機載激光測照器發射光軸不穩定度仿真分析

耿園園,徐光爍,謝桂娟,呂華昌,趙開瑞,褚凡忠

(華北光電技術研究所,北京 100015)

1 引 言

激光測照器現階段已在各類軍用中高空無人機機載光電平臺中得到廣泛應用。利用它不但能實現對遠距離目標的準確測距定位,還能為激光半主動制導導彈提供照射指引。激光測照器的發射光軸不穩定度是衡量自身能力和可靠性的一項重要指標。激光指向不穩定會嚴重影響測距和照射精度,當光軸偏離角度過大時,將最終導致測距失準以及被引導的導彈脫靶[1]。然而隨著對無人機載荷的日益輕量化要求,激光測照器也在盡可能地壓縮體積和減輕重量,這又對其穩定性和可靠性帶來挑戰。

在機載較為嚴酷的使用環境中,激光測照器受安裝力、熱和振動沖擊等因素影響會使敏感的諧振腔及擴束光學系統產生微小的機械形變,這些微小形變會引起激光光路變化,導致發射光軸產生偏轉。為了滿足使用要求,激光的最大偏轉角度即發射光軸不穩定度必須被限定在可允許的范圍內。然而在實際中,對于此項指標的靜態測試難度大且成本高,綜合動態測試更是難以實現,通常只能隨系統進行試驗驗證,無法得到準確的定量數據。而利用CAE軟件對激光測照器的結構和光路進行模擬分析將是解決此問題的一種有效途徑[2-4]。本文就將以某小型化LD泵浦固體型機載激光測照器為例,通過仿真方法,分析和計算發射光軸的動態不穩定度,以對整機的可靠性進行評估。

2 激光測照器的結構和相關參數

2.1 激光測照器結構

該激光測照器采用了雙平面鏡直線腔型和一體化的結構設計,主體部分主要由激光諧振腔(包括LD泵浦模塊,輸出鏡和全反鏡等組件),散熱組件,擴束光學系統,接收光學系統,支承結構,以及附屬電路等組成,如圖1所示。

圖1 激光測照器結構示意圖

采用了一體化的設計省去了激光器作為獨立單元的支承和連接部分,可以有效縮減整機體積和重量,以滿足機載光電吊艙的小型化和輕量化要求[5-6]。

2.2 相關參數

激光測照器的主要參數如表1所示;激光測照器的使用環境要求如表2所示;激光測照器中所使用的主要零件材料如表3所示。

表1 激光測照器主要參數

表2 激光測照器的使用環境要求

表3 激光測照器零件材料屬性

3 仿真分析與計算

3.1 安裝力作用下的結構靜力分析

激光測照器在工作時會受自身重力、振動和沖擊等多種載荷作用,為了保證安裝穩定,三個固定點(圖2中A、B、C)的安裝螺釘必須有足夠預緊力,以保證激光測照器底部凸臺與吊艙安裝基面之間不會出現分離和切向滑動。由于受面形精度影響,即使三點固定也可能在接觸平面之間存在微小間隙,在激光測照器受螺釘預緊力作用時,光路結構會產生一定彈性機械形變,在經過長時間的時效作用后,平面間隙會持續變化,從而導致激光光軸產生偏離。

圖2 安裝受力圖

通常安裝面之間的間隙可能出現在固定點A、B、C的任意位置。根據三點在激光測照器上的位置分布特點,假定間隙在A點時,在螺釘拉力作用下激光測照器將主要產生長度方向的彎曲變形,發射光軸亦會產生俯仰角度變化。而在B點和C點中的某一點出現間隙時激光發射光軸主要產生的是平移和繞光軸轉動,對光軸的指向性影響不大。因此,受安裝力形變可主要選取針對A點出現最大平面間隙的情況進行分析。

按照一般要求,激光測照器的安裝基準面與激光發射光軸的不平行度α≤0.5 mrad,當激光測照器與吊艙裝配并調好的情況下,凸臺面A與安裝面可能存在的最大平面間隙δmax為:

δmax=αmax·w=0.5×10-3×8=0.004 mm

(1)

式中,w為A點處的凸臺面寬度,尺寸為8 mm。由于螺釘處在凸臺面中心,當最大間隙為0.004 mm時,螺釘中心處接觸面法向最大可移動量為0.004/2=0.002 mm。

根據螺釘預緊力公式計算A點螺釘的預緊力F′為:

(2)

其中,Z為螺釘數量,此處值為3;f為結合面間摩擦系數,查表取值為0.17;Kf為摩擦力不穩定的可靠系數,查表取值1.2;R為橫向載荷,考慮最大載荷的情況,即激光測照器在受到最大沖擊a=20 g時,R=m·a=2.0×9.8×20=392 N,m為整機重量2.0 kg;Q為縱向載荷,同R,Q=m·a=2×9.8×20=392 N；C為螺釘相對剛度,可直接查表取值為0.3；

因此:

出于安全性的考慮,取螺釘預緊力為1200 N。

在ANSYS Work bench中對激光測照器進行靜力分析(Static Structural),設置B、C兩點凸臺固定約束,A點螺孔中心處施加沿Z軸方向1200 N的拉力,并設置A點凸臺允許最大位移量為0.002 mm,仿真得到總體形變圖如圖3所示。

圖3 安裝力作用下的總體形變

從分析云圖中看出,激光發射光軸主要沿Z軸方向發生整體剛性俯仰轉動,而激光內部光路和兩個腔鏡夾角幾乎未發生相對變動[7]。靠近擴束鏡頭前端面處位移最大,為3.9092×10-6m,根據分析結果數據和幾何關系計算得到該激光測照器在受安裝力作用下的發射光軸最大偏轉角度φf為:

