星载小型二轴稳瞄转台结构设计

王雅雄，邵雅男，王　璞

（1.陕西师范大学物理学与信息技术学院，陕西 西安 710119；2.西安光学精密机械研究所，陕西 西安 710119）

星载小型二轴稳瞄转台是空间成像系统的载体，用以在干扰因素复杂的空间环境中实现对成像系统光轴的稳定及对目标的跟踪。“稳瞄技术”作为稳瞄转台的关键技术，一直是高精度跟踪平台的研究热点。稳瞄技术最先在陆军领域的坦克系统中得到应用，其典型应用是车长搜索瞄准镜。通过配备车长镜，可实现在恶劣环境下对敌作战和对移动目标的自动跟踪，从而完善了战车员对目标的自主发现能力和首发摧毁能力。美国M1A2系列坦克[1-2]、俄罗斯T-95坦克[3]以及法国“勒克莱尔”2015坦克[4-5]在这方面都是成功的应用实例。随着战争时代的结束，人们加强了对空间技术的探索，卫星、无人机等对稳瞄技术的需求日渐突出。光电吊舱成为这一领域的典型代表。美国Lockheed Martin公司研发的Sniper吊舱[6]，可在多种复杂的环境之中运行；以色列Rafael公司与美国Northrop Grumman公司联合研发的Litening II吊舱[7]稳定精度高且具备良好的前视搜索功能。中国凯迈测控的PLY-2光电吊舱[8]具有良好的自动视频跟踪功能，搜索范围广，精度高，适用于各种严酷环境及突发事件。军事领域的研究热潮同样引领了稳像技术在民用领域的兴起。日本松下的NV-S1型摄像机可实现垂直±1.4°、水平±2°的稳定范围[9]；AXIS公司的Q系列产品可使其画面在剧烈晃动环境里保持较稳画质[10]。

尽管国内外在稳像转台领域从事了大量的研究，但是现阶段产品多存在价格昂贵、结构复杂、稳定性较差等问题。本文针对目前的稳像转台的研究现状，进行了新的探索。限于本设计为空间产品，在结构设计过程中，重点考察结构的小型化与轻量化，从卫星发射到定规运行过程中产品对动力学环境及空间低温环境的抗性，动力学环境主要包括具有加速度载荷、正弦载荷及随机载荷等的环境。本设计采用模块化设计思路，通过模块的小型化与轻型化来实现总体的小型化与轻型化，在满足强度和刚度要求的情况下，尽可能多的采用轻质铝合金、钛合金等材料；通过选用具有高动力学环境抗性的模块结构来提高总体的环境抗性，动力学环境要求模块结构具有良好的强度、刚度及韧性，低温环境要求对模块结进行防冷焊设计。在设计过程中，采用环境仿真分析的方法对产品进行数值分析，通过不断的分析与修正，得出满足设计要求的结构，最后对结构设计进行试验验证。

1　二轴稳瞄转台设计要求及设计

星载小型二轴稳瞄转台的技术指标如表1所列。

表1　星载小型二轴稳瞄转台的技术指标

转台设计采用地平式U型二轴转台结构，结构刚度较大、沿方位轴系方向弯曲挠度较小且在结构的中上部分有额外布置载荷的空间。二轴转台由俯仰和垂直轴系构成。俯仰轴系搭载相机，其左右轴系安装于U型架顶端两侧；垂直轴系连接U型架和基座，用于实现方位转动。轴系的旋转和限位由电机控制，可轻易实现无盲区监控。转台的总体结构设计如图1所示。

图1　二轴转台总体结构设计

2　环境仿真分析

无论是样机阶段还是鉴定阶段，空间产品都要做大量的动力学环境试验，为了尽可能少地减少环境试验的周期和成本，本研究采用有限元法对这些动力学环境进行仿真分析。根据设计图纸，用Solidworks建立星载小型二轴稳瞄转台的有限元模型并将其导入到ANSYS Workbench中，各零件的接触类型定义为Bonded（绑定）类型，按表2添加各零件所材料属性；最后对转台实体进行网格划分，节点数为419 622个，单元数为221 451个。

表2　材料属性

2.1　加速度载荷分析

在卫星的发射阶段，由于火箭发动机的推力可使卫星获得加速度，它由两部分组成：1）变化相当缓慢的准稳态加速度；2）瞬态事件引起的瞬态加速度。根据GJB加1027-1990D的定义，试验加速度值为卫星发射时的两种加速度复合的最大值[11]。为了与试验保持一致，在加速度分析中采用ANSYS Workbench中的静力学分析模块，主要考察结构的刚度及强度，分别由系统形变和应力体现[12]。在分析中对转台系统施加固定约束和加速度载荷，加速度载荷取7g（g为重力加速度），分别沿着 X+、Y+、Z+、X-、Y-、Z-的六个方向施加。图2列出了X轴正向施加载荷的加速度分析结果，其他方向分析结果不在赘述。由图2可知，转台的各个方向上最大位移量出现在转台顶部，平均值为0.14 mm，在除减振器外的其他部分最大应力的平均值为0.000 35 MPa，远小于所选材料的许用应力。转台顶部变形量过大是由于橡胶减振器受压，转台整体倾斜，放大了转台顶部在系统坐标系中的位移值，去掉减振器后对云台进行同样的分析，结果如图3所示，最空间小型二维云台的最大变形发生在U形架左右两端的顶部，各个方向上最大位移量的平均值为0.03 mm，最大应力出现在在螺钉安装孔处，其均值为8.1 MPa.通过以上分析，转台系统强度高刚度好能够抵抗加速度环境。

