Design of Micro-miniature Infrared Seeker with Roll-Pitch Structure
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摘要: 针对导弹口径微小化的需求，为解决微小型导引头无法全方位扫描的问题，提出一种微小型滚仰式红外导引头光机轴系一体化结构。该光机结构把经典滚仰式导引头两根独立俯仰轴与光机结构本体设计成一体，通过红外探测器固定连接的方式让整体结构更加紧凑并兼具焦距微调功能，在保证成像质量的同时大大减小了光机结构的体积。将建模后的光机结构进行有限元热力耦合分析，在导引头温度、位置和角度等8组极限工作情况下，得到结构件和镜片的热变形。分析结果表明，提出的光机结构满足微小型（80 mm）、抗冲击（10g）和高低温（－40℃~60℃）工作要求，可以预测实际使用时的工作情况，对设计具有重要的指导意义。Abstract: To meet the requirements of the micro-miniature air-to-air missile and solve the problem of not reaching full field angle, this paper presents a micro-miniature infrared seeker with roll-pitch structure, applying the integration philosophy of optical-mechanical structure and pitching shaft. Compared with the classic roll-pitch frame, this new structure combines two individual pitch shafts; additionally, the optical-mechanical structureusesonly one mechanical part, thus greatly reducing its size. Moreover, this new structure has a focus function that could improve the image quality. After structure design, we conducted thermo-mechanical coupling analysis on structure parts and lens under eight extreme conditions. The results show that the optical-mechanical structure meets the requirement of micro-miniature(80 mm), shock resistance (10g), and high low temperature test (-40℃~60℃). The simulated analysis can predict real conditions and has great guiding significance for optical-mechanical structure design.
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Keywords:
- infrared seeker /
- roll-pitch /
- finite element /
- simulated analysis
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0. 引言
空空导弹有很多其他导弹不具备的优点，比如搜索范围大、跟踪速度快、机动能力强等，使其日益成为各国大力发展的军备武器[1]。导引头是空空导弹的关键部件，决定了导弹的跟踪、识别和捕获能力。红外导引头可昼夜全天候使用、导引精度高，体积小重量轻，十分符合这一趋势。从文献[2-6]可以看出，微小型和高性能是红外导引头的发展趋势和技术难点。美国的AIM-9系列导弹的红外导引头采用滚仰式光机结构，将探测器固定连接在导引头上使导弹整体尺寸大大减小。世界先进的短程导弹德国IRIS-T红外导引头也采用滚仰式结构，使其具有±90°的离轴角[7-8]。
为进一步减小红外导引头的口径尺寸，增大导引头的搜索范围，在滚仰式红外导引头光机框架的基础上采用光机轴系一体化设计思想，让整个光机结构在仅为80 mm口径的导引头内可以实现360°滚摆和±90°俯仰，实现全方位扫描和跟踪目标。由于工作环境温差很大，红外导引头光机结构成像质量会受到温度因素的影响。在光机结构设计完成的基础上，本文对光机结构进行热力耦合分析，研究温度对红外镜片和光机结构位移的影响，求解温度变化后的光机系统性能。
1. 光机轴系一体化结构设计
按照滚仰式框架设计思想，红外导引头整体结构如图 1，包括整流罩、外壳体、转台和红外光机组件。导引头具有滚摆和俯仰两个自由度，滚摆即转台可以沿着导引头轴线做旋转运动；俯仰即红外光机组件可以沿着俯仰轴在转台内做俯仰运动，其中俯仰轴穿过球形整流罩的球心。
