星載小型二軸穩瞄轉臺結構設計

王雅雄，邵雅男，王　璞

（1.陜西師范大學物理學與信息技術學院，陜西 西安 710119；2.西安光學精密機械研究所，陜西 西安 710119）

星載小型二軸穩瞄轉臺是空間成像系統的載體，用以在干擾因素復雜的空間環境中實現對成像系統光軸的穩定及對目標的跟蹤。“穩瞄技術”作為穩瞄轉臺的關鍵技術，一直是高精度跟蹤平臺的研究熱點。穩瞄技術最先在陸軍領域的坦克系統中得到應用，其典型應用是車長搜索瞄準鏡。通過配備車長鏡，可實現在惡劣環境下對敵作戰和對移動目標的自動跟蹤，從而完善了戰車員對目標的自主發現能力和首發摧毀能力。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用實例。隨著戰爭時代的結束，人們加強了對空間技術的探索，衛星、無人機等對穩瞄技術的需求日漸突出。光電吊艙成為這一領域的典型代表。美國Lockheed Martin公司研發的Sniper吊艙[6]，可在多種復雜的環境之中運行；以色列Rafael公司與美國Northrop Grumman公司聯合研發的Litening II吊艙[7]穩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，適用于各種嚴酷環境及突發事件。軍事領域的研究熱潮同樣引領了穩像技術在民用領域的興起。日本松下的NV-S1型攝像機可實現垂直±1.4°、水平±2°的穩定范圍[9]；AXIS公司的Q系列產品可使其畫面在劇烈晃動環境里保持較穩畫質[10]。

盡管國內外在穩像轉臺領域從事了大量的研究，但是現階段產品多存在價格昂貴、結構復雜、穩定性較差等問題。本文針對目前的穩像轉臺的研究現狀，進行了新的探索。限于本設計為空間產品，在結構設計過程中，重點考察結構的小型化與輕量化，從衛星發射到定規運行過程中產品對動力學環境及空間低溫環境的抗性，動力學環境主要包括具有加速度載荷、正弦載荷及隨機載荷等的環境。本設計采用模塊化設計思路，通過模塊的小型化與輕型化來實現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鋁合金、鈦合金等材料；通過選用具有高動力學環境抗性的模塊結構來提高總體的環境抗性，動力學環境要求模塊結構具有良好的強度、剛度及韌性，低溫環境要求對模塊結進行防冷焊設計。在設計過程中，采用環境仿真分析的方法對產品進行數值分析，通過不斷的分析與修正，得出滿足設計要求的結構，最后對結構設計進行試驗驗證。

1　二軸穩瞄轉臺設計要求及設計

星載小型二軸穩瞄轉臺的技術指標如表1所列。

表1　星載小型二軸穩瞄轉臺的技術指標

轉臺設計采用地平式U型二軸轉臺結構，結構剛度較大、沿方位軸系方向彎曲撓度較小且在結構的中上部分有額外布置載荷的空間。二軸轉臺由俯仰和垂直軸系構成。俯仰軸系搭載相機，其左右軸系安裝于U型架頂端兩側；垂直軸系連接U型架和基座，用于實現方位轉動。軸系的旋轉和限位由電機控制，可輕易實現無盲區監控。轉臺的總體結構設計如圖1所示。

圖1　二軸轉臺總體結構設計

2　環境仿真分析

無論是樣機階段還是鑒定階段，空間產品都要做大量的動力學環境試驗，為了盡可能少地減少環境試驗的周期和成本，本研究采用有限元法對這些動力學環境進行仿真分析。根據設計圖紙，用Solidworks建立星載小型二軸穩瞄轉臺的有限元模型并將其導入到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；最后對轉臺實體進行網格劃分，節點數為419 622個，單元數為221 451個。

表2　材料屬性

2.1　加速度載荷分析

在衛星的發射階段，由于火箭發動機的推力可使衛星獲得加速度，它由兩部分組成：1）變化相當緩慢的準穩態加速度；2）瞬態事件引起的瞬態加速度。根據GJB加1027-1990D的定義，試驗加速度值為衛星發射時的兩種加速度復合的最大值[11]。為了與試驗保持一致，在加速度分析中采用ANSYS Workbench中的靜力學分析模塊，主要考察結構的剛度及強度，分別由系統形變和應力體現[12]。在分析中對轉臺系統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果，其他方向分析結果不在贅述。由圖2可知，轉臺的各個方向上最大位移量出現在轉臺頂部，平均值為0.14 mm，在除減振器外的其他部分最大應力的平均值為0.000 35 MPa，遠小于所選材料的許用應力。轉臺頂部變形量過大是由于橡膠減振器受壓，轉臺整體傾斜，放大了轉臺頂部在系統坐標系中的位移值，去掉減振器后對云臺進行同樣的分析，結果如圖3所示，最空間小型二維云臺的最大變形發生在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，最大應力出現在在螺釘安裝孔處，其均值為8.1 MPa.通過以上分析，轉臺系統強度高剛度好能夠抵抗加速度環境。

