舰载光电系统的环境适应性设计

马优恒，陆培国，郭渝琳，王 虎，刘 莹

(西安应用光学研究所，陕西 西安，710065)

引言

舰船作为海上作战的重要平台和运输工具，相对于陆基、空基、天基载体，常年在海洋中航行和执行任务。恶劣的海洋气候环境和特殊的舰船机械环境严重影响着舰船上几乎所有设备的使用性能、工作可靠性和预期寿命。对于光电系统而言，环境因素会影响光电传感器的成像质量和系统的动态性能，降低对目标的跟踪精度，引起设备机械结构材料、电子器件的腐蚀、生霉、疲劳损伤甚至失效破坏，造成巨大的经济损失，严重时会带来致命的灾难性后果。因此，改善环境适应性是提高舰载光电系统可靠性、保障武器装备战斗力和生命力的重要环节，环境适应性已成为舰载光电系统的重要战术性能之一。环境适应性涉及产品设计、加工、试验和使用等各个阶段，从设计出发，在根本上增强产品抗恶劣环境的能力是极其重要的。

1 环境对舰载光电系统的影响分析

舰载光电系统在其服役期内，长期受到温度、湿度、盐雾和霉菌等气候环境以及振动和冲击等机械环境带来的影响。

温度引起的装备故障占各种环境因素引起故障的40%[1]。包括非金属材料的脆化或老化、金属材料的氧化、元器件电性能的下降、材料内应力的增加、机械结构的变形、润滑剂的润滑特性降低或失效以及活动部件的卡滞和磨损等；还会造成光学参数改变，导致系统性能下降，图像质量恶化。

潮湿促使金属产生化学或电化学腐蚀，导致绝缘材料的绝缘性能下降。非金属材料吸潮后，会使与其接触的金属的临界湿度下降，如钢铁与吸潮的非金属接触，临界湿度可由RH70%降为RH40%～RH50%，加速金属的腐蚀。潮气还会改变光传输特性，影响光电系统的成像质量和分辨率。

盐雾的影响效应包括：腐蚀效应，产生电化学腐蚀、加速应力腐蚀、海水盐分电离形成酸碱溶液的腐蚀；电效应，盐沉积产生导电层，导致绝缘材料和金属腐蚀，甚至光电系统损坏；物理效应，活动部件的阻塞或卡死，因电解作用致使漆层起泡[2]。盐雾还会导致大气透过率减小，造成光电传感器作用距离下降。

霉菌在其生命活动周期内，一方面以吸收和分解有机材料中的某些成分作为养料，破坏材料的结构和性能；另一方面由于代谢作用而分泌出来的酶和有机酸会对金属产生腐蚀，降低绝缘性能，破坏金属表面的保护层。另外霉菌会对光学镜头的镀膜造成不可修复的破坏[3]。

振动和冲击会导致设备与设备内的动态位移[4]，对所有设备具有极大的威胁。振动和冲击会改变光束指向精度，影响光电传感器的成像质量，导致目标识别能力和测距能力下降。振动和冲击会引起绕环架轴的整流力矩和振动干扰，使陀螺仪产生漂移或附加角运动，造成系统跟踪精度的降低，甚至目标的丢失。振动和冲击会导致结构件内应力增大，材料强度降低和疲劳加速，带来零部件的机械磨损和紧固件的松动，破坏设备的机械性能，造成密封件失效，改变材料的绝缘强度，降低元器件性能，产生电路噪声和脱焊、短路等。

在系统的使用过程中，实际还存在太阳辐射、倾斜、摇摆以及风、雨、雪等，而且各种环境因素不是孤立的，往往都是相互关联的综合效应，这种效应常常高于单一因素的影响，如表1所示。

表1 环境因素的综合效应Table 1 Synthetical effect of environmental factors

2 环境适应性设计

为保证舰载光电系统能够长期在舰船环境中可靠工作，需要对各组成设备进行加固优化与隔离防护，具体从材料选用、光学系统设计、结构设计和三防工艺技术等方面给出设计方法和解决措施。

