機載穩瞄系統減振技術研究

楊艷妮

（中航工業計算所生產部 陜西 西安 710068）

0 前言

隨著現代軍事的發展，武裝直升機作為精確打擊武器扮演著越來越重要的角色。直升機載穩瞄系統利用電視、激光、紅外、跟蹤設備等對目標進行搜索、瞄準、定位、測距及跟蹤，它是直升機的“眼睛”，是直升機精確制導系統的重要組成部分。直升機載穩瞄系統的精確打擊能力在現代戰爭中顯得越來越重要。

由于直升機采用旋翼驅動，與其它武器搭載平臺相比，直升機的環境特點主要有幾個方面：

1)振幅較大，引起的響應和產生的應變較大；

2)使用溫度范圍較寬；

3)對隔振系統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，對系統固有頻率的選擇要求較高；

5)系統對減重要求很高，因此很難獲得較大的支撐剛度；

6)內部空間較小，隔振器的合理布局難度較大。

由于直升機工作時旋翼的高速旋轉，光電穩瞄系統的振動不可避免。穩瞄系統采用相互獨立的內外框架結構；精密的光電傳感器安裝在內框架上，外框架對外部環境（包括沙塵、風阻、煙霧、雨水、直接的磕碰等）能夠起到隔離作用。但從振動的基本原理可以看出，外框架對外部的沖擊和振動并不能實現有效的隔離，甚至會將直升機輸入的振動幅度放大，并傳遞到相應的光電傳感器上而導致器件的損壞，降低系統的可靠性。此外，振動會影響穩瞄系統瞄準線的穩定性，這將影響圖像的質量，同時也會降低精確打擊任務中的目標命中概率。隨著光電穩瞄系統技術指標的不斷增加，要求有更高的瞄準線穩定精度，因此減振系統也需要具有更高的減振效率。

典型的穩瞄系統如圖1：

圖1 典型穩瞄系統示意圖

一種典型的振動情況可以看出外框架的振動情況：如圖2：

圖2 外框架振動情況

可以看出在77.5Hz的位置，輸入振動被明顯放大了，并且由于結構阻尼較低，所以幅值很大。被放大的振動將直接作用到內框架上并傳遞到相應的光電傳感器上而導致其損壞。

因此，針對直升機載環境的特點，穩瞄系統減振技術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建滿足系統要求的減振系統，以下討論重點在于減振系統的設計要點及減振器的合理使用。

1 減振系統設計要點及減振理論

典型的減振系統設計是通過合理選用及布局減振器來實現的。大多數減振問題的解決都得益于把支撐系統簡化成一個有阻尼的單自由度系統。

減振系統設計基于以下的假設：

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

2）在各個方向上系統的剛度相等；

3）設備的剛度比減振系統的剛度要大的多。

通過上節的分析和假設，合理的減振系統可以用有阻尼的單自由度系統進行分析。

阻尼系統的運動方程必須考慮加在系統上的阻尼。

它是：mx+cx+kx=F(t)阻尼因子用符號“ζ”表示。

阻尼比ζ定義為：ζ=C/CC

這里，一個阻尼振動系統的臨界阻尼定義為：

一個阻尼系統的絕對傳遞率方程寫為：

依據減振系統的原理，我們可以劃分減振系統的特性分區如圖3：

圖3 減振系統的特性分區

從減振系統的特性看主要分為剛性區、阻尼區和慣性區。對減振設計最為主要的是阻尼區。因為阻尼區是控制減振系統固有頻率和共振響應幅值的核心區域。

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

2 減振器設計

減振系統的設計指標主要有兩個，系統固有頻率fn和阻尼比ζ。合理控制這兩個指標是設計減振系統的要點。這兩個參數的計算根據所選減振器的不同，在方法上略有不同。一般廠家會提供比理論模型更簡潔的計算公式。作為減振器選擇的初步估算可以使用以下兩個簡化公式：

減振系統：

通過以上公式可以看出，減振器的主要指標是剛度K和阻尼比ζ。其中，剛度K決定了系統的固有頻率，阻尼比ζ決定了系統的共振響應放大率。這一點在減振器的選擇和設計上至關重要。

圖4 實際測試取曲線

當前國際先進直升機載穩瞄系統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“世界戰斗機”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固定值，動態彈性模量同應變之間的一般趨勢是應變增加則彈性模量減小。相同的趨勢也適用于阻尼模量。

值得注意的是：在分析或測試一個隔離系統應記住以下幾點：

1）確定系統將經歷的動態條件是非常重要的；

2）動態條件的改變會導致減振系統的性能發生改變；

3）由于動態環境改變導致的系統性能的改變可以進行估計。

用于該設計理論設計了某型產品的減振器，某典型產品的振動情況與減振器的實際測試如圖4。

3 結束語

隨著光學、材料、精密機械加工等技術領域的發展，國內光電穩瞄系統的減振技術也在不斷發展，無論是減振設備的使用年限，還是光電穩瞄系統的穩定精度都取得了較大進步。由于減振器結構設計、材料以及制造技術水平還有所欠缺，在減振器的壽命和穩瞄系統穩定精度這兩方面，與國外相應技術領域相比還有很大的差距。

隨著現代科技的發展，減振器的類型不斷增多，不同的減振機理，不同的減振結構種類繁多。未來減振技術的發展趨勢應該是主動減振，即融合控制技術、電磁技術和減振技術的合成技術，在減振技術的研究上我們依然任重而道遠。

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