某中型无人机光电侦察吊舱升降装置设计与实现

张博今

摘 要：对某中型无人机光电侦察吊舱升降减振装置的传动机构、减振系统等进行设计并进行机械运动性能计算分析。通过采用螺旋传动机构和二级减振设计，实现了复杂环境条件下宽频段、大衰减率地隔离因无人机发动机振动以及空气动力等因素产生的强烈振动，解决飞行过程中光电侦察吊舱工作时图像模糊、跟踪抖动及目标丢失等问题，有效提高光电侦察吊舱的成像质量、跟踪精度。

关键词：光电侦察吊舱;升降装置;传动机构

中图分类号：V279文献标识码：A文章编号：1003-5168（2020）22-0038-03

Abstract： In this paper， the transmission mechanism and vibration damping system of a medium UAV photoelectric reconnaissance pod were designed， and the mechanical motion performance was calculated and analyzed. By adopting spiral transmission mechanism and two-stage damping design， the strong vibration caused by UAV engine vibration and aerodynamic factors can be isolated in a wide frequency band and with a large attenuation rate under complex environmental conditions. The problems of image blur， tracking jitter and target loss during the operation of photoelectric reconnaissance pod are solved， and the imaging quality and tracking accuracy of the photoelectric reconnaissance pod are effectively improved tracking accuracy.

Keywords： opto-electronic reconnaissance pod;lifting mechanism;transmission mechanism

1 研究背景

无人机光电侦察吊舱主要用于在多种气象条件下执行空中侦察、战场动态监视、目标搜寻定位、精确打击等任务。升降装置是光电侦察吊舱的关键组件，用于载机上挂载光电转塔，隔离无人机飞行过程中产生的振动和偏摆，保证光电吊舱拍照、侦察时输出稳定清晰的图像，并在非目标区域收进机腹减小载机风阻。在飞行过程中，载机发动机振动和高速气流振动会严重影响光电侦察吊舱跟踪精度和图像质量，甚至会丢失搜索及跟踪的目标;同时，载机着陆产生的强烈冲击容易使吊舱受到损坏。

针对此问题，在传统升降装置基础上设计了减振系统和传动机构。减振缓冲组件采用三维等刚度粘弹性阻尼无谐振区减振技术，实现了复杂环境条件下全（宽）频段、大衰减率的隔离载机自身及空气动力等因素产生的强烈振动，并有效解决了光电吊舱抗冲击问题;同时，采用限制角位移机构，限制了振动环境中光电转塔与载机软连接产生的角位移运动，解决了相机和摄像机工作时的图像抖动、模糊等问题。升降组件采用大减速比行星齿轮传动技术与螺纹直线传动技术相结合，保证了升降运动时能任意位置自锁，升降平稳，有效提高了光电吊舱的成像质量、跟踪精度。

2 升降装置设计

2.1 光电吊舱升降装置结构技术指标

本文以某中型无人机光电侦察吊舱的研制要求为输入，技术指标主要包括外形尺寸、包容量、重量、载荷及升降行程等方面。外形尺寸：410 mm×388 mm×420 mm;包容量：SΦ380 mm;重量：10.5 kg;载荷：23 kg;升降行程：≥225 mm[1]。

2.2 传动机构设计

光电侦察吊舱升降装置的使用环境及性能要求决定其传动机构需要具备高精度、高可靠性、传动平稳等主要特征。常见的传动结构中满足研制要求的主要有齿轮-齿条机构、剪叉式液压（气压）机构、螺旋传动机构等。

齿轮-齿条机构，由升降平台上齿轮与外框架上齿条构成齿轮-齿条啮合副，通过啮合转动驱动升降装置上下升降，结构紧凑，运动平稳，传递效率高，但升降装置上驱动齿轮的电机系统占用了光电转塔的安装空间[2]。

剪叉式液压（气压）机构，由液压（气压）提供驱动力，通过连杆推动剪叉框架作角运动使升降平台上下升降，结构简易，升降行程大，但其升降运动并非匀速，因此易产生冲击，并且安装及运动精度较低，对性能产生较大影响[3]。

螺旋传动机构，通过在升降平台上安装螺母、外框架上安裝丝杠组成螺旋传动副，通过电机系统驱动丝杠转动使升降平台上下升降。螺旋传动机构安装方便，传动平稳，可靠性高，并可实现自锁功能，但丝杠轴向刚度不高，需要保证外框架刚度，防止丝杠变形，加剧传动副磨损[4]。

综上所述，由于螺旋传动机构具有传动平稳、可靠性高、可实现自锁等功能，因此，本设计中将其作为升降装置的传动机构，在外框架中加装导向杆组消除丝杠轴轴向刚度较低的影响。升降装置结构简图如图1所示。

