摘要：根据直升机驾驶员夜间飞行观察系统（NV PS）的特点，对NV PS的环境适应性设计、光电传感器选取以及控制系统设计等问题进行仿真分析与计算。在系统热设计中热像仪传感器通过传导、对流或辐射将热传递到壳体上，由系统采取统一的散热措施，给出NV PS中伺服系统工作模式，即随动与锁定的控制回路原理。设计的NV PS系统中光学系统焦距为14mm，瞬时视场为2.13 mrad，透射比≥ 80%，机动飞行期间的锁定误差不超过0.1 mrad，对头盔的位置随动误差不超过1.5 mrad，系统随动速度可达到250°/s，角加速度可达到500°/s2。
关键词：直升机；夜间飞行；观察系统
现代化战争要求武装直升机具有全天候、全天时的作战能力。尤其在夜间进行突防作战时，武装直升机采取超低空飞行不仅可避免雷达侦测，提高自生的生存能力，而且可出其不意地对敌方实施打击。导航吊舱用于飞机超低空夜间飞行时的导航，它和瞄准吊舱配套使用，悬挂于机身下方左右侧的吊舱悬挂梁上。导航吊舱包括五大部分：地形跟踪雷达，红外前视，控制计算机，电源和环境控制部件。地形跟踪雷达不断给出飞机前下方地形高低的信号，通过计算机输给飞机的自动驾驶仪以俯仰操纵指令，使飞机能自动始终以比较低的高度飞行。但对驾驶员来说，在夜间通过平显看到的飞机前方的景物却是一片漆黑。红外前视的作用就是让飞行员通过平显在夜间看到和白天相似的外界地形地物的景象。红外前视不利用阳光反射，也不利用微光，更不利用其他照射光，而完全靠外界物体自身的红外辐射，靠各种物体的表面温度的微小差异，或发射系数的不同，而看到各种景物的存在。驾驶员看到地面的景物就可以识别地标，知道自己已飞到的区域，又可操纵飞机的左右偏航，保证在夜航中的安全。直升机驾驶员夜间飞行导航系统（NV PS）是随着红外夜视技术进入实用化阶段而发展起来的。目前国外先进的武装直升机几乎都安装了NV PS等类似的夜间飞行导航系统，
一、慨述
直升机转塔内安装大视场前视红外热像仪（FLIR）和像增强微光电视（I2 TV）。通常转塔部件安装在直升机的前端或腹部位置，控制电子箱安装在直升机机舱内。FLIR和I2 TV 通过光学窗口对外界景物进行探测，通过光电转换和信号处理，必要时在电子箱中通过图像处理电路对FLIR与I2 TV 进行图像融合，然后将视频信号分别送到综合显示器、头盔显示器和视频录像机。光电传感器安装在陀螺稳定平台上，稳定平台由方位与俯仰两自由度万向架构成，对直升机的扰动进行隔离，从而使驾驶员获得稳定的场景图像。万向架上的角位置解算器可输出机体坐标系中视线的角度信号。稳定平台接收外部（头盔系统或操作手柄）指令，通过随动控制回路，带动FLIR和I2 TV 进行搜索、观察，也可用于降级条件下的人工跟踪。头盔指示器的视轴零位与系统的视轴零位一致，在头盔的摆动过程中，热像仪的视轴始终与驾驶员的视线保持一致。系统通常设置随动、手动、锁定、收藏和维护等工作模式。如图。
二、直升机导航系统前视红外
1、作用距离。驾驶员在夜间必须通过系统观察一定范围的地形地貌，因此要求热像仪具有满足要求的宽视场和作用距离。最小可分辨温差（M RTD）是综合评价系统温度分辨率和空间分辨率的重要参数，它不仅包含了系统特性，也包含了观察者的主观因素，是热像系统对目标识别最重要的评价指标。热像仪对目标的作用距离与系统的最小可分辨温差（MRTD）密切相关，同时也取决于目标的外形尺寸、温度特性以及大气传输特性等。在不同天气条件下，目标等效温差ΔT 经路径R 大气衰减后，目标的表观温差为：
2、光学系统。热像仪光学系统由一个40°× 30°广角望远镜组成，聚焦于320× 256焦平面探测器。在系统优化时充分考虑光瞳的设置，使系统冷屏效率最佳。热像仪的光学系统须解决大视场和分辨率的匹配问题。根据探测器规模和尺寸，设计光学系统焦距为14 mm，f /# 为1.9，瞬时视场为2.13 mrad，透射比≥ 80%。
