航空光電吊艙隔振器布局方式分析

史文欣,劉仲宇,王 平,徐迪孟,付海雙

(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林 長(zhǎng)春 130033)

1 引 言

航空光電吊艙是航空光電平臺(tái)中的一種,在軍事領(lǐng)域中,具有情報(bào)搜集、監(jiān)視、偵測(cè)、目標(biāo)獲取、毀傷評(píng)估等功能。在民事領(lǐng)域中,具有森林防火和民事救援等作用。能否獲得高質(zhì)量的清晰圖像是評(píng)價(jià)航空光電吊艙性能的重要指標(biāo),直接影響對(duì)環(huán)境的準(zhǔn)確判斷和情況的有效評(píng)估。

在以航空光電吊艙為主的機(jī)載光電設(shè)備中,除接收器和光學(xué)系統(tǒng)本身的品質(zhì)外,制約航空偵察成像質(zhì)量的主要因素是飛行器受到的振動(dòng)會(huì)通過(guò)設(shè)備的安裝點(diǎn)傳至光電設(shè)備,影響光路穩(wěn)定、成像質(zhì)量、目標(biāo)定位及數(shù)據(jù)引導(dǎo)精度等[1-4]。

2 理論分析

相機(jī)的成像清晰度由相機(jī)的移動(dòng)速度和相機(jī)的快門時(shí)間決定:

其中,δx為像移量;Vx為像移速度;t為快門時(shí)間。由式(1)可知,像移量δx的大小取決于像移速度Vx的大小和快門時(shí)間t的長(zhǎng)短。在選擇相機(jī)時(shí),可選擇快門時(shí)間更短的相機(jī)來(lái)獲得更好的成像質(zhì)量,當(dāng)相機(jī)選定之后只能通過(guò)減小像移速度來(lái)獲得更好的像質(zhì)。

航空環(huán)境中,光電吊艙的位移是由飛機(jī)載體的震動(dòng)和飛行過(guò)程中的氣流擾動(dòng)等原因產(chǎn)生的,其中飛機(jī)載體的震動(dòng)是主要的且穩(wěn)定位移量產(chǎn)生源。因此,要對(duì)飛行器的振動(dòng)加以隔離,從而提高動(dòng)載體成像系統(tǒng)的清晰度與分辨能力、提高成像系統(tǒng)的圖像質(zhì)量和偵察效果[5-6]。

本文基于實(shí)際產(chǎn)品中的應(yīng)用,在xx型光電吊艙(如圖1所示)的隔振器布局設(shè)計(jì)中,采用了一種航空用的金屬隔振器(如圖2所示)。

圖1 航空光電吊艙Fig.1 Aerial optical-electronic pod

圖2 隔振器Fig.2 Vibration absorber

2.1 光電吊艙平動(dòng)分析

在隔振器的作用下,飛機(jī)載體的震動(dòng)位移量與光電吊艙的位移量的關(guān)系為:

其中,m為光電吊艙的質(zhì)量;u為安裝基座的振幅；x為彈性支撐上光電吊艙的振幅；K為隔振器的彈性支撐在震動(dòng)方向上的動(dòng)剛度；C為隔振器的粘性阻尼系數(shù)。

式(2)可變形為:

由式(3)可知,當(dāng)飛機(jī)載體的振動(dòng)參數(shù)確定時(shí),安裝基座的振幅u為固定值,正常飛行時(shí),若飛機(jī)載體的震動(dòng)頻率為ff,則每次震動(dòng)的時(shí)間tf為:

tf=1/ff

(4)

由式(4)可知,當(dāng)震動(dòng)時(shí)間tf確定,u的一階導(dǎo)數(shù)也可以相應(yīng)的確定,從而可以得到確定條件下的x的值[7]。

當(dāng)光電吊艙平動(dòng)時(shí),根據(jù)上述公式可知:

此時(shí),成像質(zhì)量主要由隔振器的減震振幅x、飛機(jī)每次震動(dòng)的時(shí)間為tf和快門時(shí)間t決定,即當(dāng)相機(jī)和飛機(jī)確定后,主要取決于隔振器的選擇,在保證振動(dòng)量級(jí)的傳遞率小并滿足使用要求的前提下應(yīng)選擇震動(dòng)幅度小的隔振器。所以,在光電吊艙平動(dòng)時(shí),隔振器的安裝跨度對(duì)光電吊艙的成像質(zhì)量無(wú)影響。

2.2 光電吊艙轉(zhuǎn)動(dòng)分析

當(dāng)光電吊艙發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),如圖3所示,L代表隔振器的安裝跨距,θ代表光電吊艙的轉(zhuǎn)動(dòng)角度,Δx為隔振器的減震振幅的差值,可知:

圖3 x,θ,L的關(guān)系示意圖Fig.3 Relationship between Δx,θ and L

由式(6)可知,當(dāng)Δx一定時(shí),跨距L與轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ成反比,增大跨距L時(shí)可減小轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ,根據(jù)式(1)的原理,當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)角度θ越小時(shí),光電吊艙的角位移和角速度的值同樣越小,光電吊艙的成像質(zhì)量越好。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述理論,在初樣設(shè)計(jì)時(shí),采用了兩種不同的隔振器的布置形式:

(1)在直徑為100 mm的圓上均布四個(gè)隔振器；

(2)增加隔振器的跨距,在直徑為180 mm的圓周上均布四個(gè)隔振器。

本文因?yàn)槠?以水平方向震動(dòng)及減震效果為例,討論使用相同隔振器在不同跨度的減震布局情況下的減震效果(隔振器為三向等剛度隔振器,豎直方向的震動(dòng)響應(yīng)情況與水平方向類似)。

