具有辅助装调功能的航空遥感器维修架设计

张 健，田海英，张景国，聂 品，董 斌

(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院航空光学成像与测量重点实验室，长春130033)

航空遥感器是应用最普遍的航空侦察设备，它以光学成像的方式给人以直观、清晰的图像信息，具有实时性好、机动性强等特点［1－2］。为了在地面为航空遥感器进行检测、维护和维修时提供相应条件和环境［3］，需要相应的地面保障设备。维修架即航空遥感器必不可少的一种地面保障设备。

维修架是在航空遥感器检修与维护时使用的。维修架一般采用蜗轮蜗杆传动，带动航空遥感器作整周旋转，可以在任意角度自锁，方便航空遥感器维修和地面成像。维修架很少用于航空遥感器的装配和调试过程中。本文结合航空遥感器自身需要，在分析维修架功能时，提出利用维修架辅助航空遥感器装调，从而节约了研制相应辅助装调设备的成本。由于该航空遥感器无需整周旋转，故在维修架设计中未采用蜗轮蜗杆传动方式，可以简化维修架的结构，但提高了静平衡的要求。文中依据功能要求对维修架进行设计，并对维修架的旋转部分进行了静平衡计算。最后利用ANSYS软件对维修架进行了静力学分析，校核其刚度和强度。

1 航空遥感器对维修架的功能要求

本航空遥感器为全景式航空遥感器，结构示意图如图1所示。遥感器使用时水平安放，要求支撑面平面度小于0.3mm;工作时扫描头、机身等组件一起绕回转轴线旋转，实现对地物的扫描成像。

维修架即航空遥感器检修与维护的地面保障设备，用于工作间内维修遥感器或在贮藏室里存放遥感器［4］。根据遥感器自身的要求，位于后机身组件中的电器元件、电路板及滤光镜等要方便检修和更换，前、后支撑组件中由于含有电机、导电滑环和轴系等也应方便维修。由于该遥感器航向尺寸较长，装调难度较大，考虑利用维修架辅助遥感器的装调。因此，遥感器对维修架有如下功能要求:

(1)方便电器元件、电路板及滤光片等的检修与更换;

(2)方便遥感器前、后支撑组件等的拆卸，在遥感器装调期间起到辅助装调作用［5］;

(3)方便遥感器地面成像;

(4)具有良好的刚度和强度;

(5)在运输过程中考虑遥感器的安全性。

图1 航空遥感器组成示意图

2 维修架结构设计

结合遥感器对维修架的要求，并以操作简单，便于工作为原则设计维修架。维修架主要由旋转组件、主体框架、辅助装调组件、地脚组件和下过渡架组件等部分组成，其结构示意图如图2所示。

遥感器通过螺栓联接安装在旋转组件上，在人力驱动下，旋转组件带动遥感器绕其旋转轴旋转，在某些特定的角度可以将其锁住，一方面便于检修和更换电路板、滤光片等，另一方面便于遥感器地面成像。当遥感器由辅助装调组件支撑时，遥感器可由辅助装调组件带动沿航向前后移动，方便维修前、后支撑等组件。下过渡架组件中安装脚轮和拖架便于维修架短途运输遥感器;在下过渡架组件与主体框架之间安装减振器，在运输遥感器时起到减振作用。在维修遥感器和遥感器地面成像时，地脚组件用于保证整个维修架平稳。

图2 维修架结构示意图

2.1 旋转组件

旋转组件由主体框架上的4个支承座支撑，使旋转组件在外力作用下可绕其旋转轴旋转。结构示意图如图3所示。设计时，使旋转组件旋转轴线与遥感器回转轴线重合。为防止旋转组件变形过大影响遥感器正常工作，设计要点即保证旋转组件的刚度。锥形座上的螺纹孔是与遥感器的接口，而当遥感器沿航向移动时又需要锥形座脱离遥感器，故采用燕尾槽机构使支座可以滑动，在初始的接口位置处用圆锥销定位，并用螺钉紧固。

图3 旋转组件与支撑主体的结构示意图

遥感器安装到维修架上之后，要求人力驱动旋转组件能在较小作用力下平稳低速转动，因此需要对旋转部分(遥感器和旋转组件)进行静平衡。设遥感器质量为M，旋转组件(除锥形座外)质量为m，锥形座质量为m1，假设遥感器质心位于遥感器的回转轴线上。为了使旋转部分达到平衡，在锥形座和支座之间添加一个调整垫，将遥感器抬高距离d(即调整垫的厚度)，此时遥感器的回转轴线与旋转组件的旋转轴线不再重合。设调整垫底面积为A，密度为ρ，则其质量m2为

加入调整垫后，遥感器和旋转组件在图2所示位置时，质心位于过旋转组件旋转轴线的竖直平面内，选择两端锥形座质心所在的回转平面I、II作为平衡平面，如图4所示，设M、m等效到平面 I、II内的质量分别为 M'、M″、m'、m″，对应的回转半径分别为 d'、d″、r'、r″，在平面 I、II中以 m2作为平衡质量，计算得:

