RU2616341C1 - Оптическое устройство - Google Patents

Abstract

Оптическое устройство относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в устройствах, предназначенных для внешнетраекторных измерений в космической геодезии и полигонных измерениях. Устройство содержит излучатель, приемный блок, оптическая ось которого сопряжена с осью луча, отражающие элементы, образующие лучевод и смонтированные на опорно-поворотном устройстве, поворотные элементы которого выполнены с сообщающимися полостями для прохождения оптического луча, с взаимно ортогональными осями вращения и каждый снабжен подшипниковой опорой, датчиком угла поворота и приводом вращения, выполненным в виде моментного двигателя, включающего ротор и статор. Первый поворотный элемент выполнен в виде многогранника, у которого, по крайней мере, две грани ортогональны относительно друг друга, и на одной из этих граней закреплен второй поворотный элемент, подшипниковая опора представляет собой прецизионный радиально-упорный подшипник, в качестве датчика угла поворота использован оптический датчик с отсчетным элементом в виде кольца. Соединения поворотных элементов ОПУ со своими двигателями и кольцами подшипников выполнены по альтернативным схемам: статоры двигателей и наружные кольца подшипников обоих поворотных элементов выполнены неподвижными, а роторы их двигателей и внутренние кольца подшипников - с возможностью вращения или, наоборот, статор двигателя и наружное кольцо подшипника одного из поворотных элементов выполнены неподвижными, а ротор и внутреннее кольцо подшипника этого же поворотного элемента - с возможностью вращения, при этом статор двигателя и наружное кольцо подшипника другого поворотного элемента - с возможностью вращения, а ротор двигателя этого поворотного элемента и внутреннее кольцо подшипника - неподвижными. В полости многогранника под углом 45° к оси вращения многогранника установлен один из отражающих элементов, другой отражающий элемент расположен в полости второго поворотного элемента и закреплен на подвижном кольце его подшипника, при этом оси вращения отражающих элементов перекрещиваются в общей точке, расположенной на поверхности отражающего элемента, установленного внутри многогранника. Технический результат - обеспечение транспортабельности и уменьшение габаритов. 10 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может быть использовано в устройствах, предназначенных для внешнетраекторных измерений в космической геодезии и полигонных измерениях.

Рост количества искусственных объектов в околоземном пространстве обуславливает актуальность задач, связанных с их поиском, распознаванием, сопровождением и внешнетраекторными измерениями.

Одна из актуальных задач связана с определением координат и скорости летательных аппаратов, летящих с высокой скоростью на небольшой высоте. Для слежения за подобными объектами скорости наведения поворотных частей наземных измерительных средств должны быть не менее 30%, при этом должна обеспечиваться точность наведения и слежения порядка единиц угловых секунд. Обеспечение подобных целевых характеристик требует создания измерительных средств, имеющих небольшие массогабаритные характеристики, моменты инерции и моменты сопротивления.

В последнее время особенно актуальной стала задача обнаружения и слежения за малоразмерными беспилотными летательными аппаратами (БЛА), малозаметными, обладающими малой скоростью и способными летать с достаточно большими вертикальными ускорениями и (или) по непредсказуемым траекториям. Современные средства обнаружения и борьбы с ними неэффективны. Поэтому все большее значение приобретают «активные» средства обнаружения и сопровождения, к которым и относится данное устройство.

Задачей предлагаемого изобретения является создание компактного транспортабельного высокоточного оптического устройства для обнаружения, сопровождения и определения местоположения летающих объектов, пригодного для длительной работы на полигоне.

Максимальную простоту конструкции при минимуме веса и большой апертуре наблюдения обеспечивают перископические приборы наблюдения.

Простейшим перископом является зеркальный перископ, состоящий из двух плоских зеркал, расположенных одно над другим примерно под углом 45 градусов к горизонту. В качестве примера зеркального перископа можно привести прибор для наблюдения через крышу танка («Оптика в военном деле». Сборник статей под редакцией академика С.И. Вавилова и проф. М.В. Савостьяновой. Издание третье. Том 2 Издательство академии наук СССР. М., 1948 год, Л., рис. 39).

Так называемый «Панорамный перископ имеет своей задачей освободить своего наблюдателя от необходимости поворачивать весь перископ целиком. Верхняя часть внутренней трубы, несущая входной отражатель, у этого перископа сделана подвижной и может поворачиваться вокруг вертикальной оси («Оптика в военном деле». Сборник статей по редакцией академика С.И. Вавилова и проф. М.В. Савостьяновой. Издание третье. Том 2. Издательство академии наук СССР. М., 1948 год, Л., с. 86). Перископические устройства могут обладать большой апертурой, просты и надежны в использовании, но не обладают требуемой точностью слежения и не имеют моторизованных следящих приводов, обеспечивающих поворот зеркал сразу по 2 координатам.