φf=0.018 mrad

3.2 熱-結構耦合分析

激光測照器的LD泵浦模塊使用了TEC進行精確控溫,只通過散熱片與外部環境進行熱交換,LD熱沉與支承結構的所有連接部位都采用了隔熱處理,使LD及熱沉溫度保持在工作溫度+30 ℃。除LD泵浦模塊和散熱片外,其余零部件的溫度跟隨外部環境變化。激光測照器的使用環境溫度范圍為-40～+60 ℃。低溫與常溫的溫差大于高溫與常溫的溫差,因此在低溫-40 ℃工作時,激光測照器較高溫時的熱形變更大。由于整機處在密閉吊艙內,艙內溫變相對均勻緩慢,而殼體、鏡筒和鏡座等結構件都使用了導熱率較高的鋁材料,因此零件內部溫度可認為均勻變化而無須考慮瞬態溫度梯度。

將-40 ℃時的各零部件溫度作為輸入邊界條件對激光測照器進行穩態熱-結構耦合分析[8](steady-state thermal-static structural)得到總體熱形變圖如圖4所示。

圖4 總體熱形變圖

此時激光測照器發射光路幾何中心在X、Y、Z三軸方向上的位移分量如圖5所示。

圖5 熱形變位移分量

由分析結果看出,激光測照器在-40 ℃的環境溫度下工作時,整體表現為冷縮態。在三軸方向上分別表現為:Y軸方向的形變位移最大,Z軸次之,而X方向最小。由于Y向形變主要表現為光路沿光軸方向的拉長或縮短,并不會對光軸指向產生影響,因此可不予考慮,而X軸方向和Z軸方向的形變都會引起激光光軸指向的變化。

根據諧振腔光軸轉向率以及擴束光學放大倍率與光軸的變化關系,激光光軸的偏轉角度φ可表示為:

φ=φr+φo=φr+ε·θ·Γ-1

(3)

式中,φr為整機剛性偏轉角度；φo為內部光路變化引起的光軸偏轉角度；ε為光軸轉向率,在平行平面腔中取近似值為1/2；θ為由形變引起的腔鏡法向夾角；Γ為擴束鏡頭倍率,此值為5.5。

從圖5看出φr和φo在軸線同側且角度很小,接近直線變化。為了便于計算可假設右側全反鏡中心位置為相對零位,其位移為S0,輸出鏡中心位置位移為S1,此時公式(3)可近似為:

(4)

式中,L0為腔鏡之間距離。由分析數據和幾何關系通過公式(4)可得到X向和Z向的光軸偏轉角度φtx,φtz分別為:

根據正交關系計算該激光測照器在-40℃工作時由熱形變引起的最終合成光軸偏轉角度φt為:

(5)

3.3 隨機振動分析

激光測照器在受振動和沖擊作用時,激光諧振腔會產生瞬態機械形變[9-10]。由于沖擊的時間極短,如果不發生結構失效,這種形變通常也可瞬間恢復,一般不會對光軸穩定性產生影響。而振動的累積時間則比較長,其影響不可忽略。根據所處無人機的振動環境,激光測照器振動條件是由寬帶隨機譜上疊加窄帶尖峰組成,其加速度的PSD譜如圖6所示,其中F1=113 Hz,F2=2F1,F3=3F1,F4=4F1。四個窄帶尖峰(F1～F4)的振動帶寬為圍繞各自頻率的±5 %fi。L1對應的功率譜值為0.1 g2/Hz。

圖6 振動加速度PSD譜

由于PSD譜不是確定性譜而是基于概率的統計規律,只能使用隨機振動而不能用瞬態動力學分析代替。利用ANSYSWorkbench的隨機振動(Random Vibration)功能對激光測照器進行振動響應分析,并將加速度PSD譜以表數據形式作為隨機振動的激勵載荷分別在激光測照器的X、Y、Z方向進行加載,分析求解得到激光測照器在三軸方向3σ(統計概率為99.73%)范圍內的形變如圖7所示。

圖7 振動形變圖

其中,激光發射光路幾何中心在各方向上的形變位移分量如圖8所示。

圖8 振動形變位移分量

從分析結果看,激光光路幾何中心沿X軸方向形變較大,而沿Z軸方向相對很小可忽略不計,Y方向的形變同樣對激光光軸不產生影響,因此只分析計算X方向的光軸變化情況。

依照前文公式(4),計算得到由隨機振動引起的激光光軸偏轉角度φv值為:

φv=0.043 mrad

3.4 綜合不穩定度

由于以上得到的三種因素影響下的激光發射光軸偏轉角度處在不同方向,并且相互獨立,同時出現的概率亦微乎其微,為了反映激光測照器的發射光軸綜合不穩定度,取其均方根作為有效值,此時激光測照器發射光軸的綜合不穩定度ω為:

(6)

4 結 論

通過以上的仿真分析和計算得到激光測照器在工作時的動態發射光軸不穩定度為0.075 mrad,此值為最不理想情況下的極限值,且小于指標中的0.08 mrad,因此滿足可靠性要求。

此外從分析計算過程和仿真結果可以看出,激光測照器由安裝力帶來的光軸不穩定度主要和安裝接觸面尺寸以及激光發射光軸與基準面的調節平行精度相關,減小接觸面尺寸并提高光軸與基準面的平行度可以減小激光光軸的不穩定度；而由振動引起的激光光軸不穩定則主要表現在剛性最弱且懸臂較長的x方向上,加強x方向剛度并減小懸臂尺寸也可以相應減小激光發射光軸的不穩定度。