2.1 材料选用

材料的抗恶劣环境能力主要取决于材料本身的性能，选择正确合理的材料是提高光电系统环境适应性的基础。选用材料时从技术可行性和经济合理性出发，在考虑其力学性能的同时，综合考虑材料的腐蚀机理、破坏形式和相容性问题，优先选用耐蚀性较好的金属材料，耐老化、不长霉的非金属材料以及化学稳定性较好的光学材料。耐腐蚀性能较好的金属材料有金、铬、镍、钛及钛合金、铝合金、铜合金和不锈钢等。根据各设备所处位置和使用环境的不同，通常选用铝合金、铜合金、钛合金、不锈钢和优质碳素钢等。

常用的耐老化、不长霉非金属材料包括硅橡胶、聚四氟乙烯、聚碳酸酯、改性聚苯乙烯、有机玻璃以及复合材料等。图1所示的泰勒斯荷兰分公司研制的Mirador光电火控系统[5]，采用碳纤维复合材料外壳结构，提高和改善了刚性/质量比和伺服控制性能，同时具有良好的防腐耐蚀性。对于外露光学零件，如可见光窗口常选用SiO2含量高且化学稳定性较好的材料，如石英玻璃，避免选用碱性金属氧化物含量多的材料，如ZBaF5重钡火石玻璃；红外窗口则使用热稳定性和抗腐蚀性较好的锗晶体或硫属化物玻璃，不宜选用硒化锌材料，其在周期性接触海水后，体透射性明显下降。

光电系统常年暴露在甲板上，长期受各种环境因素的影响。在设计中，外露结构件选用比刚度较高和耐蚀性较好的Al-Si系的铸造铝合金

图1 Mirador光电火控系统Fig.1 Mirador electro-optical fire-control system

ZL101A或ZL114A；紧固件选用含有Mo元素的耐酸钢材料；光学窗口分别采用石英玻璃和锗晶体。同时光电传感器所处的密封舱壳体外安装有碳纤维复合材料制作的截面为蜂窝状结构的隔热罩，如图2所示。不仅改善了设备的耐腐蚀性，而且隔热罩和壳体之间形成空气夹层，有效提高了热阻，减小了太阳辐射热量向舱内的穿透。

图2 密封舱内外结构Fig.2 Inside and outside structure of airtight cabin

经过一周时间同等条件的试验，有隔热罩和无隔热罩的密封舱内外温差对比如图3所示，最大温差分别为14.8 ℃和6.7 ℃，即有隔热罩比无隔热罩舱内温度低8.1 ℃，明显降低了太阳辐射对密封舱内带来的附加温升，改善了光电传感器的工作环境。

图3 连续一周密封舱内外温差对比图Fig.3 Comparison of temperature difference of inside and outside airtight cabin for a week

2.2 光学系统设计

舰载光电系统的工作温度范围为-40 ℃～+60 ℃，温度变化会带来光学参数变化，光学参数变化则会导致成像质量的下降，其中红外热像仪尤为敏感。为消除温度变化的影响，通常采用无热化(athermalisation)设计进行补偿。目前的无热化技术有3大类[6-7]：1)主动式，即通过手动或电动的方式调节光学系统中透镜的轴向位置，实现对温度变化引起的像面位移的补偿；2)被动式，即利用膨胀系数不同材料的零件组合、有形状记忆特性的合金或液压装置等，对像面位移进行补偿(机械被动式)。或利用光学材料热特性的差异，通过合理选择透镜材料、分配光焦度，保证在工作温度范围内成像的稳定性(光学被动式)；3)混合式，即光学系统具有一定的被动补偿能力(机械或光学)，残留的少许像面离焦采用主动式调节。

在红外热像仪的设计中，采用像元间距(pitch)为35 μm的探测器，光学系统弥散斑半径不大于像元间距时，能够满足成像质量要求。光学系统采用4片式物镜结构，材料依次选用Ge、ZnSe、Ge、Ge，同时引入非球面结构。利用CODE V软件模拟温度变化对光学系统的影响，常温(20 ℃)下弥散斑均方差半径为 15.3 μm，满足要求。而在-40 ℃和+60 ℃环境下热离焦量远远超过焦深，弥散斑明显增大，均方差半径分别为234 μm和196 μm，像质恶化。因此结构系统使用多层镜筒结构，进行机械被动式补偿，如图4所示，其中外套筒采用膨胀率较低的钛合金，内套筒采用采用膨胀率较高的尼龙。温度升高时，内套筒膨胀伸长量大于外套筒，使镜筒整体向光敏面靠近，温度降低时反之，将热离焦量控制在焦深范围内，保证弥散斑满足要求。对采用补偿措施的光学系统进行仿真分析，在-40 ℃和+60 ℃环境下最大弥散斑均方差半径分别为30 μm以及27 μm，达到要求。经高低温试验表明，在-40 ℃～+60 ℃温度范围内，该热像仪成像清晰。

