李立 錢曉瓊 張志翱 唐克兵 陽治平

(航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，成都 610091)

引言

大氣運動數(shù)據(jù)和熱力學(xué)數(shù)據(jù)的詳細(xì)測量對于數(shù)值天氣預(yù)報(NWP)具有重要意義。相比于衛(wèi)星微波和紅外測深儀以相對較粗的垂直分辨率獲取全球熱力學(xué)剖面，通過高空高速的大型無人機(jī)氣象探測系統(tǒng)在空中投放探空儀可以在廣域范圍內(nèi)獲取更高質(zhì)量和不同高度的垂直氣象數(shù)據(jù)[1-2]。將這些探測結(jié)果運用到氣象預(yù)測模型中，可提高氣象預(yù)測的準(zhǔn)確性。而準(zhǔn)確的氣象預(yù)測可減小臺風(fēng)等氣象災(zāi)害造成的經(jīng)濟(jì)損失及人員傷亡[3]。此外，高空高速大型無人機(jī)載重量大，能夠搭載更多更大的氣象任務(wù)載荷；高空高速飛行，能夠快速抵達(dá)需進(jìn)行氣象探測的空域，并有效避開絕大多數(shù)惡劣氣象環(huán)境，對熱帶氣旋和其他危險天氣進(jìn)行系統(tǒng)性監(jiān)測[4]，安全高效。

然而，目前我國在基于大型無人機(jī)的氣象探測領(lǐng)域還尚屬空白。為豐富氣象預(yù)測手段，中國氣象局主持開展海洋氣象綜合保障一期工程，空基觀測分系統(tǒng)無人機(jī)下投探空試驗，以軍用高空高速無人機(jī)翼龍10衍生出的民用無人機(jī)(CY)為核心平臺，組建一個氣象載荷、無人機(jī)、地面系統(tǒng)、氣象網(wǎng)絡(luò)[5]等信息交互通道，進(jìn)行高空氣象數(shù)據(jù)采集，填補我國基于大型無人機(jī)進(jìn)行氣象探測領(lǐng)域的空白[6]。基于大型無人機(jī)的氣象探測系統(tǒng)設(shè)計研究，為該項目任務(wù)提供了有效保證。

本研究中氣象載荷的設(shè)計首創(chuàng)了一種螺旋式氣象載荷結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可裝載24枚探空儀，并在高空試驗環(huán)境實現(xiàn)探空儀定點逐一投放和氣象數(shù)據(jù)回傳功能，在氣象探測領(lǐng)域具有良好的工程推廣價值。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成及交聯(lián)設(shè)計

本系統(tǒng)由氣象載荷、掛架、無人機(jī)平臺、地面顯控終端組成。其中氣象載荷由接收機(jī)、激活裝置、鞭狀天線、GPS天線[7]、探空儀組成；無人機(jī)平臺由供電裝置、無線鏈路、總線控制機(jī)組成。

地面顯控終端作為人機(jī)交互的主界面，將控制指令通過無線鏈路發(fā)送至無人機(jī)平臺，無人機(jī)平臺內(nèi)的總線控制機(jī)將指令通過掛架送至氣象載荷，氣象載荷通過RS422接口接收無人機(jī)傳來的指令，并將氣象載荷的狀態(tài)信息周期回報給無人機(jī)。無人機(jī)將信息通過無線鏈路匯報至地面顯控終端。

在氣象載荷內(nèi)部，接收機(jī)對氣象載荷進(jìn)行總控，用于控制氣象載荷投放流程，并將探空儀信號解調(diào)出測量數(shù)據(jù)，提供給無人機(jī)做進(jìn)一步處理?？刂破髋c接收機(jī)通過RS422進(jìn)行通信，對探空儀投放控制、溫控加熱進(jìn)行實際控制。激活裝置用于將所要下投的探空儀激活[8]，并提供定位信息給探空儀使用。鞭狀天線主要用來接收下投的探空儀信號，經(jīng)濾波放大將探空射頻信號送給接收機(jī)。GPS天線用于將衛(wèi)星定位信息傳送給接收機(jī)。探空儀由氣象載荷投放到空氣中，在降落過程中完成大氣溫度、濕度、氣壓的測量，并將測量數(shù)據(jù)通過無線通訊方式回傳給接收機(jī)。系統(tǒng)內(nèi)的交聯(lián)關(guān)系如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)交聯(lián)關(guān)系