此升降装置主要由基板（上、下）、升降平台、导向杆、驱动电机系统及减振装置等部件构成。上、下基板由4块支撑板（未示出）固联构成外框架，上、下基板与载机固联，具有较高的强度和刚度。两根丝杠和两根导向杆交错安装于外框架的四个支角，由安装在外框架的驱动电机系统驱动蜗轮蜗杆传动副，通过链条带动装有从动轮的两根丝杠同步转动，在两根导向杆导向作用下驱使带有螺母的升降平台上下运动。通过将驱动电机系统、蜗轮蜗杆传动副及链条等主要传动机构布置在外框架上部，可有效提高升降装置的稳定性，并提供较大的包容量用于安装光电转塔。

3 强度及其稳定性校核

3.1 螺杆强度校核

升降装置工作时，驱动丝杠承受轴向载荷和转矩。选用Tr16×2-8h钛合金梯形螺纹，螺距为2 mm，螺纹中径[d2]=14.701 mm，螺纹底径[d3]=13.5 mm，螺距[t]=2 mm，螺旋升角[λ=2.48?]，当量摩擦角[Ψv=5.9?]，升降载荷为28 kg。

驱动丝杠危险截面应力[σca]利用第四强度理论计算：

式中：[F]表示工作时丝杠所受轴向载荷，承受过载5 g，两根丝杠同步驱动，单根轴向载荷[F]=70 kgf;[T]表示螺旋副转矩，计算公式为：

将相关数据代入式（1）可计算得出[σca=132 MPa]，驱动丝杠[σb=1 180 MPa]，其许用应力[σ=σb/（5?7）][=168?236 MPa>σca]，满足设计要求。

3.2 螺杆稳定性校核

升降装置工作时，驱动丝杠（[Ld]>8～10）如果承受轴向载荷过大，则有可能因失稳而产生侧向挠曲，此时应对丝杠进行稳定性校核。丝杠失稳时，临界载荷[Fc]利用欧拉公式计算：

式中：[nw]表示安全系数，取5;[Famax]表示丝杠最大轴向载荷，载机冲击最大为25 g，则单根丝杠承受载荷[Famax]=350 kgf;[E]表示丝杠材料的弹性模量，为1.5×105  MPa;[μ]表示长度系数，查表得[μ]=0.5;[l]表示丝杠最大工作长度，[l]=320 mm;

将相关数据代入公式（3）可计算得出[Fc]=0.94×104 kgf?[nwFamax]=0.18×104 kgf，稳定性满足设计要求。

4 减振机构设计

光电侦察吊舱在目标区伸出机舱执行侦察任务，此时对跟踪精度和图像质量影响较大的振源有载机发动机组产生的振动;飞机航线、速度、高度、姿态的急剧变化产生的振动;高速气流、扰流、抖振产生的振动。各种振动叠加后产生的宽频振动为10～500 Hz，这种振动传递至光电转塔，引起平台内框架和任务载荷的振动。当激励频率和系统固有频率相等时将引起共振，直接影响光电侦察吊舱工作的稳定性，降低跟踪精度和图像质量。为了隔离叠加后的振动，在升降装置上采用了二级减振设计，其结构简图如图2所示。

具体设计为：在升降平台与转塔吊挂点之间加装弹簧组和特定阻尼减振垫;在升降平台与外框架下基板之间加装特定阻尼减振球。

此减振机构通过弹簧组和特定阻尼减振垫组成的复合结构构成粘弹阻尼减振系统，通过弹簧组的线性变形和特定阻尼减振垫在承受非线性阻尼以热能方式耗散振动能量，衰减振动幅值。该设计通过非线性特性实现了大振幅低频振动，具有较大阻尼，限制了转塔相对载机的线位移和角位移;对小振幅高频振动，阻尼较小，大量衰减振动能量的传递。

5 结论

升降装置作为光电侦察吊舱的重要组成部分，其传动设计和减振效果对系统的稳定精度、跟踪性能和可靠性产生较大影响。通过采用螺旋传动机构和二级减振设计，解决了因振动导致吊舱拍照时的图像模糊、跟踪抖动及目标丢失等问题，实现了复杂环境条件下宽频段、大衰减率的隔离载机自身及气流等因素产生的强烈振动。该升降装置随系统进行了内场环境试验、外场飞行试验及交付列装使用，对传动设计、减振和抗冲击性能进行了充分评估和验证，证明系统性能稳定可靠，大幅提高了光电侦察吊舱工作过程中的成像质量、跟踪精度。

参考文献：

[1]曹尹琦，齊媛，程刚，等.军用无人机小型光电吊舱的发展和关键技术[J].飞航导弹，2019（3）：63-68.

[2]王方玉.美国无人机的光电载荷与发展分析[J].激光与红外，2008（4）：311-314.

[3]王永娟，龙泽伦.齿轮齿条和螺旋传动机构的分析与比较[J].科学技术与工程，2012（36）：9963-9967.

[4]Pai P F ， Schulz M J . A refined nonlinear vibration absorber[J]. International Journal of Mechanical ences，2000（3）：537-560.