Известно опорно-поворотное устройство (ОПУ), содержащее первый поворотный механизм, состоящий из первого основания и установленного на нем поворотного относительно первичной оси узла, и второй поворотный механизм, состоящий из второго основания и установленной на нем поворотной относительно вторичной оси, перпендикулярной первичной оси, платформы в виде плиты, установленной на валу, при этом первый и второй поворотные механизмы снабжены первым и вторым приводами поворотного узла и поворотной платформы соответственно, подключенными к электрическим соединителям. Каждое основание выполнено цилиндрическим, поворотный узел первого поворотного механизма выполнен в виде полого вала с установленным на нем неподвижно зубчатым колесом, полый вал поворотного узла размещен внутри первого основания, а вал поворотной платформы размещен внутри второго основания. Плита закреплена на противоположных концах вала поворотной платформы, выступающих из второго основания, на нем выполнена бобышка. Второй поворотный механизм смонтирован на поворотном узле посредством кронштейна в виде пальца с фланцем, присоединенным к торцовой поверхности бобышки. Поверхность пальца выполнена ступенчатой, одна ступень установлена внутри полого вала. Привод каждого поворотного механизма размещен внутри соответствующего цилиндрического основания в кольцевом пространстве между ним и соответствующим валом, в бобышке и пальце выполнены отверстия, сообщающие друг с другом полости оснований, выполненных герметичными, между первым основанием и наружной поверхностью пальца, а также между вторым основанием и валом поворотной платформы установлены подвижные, а между фланцем и торцовой поверхностью бобышки - неподвижное уплотнения (патент RU 2209496, публик. 27.07.2003).

Известное опорно-поворотное устройство имеет компактные размеры, механизмы хорошо защищены от неблагоприятных внешних условий, температуры, запыленности, избыточной влажности. В тоже время использование редукторов обусловливает невысокую точность слежения, а главное, без резкого увеличения габаритов и веса невозможно скомпоновать подобную конструкцию с вводом-выводом излучения требуемой апертуры через полые валы опорно-поворотного устройства.

Известно оптическое устройство (патент 2111519, публик. 20.05.1998), включающее оптический блок, смонтированный на опорно-поворотном устройстве со взаимно ортогональными осями вращения, выполненном в виде установленного на стойках основания первого полого вала, на котором с возможностью вращения установлен второй полый вал с жестко закрепленным упомянутым блоком, приводы вращения относительно упомянутых осей и зеркало. На основании установлены неподвижные стойки, в которых с возможностью вращения установлены первый полый вал, на котором с возможностью вращения установлен второй полый вал с жестко закрепленным оптическим блоком. Полые валы снабжены безредукторными приводами вращения относительно упомянутых осей. Каждый привод выполнен в виде моментного двигателя, содержащего ротор и статор. Внутри первого полого вала в месте пересечения осей наведения установлено переотражающее зеркало, размещенное также внутри второго полого вала, для чего в последнем выполнен вырез. Второй полый вал установлен на опорах, выполненных в противоположных стенках корпуса первого вала с образованием выступающего наружу свободного конца, а ротор соответствующего моментного двигателя соединен с этим концом разъемным соединением с образованием консоли. При этом статор моментного двигателя с помощью переднего фланца консольно соединен с переходником, выполненным на корпусе первого полого вала, а через ротор моментного двигателя вдоль его оси пропущен кабелепереход с одного полого вала на другой. Одна из стоек основания выполнена с переходником для другого моментного двигателя. При этом первый полый вал установлен на этой стойке с образованием свободного конца, с которым соединен ротор моментного двигателя с разъемным соединением с образованием консоли.

Известное оптическое устройство имеет сравнительно большие массогабаритные характеристики и не является транспортабельным. Кроме того, схемно-компоновочное решение известного устройства не предполагает расширения его функциональных возможностей.

