿足設(shè)計要求的結(jié)構(gòu)，最后對結(jié)構(gòu)設(shè)計進行試驗驗證。

1　二軸穩(wěn)瞄轉(zhuǎn)臺設(shè)計要求及設(shè)計

星載小型二軸穩(wěn)瞄轉(zhuǎn)臺的技術(shù)指標如表1所列。

表1　星載小型二軸穩(wěn)瞄轉(zhuǎn)臺的技術(shù)指標

轉(zhuǎn)臺設(shè)計采用地平式U型二軸轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)剛度較大、沿方位軸系方向彎曲撓度較小且在結(jié)構(gòu)的中上部分有額外布置載荷的空間。二軸轉(zhuǎn)臺由俯仰和垂直軸系構(gòu)成。俯仰軸系搭載相機，其左右軸系安裝于U型架頂端兩側(cè)；垂直軸系連接U型架和基座，用于實現(xiàn)方位轉(zhuǎn)動。軸系的旋轉(zhuǎn)和限位由電機控制，可輕易實現(xiàn)無盲區(qū)監(jiān)控。轉(zhuǎn)臺的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1　二軸轉(zhuǎn)臺總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

2　環(huán)境仿真分析

無論是樣機階段還是鑒定階段，空間產(chǎn)品都要做大量的動力學(xué)環(huán)境試驗，為了盡可能少地減少環(huán)境試驗的周期和成本，本研究采用有限元法對這些動力學(xué)環(huán)境進行仿真分析。根據(jù)設(shè)計圖紙，用Solidworks建立星載小型二軸穩(wěn)瞄轉(zhuǎn)臺的有限元模型并將其導(dǎo)入到ANSYS Workbench中，各零件的接觸類型定義為Bonded（綁定）類型，按表2添加各零件所材料屬性；最后對轉(zhuǎn)臺實體進行網(wǎng)格劃分，節(jié)點數(shù)為419 622個，單元數(shù)為221 451個。

表2　材料屬性

2.1　加速度載荷分析

在衛(wèi)星的發(fā)射階段，由于火箭發(fā)動機的推力可使衛(wèi)星獲得加速度，它由兩部分組成：1）變化相當(dāng)緩慢的準穩(wěn)態(tài)加速度；2）瞬態(tài)事件引起的瞬態(tài)加速度。根據(jù)GJB加1027-1990D的定義，試驗加速度值為衛(wèi)星發(fā)射時的兩種加速度復(fù)合的最大值[11]。為了與試驗保持一致，在加速度分析中采用ANSYS Workbench中的靜力學(xué)分析模塊，主要考察結(jié)構(gòu)的剛度及強度，分別由系統(tǒng)形變和應(yīng)力體現(xiàn)[12]。在分析中對轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)施加固定約束和加速度載荷，加速度載荷取7g（g為重力加速度），分別沿著 X+、Y+、Z+、X-、Y-、Z-的六個方向施加。圖2列出了X軸正向施加載荷的加速度分析結(jié)果，其他方向分析結(jié)果不在贅述。由圖2可知，轉(zhuǎn)臺的各個方向上最大位移量出現(xiàn)在轉(zhuǎn)臺頂部，平均值為0.14 mm，在除減振器外的其他部分最大應(yīng)力的平均值為0.000 35 MPa，遠小于所選材料的許用應(yīng)力。轉(zhuǎn)臺頂部變形量過大是由于橡膠減振器受壓，轉(zhuǎn)臺整體傾斜，放大了轉(zhuǎn)臺頂部在系統(tǒng)坐標系中的位移值，去掉減振器后對云臺進行同樣的分析，結(jié)果如圖3所示，最空間小型二維云臺的最大變形發(fā)生在U形架左右兩端的頂部，各個方向上最大位移量的平均值為0.03 mm，最大應(yīng)力出現(xiàn)在在螺釘安裝孔處，其均值為8.1 MPa.通過以上分析，轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)強度高剛度好能夠抵抗加速度環(huán)境。

圖2　加減振器系統(tǒng)位移云圖和應(yīng)力云圖

圖3　不加減振器系統(tǒng)位移云圖和應(yīng)力云圖

2.2　模態(tài)分析

模態(tài)分析采用ANSYS Workbench中的模態(tài)分析模塊，用于確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，以避免共振帶來的影響[13]。對一個系統(tǒng)進行模態(tài)分析實質(zhì)上是對該系統(tǒng)的動力學(xué)方程進行特征值以及特征向量求解，從而得到各階自振頻率及對應(yīng)振型。

本分析采用和靜力學(xué)分析相同的固定約束，各階固有頻率結(jié)果如表3所列。通過分析可知，施加不同的約束，轉(zhuǎn)臺整體的固有頻率不同，最大位移發(fā)生在U型架頂端兩側(cè)。通?？臻g產(chǎn)品的一階固有頻率須大于100 Hz，這樣可以避免產(chǎn)品與衛(wèi)星共振。通過表格可以發(fā)現(xiàn)，空間小型二軸轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的各階振型固有頻率均大于100 Hz，從而有效地減小了共振引起的結(jié)構(gòu)形變，滿足空間產(chǎn)品對固有頻率的要求。圖4是轉(zhuǎn)臺一階模態(tài)位移云圖。

