机载稳瞄系统减振技术研究

杨艳妮

（中航工业计算所生产部 陕西 西安 710068）

0 前言

随着现代军事的发展，武装直升机作为精确打击武器扮演着越来越重要的角色。直升机载稳瞄系统利用电视、激光、红外、跟踪设备等对目标进行搜索、瞄准、定位、测距及跟踪，它是直升机的“眼睛”，是直升机精确制导系统的重要组成部分。直升机载稳瞄系统的精确打击能力在现代战争中显得越来越重要。

由于直升机采用旋翼驱动，与其它武器搭载平台相比，直升机的环境特点主要有几个方面：

1)振幅较大，引起的响应和产生的应变较大；

2)使用温度范围较宽；

3)对隔振系统既有隔离度的要求还有定位精度的要求；

4)定频较多且间隔较近，对系统固有频率的选择要求较高；

5)系统对减重要求很高，因此很难获得较大的支撑刚度；

6)内部空间较小，隔振器的合理布局难度较大。

由于直升机工作时旋翼的高速旋转，光电稳瞄系统的振动不可避免。稳瞄系统采用相互独立的内外框架结构；精密的光电传感器安装在内框架上，外框架对外部环境（包括沙尘、风阻、烟雾、雨水、直接的磕碰等）能够起到隔离作用。但从振动的基本原理可以看出，外框架对外部的冲击和振动并不能实现有效的隔离，甚至会将直升机输入的振动幅度放大，并传递到相应的光电传感器上而导致器件的损坏，降低系统的可靠性。此外，振动会影响稳瞄系统瞄准线的稳定性，这将影响图像的质量，同时也会降低精确打击任务中的目标命中概率。随着光电稳瞄系统技术指标的不断增加，要求有更高的瞄准线稳定精度，因此减振系统也需要具有更高的减振效率。

典型的稳瞄系统如图1：

图1 典型稳瞄系统示意图

一种典型的振动情况可以看出外框架的振动情况：如图2：

图2 外框架振动情况

可以看出在77.5Hz的位置，输入振动被明显放大了，并且由于结构阻尼较低，所以幅值很大。被放大的振动将直接作用到内框架上并传递到相应的光电传感器上而导致其损坏。

因此，针对直升机载环境的特点，稳瞄系统减振技术的研究是十分必要的。目前最行之有效的办法就是通过各种类型的减振器构建满足系统要求的减振系统，以下讨论重点在于减振系统的设计要点及减振器的合理使用。

1 减振系统设计要点及减振理论

典型的减振系统设计是通过合理选用及布局减振器来实现的。大多数减振问题的解决都得益于把支撑系统简化成一个有阻尼的单自由度系统。

减振系统设计基于以下的假设：

1）设备的中心与隔离系统的弹性中心是一致的，它也是隔振系统最合适的承载方式；

2）在各个方向上系统的刚度相等；

3）设备的刚度比减振系统的刚度要大的多。

通过上节的分析和假设，合理的减振系统可以用有阻尼的单自由度系统进行分析。

阻尼系统的运动方程必须考虑加在系统上的阻尼。

它是：mx+cx+kx=F(t)阻尼因子用符号“ζ”表示。

阻尼比ζ定义为：ζ=C/CC

这里，一个阻尼振动系统的临界阻尼定义为：

一个阻尼系统的绝对传递率方程写为：

依据减振系统的原理，我们可以划分减振系统的特性分区如图3：

图3 减振系统的特性分区

从减振系统的特性看主要分为刚性区、阻尼区和惯性区。对减振设计最为主要的是阻尼区。因为阻尼区是控制减振系统固有频率和共振响应幅值的核心区域。

减振的基本理论还说明减振系统的固有频率不能有干扰频率相同或者接近，否则扰动会被显著放大，甚至导致系统不能工作；阻尼可以有限的抑制减振系统的共振放大率，但是过分提高阻尼会显著降低高频区（振动隔离区）的减振效能；一般减振系统的高频减振是以牺牲系统的低频特性为代价的；减振器对伺服控制系统有一定的影响。

2 减振器设计

减振系统的设计指标主要有两个，系统固有频率fn和阻尼比ζ。合理控制这两个指标是设计减振系统的要点。这两个参数的计算根据所选减振器的不同，在方法上略有不同。一般厂家会提供比理论模型更简洁的计算公式。作为减振器选择的初步估算可以使用以下两个简化公式：

减振系统：

通过以上公式可以看出，减振器的主要指标是刚度K和阻尼比ζ。其中，刚度K决定了系统的固有频率，阻尼比ζ决定了系统的共振响应放大率。这一点在减振器的选择和设计上至关重要。

图4 实际测试取曲线

当前国际先进直升机载稳瞄系统主要采用橡胶减振器和金属减振器。而橡胶减振器更容易获得高阻尼和合适的固有频率。有“世界战斗机”之称的F-35所配备的光电吊舱使用的也是橡胶减振器。橡胶减振器的弹性模量不是一个固定值，动态弹性模量同应变之间的一般趋势是应变增加则弹性模量减小。相同的趋势也适用于阻尼模量。

值得注意的是：在分析或测试一个隔离系统应记住以下几点：

1）确定系统将经历的动态条件是非常重要的；

2）动态条件的改变会导致减振系统的性能发生改变；

3）由于动态环境改变导致的系统性能的改变可以进行估计。

用于该设计理论设计了某型产品的减振器，某典型产品的振动情况与减振器的实际测试如图4。

3 结束语

随着光学、材料、精密机械加工等技术领域的发展，国内光电稳瞄系统的减振技术也在不断发展，无论是减振设备的使用年限，还是光电稳瞄系统的稳定精度都取得了较大进步。由于减振器结构设计、材料以及制造技术水平还有所欠缺，在减振器的寿命和稳瞄系统稳定精度这两方面，与国外相应技术领域相比还有很大的差距。

随着现代科技的发展，减振器的类型不断增多，不同的减振机理，不同的减振结构种类繁多。未来减振技术的发展趋势应该是主动减振，即融合控制技术、电磁技术和减振技术的合成技术，在减振技术的研究上我们依然任重而道远。

［1］Singiresu S.Rao.机械振动[M].4 版.李欣业，张明路，编译.北京：清华大学出版社，2009，08.

［2］季文美.机械振动[M].北京：科学出版社，1985.

［3］方同,薛璞.振动原理及应用[M].西北工业大学出版社，2004，04.

［4］安源，张雷，金光，贾继强.光电平台无角位移减振装置设计研究[J].计算机仿真，2008，07.

［5］张卫国，陶忠，孟立庄.两轴四框架结构光电稳瞄吊舱减振器谐振频率计算与试验[J].应用光学，2008，01.