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精密激光武器平台支撑系统
精密激光武器平台支撑系统
2011年3月
摘要
本文提出了一种搭载激光装备的精密装备平台支撑系统的设计方案。
所介绍的精密装备平台支撑系统可以为所搭载的激光装备提供一个机动且稳定的搭载平台，以提高激光装备的机动性、生存能力及打击目标的准确性。
此精密装备平台支撑系统是由一辆载重卡车、四个液压顶升油缸、四个高压电磁阀、两个水平传感器、一台高压栓站、控制电路及载物平台等主要部件构成。
通过各个部件之间的相互配合而构成一个能够快速地进行自我调平的闭环控制的精密装备平台支撑系统。
关键词：
激光装备支撑平台闭环控制
Abstract
Inthispaper,alaserweaponswithsophisticatedweaponsplatformdesignsupportsystem。
Introducedsophisticatedweaponsplatformforthesupportsystemcancarrylaserweaponsandtoprovideamotorwithastableplatformtoenhancethelaserweaponsmobility,survivabilityandaccuracyoftarget.
Thisarmsofprecisionplatformsupportsystemisbyacargovehicle,fourfluidcappingrisesthecylinder,fourhigh-pressuredsolenoidvalves,twohorizonsensors,ahighholdingdownboltstation,thecontrolcircuitandcarriestheplatformandsoonmajorcomponentconstitution.
Throughtheinteractionbetweenthevariouscomponentswhichconstituteamatchcanquicklyself-levelingadaptivecontrolplatformforthesupportofsophisticatedweaponssystems.
Keywords：
laserweapons；precisionweapons；hybridcontrolplatform
目录
精密激光装备平台支撑系统-1-
第一章前言-1-
1.1.课题研究的背景及意义-1-
1.2.激光装备在中外的发展-2-
1.3.控制方式的选择-5-
第二章部分所选器件的介绍-8-
2.1.液压元件-8-
2.2.倾角传感器原理-12-
第三章总体设计及部件的选用-17-
3.1.总体设计方案-17-
3.2.载重卡车的选用-18-
3.3.液压顶升油缸的选用-19-
3.4.高压伺服阀的选用-20-
3.5.高压栓站的选用-21-
3.6.水平传感器的选用-21-
3.7.控制电路的选用-23-
第四章部件的装配设计-25-
4.1.详细的设计方案及说明-25-
4.2.装配设计图及其说明-25-
结束语-30-
致谢-31-
参考文献-33-
精密激光装备平台支撑系统
第一章前言
1.1.课题研究的背景及意义
激光能够向一个方向辐射，散开角度只有几分，甚至小到一秒。
激光的高方向性使它在军事上很受重视。
高度集束的激光，能量非常集中。
举例说，在日常生活中我们认为太阳是非常亮的，但一台巨脉冲红宝石激光器发出的激光却比太阳还亮200亿倍。
当然，激光比太阳还亮，并不是因为它的总能量比太阳还大，而是由于它的能量非常集中。
例如，红宝石激光器发出的激光射束，能穿透一张1/3厘米厚的钢板，但总能量却不足以煮熟一个鸡蛋。