Известно другое оптическое устройство (патент RU 2137167, публик. 10.09.1999), имеющее ОПУ с альт-азимутальной монтировкой. Известное оптическое устройство содержит основание, вилку, включающую в себя платформу с двумя стойками, установленную в основании с возможностью поворота вокруг вертикальной (азимутальной) оси, средник с оптическим блоком, установленный в вилке с возможностью поворота вокруг горизонтальной (угломестной) оси, узлы вращения и приводы вращения относительно упомянутых осей, устройство регулировки вертикальности оси вращения вилки, последовательно установленные отражающие элементы и оптическую аппаратуру. Оптический блок включает в себя несколько оптико-электронных устройств, обеспечивающих прием и передачу оптического сигнала на различных каналах, например телевизионных, инфракрасных, лазерных, а также преобразование оптического сигнала в удобную форму. Последовательно установленные отражающие элементы образуют два лучевода с общим начальным участком, ось которого совмещена с вертикальной осью вращения. При этом ось предпоследнего участка каждого лучевода совмещена с горизонтальной осью вращения. Каждый привод вращения содержит моментный двигатель, включающий статор и ротор. Наведение оптического устройства по упомянутым осям обеспечивается моментными двигателями, датчиками положения по углу и датчиками скорости. Каждый из последних выполнен в виде единого агрегата с соответствующим моментным двигателем. Узлы вращения средника с оптическим блоком выполнены в виде прикрепленных к среднику трубчатых полуосей, входящих внутрь соответствующих подшипниковых опор, закрепленных на стойках вилки. Одна из трубчатых полуосей выполнена с образованием свободного конца, который с помощью разъемного соединения соединен с ротором моментного двигателя, статор которого с помощью переднего фланца консольно соединен с соответствующей стойкой вилки. Узел вращения вилки относительно вертикальной оси выполнен в виде смонтированных на основании оптического устройства двух концентричных подшипниковых опор, центральная из которых установлена на упомянутом основании с возможностью ограниченного перемещения и поворота относительно упомянутой вертикальной оси. В одном из вариантов выполнения это обеспечивается посредством закрепленной на основании оптического устройства кольцевой мембраны. Вместо кольцевой мембраны могут быть применены радиально расположенные упругие элементы. Вилка в центральной подшипниковой опоре установлена посредством трубчатой цапфы, свободный конец которой через переходник с помощью разъемного соединения соединен с ротором другого моментного двигателя, статор которого соединен с основанием оптического устройства. Через трубчатую цапфу пропущен кабелепереход с вилки на основание. Кабелепереход выполнен с возможностью прохождения оптического луча вдоль вертикальной оси вращения к оптической аппаратуре, размещенной на основании оптического устройства. Последняя представляет собой квантово-оптическую приемопередающую аппаратуру, обеспечивающую возможность работы оптического устройства одновременно в режиме приема и передачи. Размещение этой аппаратуры на неподвижном основании наряду с обеспечением уменьшения массогабаритных характеристик поворотных частей оптического устройства облегчает ее обслуживание при эксплуатации. Общий начальный участок упомянутых лучеводов пропущен через узел вращения вилки относительно вертикальной оси. Предпоследний участок каждого лучевода пропущен через соответствующий узел вращения средника с оптическим блоком относительно горизонтальной оси. Средник с оптическим блоком установлен с возможностью регулировки его положения относительно горизонтальной оси вращения. Между основанием оптического устройства и платформой вилки, а также между вилкой и одной трубчатой полуосью установлены устройства фиксации их взаимного положения.

Известное оптическое устройство является многофункциональным и обеспечивает слежение за быстродвижущимися объектами. Однако оно имеет сравнительно большие массогабаритные характеристики, что связано, в частности, со схемно-компоновочным решением, положенным в основу его конструкции. Апертура луча, который можно пропустить сквозь полые валы, относительно габаритов самого опорно-поворотного устройства, слишком мала. При необходимости увеличения апертуры луча для снижения лучевой нагрузки на зеркалах габаритные размеры конструкции и ее вес быстро растут, что делает конструкцию нетранспортабельной. Кроме того, конструкцию с разрезным валом невозможно загерметизировать, а разрезной вал существенно ограничивает рабочие углы самого опорно-поворотного устройства.

Известно другое оптическое устройство (патент RU 2187137, публик. 10.08.2002), выбранное в качестве ближайшего аналога. Оптическое устройство содержит оптико-электронную аппаратуру, оптико-механический блок с излучателем, последовательно установленные отражающие элементы, выполненные в виде плоских зеркал, образующие лучевод и смонтированные на ОПУ, поворотные элементы которого выполнены полыми с сообщающимися полостями для прохождения оптического луча, с взаимно ортогональными осями вращения (азимутальной и угломестной) и каждый снабжен подшипниковой опорой, датчиком угла поворота и приводом вращения, выполненным в виде моментного двигателя, включающего ротор и статор, один из поворотных элементов - первый установлен на закрепленной на основании неподвижной платформе с возможностью поворота вокруг одной из осей вращения, а второй - на первом с возможностью поворота вокруг другой оси, при этом статор двигателя первого поворотного элемента закреплен на неподвижной платформе, статор второго - на первом поворотном элементе. ОПУ включает первый поворотный блок - вилку с двумя стойками и штырем и второй - полый вал. Оптико-механический блок установлен между неподвижной платформой и основанием. На стойках вилки в подшипниковых опорах установлен полый вал, к каждому из концов которого при помощи фланца присоединено по одному оптическому блоку. Отражающие элементы образуют лучевод с возможностью прохождения оптического луча от одного из оптических блоков к оптико-механическому блоку. Полый вал выполнен с вырезом с возможностью размещения в нем одного из отражающих элементов. Штырь установлен в двух разнесенных по высоте подшипниковых опорах. Одна из подшипниковых опор каждой из осей вращения ОПУ снабжена средством для компенсации температурных деформаций.