1.2 系統(tǒng)功能

基于大型無人機(jī)的氣象探測系統(tǒng)主要功能如下：①可同時掛載2個氣象載荷，滿載48枚探空儀。②具備探空儀裝載/投放功能。根據(jù)任務(wù)要求裝載探空儀，在高空對探空儀進(jìn)行逐一投放，返回地面后未投放探空儀可卸載。③具備氣象載荷供電及控制功能。給氣象載荷內(nèi)系統(tǒng)供28 V直流電，可通過地面顯控終端進(jìn)行指令控制、氣象載荷狀態(tài)回傳功能。④具備氣象數(shù)據(jù)回傳功能。探空儀開傘降落回傳數(shù)據(jù)，接收探空儀無線回傳數(shù)據(jù)，并向無人機(jī)控制、收數(shù)設(shè)備回傳至地面。⑤滿足無人機(jī)作業(yè)環(huán)境要求。吊掛強(qiáng)度、沖擊振動、起降沖擊等力學(xué)環(huán)境和高度、溫度、氣壓等使用環(huán)境。

1.3 系統(tǒng)接口設(shè)計

無人機(jī)內(nèi)總線控制機(jī)采用GJB289A總線傳輸，對氣象載荷進(jìn)行控制和監(jiān)視[9]。

氣象載荷通過掛架掛載在無人機(jī)上，其機(jī)械接口符合國家軍用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GJB 1C-2006，電氣接口適配掛架現(xiàn)有插頭[10]，復(fù)用GJB 1188A-1999中地址位為RS422接口進(jìn)行通信[11]，氣象載荷標(biāo)準(zhǔn)化的接口提高了氣象載荷的通用性，確保能夠快速適配無人機(jī)。

1.4 投放邏輯設(shè)計

CY型無人機(jī)通過國家軍用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GJB 6755-2009《機(jī)載外掛物投放低速風(fēng)洞試驗方法》[12]的風(fēng)洞試驗，確定了探空儀安全投放限制條件，對投放時的飛行速度、載機(jī)姿態(tài)角進(jìn)行限制。

氣象載荷在進(jìn)行投放前，要執(zhí)行以下過程：拔鎖銷→螺旋運轉(zhuǎn)→探空儀至待投放位→插鎖銷→激活→定位→投放開艙門→推送機(jī)構(gòu)解鎖→投放。該過程需經(jīng)過約40 s時間。即，當(dāng)?shù)孛娌僮魅藛TT0時刻按壓投放按鈕后，載機(jī)判斷T0時刻符合投放限制條件，但氣象載荷在40 s后才投出探空儀，這樣帶來的問題是，安全的投放判據(jù)沒有被有效使用，(T0+40 s)時刻無人機(jī)的姿態(tài)等參數(shù)是不可控的，不一定滿足投放限制條件，從而探空儀的離機(jī)就存在風(fēng)險。因此，必須有效縮短探空儀投放響應(yīng)時間才能確保投放安全。

經(jīng)過梳理，氣象載荷的控制邏輯設(shè)計最終確定將整個投放過程劃分為2個階段：“投放準(zhǔn)備”和“投放”。投放準(zhǔn)備階段進(jìn)行：拔鎖銷→螺旋運轉(zhuǎn)→探空儀至待投放位→插鎖銷→激活→定位。投放階段進(jìn)行：投放開艙門→推送機(jī)構(gòu)解鎖→投放。這樣的氣象載荷控制邏輯設(shè)計可保證投放響應(yīng)時間在3 s以內(nèi)(圖2)。

圖2 投放響應(yīng)策略

1.5 地面適配性設(shè)計

根據(jù)GJB 479-88《飛機(jī)掛艙后的最小地面間隙要求》[13]：無論飛機(jī)處于靜止、起飛或著陸姿態(tài)，任何癟胎和支柱全壓縮的最壞情況下，最小地面間隙應(yīng)不小于75 mm。CY型無人機(jī)掛裝掛架后，離地高度約570 mm，載機(jī)要求在機(jī)翼上掛裝長度需控制在2.5 m以內(nèi)，直徑在350 mm以內(nèi)。這就要求氣象載荷在保證探空儀裝載數(shù)量、實現(xiàn)裝填、投放、激活功能的同時，艙體長度，艙體直徑設(shè)計要盡可能小。