激光作为装备，有很多独特的优点。
首先，它可以用光速飞行，每秒30万公里，任何装备都没有这样高的速度。
它一旦瞄准，几乎不要什么时间就立刻击中目标，用不着考虑提前量。
另外，它可以在极小的面积上、在极短的时间里集中超过核装备100万倍的能量，还能很灵活地改变方向，没有任何发射性污染。
激光装备分为三类：
一是致盲型。
机载致盲装备，就属于这一类。
二是近距离战术型，可用来击落导弹和飞机。
三是远距离战略型。
这类的研制困难最大，但一旦成功，作用也最大，它可以反卫星、反洲际弹道导弹，成为最先进的防御装备。
激光怎样击毁目标呢？
科学家们认为有两个方面：
一是穿孔，二是层裂。
所谓穿孔，就是高功率密度的激光束使靶材表面急剧熔化，进而汽化蒸发，汽化物质向外喷射，反冲力形成冲击波，在靶材上穿一个孔。
所谓层裂，就是原子被电离，形成的等离子是靶材表面吸收的激光能体“云”。
“云”向外膨胀喷射形成应力波向深处传播。
应力波的传播造成靶材被拉断，形成“层裂”破坏。
除此以外，等离子体“云”还能辐射紫外线或X光，破坏目标结构和电子元件。
激光装备作用的面积很小，但破坏在目标的关键部位上，可造成目标的毁灭性破坏。
这和惊天动地的核装备相比，完全是两种风格。
激光装备若要更好的发挥它的战略打击作用，就需要具有很好的机动性、稳定性和准确性。
于是就需要设计一个精密激光装备平台系统，要求能够在战场上快速的进行战略部署并且能够为它所搭载的激光装备提供一个稳定的射击环境以提高激光装备的机动性、生存能力及打击目标的准确性而且要求是一个能够快速进行自我调节的自适应平台系统。
1.2.激光装备在中外的发展
1997年10月，美国以中红外线化学激光炮两次击中在轨道上运行的废弃卫星，宣告这次秘密试验完满成功。
在此同时，中国国防光学单位正加紧攻关，争取在2000年前取得重大技术突破，并为战术激光装备的批量生产做好必要的准备工作。
自1960年世界上第一台红宝石激光器在美国诞生，翌年长光所就研制出在结构上更为先进的同类产品，当时有多个单位同时进行这项工作。
由于该项成果具有突破性，推广激光的文章令其更受注目，中国高层在衡量国内外技术进展後大受鼓舞，决心大力发展激光设备。
1965年西南技术物理研究所制成铝石榴石（Nd：
YAG）激光晶体，翌年制成YAG激光器，1972年QYAG激光器研制成功。
用于军用光纤通信的半导体激光器也在1960年代中期开始研制，20年内中国先後研发出C02激光器、氩离子激光器、环形激光器、稳频激光器、远红外激光等，并于1970年代中期开始批量生产用于陆军装备测距、弹道测量、人造卫星测距、大气激光通信、光纤通信、海军装备测距、陆空军装备导引等方面的系统。
在聂荣臻等支持下，1964年中国科学院组建了激光专业研究所一上海光机所，主攻高功率、大能量的强激光器研究工作，而上光所其实也是长光所协助兴建的，可见长光所具有承先启後的领导地位。
根据国际著名的中国首席军用光学权威王大珩所述，上光所成立以後，因为王淦昌等专家预测强激光聚焦可能产生核聚变，极力主张发展，所以研究所兵分两路，一路由邓锡铬领头进行激光核聚变研究，一路由王之江率领发展激光装备，这两种尖端技术也就这样子在上海奠定了基础。
1974年王大珩率团出访美加介绍了大陆国产强激光装置已打出了中子，令人刮目相看，加国专家表示两国已处于同一水平。
1986年上光所建成峰值功率超过1012瓦的强脉冲激光试验装置，张爱萍上将将它命名为「神光」，使中国成为继美、苏、法、日之後拥有同类设备的国家。
王之江率领的强激光装备团队在探索多种激光器後，最後选定固体激光器作主攻方向，怛无奈当时国内外的技术条件都未成熟，只得在1970年代暂时搁置计划。
计划暂停的原因有多种，尽管当时情报显示国外这方面频有进展，刺激了军方高层，误认为成功近在咫尺。
