馬俊林，邢 妍，高 群，杜 杰，劉 英

〈系統(tǒng)與設(shè)計〉

微小型滾仰式紅外導(dǎo)引頭光機(jī)軸系一體化設(shè)計

馬俊林，邢 妍，高 群，杜 杰，劉 英

（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）

針對導(dǎo)彈口徑微小化的需求，為解決微小型導(dǎo)引頭無法全方位掃描的問題，提出一種微小型滾仰式紅外導(dǎo)引頭光機(jī)軸系一體化結(jié)構(gòu)。該光機(jī)結(jié)構(gòu)把經(jīng)典滾仰式導(dǎo)引頭兩根獨(dú)立俯仰軸與光機(jī)結(jié)構(gòu)本體設(shè)計成一體，通過紅外探測器固定連接的方式讓整體結(jié)構(gòu)更加緊湊并兼具焦距微調(diào)功能，在保證成像質(zhì)量的同時大大減小了光機(jī)結(jié)構(gòu)的體積。將建模后的光機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元熱力耦合分析，在導(dǎo)引頭溫度、位置和角度等8組極限工作情況下，得到結(jié)構(gòu)件和鏡片的熱變形。分析結(jié)果表明，提出的光機(jī)結(jié)構(gòu)滿足微小型（80mm）、抗沖擊（10）和高低溫（－40℃～60℃）工作要求，可以預(yù)測實(shí)際使用時的工作情況，對設(shè)計具有重要的指導(dǎo)意義。

紅外導(dǎo)引頭；滾仰式；有限元；仿真分析

0 引言

空空導(dǎo)彈有很多其他導(dǎo)彈不具備的優(yōu)點(diǎn)，比如搜索范圍大、跟蹤速度快、機(jī)動能力強(qiáng)等，使其日益成為各國大力發(fā)展的軍備武器[1]。導(dǎo)引頭是空空導(dǎo)彈的關(guān)鍵部件，決定了導(dǎo)彈的跟蹤、識別和捕獲能力。紅外導(dǎo)引頭可晝夜全天候使用、導(dǎo)引精度高，體積小重量輕，十分符合這一趨勢。從文獻(xiàn)[2-6]可以看出，微小型和高性能是紅外導(dǎo)引頭的發(fā)展趨勢和技術(shù)難點(diǎn)。美國的AIM-9系列導(dǎo)彈的紅外導(dǎo)引頭采用滾仰式光機(jī)結(jié)構(gòu)，將探測器固定連接在導(dǎo)引頭上使導(dǎo)彈整體尺寸大大減小。世界先進(jìn)的短程導(dǎo)彈德國IRIS-T紅外導(dǎo)引頭也采用滾仰式結(jié)構(gòu)，使其具有±90°的離軸角[7-8]。

為進(jìn)一步減小紅外導(dǎo)引頭的口徑尺寸，增大導(dǎo)引頭的搜索范圍，在滾仰式紅外導(dǎo)引頭光機(jī)框架的基礎(chǔ)上采用光機(jī)軸系一體化設(shè)計思想，讓整個光機(jī)結(jié)構(gòu)在僅為80mm口徑的導(dǎo)引頭內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)360°滾擺和±90°俯仰，實(shí)現(xiàn)全方位掃描和跟蹤目標(biāo)。由于工作環(huán)境溫差很大，紅外導(dǎo)引頭光機(jī)結(jié)構(gòu)成像質(zhì)量會受到溫度因素的影響。在光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計完成的基礎(chǔ)上，本文對光機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行熱力耦合分析，研究溫度對紅外鏡片和光機(jī)結(jié)構(gòu)位移的影響，求解溫度變化后的光機(jī)系統(tǒng)性能。

1 光機(jī)軸系一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計

按照滾仰式框架設(shè)計思想，紅外導(dǎo)引頭整體結(jié)構(gòu)如圖1，包括整流罩、外殼體、轉(zhuǎn)臺和紅外光機(jī)組件。導(dǎo)引頭具有滾擺和俯仰兩個自由度，滾擺即轉(zhuǎn)臺可以沿著導(dǎo)引頭軸線做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動；俯仰即紅外光機(jī)組件可以沿著俯仰軸在轉(zhuǎn)臺內(nèi)做俯仰運(yùn)動，其中俯仰軸穿過球形整流罩的球心。

