基于鋼索傳動的位標器結構設計

張曉帆　宋春雨　徐方舟

摘 要：針對有限結構尺寸下設計大通光口徑位標器的難點，提出了鋼索聯動的傳動形式，代替傳統電機直驅。此結構中，轉軸位置布置鋼索輪傳遞動力，可有效減小徑向空間的占用，有利于大口徑光學設備的布局，提高位標器的整體性能。

關鍵詞：鋼索；傳動；位標器；大通光口徑

引言

導引頭是按照導引規律使導彈彈軸或速度向量相對于目標瞄準線穩定，并向導彈執行機構輸出控制信號的裝置，是自動尋的導彈的重要組成部分，并安裝于導彈頭部。按獲取目標輻射或反射能量的不同可分為電視、雷達、毫米波、紅外、紅外成像、雙色紅外及激光等導引頭。導引頭通常由光學系統、調制盤、探測器、動力隨動陀螺等組成。探測器可以是攝像管、光敏元件或紅外焦平面陣列器件等。工作時導引頭先在較大空間角范圍內搜索目標，一旦搜索到目標立即進入鎖定狀態，表明導引頭已捕獲到目標；此后導引頭將按導引規律自動跟蹤目標，并不斷發出控制信號給導彈執行機構以改變導彈姿態，保證彈軸或速度向量相對于目標瞄準線穩定[1]。導引頭系統能夠搜索、跟蹤目標，并將導彈準確導引到目標區以攻擊目標，是導彈精確制導的主要保障之一[2，3]。

位標器是導引頭系統的重要組成部分，相當于人的眼睛，用來完成對目標的自主跟蹤，并向導彈執行機構輸出控制信號，把導彈準確導引到目標區以攻擊目標[4]。成像導引頭位標器一般采用兩框架結構，內框和外框二者組合聯動實現成像系統相對彈體的角度偏移，以便搜索和跟蹤目標。位標器是導引頭的核心組件，其設計制造水平決定了導引頭的探測能力、視線穩定度和跟蹤精度[5]。由于位標器的光學系統位于導彈的頭部，其特殊的安裝位置決定了位標器光學系統需要具有極其緊湊的系統結構，通過口徑大小直接影響著導引頭的視場和成像的清晰度，因此在有限的結構尺寸下實現高性能的光學系統成為位標器的設計難點。

傳統位標器中大都使用電機直驅式結構方案，這種結構形式中電機直接作用于轉軸處，優點在于傳動環節少，系統響應快，控制簡單；但是電機裝在框架上占用很大的徑向空間而且其質量成為負載的一部分，增加了框架的轉動慣量，且導致框架質心偏離彈軸，影響系統綜合性能。本文提出了基于鋼索傳動的位標器結構，以實現有限空間內任務光學設備口徑的最大化。

1 電機直驅式位標器結構原理

目前常用的成像位標器穩定平臺多采用俯仰和方位二自由度框架結構，簡單緊湊，兩通道相互獨立、耦合少[6，7]。如圖1所示。位標器的光學設備的通光口徑和動態響應性能是導引頭兩個比較重要的指標，其中通光口徑主要由光學設備徑向尺寸決定，位標器動態響應性能主要由電機扭矩、轉速和負載的轉動慣量等因素決定。

電機直驅式布局形式如圖2所示，電機直接作用于轉軸處，與光學設備布置在同一徑向平面內[8]，使得光學性能和響應性能成為一對矛盾。在保證光學設備口徑的情況下，對電機要求較高，需要體積小、重量輕且輸出扭矩大。為減小電纜帶來的干擾力矩，通常電機軸需做成中空，預留電纜通道，給電機設計帶來很多約束。

為留有外框架驅動電機安裝位置，外框架無法充分利用導引頭整流罩內空間，內框架和光學設備尺寸相應的受到影響，內框架驅動電機安裝在框架的一側，如圖2所示，通常另一側安裝編碼器用以反饋框架的位置和速度等信息，兩側安裝設備質量特性不同，會導致內外框架組合體質心偏離軸線，從而影響動態響應性能，需要進行配平。

2 鋼索傳動式位標器結構原理

電機提供動力的同時，本身重量成為負載而且占用空間，這是電機直驅布局存在的主要矛盾。解決這個矛盾的最直接的辦法是把電機和光學設備在軸向錯開布局，將動力傳遞到框架結構上。

鋼索傳動布局形式，如圖3所示，與圖2對比可見，光學設備口徑可以在導引頭有限體積內做到最大，并有充足空間可以增加電機體積和重量，提高電機輸出扭矩和轉速，從而提高位標器的動態響應性能。

鋼索傳動方式具體如圖4所示，光學設備和內框架固連，可相對外框架繞軸a轉動，外框架可繞軸b轉動。兩個電機分別帶動兩個纏繞鋼索的輪1和1，鋼索固定在兩輪的下端，鋼索向上經過固定的軌道2和2（與外框架剛性連接）到達上方輪3和3處，兩條鋼索分別固定在輪3和3的上端，其中輪3和內框剛性連接，輪3和內框架可繞軸a相對轉動。

如圖4和圖5所示，當輪1和1均等速順時針轉動，輪3兩端鋼索均等速收緊，輪3兩端鋼索同速松開，此時內框架與外框架相對位置不動，兩者同時繞b軸相對位標器逆時針轉動；當輪1順時針轉動輪1等速逆時針轉動時，輪3右側鋼索收緊左側鋼索等速放松，由于輪3與內框架和光學設備固連，所以內框架繞a軸順時針轉動，而外框架相對位標器靜止。當輪1和1不等速運動時，可以等效為輪1和1等速同向和等速逆向運動的疊加，就會產生兩軸的復合運動。

3 結束語

本文針對有限結構尺寸下設計大通光口徑位標器的難點，提出了鋼索傳動式兩框架結構，其有效解決了電機和光學設備在徑向空間內布局的沖突，可以實現在有限的空間里將光學口徑做到最大的同時，安裝大扭矩電機提高動態響應性能，從而提升位標器整體性。

參考文獻

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