毛泽东更下达一一一定要研发出来的军今状，但在政治压倒一切的文革年代，人力物力不足，缺乏严格科学论证分析，资源、技术储备、工业基础都没有保障，却仓促把固体激光器定位为主攻方向，终使计划难产。
其实当时国内外的诸多理论研究都还处于原始阶段，所以对激光炮的发展过于乐观，在技术条件和环境尚未成熟的情况下，其结果并不令人意外。
计划搁责後，上光所把资源转移到比较成熟、易於实用化的激光器件研究，使固体高功率激光器和其重要部件激光晶体的品质都达到国际先进水准。
虽然激光装备计划暂停，但仍留下一些人员进行基础研究，以便他日能东山再起。
瞄准2000年的中国神光随著1980年代美国星战计划的登台，中国也在1980年代中期悄悄地把激光装备重新上马。
中国这次汲取了先前的教训，不再定死目标，尽量利用成熟技术，灵活变通，以「侧重基础、侧重提高」为指导方针，在这个技术领域进行长时间的相关探索研究工作。
中国在强激光器的研究陆续进行了C02激光（电激励、气动激励）、自由电子激光和X射线激光等探索，其中C02激光和化学器的输出功率达万瓦及以上，有广阔的开发前景。
而在强激光破坏效应研究方面，对激光的热和力学效应进行了广泛的实验研究和理论分析，取得了满意的成果，提高了对激光破坏目标的认识。
对强激光大气传输特性的研究工作，也从大气折射、大气衰减、湍流效应、非线性效应等方面进行了广泛的理论和试验研究。
应用自适应光学技术改善大气传输效应的研究工作也取得进展，采用横向剪切干涉仪作为波前探测器，驱动单元变形反射镜，带宽为300HZ，对激光信标光束的大气湍流效应进行了补偿。
校正後的尖峰值能量提高到为校正前的3.5倍，分布亦接近衍射极限。
中国新一代飞杪级超短超强激光装置已在1996年由上海光机所研制成功，并通过验收，标志著中国的强激光技术又踏上一个新台阶。
这个设备是大陆第一台用于超短超强激光研究的精密装置，专家认为它的研制成功为中国强场激光物理研究提供了一种全新技术，目前超短超强激光场中的物质及行为研究，是国际上重大前沿研究项目之一。
激光装备具有攻击目标速度快、转移火力快（只需零点几杪）、效费比高，势将成为资讯战时代的重点装备装备，在福克兰战争和波湾战争已得到初步实战验证。
不过目前使用的成熟激光装备仍是低功率的激光致盲装备，虽然它已经被列为不人道装备而受到抵制，怛各列强似乎仍阳奉阴违，以「不怕一万，只怕万一」的心态秘密发展这种装备，其中又以美国表现最为露骨。
中国对此亦有准备，1995年在第四届国际防务展览会上（IDEX95），北方工业展出了1990年代初制成的ZM一87手提激光干扰机，它能使敌人眼睛受伤或令其晕眩，能重创用光电仪器向己方瞄准或射击的敌人。
ZM一87的有效作用距离3公里，加上一个放大器後更可增至5公里，性能并不比美军差。
由于高、低功率激光装备在未来战场上的使用将更为普遍，加上中国在强激光技术上有悠久的发展史和雄厚的技术基础，所以其发展将愈来愈快。
某些技术上可寻求与另一个激光强国一俄罗斯的合作而如虎添翼。
这次美国首次以卫星为对象进行的强激光辐射试验，将会为上海光机所等单位打下一支强心针，目前北京、上海方面已根据需求开始进行战术防空及舰载激光炮的高级工程发展阶段研究。
中国将在2000年以後在强激光装备领域有更大的进展，并初步具备量产化能力，届时中国可能有能力威胁在大陆近岸活动的美国「曙光女神」超高速战略侦察机。
激光装备是一种定向能装备，利用强大的定向发射的激光束直接毁伤目标或使之失效。
它是利用高亮度强激光束携带的巨大能量摧毁或杀伤敌方飞机、导弹、卫星和人员等目标的高技术新概念装备。
强激光装备有着其它装备无可比拟的优点，强激光装备具有速度快、精度高、拦截距离远、火力转移迅速、不受外界电磁波干扰、持续战斗力强等优点。
正因为如此现在，美、俄、英、德、法、以色列等许多西方国家都在积极发展强激光装备。
