微小型滾仰式紅外導引頭光機軸系一體化設計

馬俊林，邢 妍，高 群，杜 杰，劉 英

〈系統與設計〉

微小型滾仰式紅外導引頭光機軸系一體化設計

馬俊林，邢 妍，高 群，杜 杰，劉 英

（中國科學院長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033）

針對導彈口徑微小化的需求，為解決微小型導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引頭光機軸系一體化結構。該光機結構把經典滾仰式導引頭兩根獨立俯仰軸與光機結構本體設計成一體，通過紅外探測器固定連接的方式讓整體結構更加緊湊并兼具焦距微調功能，在保證成像質量的同時大大減小了光機結構的體積。將建模后的光機結構進行有限元熱力耦合分析，在導引頭溫度、位置和角度等8組極限工作情況下，得到結構件和鏡片的熱變形。分析結果表明，提出的光機結構滿足微小型（80mm）、抗沖擊（10）和高低溫（－40℃～60℃）工作要求，可以預測實際使用時的工作情況，對設計具有重要的指導意義。

紅外導引頭；滾仰式；有限元；仿真分析

0 引言

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

為進一步減小紅外導引頭的口徑尺寸，增大導引頭的搜索范圍，在滾仰式紅外導引頭光機框架的基礎上采用光機軸系一體化設計思想，讓整個光機結構在僅為80mm口徑的導引頭內可以實現360°滾擺和±90°俯仰，實現全方位掃描和跟蹤目標。由于工作環境溫差很大，紅外導引頭光機結構成像質量會受到溫度因素的影響。在光機結構設計完成的基礎上，本文對光機結構進行熱力耦合分析，研究溫度對紅外鏡片和光機結構位移的影響，求解溫度變化后的光機系統性能。

1 光機軸系一體化結構設計

按照滾仰式框架設計思想，紅外導引頭整體結構如圖1，包括整流罩、外殼體、轉臺和紅外光機組件。導引頭具有滾擺和俯仰兩個自由度，滾擺即轉臺可以沿著導引頭軸線做旋轉運動；俯仰即紅外光機組件可以沿著俯仰軸在轉臺內做俯仰運動，其中俯仰軸穿過球形整流罩的球心。

圖1 滾仰式紅外導引頭整體結構圖

為了實現全方位的掃描和跟蹤，需要滾擺可以達到360°，俯仰可以達到±90°，如圖2所示。這就需要紅外光機組件具有非常小的體積。為了壓縮紅外光機組件的整體體積整體光機結構設計從以下3個方面進行考慮。

第一，光學設計采用數量盡量少口徑盡量小的鏡片來完成光學系統。紅外光機組件的光學設計如圖3：采用球形整流罩＋3片非球面鏡片組成整個光學系統，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面與導引頭外殼體通過環氧樹脂膠相膠接。

第二，紅外光機組件采用光機軸系一體化設計思想和紅外鏡頭整體調焦的方式進行結構設計。如圖4，整體紅外光機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動組件更多的空間，俯仰安裝塊將經典結構的兩根俯仰軸的設計成一體，避免了兩個俯仰軸引入額外的連接方式進而帶來長度的增加；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移動一定距離，從而調整紅外鏡頭與探測器之間的距離實現調焦功能。這樣即使在很小的體積空間內也能讓導引頭有一個微小的裝調調焦量，進而提高整個系統的光學性能和可靠性。

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

圖3 紅外導引頭光學設計圖

圖4 光機結構組件圖

2 紅外導引頭光機結構熱分析原理

由于紅外導引頭的工作環境溫度范圍較大，溫度變化會對紅外光機組件的成像性能產生影響。當環境溫度改變時，鏡頭結構會因為溫度的升高和降低而發生熱變形，特別是晶體鍺材料的光學鏡片本身和鏡片之間的位移變化會導致成像質量的下降，甚至影響導引頭整個系統的捕捉和跟蹤功能，所以需要對整個光機系統進行熱分析。

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

式中：是正應變；是切應變；是線膨脹系數；是溫度變化。

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

3 光機結構有限元仿真分析

3.1 模型的導入和設置

把在UG中設計好的三維模型導入Workbench中，基于簡化的原則，由于陀螺儀的熱變形并不影響光學系統的成像質量，探測器是單獨的復雜組件不在整個紅外光機組件內分析，所以在導入Workbench中的模型只包括紅外鏡頭組件，這樣也有利于網格的劃分和整個熱應變的計算。導入Workbench后進行分析前的預處理和設置，包括材料參數的設置、零件之間的接觸設置、網格劃分的形式和大小以及分析的邊界條件等。其中材料的機械參數表格如表1，各個零件之間的接觸關系如表2。網格劃分按照不同零件的特點和分析重點采用不同的大小和劃分方式，如表3。網格劃分結構如圖6。

表1 機械參數

表2 零件接觸關系設置

表3 網格劃分

圖6 網格劃分圖

3.2 熱力耦合有限元分析

空空導彈導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]，光機系統的成像質量要在整個溫度區間內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行熱分析，即－40℃和60℃兩種情況的每個零件的熱變形，因為在這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，成像質量就能夠得到保證。由于該系統存在±1mm的調焦量，需要鏡頭在整個調焦范圍內都滿足應變要求，所以考慮鏡頭到調焦的兩個極限位置作為分析位置，這是因為這兩個極限位置造成的系統變形量最大。由于該導引頭是滾仰式導引頭系統，整個紅外鏡頭組件要做±90°的俯仰運動，由于該紅外鏡頭組件為對稱結構，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據可以看出，結構件的最大形變值出現在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，對于機械結構來說不會受到變形的影響，滿足設計值要求。

鏡片的最大形變值都出現在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℃，調焦值為－1mm和俯仰角度為90°，溫度為－40℃，調焦值為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，對于光學設計來說滿足設計值要求，不會影響紅外導引頭的成像質量。

4 結論

為了能在80mm口徑微小型紅外導引頭內實現全方位掃描，提出并設計一種微小型滾仰式紅外導引頭光機軸系一體化結構。該結構體積緊湊可以實現全方位掃描和跟蹤，即紅外光機組件在導引頭內360°滾擺和±90°俯仰。

1）根據光機軸系一體化設計思想，提出一種導引頭紅外鏡頭組件的特殊結構，通過俯仰安裝塊使經典結構的兩根俯仰軸、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現調焦功能，在壓縮了整體光機結構體積的同時保證了光學系統的成像質量；

2）對該小型滾仰式紅外導引頭一體化結構進行有限元熱力耦合分析。根據機械零件的不同功能和鏡片的不同特點進行有限元網格劃分。在－40℃～60℃、鏡頭組件俯仰0°和90°、鏡頭調焦±1mm等3種極限位置8種極限情況進行熱力耦合分析，得到結構件和3個鏡片的熱變形規律和最大熱變形值，通過與設計值對比，驗證了光學系統在工作溫度范圍內具有可靠的成像質量。

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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，主要從事精密光機結構設計與分析方面的研究。

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

吉林省科技發展計劃項目（20180201048GX）。