固定翼無人機傘降回收系統選型設計

安佳寧　李龍

研究了固定翼無人機傘降回收系統的選型問題，在分析無人機傘降回收系統優劣的基礎上，給出了傘降回收系統的基本設計要求和無人機回收的基本流程，分析了回收傘和氣囊選型、設計及相關開傘機構的設計與選型。

傘降回收系統主要應用在中小型無人機系統中，這是因為戰術機動性對小型無人機系統更為重要，對于傘降回收系統來講相對簡略的無人機系統付出的結構代價比大型、長航時、高效無人機系統要小。傘降回收系統的設計主要從以下幾個因素去考慮：一是安全性。回收階段操作的安全性是回收系統的必然要求。二是保護性。回收系統必須保證飛行器在回收過程中不會遭到損壞，由于一些精密搭載設備對著陸過程有嚴格限制，因此需要低過載著陸。三是精確性。回收系統必須確保飛行器在預定點以較高精度著陸，減少不必要的回收損壞。四是機動性。回收系統必須滿足在所有可能的戰術需求區域使用的條件。五是可靠性。回收系統必須具有高度的可靠性，在具體操作上具有高度的可預見性。六是可重復性。在飛行器壽命內回收系統將被多次應用。因此回收系統必須可重復使用。傘降回收系統具有較高的機動性，可以在預先沒有準備的區域著陸，但是由于自然風的存在致使傘降回收系統回收精度不高，同時由于較大的著陸過載必須提高機身設計強度。

傘降回收系統設計要求

設計無人機傘降回收系統時，基本的技術要求如下：

系統重量。無人機起飛質量是一個關鍵參數，對于中小型無人機來講，更為重要。降落傘系統的質量占發射總質量的5% -10%。無人機越大，降落傘系統所占比例越小。

安裝體積和安裝位置。在滿足質量的前提下，回收系統受到可利用空間大小的制約，在設計之初必須考慮回收傘的體積和傘包的展開路徑。

最大過載。系統減速沖擊力負載一般由無人機電子器件限定。以最小損壞和最小運轉周期使無人機返回地面，是無人機回收系統的主要目標，因此，最大系統過載是影響回收性能的最大制約因素。包括開傘動載和著陸緩沖過載兩個指標。

回收精度。對于非滑翔降落傘而言，開傘后沒有直接有效的控制方式去控制降落傘，因此最終的落地位置取決于降落傘氣動性能和當地風速條件。隨著降落傘展開高度的增加，風對落點精度的影響將占據支配地位。因此，對無人機系統裝訂風速估計將有效提高回收精度。

接地方向和穩定性。雖然在降落傘展開后不能進行有效控制，但是不同的降落傘具有不同的擺動姿態，因此在當無人機搖擺著陸時希望盡可能機身著地，而不是機翼或其他部分。飛行器設計和減震設計必須考慮以任何方向接地的可能。

回收速度和回收高度。回收速度和回收高度對回收傘設計有重要意義，回收速度決定了回收傘能否順利張開，回收高度決定了回收傘是否有足夠時間完成張開過程。

回收系統工作流程

目前，常見的無人機傘降回收過程如下：無人機在平飛狀態下進入回收點實施回收。回收指令發出后，發動機停車后傘艙蓋打開，拋傘機構向后上方拋出引導傘，引導傘張滿通過引導傘連接繩拉出并打開主傘包。為提高開傘程序的可靠性，主傘多采用倒拉方式，即先拉直傘繩，后拉出主傘衣，避免松弛的傘繩干擾傘衣。為減小開傘動載，主傘多采用二次開傘技術，底邊采用收口繩約束，收口繩通過延時切割器解除。傘繩拉直瞬間，拔出發火銷，拉發切割器延時藥，傘衣底邊則充氣擴張至收口繩張緊狀態，并保持設定的阻力面積，使系統初步減速，延時幾秒后切割器割刀動作切斷收口繩，傘衣底邊二次擴張，直至充滿。回收傘產生阻力使無人機減速下降直至著陸。著陸時發出脫傘指令后，無人機給脫傘鎖電爆管供電，電爆管激發推動分離機構動作，脫離回收傘，避免飛機被風拖曳損傷。具體流程如圖1所示。