圖1 滾仰式紅外導(dǎo)引頭整體結(jié)構(gòu)圖

為了實(shí)現(xiàn)全方位的掃描和跟蹤，需要滾擺可以達(dá)到360°，俯仰可以達(dá)到±90°，如圖2所示。這就需要紅外光機(jī)組件具有非常小的體積。為了壓縮紅外光機(jī)組件的整體體積整體光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計從以下3個方面進(jìn)行考慮。

第一，光學(xué)設(shè)計采用數(shù)量盡量少口徑盡量小的鏡片來完成光學(xué)系統(tǒng)。紅外光機(jī)組件的光學(xué)設(shè)計如圖3：采用球形整流罩＋3片非球面鏡片組成整個光學(xué)系統(tǒng)，球形整流罩采用硫化鋅材料氣相沉積加工而成，3片鏡片采用晶體鍺材料加工完成。球形整流罩的底面和側(cè)面與導(dǎo)引頭外殼體通過環(huán)氧樹脂膠相膠接。

第二，紅外光機(jī)組件采用光機(jī)軸系一體化設(shè)計思想和紅外鏡頭整體調(diào)焦的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計。如圖4，整體紅外光機(jī)組件包括紅外鏡頭組件、探測器和陀螺儀組成，紅外鏡頭組件包括紅外鏡頭和俯仰安裝塊，紅外鏡頭包括壓圈、隔圈1、隔圈2、1鏡、2鏡、3鏡、鏡筒。為了壓縮紅外鏡頭的整體體積，紅外鏡頭采用外壓圈的方式將3塊鏡片固定在一個鏡筒里。

圖2 俯仰角度圖

第三，俯仰安裝塊如圖5，紅外鏡頭通過螺紋與俯仰安裝塊相連接，俯仰安裝塊是整個設(shè)計的核心部件。首先，為了減小俯仰軸的長度，給固定在俯仰軸上的控制組件和驅(qū)動組件更多的空間，俯仰安裝塊將經(jīng)典結(jié)構(gòu)的兩根俯仰軸的設(shè)計成一體，避免了兩個俯仰軸引入額外的連接方式進(jìn)而帶來長度的增加；其次，俯仰安裝塊一端與紅外鏡頭通過螺紋連接，另一端通過法蘭孔與探測器固定連接，紅外鏡頭可以通過螺紋在俯仰安裝塊內(nèi)移動一定距離，從而調(diào)整紅外鏡頭與探測器之間的距離實(shí)現(xiàn)調(diào)焦功能。這樣即使在很小的體積空間內(nèi)也能讓導(dǎo)引頭有一個微小的裝調(diào)調(diào)焦量，進(jìn)而提高整個系統(tǒng)的光學(xué)性能和可靠性。

最后，探測器外殼根據(jù)已經(jīng)布局好的紅外鏡頭組件位置，在干涉的地方掏空或者倒角，并將具有穩(wěn)定圖像功能的陀螺儀安裝在探測器上讓整體結(jié)構(gòu)變得更加緊湊。

圖3 紅外導(dǎo)引頭光學(xué)設(shè)計圖

圖4 光機(jī)結(jié)構(gòu)組件圖

2 紅外導(dǎo)引頭光機(jī)結(jié)構(gòu)熱分析原理

由于紅外導(dǎo)引頭的工作環(huán)境溫度范圍較大，溫度變化會對紅外光機(jī)組件的成像性能產(chǎn)生影響。當(dāng)環(huán)境溫度改變時，鏡頭結(jié)構(gòu)會因?yàn)闇囟鹊纳吆徒档投l(fā)生熱變形，特別是晶體鍺材料的光學(xué)鏡片本身和鏡片之間的位移變化會導(dǎo)致成像質(zhì)量的下降，甚至影響導(dǎo)引頭整個系統(tǒng)的捕捉和跟蹤功能，所以需要對整個光機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行熱分析。

一般情況下，溫度的變化會使物體產(chǎn)生變形，稱為熱變形[9]。一般物體在熱脹冷縮時會引起物體內(nèi)部應(yīng)變的發(fā)生，在物體的內(nèi)部各向同性材質(zhì)均勻情況下，變形沒有剪切應(yīng)變僅有正應(yīng)變[10]，如公式(1)：

