楊艷妮

（中航工業(yè)計算所生產(chǎn)部 陜西 西安 710068）

0 前言

隨著現(xiàn)代軍事的發(fā)展，武裝直升機作為精確打擊武器扮演著越來越重要的角色。直升機載穩(wěn)瞄系統(tǒng)利用電視、激光、紅外、跟蹤設(shè)備等對目標(biāo)進行搜索、瞄準(zhǔn)、定位、測距及跟蹤，它是直升機的“眼睛”，是直升機精確制導(dǎo)系統(tǒng)的重要組成部分。直升機載穩(wěn)瞄系統(tǒng)的精確打擊能力在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中顯得越來越重要。

由于直升機采用旋翼驅(qū)動，與其它武器搭載平臺相比，直升機的環(huán)境特點主要有幾個方面：

1)振幅較大，引起的響應(yīng)和產(chǎn)生的應(yīng)變較大；

2)使用溫度范圍較寬；

3)對隔振系統(tǒng)既有隔離度的要求還有定位精度的要求；

4)定頻較多且間隔較近，對系統(tǒng)固有頻率的選擇要求較高；

5)系統(tǒng)對減重要求很高，因此很難獲得較大的支撐剛度；

6)內(nèi)部空間較小，隔振器的合理布局難度較大。

由于直升機工作時旋翼的高速旋轉(zhuǎn)，光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)的振動不可避免。穩(wěn)瞄系統(tǒng)采用相互獨立的內(nèi)外框架結(jié)構(gòu)；精密的光電傳感器安裝在內(nèi)框架上，外框架對外部環(huán)境（包括沙塵、風(fēng)阻、煙霧、雨水、直接的磕碰等）能夠起到隔離作用。但從振動的基本原理可以看出，外框架對外部的沖擊和振動并不能實現(xiàn)有效的隔離，甚至?xí)⒅鄙龣C輸入的振動幅度放大，并傳遞到相應(yīng)的光電傳感器上而導(dǎo)致器件的損壞，降低系統(tǒng)的可靠性。此外，振動會影響穩(wěn)瞄系統(tǒng)瞄準(zhǔn)線的穩(wěn)定性，這將影響圖像的質(zhì)量，同時也會降低精確打擊任務(wù)中的目標(biāo)命中概率。隨著光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的不斷增加，要求有更高的瞄準(zhǔn)線穩(wěn)定精度，因此減振系統(tǒng)也需要具有更高的減振效率。

典型的穩(wěn)瞄系統(tǒng)如圖1：

圖1 典型穩(wěn)瞄系統(tǒng)示意圖

一種典型的振動情況可以看出外框架的振動情況：如圖2：

圖2 外框架振動情況

可以看出在77.5Hz的位置，輸入振動被明顯放大了，并且由于結(jié)構(gòu)阻尼較低，所以幅值很大。被放大的振動將直接作用到內(nèi)框架上并傳遞到相應(yīng)的光電傳感器上而導(dǎo)致其損壞。

因此，針對直升機載環(huán)境的特點，穩(wěn)瞄系統(tǒng)減振技術(shù)的研究是十分必要的。目前最行之有效的辦法就是通過各種類型的減振器構(gòu)建滿足系統(tǒng)要求的減振系統(tǒng)，以下討論重點在于減振系統(tǒng)的設(shè)計要點及減振器的合理使用。

1 減振系統(tǒng)設(shè)計要點及減振理論

典型的減振系統(tǒng)設(shè)計是通過合理選用及布局減振器來實現(xiàn)的。大多數(shù)減振問題的解決都得益于把支撐系統(tǒng)簡化成一個有阻尼的單自由度系統(tǒng)。

減振系統(tǒng)設(shè)計基于以下的假設(shè)：

1）設(shè)備的中心與隔離系統(tǒng)的彈性中心是一致的，它也是隔振系統(tǒng)最合適的承載方式；

2）在各個方向上系統(tǒng)的剛度相等；

3）設(shè)備的剛度比減振系統(tǒng)的剛度要大的多。

通過上節(jié)的分析和假設(shè)，合理的減振系統(tǒng)可以用有阻尼的單自由度系統(tǒng)進行分析。

阻尼系統(tǒng)的運動方程必須考慮加在系統(tǒng)上的阻尼。

它是：mx+cx+kx=F(t)阻尼因子用符號“ζ”表示。

阻尼比ζ定義為：ζ=C/CC

這里，一個阻尼振動系統(tǒng)的臨界阻尼定義為：

一個阻尼系統(tǒng)的絕對傳遞率方程寫為：

依據(jù)減振系統(tǒng)的原理，我們可以劃分減振系統(tǒng)的特性分區(qū)如圖3：

圖3 減振系統(tǒng)的特性分區(qū)

