振動技術在無人機中的應用

呂曉林

以火箭助推發射型無人機為例，通過分析無人機振動環境、振動特性，明確沖擊振動頻率振幅和振動功率譜，確定振動設備和檢測設備，完成無人機振動試驗設計，并成功運用在某型無人機研制生產中。該分析研究對其他無人機振動試驗設計有借鑒作用。

無人機在發射、空中飛行和回收過程中要受到火箭、發動機、空氣激波、回收傘產生的振動沖擊，無人機能否承受這種振動，直接影響到到無人機飛行安全和飛行成功。通過分析無人機振動環境、振動特性，明確沖擊振動頻率振幅、波形，確定振動功率譜，選擇相應的振動設備，在地面模擬無人機所承受的實際振動環境，以檢驗機載設備能否正常工作。

無人機振動源分析

助推火箭振動分析

助推火箭主要是由于推力的波動導致對無人機機體結構產生振動。

助推器點火和脫落時作用在飛機結構的力和力矩。

發動機振動分析

發動機傳給飛機結構的力和力矩。螺旋槳、轉子及發動機旋轉部件之類的轉動構件產生的固有的和制造偏差引起的不平衡力。

安裝在螺槳式飛機上的設備，其振動環境由寬帶隨機譜上迭加窄帶尖峰所組成。寬帶譜來源于各種隨機振源以及各種非正弦的周期性分量，周期性分量是由和渦輪螺槳發動機有關的旋轉部件（發動機、齒輪箱、轉軸等]引起的，窄帶尖峰是由于螺旋槳葉所帶動的旋轉壓力場引起的。這些峰值的中心頻率位于螺旋槳槳葉通過頻率（槳葉數乘以螺旋槳每分鐘轉速除以60及其諧波的比較窄的頻帶內。

安裝在其他類發動機[包括噴氣式飛機發動）上的設備的振動譜形，除轉子轉速的主要尖峰信號頻率外，與螺槳式飛機的譜形相類似。發動機振動譜如圖1所示。

空氣振動分析

空氣振動主要表現形式為：尾旋、下洗流等氣動擾動傳給飛機結構的力和力矩;陣風載荷。

回收系統振動分析

回收傘的張開、二次開傘、著陸時沖擊等振動是無人機回收時主要振動來源。

上述振動一般表征為周期的、隨機的或瞬態的振動。

無人機振動特性如表1所示，振動功率譜密度如表2所示。無人機振動特性分析

根據無人機的各種振動源，確定各種振動載荷的大致量級、振動類別（周期的、隨機的、瞬態的）及其作用的位置或區域。應用特定的分析方法或試驗技術，確定振動預計狀態下的無人機結構模態參數（固有振型、固有頻率、廣義質量和阻尼比）。對于要進行預振動的地面或飛行狀態，建立無人機結構振動響應分析用的數學模型，根據確定的激振動力和模態參數，在各種特定的飛行狀態下有關的振動載荷同時作用的情況下，采用已知的精確或近似方法進行響應分析，預計無人機各區域的振動量級。該振動量級可以作為無人機振動試驗設計的依據。

目前，一般通過利用patran建立無人機三維模型，利用nastran軟件分析無人機振動模態特性。根據無人機振動模態對相應振動的響應，確定振動頻率振幅和振動功率譜。圖2為某型無人機振動功率譜特性示意圖。

振動技術在部件環境篩選（ ESS）試驗中的應用

ESS試驗目的

環境篩選的目的是通過對電子產品施加隨機振動及溫度循環應力，以鑒別和剔除產品工藝和元件引起的早期故障，從而提高產品的使用可靠性。

ESS試驗設計

振動臺臺面能通過專用夾具將受篩產品剛性固定，并能保證由受篩產品、夾具、臺面及其空氣彈簧支撐系統所組成的質量一彈簧系統在20 - 2000Hz頻率范圍內不應有共振頻率存在，即在20 - 2000Hz頻率范圍內沿振軸方向的傳遞函數必須保持平坦，其不平坦允差不得超過±3dB，如有困難時，頻率范圍在500 - 2000Hz的允差放寬到±6dB，但累計帶寬應在300Hz以內。隨機振動試驗控制點譜形允許誤差見表3。

②如有困難時，允差放寬到-9dB，但累計帶寬應在300Hz以內。

在隨機振動時發生的故障，為最大限度減少為故障尋找而必須進行的隨機振動對產品壽命的影響，要求篩選及故障尋找施振總時間，在0.04g2/Hz功率譜密度值作用下的時間不能超過20min.其中故障尋找篩選應在盡可能低的振級上進行，以使等效時間減至最小，振動量級與時間的等效關系見表4。振動功率譜密度如圖3所示。

振動技術在無人機整機振動試驗中的應用

整機振動試驗目的

整機振動試驗主要是模擬無人機在空中飛行時的振動環境，檢驗無人機系統的工作情況是否正常。

整機振動試驗設計

整機振動采用正弦掃頻振動的方法，無人機固定在兩臺JZQlOO型激器上振，按20 - 200 - 20Hz的頻率掃描，掃描二次;在掃頻范圍內的五個諧振點定頻振動各3min，振動均方根加速度4.13g，沿無人機軸向垂直方向施振。

參試振動儀器設備：

01激振

B&K3560CPULSE多分析儀;

B&K2708功率放大;

JXQ100激振器。

02測量

B&K4334加速度傳感器;

B&K4508B加速度傳感器;

B&K2635電荷放大器;

B&K2610測量放大器。

結束語

通過分析無人機振動環境、振動特性，明確沖擊振動頻率振幅、沖擊波形和振動功率譜，確定振動設備和檢測設備，完成無人機振動試驗設計，并成功運用在某型無人機研制生產中。該分析研究對有人機和其他無人機振動試驗設計有一定的借鑒作用。