Недостаток известного устройства заключается в том, что оно имеет сравнительно большие массогабаритные характеристики при малом размере отражающего зеркала, размещенного в оптическом блоке.

Механизмы прецизионного устройства для работы на полигоне должны быть хорошо защищены от неблагоприятных внешних условий, перепадов температуры, запыленности, избыточной влажности и т.д. Требования к защите оптических элементов ОПУ, предназначенного для работы на полигоне, существенно выше. Поэтому реальная лучевая стойкость оптических элементов ОПУ является величиной очень важной, если не определяющей для длительной работы на полигоне.

Для снижения лучевой нагрузки на зеркалах и улучшения расходимости лазерного луча он должен иметь максимально возможную апертуру.

Все известные оптические устройства с ОПУ имеют существенно худшие эксплуатационные показатели в условиях полигона, в первую очередь по соотношению апертура лазерного канала/габаритные размеры опорно-поворотного устройства, (или апертура/вес).

Увеличение апертуры лазерного канала - снижение лучевой нагрузки на оптические элементы позволяет снизить требования к качеству изготовления самих оптических элементов, зеркальных и отражающих покрытий, существенно облегчает требования по чистоте отражающих поверхностей и защитных стекол, позволяет без разрушения оптических элементов увеличить мощность и длительность работы в активном режиме. Кроме того, увеличение апертуры - прямой путь к улучшению оптических характеристик - расходимости лазерного излучения и соответственно точности наведения.

Техническим результатом заявляемого изобретения является обеспечение транспортабельности и уменьшение габаритов.

Указанный технический результат достигается благодаря тому, что в конструкции оптического устройства, содержащего излучатель, приемный блок, оптическая ось которого сопряжена с осью луча, отражающие элементы, образующие лучевод и смонтированные на опорно-поворотном устройстве, поворотные элементы которого выполнены с сообщающимися полостями для прохождения оптического луча, с взаимно ортогональными осями вращения и каждый снабжен подшипниковой опорой, датчиком угла поворота и приводом вращения, выполненным в виде моментного двигателя, включающего ротор и статор, один из поворотных элементов - первый установлен на неподвижной платформе с возможностью поворота вокруг одной из осей вращения, а второй - на первом с возможностью поворота вокруг другой оси, новым является то, что:

- первый поворотный элемент выполнен в виде многогранника, у которого, по крайней мере, две грани ортогональны относительно друг друга;

- на одной из этих ортогональных граней закреплен второй поворотный элемент;

- подшипниковая опора представляет собой прецизионный радиально-упорный подшипник;

- в качестве датчика угла поворота использован оптический датчик с отсчетным элементом в виде кольца;

- поворотные элементы ОПУ со своими двигателями и кольцами подшипников соединены по одной из следующих схем: а) либо статоры двигателей и наружные кольца подшипников обоих поворотных элементов выполнены неподвижными, а роторы их двигателей и внутренние кольца подшипников - с возможностью вращения, б) либо -наоборот, в) либо статор двигателя и наружное кольцо подшипника одного из поворотных элементов выполнены неподвижными, а ротор и внутреннее кольцо подшипника этого же поворотного элемента - с возможностью вращения, при этом статор двигателя и наружное кольцо подшипника другого поворотного элемента - с возможностью вращения, а ротор двигателя этого поворотного элемента и внутреннее кольцо подшипника - неподвижными;

- в полости многогранника под углом 45° к оси вращения многогранника установлен один из отражающих элементов, другой отражающий элемент расположен в полости второго поворотного элемента и закреплен на подвижном кольце его подшипника, при этом оси вращения отражающих элементов перекрещиваются в общей точке, расположенной на поверхности отражающего элемента, установленного внутри многогранника.

При выполнении соединения по схеме а): статор двигателя многогранника и наружное кольцо его подшипника закреплены на неподвижной платформе, а статор второго поворотного элемента - на одной из двух ортогональных граней многогранника, соединенной с наружным кольцом подшипника второго поворотного элемента, на внутреннем кольце этого подшипника через переходное кольцо закреплен ротор двигателя второго поворотного элемента и отсчетное кольцо датчика угла поворота, второй поворотный элемент закреплен на внутреннем кольце своего подшипника, а наружное кольцо подшипника второго поворотного элемента и статор его двигателя через переходное кольцо закреплены на другой ортогональной грани многогранника.