式中：是正應(yīng)變；是切應(yīng)變；是線膨脹系數(shù)；是溫度變化。

一般情況下，由于溫度變化會使微元體之間產(chǎn)生相互作用力，所以溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力滿足胡克定律[11]，如公式(2)：

3 光機(jī)結(jié)構(gòu)有限元仿真分析

3.1 模型的導(dǎo)入和設(shè)置

把在UG中設(shè)計好的三維模型導(dǎo)入Workbench中，基于簡化的原則，由于陀螺儀的熱變形并不影響光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，探測器是單獨(dú)的復(fù)雜組件不在整個紅外光機(jī)組件內(nèi)分析，所以在導(dǎo)入Workbench中的模型只包括紅外鏡頭組件，這樣也有利于網(wǎng)格的劃分和整個熱應(yīng)變的計算。導(dǎo)入Workbench后進(jìn)行分析前的預(yù)處理和設(shè)置，包括材料參數(shù)的設(shè)置、零件之間的接觸設(shè)置、網(wǎng)格劃分的形式和大小以及分析的邊界條件等。其中材料的機(jī)械參數(shù)表格如表1，各個零件之間的接觸關(guān)系如表2。網(wǎng)格劃分按照不同零件的特點(diǎn)和分析重點(diǎn)采用不同的大小和劃分方式，如表3。網(wǎng)格劃分結(jié)構(gòu)如圖6。

表1 機(jī)械參數(shù)

表2 零件接觸關(guān)系設(shè)置

表3 網(wǎng)格劃分

圖6 網(wǎng)格劃分圖

3.2 熱力耦合有限元分析

空空導(dǎo)彈導(dǎo)引頭的工作溫度范圍一般是－40℃～＋60℃[12-14]，受到的沖擊一般是10[15-16]，光機(jī)系統(tǒng)的成像質(zhì)量要在整個溫度區(qū)間內(nèi)和最大沖擊下滿足要求，為了減小工作量并涵蓋所有工作情況，本文考慮兩種極限情況進(jìn)行熱分析，即－40℃和60℃兩種情況的每個零件的熱變形，因?yàn)樵谶@兩個極限情況下變形量最大，只要最大變形量能夠滿足要求，成像質(zhì)量就能夠得到保證。由于該系統(tǒng)存在±1mm的調(diào)焦量，需要鏡頭在整個調(diào)焦范圍內(nèi)都滿足應(yīng)變要求，所以考慮鏡頭到調(diào)焦的兩個極限位置作為分析位置，這是因?yàn)檫@兩個極限位置造成的系統(tǒng)變形量最大。由于該導(dǎo)引頭是滾仰式導(dǎo)引頭系統(tǒng)，整個紅外鏡頭組件要做±90°的俯仰運(yùn)動，由于該紅外鏡頭組件為對稱結(jié)構(gòu)，所以存在兩個角度極限位置即0°和90°，在這兩個位置鏡頭組件受到的沖力最大，所以考慮0°和90°時紅外鏡頭組件的變形量。

通過以上的分析，我們得到3種極限（俯仰位置極限、溫度極限和調(diào)焦位置極限）位置的8組鏡頭組件的變形云圖如圖7。

其中1鏡、2鏡和3鏡在8種情況下的最大變形量見表4。

單獨(dú)提出鏡片在3種極限位置的8組變形云圖如圖8。

圖7 三種極限位置下鏡頭組件的變形云圖

表4 1鏡、2鏡和3鏡在8種情況下的最大變形量

通過上面的熱變形數(shù)據(jù)可以看出，結(jié)構(gòu)件的最大形變值出現(xiàn)在8種極限情況的第二種也就是俯仰角度為0°，溫度為－40℃，調(diào)焦值為－1mm的時候，最大值在外壓圈的邊緣，最大變形量0.05mm，對于機(jī)械結(jié)構(gòu)來說不會受到變形的影響，滿足設(shè)計值要求。