图4 光学和结构系统图Fig.4 Layout of optical and structure

2.3 结构设计

合理的结构设计是光电系统充分发挥其性能的关键。为了避免腐蚀问题，应考虑外形构成、密封方式、应力控制和材料相容等问题。为了改善抗冲振能力，可从提高结构强度和刚度、优化内部支撑形式等方面考虑。

如图5所示，将光电系统的外形设计成由球形和圆锥形组成的不易积水的塔式结构，在俯仰支架中间设置有排水槽，避免缝隙和凹坑结构，防止海水和盐雾等腐蚀性介质的进入或聚集。光电传感器所处舱体设计成密封舱，安装干燥装置并充入干燥的氮气，防止潮气进入。所有外露接缝都设有密封绳或密封垫，并保证有良好的可实现性。在方位和俯仰动静结合部位采用毡圈和迷宫的组合密封结构且涂满润滑脂，避免雨水、海水和灰尘等杂质的进入。为改善应力分布的均匀性，避免应力集中的出现，所有棱边均采用圆角过渡，同时注意控制关重件的表面粗糙度，进一步提高零件的抗蚀能力。对于易腐蚀部位的结构截面厚度尽量相近，防止温度变化和机械电气负载下薄弱部位发生变形，引起材料晶格扭曲而产生应力腐蚀，甚至改变电参数。在同一结构中尽量使用同一种金属材料，或选用金属电偶序中电位差不大于0.25 V的2种材料进行配对。否则在2种金属之间采取防护措施，即在一种金属上镀覆允许与第2种金属相接触的金属层[8]，或涂绝缘保护层和加绝缘衬垫等，避免产生电化偶腐蚀效应。如铝和铁的电位差为1.22 V，设计中在铝制的俯仰支架和钢制的方位装置法兰盘之间的贴合面上均匀涂抹有704硅橡胶。

图5 光电系统外形Fig.5 Figure of electro-optical system

光电系统通过方位装置壳体与武器系统刚性连接，舰船摇摆、倾斜以及武器系统射击产生的剧烈冲击振动，特别是横向冲击振动，会直接作用在方位装置上，因此要求其要有足够的结构强度和径向支撑刚度。设计时，方位轴系采用圆柱滚子轴承和可承受双向载荷的双联角接触球轴承，并加装辅助定位的推力轴承，如图6所示。对安装和未装推力轴承2种状态的光电系统进行建模分析，得出前6阶固有频率和振型特点，如表2所示。可以看出安装推力轴承状态的各阶固有频率均有大幅提高，其中1阶(沿左右方向振动)和2阶(沿前后方向振动)反应了径向支撑刚度，分别提高了25.9%和30.2%。固有频率越高，刚性越好，在受到冲击和振动时，振幅就越小，产生的应力就越小，设备的抗冲振能力也就得到提高。经对产品试验和使用效果表明，在稳定性振动、30 g冲击和武器系统射击条件下，系统工作稳定。

图6 方位轴系结构Fig.6 Structure of azimuth-shafting

表2 2种状态的前6阶固有频率和振型Table 2 Preceding 6 step natural frequency and model shape of two states

2.4 三防工艺技术

三防工艺技术是指防潮湿、防霉菌、防盐雾所采取的工艺方法，是结构设计必要的补充。技术设计和工艺设计中主要采取了以下措施：

1) 根据应用材料的组成、表面状态、应力存在与分布情况，选用合适的热处理、喷丸强化和机械加工工艺进行改性处理[9]，改善材料的金相组织。铝合金毛坯料进行固溶处理加时效处理。对重要受力的机械件，热处理选用等温淬火加低温回火[10]。对机加、热处理和表面处理等产生的残余应力，在最终热处理后要进行温度冲击、振动、喷砂等消除应力处理措施，提高金属材料的抗应力腐蚀能力。