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图 1 滚仰式红外导引头整体结构图Figure 1. Overall structure of infrared optical seeker with roll-pitch structure为了实现全方位的扫描和跟踪，需要滚摆可以达到360°，俯仰可以达到±90°，如图 2所示。这就需要红外光机组件具有非常小的体积。为了压缩红外光机组件的整体体积整体光机结构设计从以下3个方面进行考虑。
第一，光学设计采用数量尽量少口径尽量小的镜片来完成光学系统。红外光机组件的光学设计如图 3：采用球形整流罩+3片非球面镜片组成整个光学系统，球形整流罩采用硫化锌材料气相沉积加工而成，3片镜片采用晶体锗材料加工完成。球形整流罩的底面和侧面与导引头外壳体通过环氧树脂胶相胶接。
第二，红外光机组件采用光机轴系一体化设计思想和红外镜头整体调焦的方式进行结构设计。如图 4，整体红外光机组件包括红外镜头组件、探测器和陀螺仪组成，红外镜头组件包括红外镜头和俯仰安装块，红外镜头包括压圈、隔圈1、隔圈2、1镜、2镜、3镜、镜筒。为了压缩红外镜头的整体体积，红外镜头采用外压圈的方式将3块镜片固定在一个镜筒里。
第三，俯仰安装块如图 5，红外镜头通过螺纹与俯仰安装块相连接，俯仰安装块是整个设计的核心部件。首先，为了减小俯仰轴的长度，给固定在俯仰轴上的控制组件和驱动组件更多的空间，俯仰安装块将经典结构的两根俯仰轴的设计成一体，避免了两个俯仰轴引入额外的连接方式进而带来长度的增加；其次，俯仰安装块一端与红外镜头通过螺纹连接，另一端通过法兰孔与探测器固定连接，红外镜头可以通过螺纹在俯仰安装块内移动一定距离，从而调整红外镜头与探测器之间的距离实现调焦功能。这样即使在很小的体积空间内也能让导引头有一个微小的装调调焦量，进而提高整个系统的光学性能和可靠性。
最后，探测器外壳根据已经布局好的红外镜头组件位置，在干涉的地方掏空或者倒角，并将具有稳定图像功能的陀螺仪安装在探测器上让整体结构变得更加紧凑。
2. 红外导引头光机结构热分析原理
由于红外导引头的工作环境温度范围较大，温度变化会对红外光机组件的成像性能产生影响。当环境温度改变时，镜头结构会因为温度的升高和降低而发生热变形，特别是晶体锗材料的光学镜片本身和镜片之间的位移变化会导致成像质量的下降，甚至影响导引头整个系统的捕捉和跟踪功能，所以需要对整个光机系统进行热分析。
一般情况下，温度的变化会使物体产生变形，称为热变形[9]。一般物体在热胀冷缩时会引起物体内部应变的发生，在物体的内部各向同性材质均匀情况下，变形没有剪切应变仅有正应变[10]，如公式(1)：
$$\left[ {\begin{array}{*{20}{l}} {{\varepsilon _x}}&{{\gamma _{xy}}} \\ {{\varepsilon _y}}&{{\gamma _{xy}}} \\ {{\varepsilon _z}}&{{\gamma _{xy}}} \end{array}} \right] = \left[ {\begin{array}{*{20}{l}} {\alpha T}&0 \\ {\alpha T}&0 \\ {\alpha T}&0 \end{array}} \right]$$ (1) 式中：ε是正应变；γ是切应变；α是线膨胀系数；T是温度变化。
一般情况下，由于温度变化会使微元体之间产生相互作用力，所以温度变化产生的热应力满足胡克定律[11]，如公式(2)：
$$\left[ {\begin{array}{*{20}{l}} {{\sigma _x}}&{{\tau _{xy}}} \\ {{\sigma _y}}&{{\tau _{xy}}} \\ {{\sigma _z}}&{{\tau _{xy}}} \end{array}} \right] = \left[ {\begin{array}{*{20}{l}} {2G{\varepsilon _x} + \rho e + \beta T}&{{\gamma _{xy}}} \\ {2G{\varepsilon _y} + \rho e + \beta T}&{{\gamma _{xy}}} \\ {2G{\varepsilon _z} + \rho e + \beta T}&{{\gamma _{xy}}} \end{array}} \right]$$ (2) 式中：$2G = \frac{E}{{1 + \mu }}$；$\rho = \frac{{\mu E}}{{\left( {1 + \mu } \right) \cdot \left( {1 - 2\mu } \right)}}$；β=αE(1-2μ)；E是弹性模量；G是切应模量；μ是泊松比。
3. 光机结构有限元仿真分析
3.1 模型的导入和设置
把在UG中设计好的三维模型导入Workbench中，基于简化的原则，由于陀螺仪的热变形并不影响光学系统的成像质量，探测器是单独的复杂组件不在整个红外光机组件内分析，所以在导入Workbench中的模型只包括红外镜头组件，这样也有利于网格的划分和整个热应变的计算。导入Workbench后进行分析前的预处理和设置，包括材料参数的设置、零件之间的接触设置、网格划分的形式和大小以及分析的边界条件等。其中材料的机械参数表格如表 1，各个零件之间的接触关系如表 2。网格划分按照不同零件的特点和分析重点采用不同的大小和划分方式，如表 3。网格划分结构如图 6。