При выполнении соединения по схеме б): ротор двигателя многогранника и внутреннее кольцо его подшипника закреплены на неподвижной платформе, а ротор второго поворотного элемента - на одной из двух ортогональных граней многогранника, соединенной с наружным кольцом подшипника, на котором через переходное кольцо закреплен статор двигателя многогранника и отсчетное кольцо датчика угла поворота, второй поворотный элемент закреплен на наружном кольце своего подшипника, на котором через переходное кольцо также закреплены статор двигателя этого поворотного элемента и отсчетное кольцо датчика угла поворота, а внутреннее кольцо подшипника второго поворотного элемента и ротор его двигателя через переходное кольцо закреплены на грани многогранника, ортогональной той, которая соединена с наружным кольцом подшипника многогранника,

При выполнении соединения по схеме в) может быть два варианта, либо статор двигателя и наружное кольцо подшипника многогранника выполнены неподвижными, а ротор его двигателя и внутреннее кольцо подшипника - с возможностью вращения, при этом статор двигателя и наружное кольцо подшипника второго поворотного элемента - с возможностью вращения, а ротор двигателя второго поворотного элемента и внутреннее кольцо подшипника - неподвижными, либо статор двигателя и наружное кольцо подшипника второго поворотного элемента выполнены неподвижными, а ротор его двигателя и внутреннее кольцо подшипника - с возможностью вращения, при этом статор двигателя и наружное кольцо подшипника многогранника - с возможностью вращения, а ротор двигателя многогранника и внутреннее кольцо подшипника - неподвижными.

Внутренний объем опорно-поворотного устройства может быть загерметизирован. Внутренний объем опорно-поворотного устройства может быть заполнен осушенным обеспыленным воздухом или осушенным обеспыленным инертным газом. Приемный блок может быть вынесен за пределы ОПУ.

Оптическое устройство может быть оснащено механическими, гидравлическими или электромеханическими стопорами, фиксирующими поворотные элементы ОПУ в транспортном положении.

Оптическое устройство может быть оснащено противовесом или противовесами для приведения центров масс поворотных элементов к осям их вращения.

Крепление отражающего элемента в полости многогранника может представлять собой держатель, выполненный в виде тонкостенной трубы, закрепленной на грани, соединенной с подвижным кольцом его подшипника.

Выполнение первого поворотного элемента в виде многогранника, по крайней мере, две грани которого ортогональны относительно друг друга, позволяет сформировать компактную единую жесткую конструкцию.

Применение в качестве подшипниковой опоры прецизионного радиально-упорного подшипника, выполненного из материалов с близким коэффициентом температурного расширения с материалами элементов конструкции, с которыми он контактирует, позволяет снизить вероятность заклинивания и обеспечить требуемую точность наведения и высокую жесткость поворотных элементов при компактности конструкции.

Применение в качестве датчика угла поворота оптического датчика с отсчетным элементом в виде кольца позволяет обеспечить с высокой точностью выдачу информации в систему управления при оптимальном компоновочном размещении.

Соединение одной из двух ортогональных граней с подвижным кольцом подшипника, который через переходное кольцо соединен с ротором двигателя и отсчетным кольцом датчика угла поворота, а закрепление другого кольца этого подшипника на неподвижной платформе позволяет повысить точность перемещений, упростить процедуру наведения подвижного элемента на любой угол, обеспечив уменьшение габаритов и веса устройства.

Закрепление на подвижном кольце через переходное кольцо ротора двигателя второго поворотного элемента и отсчетного кольца датчика угла поворота, а через переходное кольцо на грани многогранника, ортогональной той, которая соединена с подвижным кольцом подшипника, неподвижного кольца статора двигателя второго поворотного элемента позволяет уменьшить габариты и вес ОПУ.

Установка одного из отражающих элементов лучевода в полости многогранника на держателе, выполненном в виде тонкостенной трубы, закрепленной на грани, соединенной с подвижным кольцом подшипника, под углом 45° к оси вращения многогранника, а другого отражающего элемента, расположенного в полости второго поворотного элемента, вместе с поворотным элементом на подвижном кольце другого подшипника позволяет при минимальных габаритах обеспечить юстировку - совместить оси лучей, увеличить апертуру луча, улучшить расходимость.

Установка отражающих элементов таким образом, чтобы оси их вращения перекрещивались в общей точке, расположенной на поверхности отражающего элемента, расположенного внутри многогранника, позволяет повысить разрешающую способность.

Герметизация внутреннего объема ОПУ позволяет осуществлять длительную работу на полигоне без загрязнения и попадания мусора на оптические элементы. При необходимости герметизация может быть усилена путем заполнения внутреннего объема осушенным обеспыленным воздухом или осушенным обеспыленным инертным газом.

В качестве примера конкретного выполнения заявляемого изобретения может служить компактное транспортабельное оптическое устройство для наблюдения, сопровождения и определения координат летающих объектов, предназначенное для полигонных измерений.