图2　加减振器系统位移云图和应力云图

图3　不加减振器系统位移云图和应力云图

2.2　模态分析

模态分析采用ANSYS Workbench中的模态分析模块，用于确定结构的固有频率和振型，以避免共振带来的影响[13]。对一个系统进行模态分析实质上是对该系统的动力学方程进行特征值以及特征向量求解，从而得到各阶自振频率及对应振型。

本分析采用和静力学分析相同的固定约束，各阶固有频率结果如表3所列。通过分析可知，施加不同的约束，转台整体的固有频率不同，最大位移发生在U型架顶端两侧。通常空间产品的一阶固有频率须大于100 Hz，这样可以避免产品与卫星共振。通过表格可以发现，空间小型二轴转台系统的各阶振型固有频率均大于100 Hz，从而有效地减小了共振引起的结构形变，满足空间产品对固有频率的要求。图4是转台一阶模态位移云图。

表3　模态分析结果

2.3　正弦振动载荷分析

正弦激励来自运载火箭发动机不稳定燃烧而产生的推力变化，旋转设备的不平衡转动及供应系统在燃烧室压力和推力脉动变化下而产生的纵向自激振动[11]。在本研究中采用ANSYS Workbench中的谐响应分析模块，通过分析结构对几种频率的响应，来预测结构的持续动力特性。分析中施加的载荷为加速度载荷，其幅值为16 g（g为重力加速度），频率范围是5 Hz~100 Hz，施加方向分别沿X、Y、Z轴三个方向。图5例举了沿X方向施加简谐载荷后出现最大应力值时的频率对应的应力云图。分析结果表明，转台系统整体应力分布均匀，最大应力值为25.971 MPa，所受应力均在系统承受范围之内，系统能很好地抵抗简谐载荷环境。

图5　正弦振动载荷分析应力云图

2.4　随机载荷分析

随机载荷属于一种声致振动，主要源自火箭起飞排气噪声及跨声速飞行及高速飞行时引起的气动噪声。本分析采用ANSYS Workbench中的随机振动分析模块，主要用于考察转台结构在随机载荷环境下的综合情况。分析之前根据试验要求定义PSD Acceleration载荷，如表4所列。

表4　加速度PSD Acceleration载荷

采用响应谱分析相同的步骤对转台进行X、Y、Z方向上的随机振动分析。图6例举X方向上的加速度云图和应力云图。由分析可知，在X、Y、Z方向上的加速度最大响应值分别约为6.3 g、6.9 g和4.92 g，出现最大值的响应位置均为U形架的顶部，同时系统的最大应力值约为30 MPa.分析结果表明，转台系统均在材料许用应力范围以内，转台系统能很好地抵抗具有随机载荷的环境。

图6　系统加速度云图和应力云图

3　转台随机振动试验

为了检验转台的结构设计以及实际减振能力，设计了相应的随机振动试验。设定的随机振动试验条件主要为随机载荷的频率、谱形、量级、持续时间以及方向等条件[11]。试验过程中，根据试验条件在X、Y、Z方向施加试验要求的随机载荷，利用加速度计测出系统在随机载荷激励作用下的加速度响应。在这里列举转台在X方向上的加速度响应曲线，如图7所示。

图7　转台随机振动试验加速度响应曲线

在上图中，有五条近似平行的曲线及一条不规则的曲线，五条平行线最中间的那条曲线为控制曲线，由试验条件生成，与其相邻最近的两条对称的曲线为控制曲线波动的允许范围。与控制曲线相隔较远的两条对称的曲线为控制曲线的试验容差[14]。那条不规则的曲线为空间小型二轴转台的加速度响应曲线。通过对比上图中的各曲线可知：频率在20 Hz~130 Hz的加速度响应曲线较控制曲线有所放大，当达到最大值时加速度曲线开始下降，最大值对应的频率约130 Hz，与有限元分析计算出系统的固有频率一致，其响应的均方根加速度值分别为15.9 g、14 g、11 g.说明小型二轴转台在高频随机振动环境中抗振效果明显。

4　结束语

根据空间小型转台成像系统的功能需求，本文设计了二轴转台系统，以实现成像系统光轴的稳定及对目标的跟踪。利用SolidWorks构建转台模型并导入到ANSYS Workbench中进行有限元分析。通过对转台在包括加速度载荷、正弦载荷及随机载荷等在内的动力学环境中的分析，获得了其形变、应力、共振等情况，最后通过随机振动试验证明了小型二轴转台结构设计的合理性。同时本文也为转台系统的结构性优化提供了可靠的分析依据。