3、环境适应性设计。NV PS被设计用于承受直升机的恶劣环境条件，包括直升机旋翼引起的振动、飞行高度的迅速变化、淋雨和航炮的发射冲击等。
（1）气密。NV PS要求在动态转动的工作条件下进行气密。由于采用两轴随动平台，需要大速度随动于驾驶员头盔指示器或操作手柄，摩擦力矩直接作用在转动轴上，动密封所造成的摩擦力矩往往是作用在转塔转动轴上的最大干扰力矩，直接影响到伺服性能，因此密封性和摩擦的矛盾必须得到解决。可采用磁流体或动密封圈对系统进行动态密封。
（2）热设计。NV PS中转塔为密封件，如果不采取散热措施，在高温条件下长时间工作，转塔内部的温度将比外部温度高10℃以上，这是热像仪所不能承受的。设计中使热像仪传感器尽量通过传导、对流或辐射将热传递到壳体上，然后由系统采取统一的散热措施。在NV PS转塔内部安装热交换器，以增加转塔内部的强制对流，表面涂层对内部温度影响很大，在设计中选用了防辐射涂料以保护转塔。NV PS的热功耗可由下式计算：
H= h A（t2- t1）
根据改进散热方式后的NV PS产品，取h=3 W /m2· ℃，H= 20 W，A = 0.22 m2，可计得到：Δt= t2- t1= 7℃。
4、过载与碰撞。转塔在炮振冲击、电机失速撞击情况下都有可能造成夜视系统的损坏，输入加速度脉冲时转塔质心及安装面处的加速度响应。可以看出，输入脉冲加速度时，质心位置的最大加速度响应达到13 g，安装面处最大加速度响应达到16.5 g。电机失速时撞击瞬间转塔质心位置的角加速度响应，角加速度的峰值达到11000°/s2，其冲击效果要远远大于炮振冲击。
从夜视系统的应力分布云图可以看出，在炮振冲击条件下，由于炮振冲击的作用时间很短，最靠近冲击部位的零件的应力就越大。方位组件应力大的区域集中在与法兰盘的连接处。
5、伺服系统
随动与锁定是NVPS的工作模式，其控制回路随动模式下LOS运动随动于头盔系统，锁定模式是将LOS锁定在直升机坐标系一致方向上。锁定回路和随动回路控制器模型相同，随动模式可以看作锁定模式的一种特例。但是随动回路的设计较强地依赖于随动系统的参数，主要是通讯延迟，因此模型中必须考虑随动的延迟环节，对于直升机来说，典型的（50%）头部移动速率是30/s，最大（90%）速率为200°/s。为了使头部和传感器实现的延迟和误差最小，对于240 Hz或120 Hz的头盔视觉系统一起工作的传感器万向架机构来说，需要300°/s的旋转速率和5000°/s2 的加速度，这对伺服系统来说是非常困难的，目前较好的产品大多是1000°/s2，对系统所要求的控制模式，为保证系统处于良好的动态特性和必须的伺服带宽，通过对各回路的控制器进行设计，本系统稳定性能可达到0.1 mrad；转弯速度为30°/s，机动飞行期间的锁定误差不超过0.1 mrad；对头盔的位置随动误差不超过1.5 mrad。系统随动速度可达到250°/s，角加速度可达到500°/s2。
结论
直升机驾驶员夜间飞行观察导航系统设计是一项较复杂的技术，涉及到光、机、电、控制、计算机及图像处理等多学科技术。对研制NV PS产品工程设计中遇到的部分技术问题进行了分析与探讨，这些大多是作者在实际工作中所遇到的问题，为从事类似产品开发的读者提供了一种途径。
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论文作者:毕一凡1,朱胜2,崔迪3
论文发表刊物:《基层建设》2019年第12期
论文发表时间:2019/7/22
标签：系统论文; 直升机论文; 头盔论文; 夜间论文; 驾驶员论文; 回路论文; 角加速度论文; 《基层建设》2019年第12期论文;