Схематично устройство представлено на чертеже, где: 1, 2 - отражающие элементы (зеркала); 3 - неподвижная платформа; 4, 11 - прецизионные радиально-упорные подшипники; 5, 12 - датчики угла поворота; 6, 13 - роторы моментных двигателей поворотных элементов ОПУ; 7, 14 - статоры моментных двигателей; 8, 15 - переходные кольца (фланцы); 9 - первый поворотный элемент ОПУ (многогранник); 10 - второй поворотный элемент (барабан); 16 - лучевод; 17, 18 - стекла защитные на окнах поворотных элементов ОПУ; 19 - приемное оптическое устройство, 20 - противовес.

Конструктивно заявляемое оптическое устройство может быть выполнено следующим образом.

На неподвижной платформе 3, выполненной в виде жесткого диска, смонтировано комбинированное ОПУ, включающее два полых поворотных элемента, с сообщающимися полостями. Поворотные элементы имеют ортогональные относительно друг друга оси вращения (азимутальную и угломестную). Первый поворотный элемент ОПУ в виде прямоугольного параллелепипеда со скошенной боковой гранью 9, прецизионный радиально-упорный подшипник 4, моментный двигатель 6, 7 и датчик угла поворота 5 объединены в единую жесткую и компактную конструкцию. Статор 7 моментного двигателя закреплен на неподвижной платформе, а ротор 6 через фланец 8, на конической поверхности которого установлено кольцо датчика угла поворота, закреплен на внутреннем, поворотном кольце радиально-упорного подшипника 4. На нижней грани параллелепипеда 9 закреплено подвижное кольцо подшипника 4.

На вертикальной грани параллелепипеда 9 установлен второй поворотный элемент - барабан 10. На нижней грани параллелепипеда 9 на специальном держателе в виде тонкостенной трубы большого диаметра под углом, равным 45 градусам, к оси вращения параллелепипеда 9 установлен отражающий элемент в виде зеркала 1. Для того, чтобы можно было пропустить излучение от первого зеркала ко второму, установленному в полости барабана, в держателе выполнено окно - вырез. Держатель зеркала и соответственно само зеркало 1 имеет монтажную юстировку - разворот влево-вправо относительно середины второго отражающего элемента 2, выполненного также в виде зеркала, расположенного на оси поворота барабана 10.

Барабан 10 снабжен также, как и параллелепипед 9, радиально-упорным подшипником 11, моментным двигателем 7, 14 и датчиком угла поворота 12. Размеры перечисленных элементов подобраны так, что образуют единую жесткую и компактную конструкцию. Барабан 10, закрепленный на вертикальной грани параллелепипеда 9, имеет форму круглой обечайки с днищем и фланцами, большим под окно для ввода -вывода лазерного излучения и малыми под элементы крепления и юстировки зеркала 2. Окно закрыто стеклом 17. Зеркало 2 установлено на специальной оправе, исключающей деформации при его закреплении и неконтролируемые смещения при поворотах. Это зеркало 2 также имеет монтажную юстировку - настройку по углу к падающему излучению. По окончанию юстировки и зеркала 1, 2 жестко фиксируются.

Оптическое устройство может быть снабжено вынесенным приемным оптическим устройством 19, установленным на торцевой стенке барабана 10, и противовесом 20, обеспечивающими приведение центров масс поворотных элементов 9, 10 к осям их вращения.

Окно 17 оптического устройства во время транспортировки, а также во время перерывов в работе закрыто съемным кожухом (на чертеже не показан). Работа оптического устройства заключается в следующем.

Устройство доставляют на позицию, где неподвижную платформу 3 ОПУ устанавливают на закладных частях жесткой рамы оптико-механического мобильного измерительного комплекса (на чертеже не показано). Рама с помощью механических или гидравлических домкратов выставляется по углу (горизонтируется) и фиксируется относительно уровня земли.

Перед работой с ОПУ снимают съемный кожух, закрывающий входное окно 17 поворотного барабана 10, и освобождают механические стопора (на чертеже не показаны), фиксирующие поворотные элементы ОПУ в транспортном положении. В исходном положении после транспортировки оптические блоки направлены в зенит. К соответствующим разъемам оптического устройства подключают кабельные связи от аппаратуры системы управления (на чертеже не показано). Перед началом работы устройства на пего подают силовое питание.

Наведение оптических блоков на наблюдаемый объект может производиться раздельно или одновременно по азимутальной и угломестной осям. Моментные двигатели 6, 7 и 13, 14 безредукторных приводов наведения обеспечивают поворот подвижных элементов 9, 10 ОПУ, а также удержание их на любом угле наведения при включенном питании моментных двигателей. При наведении оптического устройства датчики угла поворота 5, 12 (отсчетные кольца), установленные на переходных фланцах 8, 15, непосредственно связанных с роторами моментных приводов 6 и 14, обеспечивают выдачу сигналов о фактических углах поворота в управляющую ЭВМ аппаратуры системы управления.

Размеры и конфигурация всех элементов ОПУ подобраны так, что образуют единую, жесткую и компактную конструкцию. Для изготовления крупногабаритных элементов использованы материалы с близкими коэффициентами линейного расширения. Благодаря этому исключается возможность заклинивания подшипников или резкого увеличения момента сопротивления вращению при изменении температурных условий.