激光装备经过三十多年的研究，已经日趋成熟并将在今后战场上发挥越来越重要的作用。
中国的激光装备领先美国据世界第一。
这个说法有两大根据：
一、中国研制的超距攻击性激光雷达的威力强大！
它不仅有万里眼的功能，还具有快如闪电，强大无比的万里长矛的威力！
可以在激光雷达侦测到目标后的瞬间直接将其摧毁！
激光雷达是主动性雷达，比传统的电磁雷达更具优点，隐形飞机在他的千里眼中会暴露无疑。
二、在量子点激光器方面的理论研究中，中国早就处于世界最领先的地位，中国的超强功率的固态激光器是世界一流，用它发射的激光束可在3千公里的距离获得每平方厘米35K焦耳能量密度，此能量密度比攻击导弹所必需的破坏阈高出近1个数量级以上。
以此粗略推算，中国的攻击激光雷达有效杀伤力超过3万公里。
中国的攻击激光雷达包含着世界最尖端的5大核心技术：
1、激光材料研究的突破，
2、激光辐射材料物理机理及成像图谱研究的突破
3、一次性快速跟踪定位控制技术的突破
4、高密度能量可逆转换载体材料的突破
5、激光成像技术的突破。
1.3.控制方式的选择
一、开环控制
开环控制是指控制装置与被控对象之间只有顺向作用而没有反向联系的控制过程,按这种方式组成的系统称为开环控制系统,其特点是系统的输出量不会对系统的控制作用发生影响，不具备自动修正的能力。
其输入可分为给定值输入和干扰输入。
涉及的基本概念
控制系统；用以完成一定控制任务的元、部件的组合。
控制器：
对被控对象起控制作用的设备总体，即控制装置。
被控对象：
需要控制的机器、设备或生产过程。
输入量：
作用于控制系统的物理量，可分为使系统具有预定功能的控制输入量（简称控制量）和破坏系统控制输入量和输出量之间预定规律的干扰输入量（简称干扰或扰动量）。
输出量：
控制系统或被控对象的需要进行控制的物理量。
图1.3.1
优点：
简单、稳定、可靠。
若组成系统的元件特性和参数值比较稳定，且外界干扰较小，开环控制能
够保持一定的精度。
缺点：
精度通常较低、无自动纠偏能力。
二、闭环控制
闭环控制是将输出量直接或间接反馈到输入端形成闭环、参与控制的控制方式。
若由于干扰的存在，使得系统实际输出偏离期望输出，系统自身便利用负反馈产生的偏差所取得的控制作用再去消除偏差，使系统输出量恢复到期望值上，这正是反馈工作原理。
可见，闭环控制具有较强的抗干扰能力.
涉及的基本概念
反馈：
输出量送回至输入端并与输入信号比较的过程。
负反馈：
反馈的信号是与输入信号相减而使偏差越来越小。
图1.3.2
优点：
精度较高，对外部扰动和系统参数变化不敏感
缺点：
存在稳定、振荡、超调等问题，系统性能分析和设计麻烦。
因为闭环控制精度较高，且对外部扰动和系统参数变化不敏感，所以此平台系统就选用闭环控制的方式，将水平传感器直接安装在所要调平的台面上。
第二章部分所选器件的介绍
2.1.液压元件
一个完整的液压系统由五个部分组成，即动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件和液压油。
动力元件的作用是将原动机的机械能转换成液体的压力能，指液压系统中的油泵，它向整个液压系统提供动力。
液压泵的结构形式一般有齿轮泵、叶片泵和柱塞泵。
执行元件（如液压缸和液压马达）的作用是将液体的压力能转换为机械能，驱动负载作直线往复运动或回转运动。
控制元件（即各种液压阀）在液压系统中控制和调节液体的压力、流量和方向。
根据控制功能的不同，液压阀可分为压力控制阀、流量控制阀和方向控制阀。
压力控制阀又分为溢流阀（安全阀）、减压阀、顺序阀、压力继电器等；流量控制阀包括节流阀、调整阀、分流集流阀等；方向控制阀包括单向阀、液控单向阀、梭阀、换向阀等。
根据控制方式不同，液压阀可分为开关式控制阀、定值控制阀和比例控制阀。
辅助元件包括油箱、滤油器、油管及管接头、密封圈、压力表、油位油温计等。