回收傘設計

回收傘型選擇

降落傘操作的基本原理是釋放一個高拉力裝置到自由大氣中，也就是給重力加速度產生一個阻力。當這個力和加速度與重力平衡后，系統將進入穩定降落階段。無人機常用的傘型有：平面圓形傘、底邊延伸傘、錐形傘、方形傘、十字型傘，阻力系數和穩定性的對比如表1所示：十字形傘最初由美國海軍軍械實驗室在二十世紀四十年代末期發展而來。這種傘構型簡單，由兩塊帶狀傘衣疊加而成，并縫在一起。傘的長寬比和傘衣織物孔的大小對最終傘的穩定性有決定作用。增加傘的長寬比或織物孔的大小會增加傘的靜穩定性和動穩定性。十字形傘的拉力和張力系數小于圓形傘。但是擺角小。較小的搖擺角是十字形傘衣在大翼展無人機回收系統中受到歡迎的主要原因，這將會降低無人機與地面接觸時損壞的幾率。但是較小的張力系數意味著膨脹過程相對較慢，同時在這個階段產生會掉高，帶來了最后落點精度的不確定性。圓形傘在實際中得到大量使用，亞聲速無人機多使用連續傘衣，有縫隙和帶狀傘主要用于超聲速無人機。現在單純的半球傘已經很少使用，替代者為錐型和多錐體傘。這兩種傘改進了圓形傘的拉力特性。與十字形傘衣相比這些傘衣具有較高的拉力和升力系數。因此在張開時變化性較小，而且在較小表面積下就可以達到需要的下降率。但是這些降落傘更易擺動。錐形傘和底邊延伸傘具有高可靠性，便于應用收口機構，透氣量匹配良好的設計同樣具有較高的穩定性。

回收傘系統設計

降落傘系統主要包括引導傘1個、引導傘連接繩1根、傘包1個、主傘連接繩1根、主傘1具、吊帶組件1付、脫落接頭1個.如圖2所示。其中，主傘設計和引導傘設計是其重點。

以某型無人機為例，其回收傘選用了底邊延伸傘，如圖3所示。傘衣阻力系數是0.8。無人機回收質量110kg，回收速度110m/s，回收高度為200m.無人機規范落速為6m/s。根據穩降階段動力學模型，物傘系統重力與傘的阻力平衡，故而有：

式中，V1為無人機回收速，（GA）s=Cs×As，△為相對空氣密度，K根據經驗取0.08。因此有Fmax=11557N，開傘最大動載為11557N，開傘過載大于10g，因此要采用收口。收口比為收口繩長度與傘衣底邊長度之比，在大面積降落傘的傘衣底邊采用合適的收口比，使主傘分兩次充氣張滿，在開傘速度相同時，其最大開傘動載與一次充氣張滿相比，可很大程度上減小開傘動載，經迭代計算，取收口面積比5%。為了提高降落的穩定性，傘繩長取傘衣名義直徑的90%，為8m，共24跟傘繩。

引導傘功用是將傘包從傘艙內拉出，并使主傘系統拉直。考慮設計裕度，提高傘系統拉直的可靠性，設計時基本選取引導傘面積為主傘面積的1%左右。

無人機傘包多采用倒拉程序設計，傘衣、傘繩分室隔離，傘衣在內室傘繩在外室，隔離幅用插銷封閉，利用近底邊端傘繩拉直的行程差拔出插銷，解除隔離封包。傘繩室設有末繩套圈，用于約束、固定傘繩束，避免拉直過程傘繩成團掉出，相互纏繞。開傘時引導傘牽引拉出傘包，拉斷傘包封包括銷保險線，拔出封包插銷打開傘包，繼而順序拉出傘繩;傘繩拉直瞬間拔出隔離封包插銷和切割器拉發銷，拉出傘衣并拉發收口繩延時切割器。

目前，常用的開傘機構有兩種，一種是射傘火箭和爆炸螺栓配合，一種是帶彈簧引導傘和傘艙蓋閉鎖機構配合。射傘火箭結構復雜，但是可以將引導傘彈到相對較高的高度。避免和無人機尾翼發生干涉。帶彈簧引導傘結構簡單，但是存在引導傘與尾翼相干涉的情況，多用于雙垂尾無人機和V字型尾翼無人機。

一旦無人機傘降著陸后，及時拋掉傘體防止大風對無人機的拉拽及對機身造成的損壞，這一點十分重要。目前，應用最廣泛的拋傘機構為電控式脫離鎖。以火藥為動力當電爆管通電后，藥柱立即燃爆，以足夠的能量推動柱塞，切斷限制銷，柱塞上移則滾珠離開外座，從而使物傘脫離。該形式脫離鎖廣泛用于回收傘的分離，技術較為成熟，其結構設計如圖5。