Использование прецизионных радиально-упорных подшипников большого диаметра с гарантированным натягом обеспечивает требуемую точность наведения и высокую жесткость поворотных элементов. Моментный двигатель «легкой серии», т.е. большого диаметра и небольшой высоты, имеет высокую скорость реакции, требуемое разрешение и обеспечивает большой запас по крутящему моменту, что в совокупности с прецизионным датчиком угла поворота, имеющим тонкое и легкое отсчетное кольцо большого диаметра, установленное на тонкостенном и коротком переходном кольце, непосредственно на роторе двигателя и внутреннем кольце подшипника, обеспечивает высокую точность и скорость слежения за объектами.

Достоинством предлагаемого оптического устройства является то, что оно может быть использовано не только в обзорно-поисковых, следящих системах для передачи окружающей обстановки на приемное устройство, но и для работы в «активном» режиме при облучении мишени лазерным лучом с малой расходимостью.

При работе устройства в активном режиме мишени подсвечивают лазерным излучением, проходящим по лучеводу ОПУ, от источника лазерного излучения (на чертеже не показан) к первому зеркалу 1, далее между зеркалами и ко второму зеркалу 2 и далее, отраженный от второго зеркала 2 луч через окно в поворотном барабане 10, закрытое защитным стеклом 17, попадает на мишень.

Отраженный от мишени луч принимает оптический приемный блок 19 или оптический приемный блок, входящий в состав мобильного измерительного комплекса (на чертеже не показан).

Возможны несколько вариантов работы устройства в пассивном режиме.

Отраженные от мишени оптические сигналы в виде информации от оптического приемного блока 19 поступают на аппаратуру съема и обработки информации.

Отраженные от мишени оптические сигналы через лучевод, образованный зеркалами 2 и 1, поступают в приемный оптико-электронный блок (на чертеже не показан), расположенный за первым зеркалом 1 вне объема ОПУ, где с помощью оптико-электронной аппаратуры преобразуются в электрические, которые по кабельным связям также передаются в систему управления.

Возможна совместная работа двух и более приемных блоков в различных оптических диапазонах.

Таким образом, оптическое устройство обеспечивает возможность получения информации в реальном масштабе времени.

Благодаря особенностям выполнения оптического устройства изобретение обеспечивает возможность создания компактного транспортабельного оптического устройства для наблюдения за летающими объектами. При этом при существенном уменьшении габаритов и веса изобретение позволяет увеличить апертуру лазерного излучения, снизить лучевую нагрузку на оптические элементы, улучшить расходимость и повысить точность наведения оптического устройства, в частности, путем повышения суммарной жесткости ОПУ, размещения моментных двигателей и датчиков угла поворота непосредственно на исполнительных осях, исключения возможности заклинивания подшипниковых опор или увеличения момента сопротивления вращению вследствие температурных деформаций устройства.

Для длительной работы на полигоне внутренний объем данного опорно-поворотного устройства загерметизирован. Все корпусные элементы закрыты крышками. Применены электрические разъемы в герметичном исполнении. Окна уплотнены резиновыми прокладками. Подшипники имеют свое собственное уплотнение, предохраняющее от вытекания смазки. При необходимости герметизация ОПУ может быть дополнительно усилена, и внутренний объем опорно-поворотного устройства может быть заполнен инертным газом.

Для предохранения от выпадения росы при низких температурах и резких ее изменениях на опорно-поворотное устройство устанавливается система обогрева оптических элементов и осушения воздуха, находящегося внутри опорно-поворотного устройства.

Для защиты от атмосферных осадков, насекомых и т.д. окно 17 имеет съемную крышку (на чертеже не показано). Предпринятые меры по уменьшению лучевой нагрузки и защищенности оптических элементов резко увеличивают срок службы до их замены, практически исключают аварийный выход оптики из строя, что существенно повышает надежность работы ОПУ на полигоне и уменьшает эксплуатационные расходы.

Штатная замена всех оптических элементов в данной конструкции ОПУ производится без разборки его основных узлов, без использования специального инструмента и грузоподъемных средств, может проводиться прямо на месте эксплуатации, на полигоне, что существенно улучшает ремонтопригодность, а также уменьшает стоимость эксплуатации.

На конструкцию заявляемого оптического устройства были разработаны 3D модели, проведены необходимые расчеты, выпущен полный комплект конструкторской документации, по которой был изготовлен на заводе ВНИИЭФ опытный образец.

Предварительные испытания показали его работоспособность и надежность при работе на полигоне, следовательно, и возможность его применения в промышленной эксплуатации. В течение последних полутора лет данное устройство эксплуатируется на полигоне. Успешно осуществлены несколько десятков проводок.

