光电通信吊舱内框架悬置系统设计与分析

摘要：为避免光电通信吊舱的外界振动直接传至内框架的光电负载上而影响成像质量和跟踪精度，在光电吊舱内外框架之间加入弹性支撑隔振元件。建立内框架隔振系统的动力学模型，对耦合情况进行分析和解耦设计。应用能量法和Matlab语言编程对系统解耦率进行计算分析，验证所提出设计方法的合理性与正确性，研究结果为光电吊舱隔振设计方面的研究提供了理论基础。
关键词：光电通信吊舱；解耦；隔振；金属橡胶

0 引言
随着现代军事技术发展的需要，侦察情报在战争中的通信领域地位愈显突出。为弥补固定站侦察视野受光学系统视场角限制的不足，把侦察系统安放在地面车辆、舰船、飞机、卫星等动载体上来扩大光学系统的动态视场并增加收容信息。光电吊舱是侦察系统的主要组成部分，其能否获得高质量的清晰图像决定了侦察效果。振动是引起光电平台成像质量下降的主要原因之一，振动所引起的像质变化，使角振动大于线振动，尤其是在垂直于光轴的平面内尤为严重，因此必须设法隔离不利的角振动。
二轴四框架结构在现代光电吊舱中的应用越来越广泛，但是传统的结构各框架间采用刚性连接，导致外界振动直接传至光电平台，严重影响光电设备的工作效果。
本文对内框架的运动耦合问题进行了分析，提出悬置系统解耦条件，并设计了一种金属橡胶隔振器，通过能量法验证了设计的合理性。

1 悬置系统设计
1．1 二级隔振系统设计
从子系统综合理论出发，把光电吊舱看作由外框架和内框架构成的组合系统。其中，内框架(包括悬置)可看作是要修改的子结构。根据框架间的作用机理，找出子结构间在总系统中的一般匹配关系。这样，无须建立吊舱整体振动模型和方程，直接根据内框架子结构所确定的动态特性，就能比较准确地预估出吊舱整体的振动状况。
光电吊舱整体由外方位、外俯仰和内方位、内俯仰两层框架结构构成，本文建立了光电吊舱的二级隔振系统，如图1所示。第一级，外隔振器安装在吊舱与机身连接的基座上，光电吊舱整体坐在四个均匀分布的外隔振器上，实现对光电吊舱整体隔振；第二级，内框架通过隔振器弹性支撑在外俯仰框架上。

1．2 内框架悬置系统设计
常用的载体悬置方式是在载体底部(或顶部)均匀布置几个隔振器，这种悬置为平面支撑结构，容易实现，控制简单，隔振效果较好。采用这种悬置方式时，载体的重心始终高于隔振器的支撑平面，即弹性元件的弹心与重心不重合。当基础受到较大激励或激励频率达到系统共振频率时，载体振动剧烈，容易摇摆而失去稳定。对于光电吊舱而言，内外框架工作时会绕着自身的转轴而旋转一定的角度，以外俯仰框架为例，它的工作转角范围为+40°～-85°，需在铅垂面内频繁转动，若采用上述悬置方式，弹性元件将会由受压状态向受拉状态转变，而隔振器中的弹性元件一般只工作在受压状态下。重心与弹心的不重合产生连续变化的力矩，使得对框架结构运动的控制变得复杂。
针对光电吊舱结构的特殊性，设计一种空间支撑的内框架悬置系统，如图2所示(为便于表达，将内框架画成了规则形状，实际上是不规则形状)。这种悬置结构紧凑，稳定性好，克服了载体旋转运动时支撑件工况各向异性的缺点，隔振效率高，并且通过合理设计有利于系统动力学方程的解耦。

2 隔振系统动力学建模与耦合分析
2．1 动力学建模
弹性支撑分为斜支撑和正交支撑，斜支撑需要一定角度的凸台来安装隔振器，由于光电吊舱体积小，结构复杂，不便于设计凸台，故选用正交支撑。