鏡片的最大形變值都出現(xiàn)在8種極限情況的第2種和第5種也就是俯仰角度為0°，溫度為－40℃，調(diào)焦值為－1mm和俯仰角度為90°，溫度為－40℃，調(diào)焦值為1mm的時候，在1鏡的邊緣，最大變形量0.0324mm，變形量越靠近鏡片邊緣越大，越靠近鏡片中心越小，對于光學(xué)設(shè)計來說滿足設(shè)計值要求，不會影響紅外導(dǎo)引頭的成像質(zhì)量。

4 結(jié)論

為了能在80mm口徑微小型紅外導(dǎo)引頭內(nèi)實(shí)現(xiàn)全方位掃描，提出并設(shè)計一種微小型滾仰式紅外導(dǎo)引頭光機(jī)軸系一體化結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)體積緊湊可以實(shí)現(xiàn)全方位掃描和跟蹤，即紅外光機(jī)組件在導(dǎo)引頭內(nèi)360°滾擺和±90°俯仰。

1）根據(jù)光機(jī)軸系一體化設(shè)計思想，提出一種導(dǎo)引頭紅外鏡頭組件的特殊結(jié)構(gòu)，通過俯仰安裝塊使經(jīng)典結(jié)構(gòu)的兩根俯仰軸、紅外鏡頭和探測器集成為一體。通過鏡頭和俯仰安裝塊之間的螺紋副實(shí)現(xiàn)調(diào)焦功能，在壓縮了整體光機(jī)結(jié)構(gòu)體積的同時保證了光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量；

2）對該小型滾仰式紅外導(dǎo)引頭一體化結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元熱力耦合分析。根據(jù)機(jī)械零件的不同功能和鏡片的不同特點(diǎn)進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分。在－40℃～60℃、鏡頭組件俯仰0°和90°、鏡頭調(diào)焦±1mm等3種極限位置8種極限情況進(jìn)行熱力耦合分析，得到結(jié)構(gòu)件和3個鏡片的熱變形規(guī)律和最大熱變形值，通過與設(shè)計值對比，驗(yàn)證了光學(xué)系統(tǒng)在工作溫度范圍內(nèi)具有可靠的成像質(zhì)量。

[1] 任淼, 謝翔, 劉晶晶. 2019年外國空空導(dǎo)彈發(fā)展動態(tài)研究[J]. 航空兵器, 2020, 27(3): 1-9.

REN Miao, XIE Xiang, LIU Jingjing. Research on Foreign Air-to-Air Missiles Development in 2019[J]., 2020, 27(3): 1-9.

[2] DU Xiao, LV Rui, TU Haifeng, et al. The research on infrared seeker with disturbance rejection effect parasitic[J]., 2018, 170: 409-419.

[3] WANG X C, MO B, LI X, et al. A line-of-sight rate estimation method for roll-pitch gimballed infrared seeker[J]., 2019, 192: 162935.

[4] ZHOU Yongheng, CUI Shaohui, FANG Dan. Review of Evaluation Techniques for Infrared Imaging Seeker[C]//, 2017: 607-613.

[5] 張明. 超遠(yuǎn)程空空導(dǎo)彈攻擊關(guān)鍵技術(shù)分析[J]. 價值工程, 2020, 9(3): 297-299.

ZHANG Ming. Analysis of Key Technologies for Ultra-long-range Air-to-air Missile Attack[J]., 2020, 9(3): 297-299.

[6] 李宇鵬. 激光/紅外復(fù)合制導(dǎo)技術(shù)發(fā)展綜述[J]. 電子質(zhì)量, 2020, 2(3): 39-41.

LI Yupeng. Overview of Development of Laser/Infrared Compound Guidance Techniques[J]., 2020, 2(3): 39-41.

[7] 范晉祥. 美軍機(jī)載武器的新發(fā)展[J]. 航空兵器, 2020, 5(15): 7-26.

FAN Jinxiang. New Development of American Airborne Weapons[J]., 2020, 5(15): 7-26.

[8] Sakarya D U, Bayram A. Optical design of dual mode seeker for short-wave infrared and four quadrant detectors in missile application[C]//XXVIII, 2019: 109121K.

[9] 史明東, 屈軍利, 袁夢笛, 等. 導(dǎo)引頭抗高過載技術(shù)及其研究進(jìn)展[J]. 兵器裝備與工程學(xué)報, 2019, 40(7): 85-89.

SHI Mingdong, QU Junli, YUAN Mengdi, et al. Anti-High Overload Technology and Research Progress of Missile-Borne Seeker[J]., 2019, 40(7): 85-89.