表3　模態(tài)分析結(jié)果

2.3　正弦振動載荷分析

正弦激勵來自運載火箭發(fā)動機不穩(wěn)定燃燒而產(chǎn)生的推力變化，旋轉(zhuǎn)設(shè)備的不平衡轉(zhuǎn)動及供應(yīng)系統(tǒng)在燃燒室壓力和推力脈動變化下而產(chǎn)生的縱向自激振動[11]。在本研究中采用ANSYS Workbench中的諧響應(yīng)分析模塊，通過分析結(jié)構(gòu)對幾種頻率的響應(yīng)，來預(yù)測結(jié)構(gòu)的持續(xù)動力特性。分析中施加的載荷為加速度載荷，其幅值為16 g（g為重力加速度），頻率范圍是5 Hz~100 Hz，施加方向分別沿X、Y、Z軸三個方向。圖5例舉了沿X方向施加簡諧載荷后出現(xiàn)最大應(yīng)力值時的頻率對應(yīng)的應(yīng)力云圖。分析結(jié)果表明，轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)整體應(yīng)力分布均勻，最大應(yīng)力值為25.971 MPa，所受應(yīng)力均在系統(tǒng)承受范圍之內(nèi)，系統(tǒng)能很好地抵抗簡諧載荷環(huán)境。

圖5　正弦振動載荷分析應(yīng)力云圖

2.4　隨機載荷分析

隨機載荷屬于一種聲致振動，主要源自火箭起飛排氣噪聲及跨聲速飛行及高速飛行時引起的氣動噪聲。本分析采用ANSYS Workbench中的隨機振動分析模塊，主要用于考察轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)在隨機載荷環(huán)境下的綜合情況。分析之前根據(jù)試驗要求定義PSD Acceleration載荷，如表4所列。

表4　加速度PSD Acceleration載荷

采用響應(yīng)譜分析相同的步驟對轉(zhuǎn)臺進行X、Y、Z方向上的隨機振動分析。圖6例舉X方向上的加速度云圖和應(yīng)力云圖。由分析可知，在X、Y、Z方向上的加速度最大響應(yīng)值分別約為6.3 g、6.9 g和4.92 g，出現(xiàn)最大值的響應(yīng)位置均為U形架的頂部，同時系統(tǒng)的最大應(yīng)力值約為30 MPa.分析結(jié)果表明，轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)均在材料許用應(yīng)力范圍以內(nèi)，轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)能很好地抵抗具有隨機載荷的環(huán)境。

圖6　系統(tǒng)加速度云圖和應(yīng)力云圖

3　轉(zhuǎn)臺隨機振動試驗

為了檢驗轉(zhuǎn)臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及實際減振能力，設(shè)計了相應(yīng)的隨機振動試驗。設(shè)定的隨機振動試驗條件主要為隨機載荷的頻率、譜形、量級、持續(xù)時間以及方向等條件[11]。試驗過程中，根據(jù)試驗條件在X、Y、Z方向施加試驗要求的隨機載荷，利用加速度計測出系統(tǒng)在隨機載荷激勵作用下的加速度響應(yīng)。在這里列舉轉(zhuǎn)臺在X方向上的加速度響應(yīng)曲線，如圖7所示。

圖7　轉(zhuǎn)臺隨機振動試驗加速度響應(yīng)曲線

在上圖中，有五條近似平行的曲線及一條不規(guī)則的曲線，五條平行線最中間的那條曲線為控制曲線，由試驗條件生成，與其相鄰最近的兩條對稱的曲線為控制曲線波動的允許范圍。與控制曲線相隔較遠的兩條對稱的曲線為控制曲線的試驗容差[14]。那條不規(guī)則的曲線為空間小型二軸轉(zhuǎn)臺的加速度響應(yīng)曲線。通過對比上圖中的各曲線可知：頻率在20 Hz~130 Hz的加速度響應(yīng)曲線較控制曲線有所放大，當(dāng)達到最大值時加速度曲線開始下降，最大值對應(yīng)的頻率約130 Hz，與有限元分析計算出系統(tǒng)的固有頻率一致，其響應(yīng)的均方根加速度值分別為15.9 g、14 g、11 g.說明小型二軸轉(zhuǎn)臺在高頻隨機振動環(huán)境中抗振效果明顯。

4　結(jié)束語

根據(jù)空間小型轉(zhuǎn)臺成像系統(tǒng)的功能需求，本文設(shè)計了二軸轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)，以實現(xiàn)成像系統(tǒng)光軸的穩(wěn)定及對目標的跟蹤。利用SolidWorks構(gòu)建轉(zhuǎn)臺模型并導(dǎo)入到ANSYS Workbench中進行有限元分析。通過對轉(zhuǎn)臺在包括加速度載荷、正弦載荷及隨機載荷等在內(nèi)的動力學(xué)環(huán)境中的分析，獲得了其形變、應(yīng)力、共振等情況，最后通過隨機振動試驗證明了小型二軸轉(zhuǎn)臺結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性。同時本文也為轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)性優(yōu)化提供了可靠的分析依據(jù)。