以探空儀長350 mm，直徑65 mm計算，圓柱范圍內(nèi)排布24枚探空儀，一周8枚，排3周為最佳設(shè)計方案，圓柱尺寸為長1050 mm，直徑234.8 mm。為實現(xiàn)逐一運轉(zhuǎn)功能，氣象載荷螺旋內(nèi)筒通過芯軸擋板將一周內(nèi)的8枚探空儀固定隔開，通過螺旋線將3周探空儀螺旋排布，以便于逐個運送探空儀，在實現(xiàn)功能的基礎(chǔ)上，螺旋內(nèi)筒設(shè)計尺寸為長度1575 mm，直徑254 mm。氣象載荷經(jīng)過主體外筒承力框梁設(shè)計，10 mm周圈保溫層鋪設(shè)，整艙直徑可控制在335 mm 以內(nèi)，氣象載荷經(jīng)過前后整流 設(shè)計，整艙設(shè)計長度可保證在2.3 m以內(nèi)，達(dá)到地面適配性設(shè)計要求。

1.6 投放防撞設(shè)計

CY型無人機(jī)通過仿真計算了不同高度、馬赫數(shù)、來流攻角、側(cè)滑角下的探空儀出射速度對投放結(jié)果的影響，并分析了不同出射速度的探空儀的投放安全性，要求探空儀彈射速度需在5 m/s以上。

本文選擇彈簧推送機(jī)構(gòu)實現(xiàn)彈射速度要求。彈射過程中，彈簧推動彈射小車和探空儀一起加速；到達(dá)最大加速行程后，彈射小車在緩沖彈簧作用下開始減速，而探空儀則保持原先的速度不變；探空儀與彈射小車分離，彈射出艙。

因此，彈簧推送機(jī)構(gòu)設(shè)計，需要首先對彈射所需的能量進(jìn)行計算，然后再根據(jù)具體的彈射行程計算需要的彈射力，進(jìn)一步設(shè)計彈簧參數(shù)。根據(jù)氣象載荷內(nèi)部結(jié)構(gòu)所限，推送機(jī)構(gòu)的一些已知參數(shù)如表1所示。

表1 推送機(jī)構(gòu)參數(shù)表

根據(jù)表1參數(shù)，可以算出彈射能量參數(shù)(表2)。即彈射彈簧在釋放過程中，需要做功14.2 J ；緩沖彈簧在緩沖過程中，需要消耗動能7.6 J。據(jù)此，最終，根據(jù)氣象載荷空間布局限制和數(shù)據(jù)計算，確定彈射彈簧和緩沖彈簧的具體參數(shù)。

表2 彈射能量計算表

1.7 溫控設(shè)計

氣象載荷需具備在10000 m高空進(jìn)行投放探空儀的能力，根據(jù)GJB 150A-2009要求，溫控能力需保證氣象載荷內(nèi)部溫度能夠保持在比較適宜的范圍，使氣象載荷內(nèi)機(jī)電設(shè)備能夠在外部-55 ℃環(huán)境工作[14]。

通過對氣象載荷進(jìn)行溫度場仿真計算，獲得了工作狀態(tài)下，氣象載荷內(nèi)部各位置的溫度分布，并將其作為器件選型的依據(jù)。氣象載荷在高空飛行時，面臨的外環(huán)境如表3所示。

表3 高空飛行工況環(huán)境參數(shù)

根據(jù)表3環(huán)境參數(shù)，以及氣象載荷各個部分的材料數(shù)據(jù)，本文對氣象載荷內(nèi)部溫度場進(jìn)行了仿真分析。在氣象載荷內(nèi)達(dá)到熱平衡后，溫度分布如圖3所示。

圖3 氣象載荷溫度分布

由圖3可知，接收機(jī)所在區(qū)域，工作時溫度約為-11 ℃；氣象載荷控制器和艙門電機(jī)所在區(qū)域，工作時溫度約為-10 ℃；待發(fā)射位置光電傳感器區(qū)域，工作時溫度約為-30 ℃。探空儀所在空間，溫度都維持在0 ℃以上。

氣象載荷樣機(jī)生產(chǎn)完成后，通過了相關(guān)高低溫試驗，證明氣象載荷溫控系統(tǒng)以及各個器件的選型能夠達(dá)到要求。

2 螺旋式氣象載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計

為實現(xiàn)氣象載荷的功能，在總體方案設(shè)計階段，設(shè)想了3種實現(xiàn)方案，如圖4所示。

圖4 氣象載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計方案:(a)縱排傳動，(b)鉸鏈傳動，(c)螺旋運轉(zhuǎn)

縱排傳動結(jié)構(gòu)，每個探空儀裝入一個槽位中，隨彈鏈運動。當(dāng)彈鏈對準(zhǔn)發(fā)射位時，觸發(fā)槽位中的彈射彈簧，即可將探空儀推出艙。該結(jié)構(gòu)較為簡單，但是占用體積較大；另外，彈鏈傳動需要提供較大的動力；裝填時，需要將艙體打開。