[10] 賀磊, 張建隆, 楊振, 等. 一種小型化滾-仰式長波紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計[J]. 紅外技術(shù), 2018, 40(12): 1142-1148.

HE Lei, ZHANG Jianlong, YANG Zhen, et al. Design of a Small Rolling-pitching Long-wave Infrared Optical System [J]., 2018, 40(12): 1142-1148.

[11] 王春陽, 張宇, 金麗漫, 等. 紅外連續(xù)變焦鏡頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計與熱分析[J]. 軟件, 2020, 41(4): 178-182.

WANG Chunyang, ZHANG Yu, JIN Liman, et al. Structural Design and Thermal Analysis of Infrared Continuous Zoom Lens[J]., 2020, 41(4): 178-182.

[12] 潘越, 徐熙平, 喬楊. 變焦紅外雙波段投影鏡頭的光機(jī)熱分析[J]. 光學(xué)學(xué)報, 2018, 38(5): 0522001.

PAN Yue, XU Xiping, QIAO Yang. Optical-Structural- Thermal Analysis of Zoom Infrared Dual-band Projection Lens[J]., 2018, 38(5): 0522001.

[13] 李富貴, 賈生偉, 趙洪, 等. 導(dǎo)引頭動力學(xué)建模方法研究[J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報, 2017, 37(4): 27-42.

LI Fugui, JIA Shengwei, ZHAN Hong, et al. Research on Dynamic Modeling Method of Seeker[J]., 2017, 37(4): 27-42.

[14] 洪文鵬, 孟祥福, 李歡, 等. 紅外導(dǎo)引頭平臺底座拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計[J]. 飛控與探測, 2020, 3(2): 64-69.

HONG Wenpeng, MENG Xiangfu, LIHuan, et al. Topology Optimization Design of Infrared Seeker Platform Base[J]., 2020, 3(2): 64-69.

[15] 江樂果, 胡百振, 焦彤, 等. 紅外導(dǎo)引頭框架式穩(wěn)定平臺非線性動態(tài)特性分析[J]. 紅外技術(shù), 2019, 41(5): 483-488.

JIANG Leguo, HU Baizhen, JIAO Tong, et al. Nonlinear Dynamic Analysis of Infrared Frame Seeker Stabilization Platform[J]., 2019, 41(5): 483-488.

[16] 馬永忠, 趙法棟. 某小型強(qiáng)光爆震彈的結(jié)構(gòu)設(shè)計與試驗(yàn)研究[J]. 兵器裝備與工程學(xué)報, 2020, 41(4): 80-85.

MA Yongzhong, ZHAO Fadong. Structure Design and Experiment Study on Miniaturization Stun Grenade[J]., 2020, 41(4): 80-85.

Design of Micro-miniature Infrared Seeker with Roll-Pitch Structure

MA Junlin，XING Yan，GAO Qun，DU Jie，LIU Ying

(,130033,)

To meet the requirements of the micro-miniatureair-to-air missile and solve the problem of not reaching full field angle, this paper presents a micro-miniature infrared seeker with roll-pitch structure, applying the integration philosophy of optical-mechanical structure and pitching shaft. Compared with the classic roll-pitch frame, this new structure combines two individual pitch shafts; additionally, the optical-mechanical structureusesonly one mechanical part, thus greatly reducing its size. Moreover, this new structure has a focus function that could improve the image quality. After structure design, we conducted thermo-mechanical coupling analysis on structure parts and lens under eight extreme conditions. The results show that the optical-mechanical structure meets the requirement of micro-miniature(80mm), shock resistance (10), and high low temperature test (-40℃~60℃). The simulated analysis can predict real conditions and has great guiding significance for optical-mechanical structure design.

infrared seeker, roll-pitch, finite element, simulated analysis

TH745

A

1001-8891(2021)05-0411-06

2020-06-09；

2020-07-30.

馬俊林（1985-），男，黑龍江雙城人，助理研究員，碩士研究生，主要從事精密光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析方面的研究。

劉英（1980-），女，副研究員，主要從事紅外光學(xué)設(shè)計和分析，E-mail： liuy613@163com。

吉林省科技發(fā)展計劃項目（20180201048GX）。