微小型滾仰式紅外導(dǎo)引頭光機軸系一體化設(shè)計

馬俊林，邢 妍，高 群，杜 杰，劉 英

〈系統(tǒng)與設(shè)計〉

微小型滾仰式紅外導(dǎo)引頭光機軸系一體化設(shè)計

馬俊林，邢 妍，高 群，杜 杰，劉 英

（中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033）

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

紅外導(dǎo)引頭；滾仰式；有限元；仿真分析

0 引言

空空導(dǎo)彈有很多其他導(dǎo)彈不具備的優(yōu)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(fā)展的軍備武器[1]。導(dǎo)引頭是空空導(dǎo)彈的關(guān)鍵部件，決定了導(dǎo)彈的跟蹤、識別和捕獲能力。紅外導(dǎo)引頭可晝夜全天候使用、導(dǎo)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(dǎo)引頭的發(fā)展趨勢和技術(shù)難點。美國的AIM-9系列導(dǎo)彈的紅外導(dǎo)引頭采用滾仰式光機結(jié)構(gòu)，將探測器固定連接在導(dǎo)引頭上使導(dǎo)彈整體尺寸大大減小。世界先進的短程導(dǎo)彈德國IRIS-T紅外導(dǎo)引頭也采用滾仰式結(jié)構(gòu)，使其具有±90°的離軸角[7-8]。

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

1 光機軸系一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計

按照滾仰式框架設(shè)計思想，紅外導(dǎo)引頭整體結(jié)構(gòu)如圖1，包括整流罩、外殼體、轉(zhuǎn)臺和紅外光機組件。導(dǎo)引頭具有滾擺和俯仰兩個自由度，滾擺即轉(zhuǎn)臺可以沿著導(dǎo)引頭軸線做旋轉(zhuǎn)運動；俯仰即紅外光機組件可以沿著俯仰軸在轉(zhuǎn)臺內(nèi)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(dǎo)引頭整體結(jié)構(gòu)圖

為了實現(xiàn)全方位的掃描和跟蹤，需要滾擺可以達(dá)到360°，俯仰可以達(dá)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(jié)構(gòu)設(shè)計從以下3個方面進行考慮。

第一，光學(xué)設(shè)計采用數(shù)量盡量少口徑盡量小的鏡片來完成光學(xué)系統(tǒng)。紅外光機組件的光學(xué)設(shè)計如圖3：采用球形整流罩＋3片非球面鏡片組成整個光學(xué)系統(tǒng)，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(cè)面與導(dǎo)引頭外殼體通過環(huán)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(shè)計思想和紅外鏡頭整體調(diào)焦的方式進行結(jié)構(gòu)設(shè)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(shè)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(qū)動組件更多的空間，俯仰安裝塊將經(jīng)典結(jié)構(gòu)的兩根俯仰軸的設(shè)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(nèi)移動一定距離，從而調(diào)整紅外鏡頭與探測器之間的距離實現(xiàn)調(diào)焦功能。這樣即使在很小的體積空間內(nèi)也能讓導(dǎo)引頭有一個微小的裝調(diào)調(diào)焦量，進而提高整個系統(tǒng)的光學(xué)性能和可靠性。

最后，探測器外殼根據(jù)已經(jīng)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(wěn)定圖像功能的陀螺儀安裝在探測器上讓整體結(jié)構(gòu)變得更加緊湊。

圖3 紅外導(dǎo)引頭光學(xué)設(shè)計圖

圖4 光機結(jié)構(gòu)組件圖

2 紅外導(dǎo)引頭光機結(jié)構(gòu)熱分析原理

由于紅外導(dǎo)引頭的工作環(huán)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(chǎn)生影響。當(dāng)環(huán)境溫度改變時，鏡頭結(jié)構(gòu)會因為溫度的升高和降低而發(fā)生熱變形，特別是晶體鍺材料的光學(xué)鏡片本身和鏡片之間的位移變化會導(dǎo)致成像質(zhì)量的下降，甚至影響導(dǎo)引頭整個系統(tǒng)的捕捉和跟蹤功能，所以需要對整個光機系統(tǒng)進行熱分析。