圖2　加減振器系統位移云圖和應力云圖

圖3　不加減振器系統位移云圖和應力云圖

2.2　模態分析

模態分析采用ANSYS Workbench中的模態分析模塊，用于確定結構的固有頻率和振型，以避免共振帶來的影響[13]。對一個系統進行模態分析實質上是對該系統的動力學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振型。

本分析采用和靜力學分析相同的固定約束，各階固有頻率結果如表3所列。通過分析可知，施加不同的約束，轉臺整體的固有頻率不同，最大位移發生在U型架頂端兩側。通常空間產品的一階固有頻率須大于100 Hz，這樣可以避免產品與衛星共振。通過表格可以發現，空間小型二軸轉臺系統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構形變，滿足空間產品對固有頻率的要求。圖4是轉臺一階模態位移云圖。

表3　模態分析結果

2.3　正弦振動載荷分析

正弦激勵來自運載火箭發動機不穩定燃燒而產生的推力變化，旋轉設備的不平衡轉動及供應系統在燃燒室壓力和推力脈動變化下而產生的縱向自激振動[11]。在本研究中采用ANSYS Workbench中的諧響應分析模塊，通過分析結構對幾種頻率的響應，來預測結構的持續動力特性。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最大應力值時的頻率對應的應力云圖。分析結果表明，轉臺系統整體應力分布均勻，最大應力值為25.971 MPa，所受應力均在系統承受范圍之內，系統能很好地抵抗簡諧載荷環境。

圖5　正弦振動載荷分析應力云圖

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，主要用于考察轉臺結構在隨機載荷環境下的綜合情況。分析之前根據試驗要求定義PSD Acceleration載荷，如表4所列。

表4　加速度PSD Acceleration載荷

采用響應譜分析相同的步驟對轉臺進行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力云圖。由分析可知，在X、Y、Z方向上的加速度最大響應值分別約為6.3 g、6.9 g和4.92 g，出現最大值的響應位置均為U形架的頂部，同時系統的最大應力值約為30 MPa.分析結果表明，轉臺系統均在材料許用應力范圍以內，轉臺系統能很好地抵抗具有隨機載荷的環境。

圖6　系統加速度云圖和應力云圖

3　轉臺隨機振動試驗

為了檢驗轉臺的結構設計以及實際減振能力，設計了相應的隨機振動試驗。設定的隨機振動試驗條件主要為隨機載荷的頻率、譜形、量級、持續時間以及方向等條件[11]。試驗過程中，根據試驗條件在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在隨機載荷激勵作用下的加速度響應。在這里列舉轉臺在X方向上的加速度響應曲線，如圖7所示。

圖7　轉臺隨機振動試驗加速度響應曲線

在上圖中，有五條近似平行的曲線及一條不規則的曲線，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]。那條不規則的曲線為空間小型二軸轉臺的加速度響應曲線。通過對比上圖中的各曲線可知：頻率在20 Hz~130 Hz的加速度響應曲線較控制曲線有所放大，當達到最大值時加速度曲線開始下降，最大值對應的頻率約130 Hz，與有限元分析計算出系統的固有頻率一致，其響應的均方根加速度值分別為15.9 g、14 g、11 g.說明小型二軸轉臺在高頻隨機振動環境中抗振效果明顯。

4　結束語

根據空間小型轉臺成像系統的功能需求，本文設計了二軸轉臺系統，以實現成像系統光軸的穩定及對目標的跟蹤。利用SolidWorks構建轉臺模型并導入到ANSYS Workbench中進行有限元分析。通過對轉臺在包括加速度載荷、正弦載荷及隨機載荷等在內的動力學環境中的分析，獲得了其形變、應力、共振等情況，最后通過隨機振動試驗證明了小型二軸轉臺結構設計的合理性。同時本文也為轉臺系統的結構性優化提供了可靠的分析依據。