某型無人機傘降回收系統設計

榮海春，張軍紅

(中國電子科技集團公司第三十八研究所 浮空平臺部,安徽 合肥230088)

某型無人機傘降回收系統設計

榮海春，張軍紅

(中國電子科技集團公司第三十八研究所 浮空平臺部,安徽 合肥230088)

摘要：傘降回收是無人機重要的回收方式之一。針對某小型無人機系統及其機載電子設備提出一種傘降回收方案，并完成了結構設計、生產和組裝工作。搭建適用于傘降著陸方式的試驗平臺和測試系統。最后開展了外場試飛工作，試驗證明該系統工作穩定、可靠，能滿足設計要求。該方法對小型無人機回收系統設計具有參考價值。

關鍵詞：無人機；回收；降落傘

0引言

隨著無人機技術日趨成熟和完善，智能集成程度越來越高，其應用范圍更加廣泛，執行任務的復雜程度也不斷提高。大量機載電子設備安裝在無人機系統上，大大增強了其功能，使無人機應用價值、工程經濟價值都在快速提高。無人機安全回收和應急保障功能逐漸成為制約其應用的一個關鍵因素[1]。

在無人機系統的研發和試飛階段，難免會遇到各種突發狀況，如發動機故障、控制電路故障、作動系統故障、燃油系統故障、異物撞擊、遭遇突風或者超限側風等，這些都容易導致無人機墜機事件發生。在無人機系統中加入傘降回收模塊，危機時刻能夠智能化地使用降落傘進行應急回收，避免墜毀事故發生，可以大大節省無人機的研發及生命周期成本。

無人機在執行軍事任務過程中，機載任務設備功能強大，可能價值遠超無人機本身，更要保證全過程安全，回收順利。所以，無論從經濟成本角度還是軍事的安全角度來看，對無人機的安全著陸回收問題的研究都勢在必行。

本文設計了一種機身集成傘降系統，能最大程度保護無人機機體安全和機載設備安全，增加系統重復使用的次數，延長使用壽命，大大提高使用安全性，并降低其對回收場地的限制要求。

1傘降回收系統組成及工作流程

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

當無人機進入降落程序，飛行控制系統或操控人員發出指令，發動機先停車熄火，傘艙舵機作動，傘艙蓋在扭簧作用下自動攤開，粘附于艙蓋背面的引導傘進入迎風狀態，在氣動力作用下自動拋出，并牽引主傘系統順利完成拉直過程和主傘充氣過程；隨降落傘張開氣動阻力增加至最大，傘和無人機由減速下降逐漸過度為勻速降落狀態；落地瞬間由觸地開關引爆主傘脫落節頭的兩個電爆火頭，減震裝置保證無人機安全著地[2]。在無人機上配備了自主控制和無線電遙控的多余度回收控制系統，以便在某條回收控制線路發生故障時，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傘降回收系統設計

2.1指標計算

該傘降系統既可以作為常規起降方式也可以作為應急起降方式，設計過程應考慮的各種指標包括重量、體積、阻力系數、動載系數、開傘力、著陸速度等、下降速度、傘的定向性能、傘衣穩定性等，如表1所示。

表1　設計目標參數

降落傘系統設計中關鍵性能指標計算公式如下所示，動壓可以表示為：

(1)

其中，q表示動壓，ρ為當地空氣密度，V表示空速，計算傘系阻力的過程中可以使用平穩下降速度替換。

降落傘下降過程的穩態阻力可以用下式計算：

(2)

其中，D表示穩態降落過程的傘阻力(與全系統的重量相等)，包含摩擦阻力、壓差阻力、波阻和誘導阻力等，Vt為最終平穩下降速度，Cd為阻力系數。降落傘的阻力系數應該盡可能大。設計的開傘機構的工作可靠性和穩定性要高，保證無人機著陸過程的安全。S表示傘衣名義面積，包含傘頂孔或結構開洞在內的總面積。

Vt又可以用下式計算：

(3)

其中，W為傘降系統連同無人機和設備的總重量；

傘衣面積可以用下式計算：

CdS=(2W)/(ρV2)

(4)

最大開傘載荷是回收系統設計的關鍵指標，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。可以用下式進行估算：

(5)

其中，Vi為開傘載荷，X1為開傘力減縮系數，經驗值一般為0.05～1之間，據下降速度和傘衣載荷而定。Cx是開傘載荷系數，為無量綱的經驗值，表示開傘最大載荷與系統重量的比值，文中取為1.8。

無人機傘降過程中，開傘瞬間運動狀態發生很大變化，會在無人機掛點以及機載設備引起較大沖擊載荷，可能超出結構的承載能力，造成飛機或電子設備損壞。所以應當控制開傘載荷在合理范圍，同時在主傘懸掛部位合理設置承載結構，將沖擊載荷轉化為分布載荷，傳遞到飛機的其它部位。

無人機開傘后平穩落地，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體結構損傷或機載設備損毀。為盡量避免無人機回收后的損壞，在無人機系統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，并極大避免沖擊反彈現象，保護儀器設備及機體安全[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

當無人機安全著陸后，為防止遭遇側風、被大風拖曳或者被傘繩纏繞，在主傘懸掛點設置無人機和傘的脫離裝置，保證能及時脫離。

2.2材料選擇

綜合考慮該系統的設計目標、設計指標、使用壽命、維護管理、使用成本等因素，對系統各組成部分進行了材料選擇，如表2所示。傘衣采用芳綸紡織材料，抗拉強度可達錦綸的3～4倍，在同等負載下，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℃下仍能保持原有強度的70%～80%，500～569℃才會碳化分解；采用芳綸紡織材料能夠增加主傘內部通氣量，降低傘內外壓力差，提高傘衣的靜穩定性。

為增加強度，主傘衣頂部可布置多條加強帶，粘接或縫制于傘衣表面。

引導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　傘降回收系統主要部件材料

2.3安裝方式

當主傘正常工作時，無人機懸掛方式為多點均衡載荷懸掛，四個懸掛點左右對稱，將系統重心包圍在中間。

傘艙安裝于機身后部，系統打開裝置及引導傘安裝方式如圖3所示。

圖3　傘降系統安裝示意

傘艙機構安裝如圖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

對該型傘降系統安排了車載試驗和外場實際迫降兩類試驗來驗證其指標。車載試驗中將安裝有傘降系統的機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，獲得虛假結果。試驗人員手持遙控器站在車上合適位置。當車速增加至90千米/小時左右時，發出開傘指令，舵機隨即打開傘艙。試驗參試人員現場觀察記錄開傘情況。多次試驗證明，系統工作正常，引導傘可靠彈出，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。安裝在懸掛點的載荷傳感器采集沖擊載荷信息證明，驗證開傘沖擊載荷在設計控制范圍。無人機傘降回收如圖6所示。

圖6　傘降回收示意圖

4結語

該型傘降系統能為應急情況提供安全保障，從而避免無人機墜毀事故的發生，可以大大節省無人機研發成本，加快研發流程。

參考文獻

[1] 鄭浩奕.無人機傘降系統關鍵技術研究[D].廣州：華南理工大學，2015.

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

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

[責任編輯、校對：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，高級工程師，從事無人機、浮空器研究。

中圖分類號：V279

文獻標識碼：A

文章編號：1008-9233(2016)03-0025-04