榮海春，張軍紅

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 浮空平臺(tái)部,安徽 合肥230088)

某型無人機(jī)傘降回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

榮海春，張軍紅

(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 浮空平臺(tái)部,安徽 合肥230088)

摘要：傘降回收是無人機(jī)重要的回收方式之一。針對(duì)某小型無人機(jī)系統(tǒng)及其機(jī)載電子設(shè)備提出一種傘降回收方案，并完成了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和組裝工作。搭建適用于傘降著陸方式的試驗(yàn)平臺(tái)和測試系統(tǒng)。最后開展了外場試飛工作，試驗(yàn)證明該系統(tǒng)工作穩(wěn)定、可靠，能滿足設(shè)計(jì)要求。該方法對(duì)小型無人機(jī)回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：無人機(jī)；回收；降落傘

0引言

隨著無人機(jī)技術(shù)日趨成熟和完善，智能集成程度越來越高，其應(yīng)用范圍更加廣泛，執(zhí)行任務(wù)的復(fù)雜程度也不斷提高。大量機(jī)載電子設(shè)備安裝在無人機(jī)系統(tǒng)上，大大增強(qiáng)了其功能，使無人機(jī)應(yīng)用價(jià)值、工程經(jīng)濟(jì)價(jià)值都在快速提高。無人機(jī)安全回收和應(yīng)急保障功能逐漸成為制約其應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵因素[1]。

在無人機(jī)系統(tǒng)的研發(fā)和試飛階段，難免會(huì)遇到各種突發(fā)狀況，如發(fā)動(dòng)機(jī)故障、控制電路故障、作動(dòng)系統(tǒng)故障、燃油系統(tǒng)故障、異物撞擊、遭遇突風(fēng)或者超限側(cè)風(fēng)等，這些都容易導(dǎo)致無人機(jī)墜機(jī)事件發(fā)生。在無人機(jī)系統(tǒng)中加入傘降回收模塊，危機(jī)時(shí)刻能夠智能化地使用降落傘進(jìn)行應(yīng)急回收，避免墜毀事故發(fā)生，可以大大節(jié)省無人機(jī)的研發(fā)及生命周期成本。

無人機(jī)在執(zhí)行軍事任務(wù)過程中，機(jī)載任務(wù)設(shè)備功能強(qiáng)大，可能價(jià)值遠(yuǎn)超無人機(jī)本身，更要保證全過程安全，回收順利。所以，無論從經(jīng)濟(jì)成本角度還是軍事的安全角度來看，對(duì)無人機(jī)的安全著陸回收問題的研究都勢在必行。

本文設(shè)計(jì)了一種機(jī)身集成傘降系統(tǒng)，能最大程度保護(hù)無人機(jī)機(jī)體安全和機(jī)載設(shè)備安全，增加系統(tǒng)重復(fù)使用的次數(shù)，延長使用壽命，大大提高使用安全性，并降低其對(duì)回收?qǐng)龅氐南拗埔蟆?/p>

1傘降回收系統(tǒng)組成及工作流程

該型傘降回收系統(tǒng)主要包括傘衣、傘繩、引導(dǎo)傘、傘包、連接繩、開傘裝置、傘艙、艙蓋、開傘作動(dòng)裝置、電路系統(tǒng)、引導(dǎo)傘系統(tǒng)、主傘系統(tǒng)、懸掛裝置、以及脫離裝置等組成。

當(dāng)無人機(jī)進(jìn)入降落程序，飛行控制系統(tǒng)或操控人員發(fā)出指令，發(fā)動(dòng)機(jī)先停車熄火，傘艙舵機(jī)作動(dòng)，傘艙蓋在扭簧作用下自動(dòng)攤開，粘附于艙蓋背面的引導(dǎo)傘進(jìn)入迎風(fēng)狀態(tài)，在氣動(dòng)力作用下自動(dòng)拋出，并牽引主傘系統(tǒng)順利完成拉直過程和主傘充氣過程；隨降落傘張開氣動(dòng)阻力增加至最大，傘和無人機(jī)由減速下降逐漸過度為勻速降落狀態(tài)；落地瞬間由觸地開關(guān)引爆主傘脫落節(jié)頭的兩個(gè)電爆火頭，減震裝置保證無人機(jī)安全著地[2]。在無人機(jī)上配備了自主控制和無線電遙控的多余度回收控制系統(tǒng)，以便在某條回收控制線路發(fā)生故障時(shí)，改由另一條回收控制線路取代工作，從而保證回收工作能正常進(jìn)行。具體傘降流程如圖1所示。