Claims (11)

1. Оптическое устройство, содержащее излучатель, приемный блок, оптическая ось которого сопряжена с осью луча, отражающие элементы, образующие лучевод и смонтированные на опорно-поворотном устройстве, поворотные элементы которого выполнены с сообщающимися полостями для прохождения оптического луча, с взаимно ортогональными осями вращения и каждый снабжен подшипниковой опорой, датчиком угла поворота и приводом вращения, выполненным в виде моментного двигателя, включающего ротор и статор, один из поворотных элементов - первый, установлен на неподвижной платформе с возможностью поворота вокруг одной из осей вращения, а второй - на первом с возможностью поворота вокруг другой оси, отличающееся тем, что первый поворотный элемент выполнен в виде многогранника, у которого, по крайней мере, две грани ортогональны относительно друг друга, и на одной из этих граней закреплен второй поворотный элемент, подшипниковая опора представляет собой прецизионный радиально-упорный подшипник, в качестве датчика угла поворота использован оптический датчик с отсчетным элементом в виде кольца, а поворотные элементы ОПУ со своими двигателями и кольцами подшипников соединены таким образом, что статоры двигателей и наружные кольца подшипников обоих поворотных элементов выполнены неподвижными, а роторы их двигателей и внутренние кольца подшипников - с возможностью вращения, или - наоборот, или статор двигателя и наружное кольцо подшипника одного из поворотных элементов выполнены неподвижными, а ротор и внутреннее кольцо подшипника этого же поворотного элемента - с возможностью вращения, при этом статор двигателя и наружное кольцо подшипника другого поворотного элемента - с возможностью вращения, а ротор двигателя этого поворотного элемента и внутреннее кольцо подшипника - неподвижными, причем в полости многогранника под углом 45° к оси вращения многогранника установлен один из отражающих элементов, другой отражающий элемент расположен в полости второго поворотного элемента и закреплен на подвижном кольце его подшипника, при этом оси вращения отражающих элементов перекрещиваются в общей точке, расположенной на поверхности отражающего элемента, установленного внутри многогранника.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что статор двигателя многогранника и наружное кольцо его подшипника закреплены на неподвижной платформе, а статор второго поворотного элемента - на одной из двух ортогональных граней многогранника, соединенной с наружным кольцом подшипника второго поворотного элемента, на внутреннем кольце этого подшипника через переходное кольцо закреплен ротор двигателя второго поворотного элемента и отсчетное кольцо датчика угла поворота, второй поворотный элемент закреплен на внутреннем кольце своего подшипника, а наружное кольцо подшипника второго поворотного элемента и статор его двигателя через переходное кольцо закреплены на другой ортогональной грани многогранника.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что ротор двигателя многогранника и внутреннее кольцо его подшипника закреплены на неподвижной платформе, а ротор второго поворотного элемента - на одной из двух ортогональных граней многогранника, соединенной с наружным кольцом подшипника, на котором через переходное кольцо закреплен статор двигателя многогранника и отсчетное кольцо датчика угла поворота, второй поворотный элемент закреплен на наружном кольце своего подшипника, на котором через переходное кольцо также закреплены статор двигателя этого поворотного элемента и отсчетное кольцо датчика угла поворота, а внутреннее кольцо подшипника второго поворотного элемента и ротор его двигателя через переходное кольцо закреплены на грани многогранника, ортогональной той, которая соединена с наружным кольцом подшипника многогранника.

4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что статор двигателя и наружное кольцо подшипника многогранника выполнены неподвижными, а ротор его двигателя и внутреннее кольцо подшипника - с возможностью вращения, при этом статор двигателя и наружное кольцо подшипника второго поворотного элемента - с возможностью вращения, а ротор двигателя второго поворотного элемента и внутреннее кольцо подшипника - неподвижными.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что статор двигателя и наружное кольцо подшипника второго поворотного элемента выполнены неподвижными, а ротор его двигателя и внутреннее кольцо подшипника - с возможностью вращения, при этом статор двигателя и наружное кольцо подшипника многогранника - с возможностью вращения, а ротор двигателя многогранника и внутреннее кольцо подшипника - неподвижными.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что внутренний объем опорно-поворотного устройства загерметизирован.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что внутренний объем опорно-поворотного устройства заполнен осушенным обеспыленным воздухом или осушенным обеспыленным инертным газом.

8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что приемный блок вынесен за пределы ОПУ.

9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оснащено механическими, гидравлическими или электромеханическими стопорами, фиксирующими поворотные элементы ОПУ в транспортном положении.

10. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оснащено противовесом или противовесами для приведения центров масс поворотных элементов к осям их вращения.

11. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что крепление отражающего элемента в полости многогранника представляет собой держатель, выполненный в виде тонкостенной трубы, закрепленной на грани, соединенной с подвижным кольцом его подшипника.

Images