液压油是液压系统中传递能量的工作介质，有各种矿物油、乳化液和合成型液压油等几大类。
液压元件：
液压元件中可分为动力元件和控制元件以及执行元件三大类。
尽管都是液压元件，它们的自身功能和安装装使用的技术要求也不尽相同，现分别介绍如下：
一、什么是动力元件？
动力元件指的是各种液压泵。
1、齿轮油泵和串联泵（包括外啮合与内啮合）两种结构型式。
2、叶片油泵（包括单级泵、变量泵、双级泵、双联泵）。
3、柱塞油泵，又分为轴向柱塞油泵和径向柱塞油泵，轴向柱塞泵有定量泵、变量泵、（变量泵又分为手动变量与压力补偿变量、伺服变量等多种）从结构上又分为端面配油和阀式配油两种配油方式，而径向柱塞泵的配油型式，基本上为阀式配油。
液压元件分类
动力元件：
齿轮泵、叶片泵、柱塞泵、螺杆泵；
执行元件：
液压缸、活塞液压缸、柱塞液压缸、摆动液压缸、组合液压缸；
液压马达：
齿轮式液压马达、叶片液压马达、柱塞液压马达；
控制元件：
方向控制阀、单向阀、换向阀；
压力控制阀：
溢流阀、减压阀、顺序阀、压力继电器等；
流量控制阀：
节流阀、调速阀、分流阀；
辅助元件：
蓄能器、过滤器、冷却器、加热器、油管、管接头、油箱、压力计、流量计、密封装置等；
液压系统的组成
动力元件（油泵）、执行元件（油缸或液压马达）、控制元件（各种阀）、辅助元件和工作介质等五部分组成。
1、动力元件（油泵）它的作用是把液体利用原动机的机械能转换成液压力能；是液压传动中的动力部分。
2、执行元件（油缸、液压马达）它是将液体的液压能转换成机械能。
其中，油缸做直线运动，马达做旋转运动。
3、控制元件包括压力阀、流量阀和方向阀等。
它们的作用是根据需要无级调节液动机的速度，并对液压系统中工作液体的压力、流量和流向进行调节控制。
4、辅助元件除上述三部分以外的其它元件，包括压力表、滤油器、蓄能装置、冷却器、管件{主要包括:
各种管接头（扩口式、焊接式、卡套式,sae法兰）、高压球阀、快换接头、软管总成、测压接头、管夹等}及油箱等，它们同样十分重要。
5、工作介质工作介质是指各类液压传动中的液压油或乳化液，它经过油泵和液动机实现能量转换。
液压阀
液压阀是一种用压力油操作的自动化元件，它受配压阀压力油的控制，通常与电磁配压阀组合使用，可用于远距离控制水电站油、气、水管路系统的通断。
用于降低并稳定系统中某一支路的油液压力，常用于夹紧、控制、润滑等油路。
有直动型与先导型之分，多用先导型。
液压管接头的分类
液压软管、高压球阀、意图奇的快速接头、卡套式管接头、焊接式管接头、高压软管。
液压管接头和普通管接头的差别
最大的最显著的区别的就是液压的压力是大的惊人的，液压油管突然爆裂油的冲击力是很大的。
肯定不能用普通的替换专用的接头，因为液压的都是可以承受很大压力的，普通的最多0.5个气压就已经快不行了，现在我们的液压管接头技术比起国外来差距太大，液压英才网提醒各位液压届的朋友要多多交流发展中国自己的液压管接头技术。
液压的原理
它是由两个大小不同的液缸组成的，在液缸里充满水或油。
充水的叫“水压机”；充油的称“油压机”。
两个液缸里各有一个可以滑动的活塞，如果在小活塞上加一定值的压力，根据帕斯卡定律，小活塞将这一压力通过液体的压强传递给大活塞，将大活塞顶上去。
设小活塞的横截面积是S1，加在小活塞上的向下的压力是F1。
于是，小活塞对液体的压强为P=F1/SI，能够大小不变地被液体向各个方向传递”。
大活塞所受到的压强必然也等于P。
若大活塞的横截面积是S2，压强P在大活塞上所产生的向上的压力F2=PxS2，截面积是小活塞横截面积的倍数。
从上式知，在小活塞上加一较小的力，则在大活塞上会得到很大的力，为此用液压机来压制胶合板、榨油、提取重物、锻压钢材等。
液压的优点
与机械传动、电气传动相比，液压传动具有以下优点：
