基于钢索传动的位标器结构设计

张晓帆　宋春雨　徐方舟

摘 要：针对有限结构尺寸下设计大通光口径位标器的难点，提出了钢索联动的传动形式，代替传统电机直驱。此结构中，转轴位置布置钢索轮传递动力，可有效减小径向空间的占用，有利于大口径光学设备的布局，提高位标器的整体性能。

关键词：钢索；传动；位标器；大通光口径

引言

导引头是按照导引规律使导弹弹轴或速度向量相对于目标瞄准线稳定，并向导弹执行机构输出控制信号的装置，是自动寻的导弹的重要组成部分，并安装于导弹头部。按获取目标辐射或反射能量的不同可分为电视、雷达、毫米波、红外、红外成像、双色红外及激光等导引头。导引头通常由光学系统、调制盘、探测器、动力随动陀螺等组成。探测器可以是摄像管、光敏元件或红外焦平面阵列器件等。工作时导引头先在较大空间角范围内搜索目标，一旦搜索到目标立即进入锁定状态，表明导引头已捕获到目标；此后导引头将按导引规律自动跟踪目标，并不断发出控制信号给导弹执行机构以改变导弹姿态，保证弹轴或速度向量相对于目标瞄准线稳定[1]。导引头系统能够搜索、跟踪目标，并将导弹准确导引到目标区以攻击目标，是导弹精确制导的主要保障之一[2，3]。

位标器是导引头系统的重要组成部分，相当于人的眼睛，用来完成对目标的自主跟踪，并向导弹执行机构输出控制信号，把导弹准确导引到目标区以攻击目标[4]。成像导引头位标器一般采用两框架结构，内框和外框二者组合联动实现成像系统相对弹体的角度偏移，以便搜索和跟踪目标。位标器是导引头的核心组件，其设计制造水平决定了导引头的探测能力、视线稳定度和跟踪精度[5]。由于位标器的光学系统位于导弹的头部，其特殊的安装位置决定了位标器光学系统需要具有极其紧凑的系统结构，通过口径大小直接影响着导引头的视场和成像的清晰度，因此在有限的结构尺寸下实现高性能的光学系统成为位标器的设计难点。

传统位标器中大都使用电机直驱式结构方案，这种结构形式中电机直接作用于转轴处，优点在于传动环节少，系统响应快，控制简单；但是电机装在框架上占用很大的径向空间而且其质量成为负载的一部分，增加了框架的转动惯量，且导致框架质心偏离弹轴，影响系统综合性能。本文提出了基于钢索传动的位标器结构，以实现有限空间内任务光学设备口径的最大化。

1 电机直驱式位标器结构原理

目前常用的成像位标器稳定平台多采用俯仰和方位二自由度框架结构，简单紧凑，两通道相互独立、耦合少[6，7]。如图1所示。位标器的光学设备的通光口径和动态响应性能是导引头两个比较重要的指标，其中通光口径主要由光学设备径向尺寸决定，位标器动态响应性能主要由电机扭矩、转速和负载的转动惯量等因素决定。

电机直驱式布局形式如图2所示，电机直接作用于转轴处，与光学设备布置在同一径向平面内[8]，使得光学性能和响应性能成为一对矛盾。在保证光学设备口径的情况下，对电机要求较高，需要体积小、重量轻且输出扭矩大。为减小电缆带来的干扰力矩，通常电机轴需做成中空，预留电缆通道，给电机设计带来很多约束。

为留有外框架驱动电机安装位置，外框架无法充分利用导引头整流罩内空间，内框架和光学设备尺寸相应的受到影响，内框架驱动电机安装在框架的一侧，如图2所示，通常另一侧安装编码器用以反馈框架的位置和速度等信息，两侧安装设备质量特性不同，会导致内外框架组合体质心偏离轴线，从而影响动态响应性能，需要进行配平。

2 钢索传动式位标器结构原理

电机提供动力的同时，本身重量成为负载而且占用空间，这是电机直驱布局存在的主要矛盾。解决这个矛盾的最直接的办法是把电机和光学设备在轴向错开布局，将动力传递到框架结构上。

钢索传动布局形式，如图3所示，与图2对比可见，光学设备口径可以在导引头有限体积内做到最大，并有充足空间可以增加电机体积和重量，提高电机输出扭矩和转速，从而提高位标器的动态响应性能。

钢索传动方式具体如图4所示，光学设备和内框架固连，可相对外框架绕轴a转动，外框架可绕轴b转动。两个电机分别带动两个缠绕钢索的轮1和1，钢索固定在两轮的下端，钢索向上经过固定的轨道2和2（与外框架刚性连接）到达上方轮3和3处，两条钢索分别固定在轮3和3的上端，其中轮3和内框刚性连接，轮3和内框架可绕轴a相对转动。

如图4和图5所示，当轮1和1均等速顺时针转动，轮3两端钢索均等速收紧，轮3两端钢索同速松开，此时内框架与外框架相对位置不动，两者同时绕b轴相对位标器逆时针转动；当轮1顺时针转动轮1等速逆时针转动时，轮3右侧钢索收紧左侧钢索等速放松，由于轮3与内框架和光学设备固连，所以内框架绕a轴顺时针转动，而外框架相对位标器静止。当轮1和1不等速运动时，可以等效为轮1和1等速同向和等速逆向运动的叠加，就会产生两轴的复合运动。

3 结束语

本文针对有限结构尺寸下设计大通光口径位标器的难点，提出了钢索传动式两框架结构，其有效解决了电机和光学设备在径向空间内布局的冲突，可以实现在有限的空间里将光学口径做到最大的同时，安装大扭矩电机提高动态响应性能，从而提升位标器整体性。

参考文献

[1]雷虎民.导弹制导与控制原理[M].北京：国防工业出版社，1999.

[2]黄龙双，郭为忠.一种新型位标器的目标跟踪算法研究[J].弹箭与制导学报，2009，29（2）：37.

[3]周琼，闫杰.大跟踪场图像导引头位标器设计[J].南京理工大学学报，2009，33（1）：93.

[4]周仁忠.激光导引头的结构[J].现代兵器，1982（3）：13-21.

[5]赵善彪，张天孝，李晓钟.红外导引头位标器陀螺的方位效应研究[J].弹箭与制导学报，2007，27（3）：33-35.

[6]刘瑞奇.陈星明.一种紧凑型红外光学系统设计[J].激光与红外，2009，39（4）：419-422.

[7]AIM_9X空空導弹位标器新技术分析和评价[J].红外与激光工程，2006，8：393-400.

[8]面向位标器框架平台的单磁极式磁电编码器研究[Z].2011.