空投試驗

空投試驗是回收傘研制過程中最重要的性能測試試驗。空投目的是驗證機回收系統在無人機回收速度、高度、重量狀態下充氣性能，測試回收系統的穩降速度、動載，判斷開傘動載及穩降速度是否滿足設計指標要求。

氣囊設計

儲氣方式

充氣裝置按照氣體的產生方式可分為儲氣式充氣裝置和氣體發生器兩大類，各具特點。儲氣式充氣裝置：由高壓氣瓶、手動截止閥、電磁閥和管路附件組成;氣體發生器：由點火器、金屬殼體、氣體發生劑和過濾網組成。綜合對比以上兩種方案，氣體發生器充氣方案具有系統組成簡單、重量較輕等特點，但其屬于火工品，不僅需關注安全性問題，而且屬于一次性消耗品。無人機所用氣囊不同于汽車安全氣囊，需要低溫緩釋氣體發生器，因為氣囊充滿到落地有幾十秒的時間，如果氣囊內氣體溫度過高，在充氣初期氣囊充滿的情況下在落地的時候由于氣體溫度降低，壓力將不足起不到緩沖作用。要保證落地瞬間有足夠壓力，必須增大充氣量來，有可能會在充氣過程中造成氣囊破裂。因此，低溫緩釋氣體發生劑是氣體發生器的研制難點。采取儲氣式充氣裝置具有可靠性高、可重復使用等特點，但需配套隔膜壓縮機、壓力表、氣濾、高壓管路等地面保障設備。而且充放氣組件質量較重，管路氣密性要求較高。選擇哪種儲氣方式要從技術成熟性、技術繼承性和使用安全性、無人機重量裕度等方面綜合考慮。

氣囊類型

目前，較常用的氣囊有三類，一是充氣骨架式氣囊、二是易破薄膜氣囊、三是雙層氣囊。充氣骨架式氣囊由充氣骨架、外囊、充氣嘴等部分構成。充氣骨架一般由聚氨酯膠布等材料熱合而成。氣囊外囊包裹于充氣骨架之外。充氣過程中內骨架充滿后。外氣囊隨之被張開，并通過進氣孔與大氣相接。在無人機著陸時，氣囊下部進氣孔與地面接觸而堵死，無人機壓縮氣囊產生內外壓力差，使得系統減速，起到緩沖作用。同時，在外囊受壓過程中，出氣孔排出外囊內空氣，內囊始終保持密閉狀態，起到吸收殘余速度的作用。易破薄模式氣囊，由氣源直接充滿，下落過程中，無人機壓縮囊內氣體，到達一定壓力值時薄膜破裂，釋放能量。雙層氣囊，內層密封外層有孔。落地后內層破裂，外層氣囊小孔數量和分布控制放氣速度，防止無人機反彈。易破薄膜氣囊結構簡單，但容易在安裝過程中造成薄膜破裂，屬于一次使用的消耗品。雙層氣囊可靠性高，外囊配合內囊調節排氣速度。屬于一次性消耗品。骨架式氣囊結構復雜，重量較大，但所需氣量較小，可以重復使用。

氣囊設計

氣囊回收設計要保證落地過程中即控制過載又避免反彈。氣囊體積由質量體積比確定，結合相關經驗及過載要求一般取值在500 - 800kg/m3之間。氣囊排氣口面積大小是決定氣囊緩沖效果的主要因素之一。氣囊排氣口面積由如下公式確定：

假設氣囊只設一個排氣口，開始階段放氣是絕能等熵，內部氣體總溫T*，總壓為P*，開始放氣時飛機速度U，加速度為a。在開始放氣瞬間，氣囊由于壓縮而減少的流量為：

據此，可初步求得總的排氣口面積。

落震試驗

氣囊落震試驗是氣囊完成加工后的性能測試試驗，可以使用落震架模擬無人機的重量重心和氣囊安裝位置。氣囊落震試驗目的有兩個一是觀察落震架在下降過程氣囊的形態及落震架是否發生反彈，二是通過力傳感器測試落震試驗過程中的最大過載是否滿足指標要求。

結束語

無人機回收系統設計要在確保無人機安全回收的基礎上進行綜合權衡，在有多種選擇的情況下應以技術成熟度作為最重要的衡量指標，確保無人機的安全回收可靠度，在此基礎上應充分考慮節約成本和降低操作復雜度。