表 1 机械参数Table 1. Parameters of mechanical performanceMaterial Density/(g/cm2) Rupture modulus/Mpa Young's modulus/Gpa Poisson ratio Thermal coefficient w/(m·℃) Linear expansion coefficient 10-6/℃ Nc-Ge 5.33 75 103 0.28 59 5.7 7075Al alloy 2.74 524 76 0.33 237 23.5 表 2 零件接触关系设置Table 2. Contacts settingMating part Clamper Tube Clamper Len1 Tube Len1 Len1 Spacer1 Len2 Spacer1 Len2 Spacer2 Len3 Spacer2 Len2 Tube Len3 Tube Tube Mounting Contact Bounded Frictional Frictional Frictional Frictional Frictional Frictional Bounded Bounded Bounded 表 3 网格划分Table 3. Meshing of partsPart Clamper Len1 Len2 Len2 Spacer1 Spacer2 Tube Pitch mounting Mesh size/mm 1 0.2 0.2 0.2 1 1 0.5 0.5 Mesh type Tetrahedron Hexahedron Hexahedron Hexahedron Auto Auto Tetrahedron Tetrahedron 3.2 热力耦合有限元分析
空空导弹导引头的工作温度范围一般是-40℃~+60℃[12-14]，受到的冲击一般是10g[15-16]，光机系统的成像质量要在整个温度区间内和最大冲击下满足要求，为了减小工作量并涵盖所有工作情况，本文考虑两种极限情况进行热分析，即-40℃和60℃两种情况的每个零件的热变形，因为在这两个极限情况下变形量最大，只要最大变形量能够满足要求，成像质量就能够得到保证。由于该系统存在±1 mm的调焦量，需要镜头在整个调焦范围内都满足应变要求，所以考虑镜头到调焦的两个极限位置作为分析位置，这是因为这两个极限位置造成的系统变形量最大。由于该导引头是滚仰式导引头系统，整个红外镜头组件要做±90°的俯仰运动，由于该红外镜头组件为对称结构，所以存在两个角度极限位置即0°和90°，在这两个位置镜头组件受到的冲力最大，所以考虑0°和90°时红外镜头组件的变形量。
通过以上的分析，我们得到3种极限（俯仰位置极限、温度极限和调焦位置极限）位置的8组镜头组件的变形云图如图 7。
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图 7 三种极限位置下镜头组件的变形云图Figure 7. Deformation nephogram of lens under three extreme conditions其中1镜、2镜和3镜在8种情况下的最大变形量见表 4。
表 4 1镜、2镜和3镜在8种情况下的最大变形量Table 4. Maximum deformation of len1, len2 and len3 under 8 limited conditions0°
-40℃
+1 mm0°
-40℃
-1 mm0°
60℃
+1 mm0°
60℃
-1 mm90°
-40℃
+1 mm90°
-40℃
-1 mm90°
60℃
+1 mm90°
60℃
-1 mmLen 1 0.0318 0.0324 0.0195 0.0199 0.0324 0.0318 0.0195 0.0198 Len 2 0.0189 0.0202 0.0119 0.0137 0.0178 0.0172 0.0112 0.0125 Len 3 0.0114 0.0123 0.0073 0.0089 0.0099 0.0083 0.0068 0.0081 单独提出镜片在3种极限位置的8组变形云图如图 8。
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图 8 三种极限位置下1镜、2镜和3镜的变形云图Figure 8. Deformation nephogram of len1, len2 and len3 under 3 extreme conditions通过上面的热变形数据可以看出，结构件的最大形变值出现在8种极限情况的第二种也就是俯仰角度为0°，温度为-40℃，调焦值为-1 mm的时候，最大值在外压圈的边缘，最大变形量0.05 mm，对于机械结构来说不会受到变形的影响，满足设计值要求。
镜片的最大形变值都出现在8种极限情况的第2种和第5种也就是俯仰角度为0°，温度为-40℃，调焦值为-1 mm和俯仰角度为90°，温度为-40℃，调焦值为1 mm的时候，在1镜的边缘，最大变形量0.0324 mm，变形量越靠近镜片边缘越大，越靠近镜片中心越小，对于光学设计来说满足设计值要求，不会影响红外导引头的成像质量。
