唐 春

(江蘇自動化研究所，江蘇 連云港 222061)

當(dāng)前艦載固定翼無人機的回收方式主要包括：滑降、撞網(wǎng)、打撈和空中垂索回收等[1]，要求艦上配備安全著艦系統(tǒng)，如X-47B無人機采用滑降輔以航母攔阻索[2]，“先鋒”無人機采用撞網(wǎng)回收[3]等。回收技術(shù)已成為影響艦載無人機技術(shù)發(fā)展的難題之一，能否安全自動便捷地回收艦載無人機是評價艦載無人機性能的重要指標(biāo)。相對于滑降、撞網(wǎng)或打撈回收方式，空中垂索回收方式可將安全著艦系統(tǒng)懸于艦外，減少甲板空間，減少對艦上設(shè)備的損壞，并可根據(jù)回收路線多自由度調(diào)整回收位置，難度低，對氣象要求低[4]。目前，垂索回收已在美國“掃描鷹”無人機上成功應(yīng)用[5]。

機載攔阻鉤作為垂索回收的必備裝置，必須具備四個特點：1)攔阻鉤外形設(shè)計成便于攔阻索滑入攔阻鉤滑槽內(nèi)；2)攔阻鉤的鎖緊機構(gòu)必須能夠卡死攔阻索，禁止無人機在繩索上下滑；3)攔阻鉤的結(jié)構(gòu)強度必須能夠承受無人機和攔阻索之間的相互作用力；4)攔阻鉤盡量選用輕質(zhì)材料，減少無人機的總重。

現(xiàn)有的國內(nèi)外固定翼無人機配裝的攔阻鉤都未設(shè)計有自鎖機構(gòu)，無人機撞繩后，都是依靠攔阻鉤與繩索之間的摩擦力阻止飛機滑落。該方式存在飛機滑落的風(fēng)險，在國內(nèi)的回收試驗中已經(jīng)發(fā)生多次。為了提高回收成功率，技術(shù)人員進行了帶有自鎖功能的攔阻鉤設(shè)計，并利用了CATIA(Computer Aided Three-dimensional Interactive Application)的多模塊聯(lián)動設(shè)計，提高了設(shè)計的成功率并縮短了設(shè)計本身的周期。

1 艦載無人機空中垂索回收過程

艦載固定翼無人機垂索回收裝置主要由拖車、可旋轉(zhuǎn)底座、液壓支撐桿、機械臂、懸臂梁、彈簧組、攔阻索等組成。無人機的機翼翼尖安裝有攔阻鉤，當(dāng)無人機在回收引導(dǎo)系統(tǒng)的控制下準(zhǔn)確飛向回收點后，帶有后掠角的左/右翼與攔阻索接觸，繩索在無人機前進的同時向翼尖滑動，經(jīng)攔阻鉤的開口槽與攔阻鉤通過鎖緊裝置連接[6]。無人機速度降為0 m/s時，無人機在攔阻索和水平梁彈簧組的作用下左右擺動直至停止。旋轉(zhuǎn)底座將無人機移動到甲板上方，通過液壓支撐裝置回收，過程如圖1所示。

圖1 艦載固定翼無人機垂索回收過程

在回收過程中，攔阻鉤主要受力情況如下：

1)當(dāng)飛機帶動攔阻索向前運動時，攔阻鉤殼體受到攔阻索逆航向的擠壓力F1；

2)當(dāng)飛機由于受到繩索拉力回擺時，攔阻鉤鎖緊裝置受到攔阻索順航行的擠壓力F2。

通過分析發(fā)現(xiàn)，由于攔阻索與彈簧組回彈的彈性勢能是由無人機的動能產(chǎn)生，因此F1>F2，本文分析擠壓力F1。

本文以實際某型艦載無人機設(shè)計參數(shù)為例：該無人機質(zhì)量m=15 kg、回收速度v=25 m/s、飛行高度方向控制誤差ce=±1.74 m、垂索兩段總安全余量長度bar=2 m。假設(shè)垂索長度為L(6 m～10 m)、攔阻索彈性系統(tǒng)為k、垂索水平方向最大形變量為Δx，為了使最大瞬時過載a最小化，求解如下方程：