2) 进行表面处理和涂镀处理。钢铁进行磷化或氧化处理，铝及铝合金进行阳极氧化，铜及铜合金进行化学钝化或氧化。外露钢件和紧固件采取镀镉处理，防止海水与盐雾的侵蚀。常用的油漆涂料按三防性能、膜层机械强度、硬度、柔韧性等特性综合考虑，主要有醇酸漆、氨基漆、丙烯酸聚氨酯漆等，舱外设备选用丙烯酸聚氨酯漆，舱内设备选用氨基漆。此外，涂镀前进行表面喷砂处理可增加涂镀层强度。

3) 铸件、盖板等外露铸造零件，特别是密封舱的壳体进行浸润处理，可以提高铸件的致密性和防渗透能力，既利于保证舱内的气密要求，又能防止材料的晶间腐蚀。

4) 对变压器绕组和线圈进行浸渍处理，对接插件和电路等焊点较多的部位进行硅橡胶灌封处理，提高其防潮耐蚀能力，增加粘接强度，改善抗冲振能力。

5) 电路板和电器组件喷涂三防聚氨酯漆、电缆和接插件连接部位套热缩管并填充热熔胶、外露紧固件应进行涂漆或灌胶处理、在光学窗口外表面镀三防憎水膜、光学组件在装调好后用硅橡胶密封等，提高设备的防护能力。

3 结论

基于实际研究经验，分析了海洋气候环境和舰船机械环境对光电系统的影响和危害，从材料选用、光学系统设计、结构设计和三防工艺技术等方面开展环境适应性设计的研究，并结合产品设计实例，给出了提高系统抗腐蚀性能、耐温度变化和抗冲振能力的具体方法和措施。通过仿真分析、环境试验以及装备应用，设备在-40 ℃～+60 ℃温度范围内和冲击振动条件下工作稳定，多年未出现零部件的腐蚀问题，证明所采取的方法和措施得当可靠，满足系统的环境适应性要求。

[1] 祝耀昌．产品环境工程概论[M]. 北京：航空工业出版社，2003.

ZHU Yao-chang．Generality of product environmental engineering[M]．Beijing：Aeronautics Industry Press，2003.(in Chinese)

[2] 吴晗平．光电系统环境与可靠性[M]. 北京：科学出版社，2009．

WU Han-ping．Environment and reliability of electro-optical system[M]. Beijing：Science Press，2009．(in Chinese)

[3] 张卫国，王玉坤，王斌，等．舰载光电设备的防护技术及设计[J]. 红外技术，2008，30(4)：214-216．

ZHANG Wei-guo，WANG Yu-kun，WANG Bin，et al. Design and three-proofing technique of shipborne optic-electronic equipment[J]. Infrared Technology，2008，30(4)：214-216.(in Chinese with an English abstract)

[4] WILLIAM K. A tradition of testing[J]. Environmental Engineering, 1998(6)：331-339.

[5] GETHING M J. Jane’s electro-optic systems 2011-2012 [M]. UK：Jane’s Information Group Ltd.，2011.

[6] 李娟，王英瑞，张宏．一种机械被动式无热补偿方法[J]．红外与激光工程，2006，35(4)：476-480．

LI Juan，WANG Ying-rui，ZHANG Hong. New passive compensating mechanism for athermalisation[J]. Infrared and Laser Engineering，2006，35(4)：476-480．(in Chinese with an English abstract)

[7] ROBERTS M. Athermalisation of infrared optics：A Review[J]. SPIE，1989，1049：72-81.

[8] 邱成悌，赵惇殳，蒋全兴．电子设备结构设计原理[M]. 南京：东南大学出版社，2001．

QIU Cheng-ti，ZHAO Dun-shu，JIANG Quan-xing. Design theories of electronic equipment structure [M]. Nanjing：Southeast University Press，2001.(in Chinese)

[9] 谢义水．舰载电子设备的三防设计[J]．机械工程学报，2007，43(1)：83-86.

XIE Yi-shui. Three-proofing design of shipborne electronic equipment[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering，2007，43(1)：83-86.(in Chinese with an English abstract)

[10] 乔健，曹立华，施龙．舰载光电设备的三防设计[J]．应用光学，2012，33(2)：245-249.

QIAO Jian，CAO Li-hua，SHI Long. Three-proofing design of shipborne optic-electronic equipment[J]. Journal of Applied Optics，2012，33(2)：245-249.(in Chinese with an English abstract)