從減振系統(tǒng)的特性看主要分為剛性區(qū)、阻尼區(qū)和慣性區(qū)。對減振設(shè)計最為主要的是阻尼區(qū)。因為阻尼區(qū)是控制減振系統(tǒng)固有頻率和共振響應(yīng)幅值的核心區(qū)域。

減振的基本理論還說明減振系統(tǒng)的固有頻率不能有干擾頻率相同或者接近，否則擾動會被顯著放大，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不能工作；阻尼可以有限的抑制減振系統(tǒng)的共振放大率，但是過分提高阻尼會顯著降低高頻區(qū)（振動隔離區(qū)）的減振效能；一般減振系統(tǒng)的高頻減振是以犧牲系統(tǒng)的低頻特性為代價的；減振器對伺服控制系統(tǒng)有一定的影響。

2 減振器設(shè)計

減振系統(tǒng)的設(shè)計指標(biāo)主要有兩個，系統(tǒng)固有頻率fn和阻尼比ζ。合理控制這兩個指標(biāo)是設(shè)計減振系統(tǒng)的要點。這兩個參數(shù)的計算根據(jù)所選減振器的不同，在方法上略有不同。一般廠家會提供比理論模型更簡潔的計算公式。作為減振器選擇的初步估算可以使用以下兩個簡化公式：

減振系統(tǒng)：

通過以上公式可以看出，減振器的主要指標(biāo)是剛度K和阻尼比ζ。其中，剛度K決定了系統(tǒng)的固有頻率，阻尼比ζ決定了系統(tǒng)的共振響應(yīng)放大率。這一點在減振器的選擇和設(shè)計上至關(guān)重要。

圖4 實際測試取曲線

當(dāng)前國際先進直升機載穩(wěn)瞄系統(tǒng)主要采用橡膠減振器和金屬減振器。而橡膠減振器更容易獲得高阻尼和合適的固有頻率。有“世界戰(zhàn)斗機”之稱的F-35所配備的光電吊艙使用的也是橡膠減振器。橡膠減振器的彈性模量不是一個固定值，動態(tài)彈性模量同應(yīng)變之間的一般趨勢是應(yīng)變增加則彈性模量減小。相同的趨勢也適用于阻尼模量。

值得注意的是：在分析或測試一個隔離系統(tǒng)應(yīng)記住以下幾點：

1）確定系統(tǒng)將經(jīng)歷的動態(tài)條件是非常重要的；

2）動態(tài)條件的改變會導(dǎo)致減振系統(tǒng)的性能發(fā)生改變；

3）由于動態(tài)環(huán)境改變導(dǎo)致的系統(tǒng)性能的改變可以進行估計。

用于該設(shè)計理論設(shè)計了某型產(chǎn)品的減振器，某典型產(chǎn)品的振動情況與減振器的實際測試如圖4。

3 結(jié)束語

隨著光學(xué)、材料、精密機械加工等技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展，國內(nèi)光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)的減振技術(shù)也在不斷發(fā)展，無論是減振設(shè)備的使用年限，還是光電穩(wěn)瞄系統(tǒng)的穩(wěn)定精度都取得了較大進步。由于減振器結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料以及制造技術(shù)水平還有所欠缺，在減振器的壽命和穩(wěn)瞄系統(tǒng)穩(wěn)定精度這兩方面，與國外相應(yīng)技術(shù)領(lǐng)域相比還有很大的差距。

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，減振器的類型不斷增多，不同的減振機理，不同的減振結(jié)構(gòu)種類繁多。未來減振技術(shù)的發(fā)展趨勢應(yīng)該是主動減振，即融合控制技術(shù)、電磁技術(shù)和減振技術(shù)的合成技術(shù)，在減振技術(shù)的研究上我們依然任重而道遠。

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