最大瞬時過載時的受力方程[7]：

(1)

能量方程：

(2)

對計算結(jié)果進行分析，擬合出柔性攔阻索分析結(jié)果，并確定最終采用的柔性攔阻索參數(shù)為：垂索長L=10 m，彈性模量k=99 N/m，水平方向最大形變量Δx=8.5 m，最大瞬時過載a=5.7 g，垂索上產(chǎn)生的最大拉力F=481.3 N，兩段垂索作用于攔阻鉤的水平分力合力為Fx=833.6 N。

2 攔阻鉤設(shè)計

攔阻鉤主要由外部殼體和自鎖機構(gòu)組成，自鎖機構(gòu)是攔阻鉤的核心部件，由多套彈簧機構(gòu)和連桿機構(gòu)組成的混合機構(gòu)。機構(gòu)各彈簧的彈性系數(shù)以及連桿的轉(zhuǎn)動角度計算誤差會影響機構(gòu)的精度以及回收可靠性。本文采用CATIA的多個模塊進行攔阻鉤自鎖機構(gòu)設(shè)計和關(guān)鍵承力零件(外部殼體)的有限元分析，驗證設(shè)計的科學(xué)性與正確性，確保設(shè)計成功，其設(shè)計流程如圖2所示。

圖2 設(shè)計流程圖

2.1 三維實體建模與運動模擬

依據(jù)無人機垂索回收原理，利用CATIA的零件設(shè)計與裝配設(shè)計模塊進行如圖3所示的攔阻鉤三維實體模型設(shè)計，其中自鎖機構(gòu)主要由4組彈簧、2組連桿、制動塊、制動銷等組成。

1. 機翼連接體; 2. 攔阻鉤殼體; 3. M12法蘭堵頭; 4. φ5彈簧; 5,21. 后、前擋塊; 6，11. M2×6沉頭螺釘; 7，10. 銷軸; 8. 長連桿; 9. 鉤連桿; 12. φ8彈簧; 13. M12圓柱堵頭; 14. 法蘭軸; 15. 卡銷; 16. M3圓柱堵頭; 17. φ3彈簧; 18. 滑塊; 19. φ10彈簧; 20. M12圓柱堵頭圖3 攔阻鉤三維模型

圖3中，設(shè)計原理是：法蘭軸(14)一端處于滑槽外，另一端接觸長連桿(8)，連桿另一端與鉤連桿(9)連接，鉤連桿另一端擋住滑塊(18)。當(dāng)攔阻索滑入攔阻鉤的滑槽內(nèi)，利用兩者之間的作用力推動法蘭軸向后運動，帶動長連桿、鉤連桿轉(zhuǎn)動，鉤欄桿釋放滑塊，在彈簧(19)的作用下，滑塊急速向前滑動，直至鎖緊攔阻索并由卡銷鎖緊滑塊。

結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)初步建立后，為了保證所有零件之間無干涉和驗證運動的可行性，需要對攔阻鉤進行運動機構(gòu)的校核，本文在DMU Kinematics環(huán)境下動態(tài)模擬機構(gòu)的運動過程。首先對攔阻鉤殼體施加固定約束，對法蘭軸添加位移驅(qū)動，確定攔阻鉤機構(gòu)運動副(見表1)。根據(jù)運動分析結(jié)果，優(yōu)化法蘭軸和攔阻鉤殼體內(nèi)滑槽間的最大位移值，選擇最合適的參數(shù)，然后開始錄制運動過程。反復(fù)錄制查看效果，并進一步修改零件，直至運動效果達到設(shè)計要求。圖4所示為攔阻鉤自鎖機構(gòu)在兩種運動位置(分別為初始狀態(tài)和鎖緊狀態(tài))的結(jié)構(gòu)樣式。