1、液压传动的各种元件，可以根据需要方便、灵活地来布置。
2、重量轻、体积小、运动惯性小、反应速度快。
3、操纵控制方便，可实现大范围的无级调速（调速范围达2000：
1）。
4、可自动实现过载保护。
5、一般采用矿物油作为工作介质，相对运动面可自行润滑，使用寿命长；
6、很容易实现直线运动
7、很容易实现机器的自动化，当采用电液联合控制后，不仅可实现更高程度的自动控制过程，而且可以实现遥控。
液压系统中的密封件
在液压系统及其系统中，密封装置用来防止工作介质的泄漏及外界灰尘和异物的侵入。
其中起密封作用的元件，即密封件。
外漏会造成工作介质的浪费，污染机器和环境，甚至引起机械操作失灵及设备人身事故。
内漏会引起液压系统容积效率急剧下降，达不到所需要的工作压力，甚至不能进行工作。
侵入系统中的微小灰尘颗粒，会引起或加剧液压元件摩擦副的磨损，进一步导致泄漏。
因此，密封件和密封装置是液压设备的一个重要组成部分。
它的工作的可靠性和使用寿命，是衡量液压系统好坏的一个重要指标。
除间隙密封外，都是利用密封件，使相邻两个偶合表面间的间隙控制在需要密封的液体能通过的最小间隙以下。
在接触式密封中，分为自封式压紧型密封和自封式自紧型密封（即唇形密封）两种。
表2.1器件列表
动力元件
执行元件
控制元件
辅助元件
工作介质
高压栓站
自锁油缸
高压伺服阀
高压软管
高压油
图2.1
2.2.倾角传感器原理
倾角传感器经常用于系统的水平测量，从工作原理上可分为“固体摆”式、“液体摆”式、“气体摆”三种倾角传感器，下面就它们的工作原理进行介绍。
１、“固体摆”式惯性器件
固体摆在设计中广泛采用力平衡式伺服系统，如图2.2.1所示，其由摆锤、摆线、支架组成， 摆锤受重力Ｇ和摆拉力Ｔ的作用，其合外力Ｆ为：
图2.2.1
其中，θ为摆线与垂直方向的夹角。
在小角度范围内测量时，可以认为Ｆ与θ成线性关系。
如应变式倾角传感器就是基于此原理。
２、“液体摆”式惯性器件
液体摆的结构原理是在玻璃壳体内装有导电液，并有三根铂电极和外部相连接，三根电极相互平行且间距相等，如图2.2.2所示。
图2.2.2
当壳体水平时，电极插入导电液的深度相同。
如果在两根电极之间加上幅值相等的交流电压时，电极之间会形成离子电流，两根电极之间的液体相当于两个电阻ＲI和ＲIII。
若液体摆水平时，则ＲI＝ＲIII。
当玻璃壳体倾斜时，电极间的导电液不相等，三根电极浸入液体的深度也发生变化，但中间电极浸入深度基本保持不变。
图2.2.3
如图2.2.3所示，左边电极浸入深度小，则导电液减少，导电的离子数减少，电阻ＲI增大，相对极则导电液增加，导电的离子数增加，而使电阻ＲIII 减少，即ＲI＞ＲIII。
反之，若倾斜方向相反，则ＲI＜ＲIII。
在液体摆的应用中也有根据液体位置变化引起应变片的变化，从而引起输出电信号变化而感知倾角的变化。
在实用中除此类型外，还有在电解质溶液中留下一气泡，当装置倾斜时气泡会运动使电容发生变化而感应出倾角的“液体摆”。
３ “气体摆”式惯性器件
气体在受热时受到浮升力的作用，如同固体摆和液体摆也具有的敏感质量一样，热气流总是力图保持在铅垂方向上，因此也具有摆的特性。
“气体摆”式惯性元件由密闭腔体、气体和热线组成。
当腔体所在平面相对水平面倾斜或腔体受到加速度的作用时，热线的阻值发生变化，并且热线阻值的变化是角度ｑ或加速度的函数，因而也具有摆的效应。
其中热线阻值的变化是气体与热线之间的能量交换引起的。
“气体摆”式惯性器件的敏感机理基于密闭腔体中的能量传递，在密闭腔体中有气体和热线，热线是唯一的热源。
当装置通电时，对气体加热。
在热线能量交换中对流是主要形式。
对流传热的方程为：
（2）
h—热量
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