一般情況下，溫度的變化會使物體產(chǎn)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(nèi)部應(yīng)變的發(fā)生，在物體的內(nèi)部各向同性材質(zhì)均勻情況下，變形沒有剪切應(yīng)變僅有正應(yīng)變[10]，如公式(1)：

式中：是正應(yīng)變；是切應(yīng)變；是線膨脹系數(shù)；是溫度變化。

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

3 光機結(jié)構(gòu)有限元仿真分析

3.1 模型的導(dǎo)入和設(shè)置

把在UG中設(shè)計好的三維模型導(dǎo)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(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，探測器是單獨的復(fù)雜組件不在整個紅外光機組件內(nèi)分析，所以在導(dǎo)入Workbench中的模型只包括紅外鏡頭組件，這樣也有利于網(wǎng)格的劃分和整個熱應(yīng)變的計算。導(dǎo)入Workbench后進行分析前的預(yù)處理和設(shè)置，包括材料參數(shù)的設(shè)置、零件之間的接觸設(shè)置、網(wǎng)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(shù)表格如表1，各個零件之間的接觸關(guān)系如表2。網(wǎng)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(wǎng)格劃分結(jié)構(gòu)如圖6。

表1 機械參數(shù)

表2 零件接觸關(guān)系設(shè)置

表3 網(wǎng)格劃分

圖6 網(wǎng)格劃分圖

3.2 熱力耦合有限元分析

空空導(dǎo)彈導(dǎo)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(tǒng)的成像質(zhì)量要在整個溫度區(qū)間內(nèi)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(zhì)量就能夠得到保證。由于該系統(tǒng)存在±1mm的調(diào)焦量，需要鏡頭在整個調(diào)焦范圍內(nèi)都滿足應(yīng)變要求，所以考慮鏡頭到調(diào)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(tǒng)變形量最大。由于該導(dǎo)引頭是滾仰式導(dǎo)引頭系統(tǒng)，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(jié)構(gòu)，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(diào)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(shù)據(jù)可以看出，結(jié)構(gòu)件的最大形變值出現(xiàn)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(diào)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(jié)構(gòu)來說不會受到變形的影響，滿足設(shè)計值要求。

鏡片的最大形變值都出現(xiàn)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(diào)焦值為－1mm和俯仰角度為90°，溫度為－40℃，調(diào)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(xué)設(shè)計來說滿足設(shè)計值要求，不會影響紅外導(dǎo)引頭的成像質(zhì)量。

4 結(jié)論

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

1）根據(jù)光機軸系一體化設(shè)計思想，提出一種導(dǎo)引頭紅外鏡頭組件的特殊結(jié)構(gòu)，通過俯仰安裝塊使經(jīng)典結(jié)構(gòu)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(xiàn)調(diào)焦功能，在壓縮了整體光機結(jié)構(gòu)體積的同時保證了光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量；

2）對該小型滾仰式紅外導(dǎo)引頭一體化結(jié)構(gòu)進行有限元熱力耦合分析。根據(jù)機械零件的不同功能和鏡片的不同特點進行有限元網(wǎng)格劃分。在－40℃～60℃、鏡頭組件俯仰0°和90°、鏡頭調(diào)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(jié)構(gòu)件和3個鏡片的熱變形規(guī)律和最大熱變形值，通過與設(shè)計值對比，驗證了光學(xué)系統(tǒng)在工作溫度范圍內(nèi)具有可靠的成像質(zhì)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(jié)構(gòu)設(shè)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(xué)設(shè)計和分析，E-mail： liuy613@163com。

吉林省科技發(fā)展計劃項目（20180201048GX）。