3.1 小跨距振動(dòng)試驗(yàn)

將光電吊艙上端的安裝接口安裝在如圖4所示的四個(gè)隔振器上,布置在直徑為100 mm的圓周上,均布4個(gè)。傳感器的粘貼方式如圖5所示,1號(hào)傳感器作為控制傳感器,安裝在在振動(dòng)臺(tái)上,控制振動(dòng)臺(tái)輸出頻率為10～2000 HZ,振動(dòng)量級(jí)位1g(重力加速度)的震動(dòng),2號(hào)傳感器作為監(jiān)測(cè)信號(hào),粘貼在減震工裝的上端,監(jiān)測(cè)震動(dòng)傳遞到減震工裝上端的震動(dòng)情況。3號(hào)傳感器作為監(jiān)測(cè)信號(hào),粘貼在光電吊艙的框架上,監(jiān)測(cè)光電吊艙經(jīng)過(guò)隔振器后的震動(dòng)特性。

圖4 小跨距安裝方式Fig.4 Small track installation

圖5 小跨距實(shí)驗(yàn)照片F(xiàn)ig.5 Picture of small track experiment

得到的振動(dòng)數(shù)據(jù)如圖表6所示。圖中線1為信號(hào)1的振動(dòng)曲線,線2為信號(hào)2的振動(dòng)曲線,線3為信號(hào)3的振動(dòng)曲線。

圖6 小跨距振動(dòng)曲線Fig.6 Vibration curve of small track experiment

由振動(dòng)曲線可知,線1輸入信號(hào)的輸入量級(jí)有效值為1 g,線3信號(hào)說(shuō)明通過(guò)隔振器的作用光電吊艙框架上的振動(dòng)量級(jí)有效值為0.398 g。圖線在15 Hz附近和550 Hz附近出現(xiàn)共振的尖峰,15 Hz為隔振器的共振頻率,550 Hz接近減震工裝的二階固有頻率559.295 Hz,從圖線上看,在其余頻率內(nèi)光電吊艙框架均處于振動(dòng)量級(jí)的有效的衰減狀態(tài)之下。

3.2 大跨距振動(dòng)試驗(yàn)

將光電吊艙上端的安裝接口安裝在如圖7所示的四個(gè)隔振器上,將方案1中的隔振器布置的跨距由100 mm增加到180 mm,為了使用相同的工裝和相同結(jié)構(gòu)的光電吊艙,增加了一個(gè)轉(zhuǎn)接板,以實(shí)現(xiàn)增加隔振器布局跨度的目的。傳感器的粘貼方式與方案1相同,如圖8所示。

圖7 大跨距安裝方式Fig.7 Large track installation

圖8 大跨距實(shí)驗(yàn)照片F(xiàn)ig.8 Picture of Large track experiment

得到的震動(dòng)數(shù)據(jù)如圖表9所示。圖中線1為信號(hào)1的振動(dòng)曲線,線2為信號(hào)2的振動(dòng)曲線,線3為信號(hào)3的振動(dòng)曲線。

圖9 大跨距振動(dòng)曲線Fig.9 Vibration curve of large track experiment

由振動(dòng)曲線可知,線1輸入信號(hào)的輸入量級(jí)有效值為1 g,線3信號(hào)說(shuō)明通過(guò)隔振器的作用光電吊艙框架上的振動(dòng)量級(jí)有效值為0.356 g。

與方案1的震動(dòng)數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知,在輸入相同為1 g的條件下,光電吊艙的響應(yīng)的振動(dòng)量級(jí)由0.398 g減小到0.356 g。由于震動(dòng)的測(cè)量方向是水平方向,光電吊艙震動(dòng)過(guò)程中的擺動(dòng)是一個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程,需要將水平方向的量級(jí)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)動(dòng)方向的量級(jí)。

當(dāng)θ角為小量時(shí),θ≈sinθ,由經(jīng)驗(yàn)公式可知,轉(zhuǎn)動(dòng)方向上大跨距的振動(dòng)量級(jí)與小跨距的振動(dòng)量級(jí)比a近似為:

說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)中隔振器通過(guò)增大跨距的布置方式將轉(zhuǎn)動(dòng)的振動(dòng)量級(jí)減少了37.9%,即增大跨距的布局方式減小了光電吊艙轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中外部震動(dòng)到光電吊艙的震動(dòng)傳遞率。

4 結(jié) 論

本文以航空光電吊艙為例,通過(guò)理論計(jì)算分析和相關(guān)實(shí)驗(yàn)得到如下結(jié)論:

(1)選擇隔振器的安裝布局時(shí),安裝跨距的大小不會(huì)影響光電吊艙平動(dòng)的成像質(zhì)量。

(2)選擇隔振器的安裝布局時(shí),更大的安裝跨距會(huì)減小光電吊艙的轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的角位移以及轉(zhuǎn)動(dòng)的振動(dòng)量級(jí)從而提高整體的成像質(zhì)量。

在今后實(shí)際產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中,空間條件允許的情況下,根據(jù)結(jié)論,可以將隔振器的跨距加大,從而提高光電吊艙的成像質(zhì)量以獲得更加清晰有效的圖像,對(duì)今后的減震布局設(shè)計(jì)有實(shí)際性的指導(dǎo)意義。