微光夜视仪结构设计中材料的选择

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摘要：本文基于微光夜视仪的使用特点，对比多种常用材料，提出对所有的机械零件选择使用同一种材料的大胆设想，为保证微光夜视仪光学系统的更好的工作。

关键词：微光夜视仪；结构设计；材料选择

微光夜视仪是一种应用于军事作战中的精密光学仪器，其中光学系统中光学元件的安装定位精度、杂光的干扰等，会直接影响光学系统的成像质量。机械系统是微光夜视仪的重要组成部分，由于该夜视仪是军事作战中用于头盔上的微光夜视成像系统，对重量、体积指标要求非常严格，所以在进行机械结构设计时，要在保证夜视仪性能的前提下，应尽力使其整个结构简单，重量轻。为提高我军作战能力，所以有必要对微光夜视仪做结构优化。因此，微光夜视仪结构设计的任务是按照光学系统设计的轴向要求、光学元件的间隔以及同心度要求，使微光夜视仪光学系统各部分组成一个稳定的整体，并保证光学系统的性能指标要求。同时镜筒结构设计应满足：不影响光学系统性能、光学元件的安装无应力、镜筒与光学元件的接口、消杂光、重量和体积等总体要求。但是由于质量和体积的限制，野战中严酷的高低温环境影响，使用传统的机械设计理念很难满足系统的要求。

本文对所有的机械零件选择使用同一种材料，以保证恶劣环境下机械零件均匀地膨胀和收缩，避免不同的膨胀会造成卡环松脱，并且保证微光夜视仪光学系统的正常工作。结构设计的最直接目标就是选择使用一种热膨胀系数近似于零的材料进行构架。微光夜视仪镜座和镜筒是保证微光夜视仪光学系统性能的关键部件，所以镜座及镜筒的材料选择、镜座的结构形式以及镜筒的设计对光学系统成像质量起着关键的作用；在满足微光夜视仪结构力学性能要求的前提下，还要尽量降低系统结构的质量，并且能适用于野战中严酷的高低温环境，所以镜座及镜筒材料的选择必须保证机械系统的精度及稳定性。（1）机械性能稳定性。一方面为了减轻结构质量，应该选择低密度的材料；另一方面，为了提高结构的刚性，应该采用高弹性模量的材料。所以，高比刚度是选择微光夜视仪结构材料的关键指标。并且为了在加工后能保证高精度，所选材料的尺寸稳定性应该良好。（2）热性能稳定性。应该选用低热膨胀系数的材料作结构材料，并考虑结构之间的热补偿，以使光学系统在野战恶劣的高低温环境下仍能保证良好的性能。另一方面，热导率高还可以使结构中的温度梯度较小，并使结构内部热平衡容易在短时间内达到。基于以上分析，本文微光夜视仪结构零件选择使用机械性能和强度可以和金属材料相媲美的复合材料。复合材料通过组元材料的协调作用，可以在很大程度上改善和提高单一常规材料的机械性能、物理性能和化学性能。非金属复合材料具有可设计性及密度小的显著特点，因此使用非金属复合材料不仅可以满足夜视仪机械性能和强度要求，而且可以减轻整个夜视仪的重量。几种典型复合材料和常用材料性能对比如表1。碳纤维主要是由碳元素组成的一种特种纤维，其含碳量随种类不同而异，一般在90%以上。碳纤维具有一般碳素材料的特性，如耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀等，但与一般碳素材料不同的是，其外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。碳纤维比重小，因此有很高的比强度。碳纤维是一种力学性能优异的新材料，它的比重不到钢的1/4，碳纤维树脂复合材料抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7～9倍，抗拉弹性模量为23000～43000Mpa亦高于钢。碳纤维的主要用途是与树脂、金属、陶瓷等基体复合，制成结构材料。碳纤维增强环氧树脂复合材料，其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。在密度、刚度、重量、疲劳特性等有严格要求的领域，在要求高温、化学稳定性高的场合，碳纤维复合材料都颇具优势。碳纤维是20世纪50年代初应火箭、宇航及航空等尖端科学技术的需要而产生的，现在还广泛应用于体育器械、纺织、化工机械及医学领域。随着尖端技术对新材料技术性能的要求日益苛刻，促使科技工作者不断努力提高。20世纪80年代初期，高性能及超高性能的碳纤维相继出现，这在技术上是又一次飞跃，同时也标志着碳纤维的研究和生产已进入一个高级阶段。由碳纤维和环氧树脂结合而成的复合材料，由于其比重小、刚性好和强度高而成为一种先进的航空航天材料。因为航天飞行器的重量每减少1公斤，就可使运载火箭减轻500公斤。所以，在航空航天工业中争相采用先进复合材料。有一种垂直起落战斗机，它所用的碳纤维复合材料已占全机重量的1/4，占机翼重量的1/3。

据报道，美国航天飞机上3只火箭推进器的关键部件以及先进的MX导弹发射管等，都是用先进的碳纤维复合材料制成的。碳纤维增强的复合材料这样的优异性能可以满足光学精密仪器高尺寸稳定性以及高结构精度的要求。采用碳纤维复合材料制造微光夜视仪可实现自身减重的目的。该复合材料已经在航空航天和战略武器等方面得到广泛应用，是不可取代的高级复合材料。几种材料的比刚度和热稳定性比较如图1所示。由表1和图1可知，碳纤维增强环氧树脂基复合材料具有如下特点:（1）密度小。碳纤维环氧树脂基复合材料的密度不及钢密度的五分之一，仅是钛合金密度的0.47倍，所以可知，尺寸相同的的结构件用碳纤维环氧树脂基复合材料制作，要比用钢制作轻80％，比用钛合金制作轻53％。（2）比刚度高。碳纤维环氧树脂基复合材料的比刚度约为钛合金材料的2倍，所以可知，在相同质量的前提下，碳纤维复合材料结构刚度要比钛合金的结构刚度提高一倍，因此适用于结构轻量化设计。（3）线膨胀系数小。碳纤维环氧树脂基复合材料的线膨胀系数比钛合金的线膨胀系数小一个数量级甚至更多。在微光夜视仪结构中，要求在严酷高低温环境下变形极小，所以只有采用碳纤维复合材料才能满足。并且其与透镜材料的线膨胀系数相近，这样就可以避免在温度升高或降低时，结构内部产生较大的温度梯度。从微光夜视仪的设计要求出发，考虑其特殊的军事作战环境，提出并详细地总结了微光夜视仪的结构设计中材料的选择，为以后的总体结构设计做了准备。

作者:张博 单位:黑龙江东方学院

参考文献

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