表1 攔阻鉤機構(gòu)運動副

圖4 攔阻鉤自鎖機構(gòu)不同運動位置的結(jié)構(gòu)樣式

2.2 繩索與攔阻鉤間摩擦系數(shù)校核

攔阻鉤設(shè)計的最終目的是鎖死攔阻索，防止無人機下滑，因此，必須校核攔阻索與滑塊間的摩擦系數(shù)，Φ10彈簧(圖5)設(shè)計參數(shù)見表2。

圖5 彈簧示意圖

材料琴鋼絲剛性模量G8 000自由長L25 mm壓縮長度ΔL13 mm線材直徑d2 mm彈簧中徑Dm10 mm有效圈數(shù)Nc4.5

彈簧常數(shù)k：

(3)

彈簧壓力F：

F=k·ΔL=46.28 kgf=453.5 N

(4)

由文獻知，繩與鋁材間的動摩擦系數(shù)約為0.45，為增大摩擦力，將與繩索接觸的滑塊與法蘭盤表面進行表面處理，增加表面粗糙度，實驗得出此時摩擦系數(shù)達0.62，即摩擦力Fμ=453.5×0.62=281.2 N，大于無人機自身重力147 N，滿足設(shè)計要求。

3 攔阻鉤殼體有限元分析

由力學(xué)分析知，攔阻鉤殼體幾乎承受所有攔阻索作用力，為關(guān)鍵承力零件，因此本文針對攔阻鉤殼體進行有限元分析。利用網(wǎng)格劃分工具，對網(wǎng)格規(guī)格進行設(shè)置，包括元素類型、網(wǎng)格尺寸、網(wǎng)格形狀和網(wǎng)格凹陷等。由于攔阻索與殼體接觸位置變形量最大，為主受力部位，網(wǎng)格劃分時，該位置需對網(wǎng)格尺寸和垂度進一步細化[8]。圖6為網(wǎng)格優(yōu)化處理的結(jié)果，單元節(jié)點間的應(yīng)力差小于單元最大應(yīng)力的10%。

圖6 網(wǎng)格優(yōu)化處理的結(jié)果

表3為攔阻鉤殼體的材料特性[9]，表4為網(wǎng)格劃分及殼體擠壓應(yīng)力加載的具體參數(shù)。由圖7攔阻鉤殼體擠壓應(yīng)力等值分布圖知，攔阻鉤殼體在受攔阻索水平分力合力833.6 N的擠壓下的應(yīng)力最大值為1e+007 N/m2，遠遠小于7075鋁合金材質(zhì)的屈服強度，攔阻鉤不會產(chǎn)生疲勞、裂紋或斷裂危險。

表3 攔阻鉤殼體材料特性

表4 有限元分析具體參數(shù)

圖7 攔阻鉤殼體擠壓應(yīng)力等值分布圖

4 結(jié)束語

本文針對垂索回收固定翼無人機的回收特點設(shè)計了一型具有自鎖功能的翼尖攔阻鉤，處于回收航路的無人機與攔阻索接觸時，自鎖機構(gòu)在兩者相互作用下快速勾住并鎖緊攔阻索。利用CATIA軟件進行攔阻鉤模型的運動仿真和關(guān)鍵承力零件過載情況的有限元分析，得出應(yīng)力等值分布圖，確保設(shè)計可靠。

該型攔阻鉤設(shè)計原理科學(xué)可行，通過彈簧及連桿實現(xiàn)自主回收，并解決了現(xiàn)有固定翼無人機回收時的自動下滑問題。通過簡單的結(jié)構(gòu)適配設(shè)計即可應(yīng)用于多型艦載小型固定翼無人機(≤60 kg)的回收，有較好的推廣價值和應(yīng)用前景。攔阻鉤現(xiàn)已在國內(nèi)某型無人機(30 kg級)上實際應(yīng)用，實際承受過載10g，回收速度28 m/s。