4. 结论
为了能在80 mm口径微小型红外导引头内实现全方位扫描，提出并设计一种微小型滚仰式红外导引头光机轴系一体化结构。该结构体积紧凑可以实现全方位扫描和跟踪，即红外光机组件在导引头内360°滚摆和±90°俯仰。
1）根据光机轴系一体化设计思想，提出一种导引头红外镜头组件的特殊结构，通过俯仰安装块使经典结构的两根俯仰轴、红外镜头和探测器集成为一体。通过镜头和俯仰安装块之间的螺纹副实现调焦功能，在压缩了整体光机结构体积的同时保证了光学系统的成像质量；
2）对该小型滚仰式红外导引头一体化结构进行有限元热力耦合分析。根据机械零件的不同功能和镜片的不同特点进行有限元网格划分。在-40℃~60℃、镜头组件俯仰0°和90°、镜头调焦±1 mm等3种极限位置8种极限情况进行热力耦合分析，得到结构件和3个镜片的热变形规律和最大热变形值，通过与设计值对比，验证了光学系统在工作温度范围内具有可靠的成像质量。
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图 1 滚仰式红外导引头整体结构图
Figure 1. Overall structure of infrared optical seeker with roll-pitch structure
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图 7 三种极限位置下镜头组件的变形云图
Figure 7. Deformation nephogram of lens under three extreme conditions
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图 8 三种极限位置下1镜、2镜和3镜的变形云图
Figure 8. Deformation nephogram of len1, len2 and len3 under 3 extreme conditions
表 1 机械参数
Table 1 Parameters of mechanical performance
Material Density/(g/cm2) Rupture modulus/Mpa Young's modulus/Gpa Poisson ratio Thermal coefficient w/(m·℃) Linear expansion coefficient 10-6/℃ Nc-Ge 5.33 75 103 0.28 59 5.7 7075Al alloy 2.74 524 76 0.33 237 23.5 
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表 2 零件接触关系设置
Table 2 Contacts setting
Mating part Clamper Tube Clamper Len1 Tube Len1 Len1 Spacer1 Len2 Spacer1 Len2 Spacer2 Len3 Spacer2 Len2 Tube Len3 Tube Tube Mounting Contact Bounded Frictional Frictional Frictional Frictional Frictional Frictional Bounded Bounded Bounded
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表 3 网格划分
Table 3 Meshing of parts
Part Clamper Len1 Len2 Len2 Spacer1 Spacer2 Tube Pitch mounting Mesh size/mm 1 0.2 0.2 0.2 1 1 0.5 0.5 Mesh type Tetrahedron Hexahedron Hexahedron Hexahedron Auto Auto Tetrahedron Tetrahedron
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表 4 1镜、2镜和3镜在8种情况下的最大变形量
Table 4 Maximum deformation of len1, len2 and len3 under 8 limited conditions
0°
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-1 mmLen 1 0.0318 0.0324 0.0195 0.0199 0.0324 0.0318 0.0195 0.0198 Len 2 0.0189 0.0202 0.0119 0.0137 0.0178 0.0172 0.0112 0.0125 Len 3 0.0114 0.0123 0.0073 0.0089 0.0099 0.0083 0.0068 0.0081
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