圖1　傘降流程示意圖

2傘降回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1指標(biāo)計(jì)算

該傘降系統(tǒng)既可以作為常規(guī)起降方式也可以作為應(yīng)急起降方式，設(shè)計(jì)過程應(yīng)考慮的各種指標(biāo)包括重量、體積、阻力系數(shù)、動(dòng)載系數(shù)、開傘力、著陸速度等、下降速度、傘的定向性能、傘衣穩(wěn)定性等，如表1所示。

表1　設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)

降落傘系統(tǒng)設(shè)計(jì)中關(guān)鍵性能指標(biāo)計(jì)算公式如下所示，動(dòng)壓可以表示為：

(1)

其中，q表示動(dòng)壓，ρ為當(dāng)?shù)乜諝饷芏龋琕表示空速，計(jì)算傘系阻力的過程中可以使用平穩(wěn)下降速度替換。

降落傘下降過程的穩(wěn)態(tài)阻力可以用下式計(jì)算：

(2)

其中，D表示穩(wěn)態(tài)降落過程的傘阻力(與全系統(tǒng)的重量相等)，包含摩擦阻力、壓差阻力、波阻和誘導(dǎo)阻力等，Vt為最終平穩(wěn)下降速度，Cd為阻力系數(shù)。降落傘的阻力系數(shù)應(yīng)該盡可能大。設(shè)計(jì)的開傘機(jī)構(gòu)的工作可靠性和穩(wěn)定性要高，保證無人機(jī)著陸過程的安全。S表示傘衣名義面積，包含傘頂孔或結(jié)構(gòu)開洞在內(nèi)的總面積。

Vt又可以用下式計(jì)算：

(3)

其中，W為傘降系統(tǒng)連同無人機(jī)和設(shè)備的總重量；

傘衣面積可以用下式計(jì)算：

CdS=(2W)/(ρV2)

(4)

最大開傘載荷是回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)，與傘形、織物透氣量、掛載重量，開傘高度、開傘速度等因素有關(guān)?？梢杂孟率竭M(jìn)行估算：

(5)

其中，Vi為開傘載荷，X1為開傘力減縮系數(shù)，經(jīng)驗(yàn)值一般為0.05～1之間，據(jù)下降速度和傘衣載荷而定。Cx是開傘載荷系數(shù)，為無量綱的經(jīng)驗(yàn)值，表示開傘最大載荷與系統(tǒng)重量的比值，文中取為1.8。

無人機(jī)傘降過程中，開傘瞬間運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生很大變化，會(huì)在無人機(jī)掛點(diǎn)以及機(jī)載設(shè)備引起較大沖擊載荷，可能超出結(jié)構(gòu)的承載能力，造成飛機(jī)或電子設(shè)備損壞。所以應(yīng)當(dāng)控制開傘載荷在合理范圍，同時(shí)在主傘懸掛部位合理設(shè)置承載結(jié)構(gòu)，將沖擊載荷轉(zhuǎn)化為分布載荷，傳遞到飛機(jī)的其它部位。

無人機(jī)開傘后平穩(wěn)落地，尚有4～8m/s剩余速度，如果直接觸地，瞬間沖擊過載可造成機(jī)體結(jié)構(gòu)損傷或機(jī)載設(shè)備損毀。為盡量避免無人機(jī)回收后的損壞，在無人機(jī)系統(tǒng)觸地部位還可以加裝氣囊緩沖裝置，控制沖擊過載在合理范圍內(nèi)，并極大避免沖擊反彈現(xiàn)象，保護(hù)儀器設(shè)備及機(jī)體安全[3]。增加氣囊減震的傘降緩沖如圖2所示。

圖2　傘降緩沖示意圖

當(dāng)無人機(jī)安全著陸后，為防止遭遇側(cè)風(fēng)、被大風(fēng)拖曳或者被傘繩纏繞，在主傘懸掛點(diǎn)設(shè)置無人機(jī)和傘的脫離裝置，保證能及時(shí)脫離。