鉸鏈傳動結(jié)構(gòu)，探空儀沿外筒圓周分布，共4列，當(dāng)外筒每轉(zhuǎn)動60°，就有4枚探空儀靠重力落下，被下方的傳動鏈條接住，然后靠鏈條帶動，推出氣象載荷。該結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)動時容易出現(xiàn)較嚴(yán)重的不平衡現(xiàn)象，造成需要的動力較大；另外，每次落下4枚探空儀，鏈條機(jī)構(gòu)上需要特殊設(shè)計，才能把探空儀隔開，分別投放出艙，后續(xù)振動環(huán)境下，可能問題比較大。

螺旋運轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，采用螺旋線與芯軸槽限位方式供彈，每個探空儀的既定位置是確定的，同時占用空間比較適中。彈射結(jié)構(gòu)空間布局比較容易，裝填、投放流程正好互反，逐一進(jìn)行，投放安全性能夠可靠保證。

通過對3個方案的比選，最終選定采用螺旋運轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，作為氣象載荷的主功能結(jié)構(gòu)。最終，按照選定的主傳動結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行了氣象載荷研制，氣象載荷整體外形根據(jù)氣動原理進(jìn)行設(shè)計，整個氣象載荷能同時容納24個探空儀，保證簡單、有效地裝填、投放探空儀功能。

螺旋筒分為螺旋帶、芯軸和內(nèi)筒3部分。芯軸帶動探空儀轉(zhuǎn)動，探空儀沿安裝在內(nèi)筒中的螺旋帶前進(jìn)或后退，實現(xiàn)探空儀的運送功能(圖5)。

芯軸可以正反旋轉(zhuǎn)運動，內(nèi)筒和螺旋帶固定。芯軸上有導(dǎo)向槽保證探空儀在槽內(nèi)滑動。芯軸轉(zhuǎn)動時，螺旋帶推動探空儀前后移動。從氣象載荷前部往后看，電機(jī)帶動芯軸逆時針轉(zhuǎn)動，完成向前推送探空儀。需要裝填探空儀時，電機(jī)帶動芯軸順時針轉(zhuǎn)動。

圖5 螺旋內(nèi)筒結(jié)構(gòu)

3 氣象載荷研制試驗驗證

按上述設(shè)計研制的氣象載荷已經(jīng)按照國軍標(biāo)要求順利的通過了產(chǎn)品的靜強(qiáng)度試驗、供電兼容試驗、高低溫試驗、振動沖擊試驗、低氣壓試驗、淋雨試驗。同時，按上述設(shè)計研制的氣象載荷已成功完成航電系統(tǒng)聯(lián)試試驗、CY無人機(jī)系統(tǒng)聯(lián)試試驗，其功能性能得到了充分驗證。測試結(jié)果如表4、表5所示。氣象載荷的研制得到了中國氣象局、航空工業(yè)成飛、航天23所的一致認(rèn)可。氣象載荷投放測試見圖6，無人機(jī)系統(tǒng)測試見圖7。

圖6 氣象載荷測試投放探空儀

圖7 氣象載荷無人機(jī)系統(tǒng)測試

表4 氣象載荷試驗測試

表5 無人機(jī)測試驗證結(jié)果

4 結(jié)論

本文對氣象探測系統(tǒng)的組成及系統(tǒng)交聯(lián)設(shè)計、功能設(shè)計、接口設(shè)計、控制邏輯設(shè)計、安全性設(shè)計、溫控設(shè)計等進(jìn)行了全面分析，并通過各項試驗證明本氣象探測系統(tǒng)有效、可靠，能夠高效地從地面遠(yuǎn)程控制無人機(jī)吊艙載荷在高空將探空儀投出，并持續(xù)接收探空儀實時回傳的氣象探測數(shù)據(jù)。

本氣象探測系統(tǒng)設(shè)計創(chuàng)新性地采用一種螺旋運轉(zhuǎn)探空儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計，單個吊艙能夠一次性容納最大24枚探空儀執(zhí)行氣象探測任務(wù)，使有效載荷數(shù)量顯著增加。系統(tǒng)不含火工品，采用基于彈簧的新型彈射機(jī)構(gòu)，保證了探空儀的投放速度滿足要求，安全可靠。

本氣象探測系統(tǒng)采用通用化、標(biāo)準(zhǔn)化的接口設(shè)計，擁有很好的適配性，能夠快速推廣至國內(nèi)外現(xiàn)有的多種無人機(jī)平臺使用，例如翼龍、彩虹無人機(jī)等，具有很好的工程應(yīng)用價值。