由(6)+(7)，并代入(1)、(2)和(4)整理得

式(11)中除d外其余均为已知量，故可以求出调整垫的理论厚度d。由于实际上遥感器质心位于其回转轴线附近，而旋转组件的实际质心位置也与理论位置稍有差别，因此，需要在遥感器与维修架试装后根据实际情况对调整垫进行修整，直到平衡为止［6］。

图4 静平衡计算示意图

2.2 辅助装调组件

辅助装调组件主要由托辊、升降臂、滑板、导轨、调整手轮、过渡板和托盘等部分组成，如图5所示。利用调节手轮调节升降臂的高低，由托辊和托盘支撑住遥感器。在外力作用下带动遥感器沿航向前后移动，方便拆卸前、后支撑组件。

图5 辅助装调组件结构示意图

在设计航空遥感器维修架时，一般是考虑遥感器出厂后用于工作间内检修与维护遥感器。由于该遥感器航向尺寸较长且质量较重，在装调时十分不方便，故在设计维修架时考虑将其用于辅助遥感器的装调。在遥感器装配时，利用维修架上除旋转组件之外的部分，借助起吊设备可以在维修架上将镜头、机身等组件装配在一起，该部分可在辅助装调组件带动下前后移动，方便前、后支撑组件及扫描头组件等的安装，如图5所示。在遥感器进行星点试验、定焦面及传递函数测试等装调工作时，可以利用维修架支撑遥感器，此时需要地脚组件支撑地面，为遥感器营造一个稳定的成像环境。利用地脚组件可以调节遥感器的高度，同时辅助装调组件中利用调整手轮调节升降臂也可以调节遥感器的高度，方便将遥感器调整到检测设备要求的高度。通过维修架辅助遥感器装调，既节约了研制相应辅助装调设备所需的成本，也提高了维修架的使用性能。

3 维修架静力学分析

维修架应具有良好的刚度和强度，在设计完成后利用有限元软件ANSYS对其进行静力学分析。结合实际使用状况，分两种受力状态进行分析:第一种情形，遥感器重力全部施加在旋转组件上;第二种情形，遥感器重力全部施加在辅助装调组件上，去掉旋转组件。由于维修架为对称结构，故取一半模型进行分析，根据这两种情况分别建立物理模型，采用六面体单元划分网格［7］。施加载荷时，根据遥感器质心位置将遥感器重力分配到锥形座的支撑面上，设置固定和对称边界条件，并考虑重力，经计算得到两种情形的位移分布云图和应力分布云图如图6和图7所示。由图6和图7知，遥感器重力全部施加在旋转组件上时，最大变形量为0.15mm，最大应力值为111MPa;遥感器重力全部施加在辅助装调组件上时，最大变形量为0.26mm，最大应力值为49.5MPa。对于第一种情形，出现最大应力处的材料为ZL114A，其条件屈服强度σP0.2为220MPa;第二种情形中，最大应力处所对应材料为7A09，其条件屈服强度σP0.2为 420MPa［8］。故由

得，当遥感器重力全部施加在旋转组件上时，安全系数n1为2.0;当遥感器重力全部施加在辅助装调组件上时，安全系数n2为8.5。因此维修架的强度是满足要求的。

图6 第一种情形的位移分布云图与应力分布云图

图7 第二种情形的位移分布云图与应力分布云图

前面提到遥感器对其支撑平面的平面度要求应小于0.3mm。根据ANSYS分析结果，提取支撑平面的变形信息，经计算，变形后平面度为0.05mm。根据旋转组件的总体尺寸，要求装配完成后支撑面的平面度为0.2mm，因此变形后的平面度小于0.3mm，满足遥感器的使用要求。

4 结论

维修架是航空遥感器地面维护和检修时必不可少的地面保障设备。本文为航空遥感器设计了具有辅助遥感器装调功能的维修架，可用于遥感器装配和在星点试验、定焦面及传递函数测试等装调工作时作为稳定支撑。设计中对维修架使用时的旋转部分进行了静平衡计算，给出了平衡质量(即调整垫)的理论厚度。利用ANSYS软件对维修架进行了静力学计算，经校核和分析表明，维修架的强度和刚度均满足要求。

［1］陈伟，丁亚林，惠守文，等.推扫式航空遥感器像面调焦机构设计［J］.中国光学，2012，5(1):30 －34.

［2］刘明.航空侦察相机的发展分析［J］.光机电信息，2011，28(11):32 －37.

［3］刘宝霞，范斌.飞机地面保障设备的发展趋势［J］.沈阳航空工业学院学报，2000，17(2):84－86.

［4］耿立中，编译.KA－112A全景式航空照相机［M］.北京:中国人民解放军空军司令部情报部，1988.

［5］M.Trifoglio，A.Traci，F.Gianotti，et al.The Mechanical Ground Support Equipment for the AIV and Calibration of the AGILE Integrated Payload［J］.Proc.of SPIE，2004，5488:771 －780.

［6］郑文纬，吴克坚.机械原理［M］.北京:高等教育出版社，1997.

［7］Erdogan Madenci，Ibrahim Guven.THE FINITE ELEMENT METHOD AND APPLICATIONS INENGINEERING USING ANSYS®［M］.Springer，2006.

［8］《中国航空材料手册》编辑委员会.中国航空材料手册(第2版)第3卷铝合金镁合金［M］.北京:中国标准出版社，2002.