2.2材料選擇

綜合考慮該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)、設(shè)計(jì)指標(biāo)、使用壽命、維護(hù)管理、使用成本等因素，對(duì)系統(tǒng)各組成部分進(jìn)行了材料選擇，如表2所示。傘衣采用芳綸紡織材料，抗拉強(qiáng)度可達(dá)錦綸的3～4倍，在同等負(fù)載下，降落傘的體積和重量可以比錦綸材料降落傘減少一半；該材料耐熱性能好，200℃下仍能保持原有強(qiáng)度的70%～80%，500～569℃才會(huì)碳化分解；采用芳綸紡織材料能夠增加主傘內(nèi)部通氣量，降低傘內(nèi)外壓力差，提高傘衣的靜穩(wěn)定性。

為增加強(qiáng)度，主傘衣頂部可布置多條加強(qiáng)帶，粘接或縫制于傘衣表面。

引導(dǎo)傘的材料采用透氣量較小和漂浮性較好的材料，如錦絲綢等，如表2所示。

表2　傘降回收系統(tǒng)主要部件材料

2.3安裝方式

當(dāng)主傘正常工作時(shí)，無人機(jī)懸掛方式為多點(diǎn)均衡載荷懸掛，四個(gè)懸掛點(diǎn)左右對(duì)稱，將系統(tǒng)重心包圍在中間。

傘艙安裝于機(jī)身后部，系統(tǒng)打開裝置及引導(dǎo)傘安裝方式如圖3所示。

圖3　傘降系統(tǒng)安裝示意

傘艙機(jī)構(gòu)安裝如圖4所示，主傘斷離電爆火頭如圖5所示。

圖4　傘艙示意圖

圖5　主傘斷離電爆火頭

3測試

對(duì)該型傘降系統(tǒng)安排了車載試驗(yàn)和外場實(shí)際迫降兩類試驗(yàn)來驗(yàn)證其指標(biāo)。車載試驗(yàn)中將安裝有傘降系統(tǒng)的機(jī)身固定于小型貨車上，高度略高于駕駛室，以免駕駛室尾流擾亂正常試驗(yàn)，獲得虛假結(jié)果。試驗(yàn)人員手持遙控器站在車上合適位置。當(dāng)車速增加至90千米/小時(shí)左右時(shí)，發(fā)出開傘指令，舵機(jī)隨即打開傘艙。試驗(yàn)參試人員現(xiàn)場觀察記錄開傘情況。多次試驗(yàn)證明，系統(tǒng)工作正常，引導(dǎo)傘可靠彈出，拋傘角度合適，各段傘繩長度合適，開傘過程流暢，與螺旋槳、平尾、垂尾等無干擾等。安裝在懸掛點(diǎn)的載荷傳感器采集沖擊載荷信息證明，驗(yàn)證開傘沖擊載荷在設(shè)計(jì)控制范圍。無人機(jī)傘降回收如圖6所示。

圖6　傘降回收示意圖

4結(jié)語

該型傘降系統(tǒng)能為應(yīng)急情況提供安全保障，從而避免無人機(jī)墜毀事故的發(fā)生，可以大大節(jié)省無人機(jī)研發(fā)成本，加快研發(fā)流程。

參考文獻(xiàn)

[1] 鄭浩奕.無人機(jī)傘降系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].廣州：華南理工大學(xué)，2015.

[2] 鄧海飛,呂艷梅,王家林,等.某型無人機(jī)傘降回收系統(tǒng)故障模式、影響及危害性分析[J].裝備環(huán)境工程，2012,9 (3):90-93.

[3] 戈嗣誠,施允濤.無人機(jī)回收氣囊緩沖特性研究[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào),1999,31(4)：458-463.

[責(zé)任編輯、校對(duì)：李琳]

Design of Parachute Recovery System for UAV

RONGHai-chun,ZHANGJun-hong

(Aero Platform Department,No.38 Research Institute of CETC,Hefei 230088,China)

Abstract：Parachute recovery is an important way of UAV landing.The paper proposed a scheme of parachute recovery system for miniature UAV and its airborne electronic equipment,and finished the structure design,production,and assembly of the system.Then,the paper established the test platform and system applicable to parachute landing.Finally,field test flight proved that the system is stable and reliable,and able to meet design requirements.The method is of referential value for the design of miniature UAV recovery system.

Key words：UAV;recovery;parachute

收稿日期：2016-04-02

作者簡介：榮海春(1979-)，男，河北遵化人，高級(jí)工程師，從事無人機(jī)、浮空器研究。

中圖分類號(hào)：V279

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1008-9233(2016)03-0025-04