某型無人機的“鉗式”分離機構設計與分析

王曉東，姜其用，涂金崠

(南京模擬技術研究所,江蘇 南京 210016)

0 引言

對于導彈、火箭等有艙段解鎖、分離需求的航空航天飛行器而言，需要設計特別的火工分離機構[1-2]。與此類似，為了防止無人機觸地之后被回收傘拖拽而損毀，同樣需要特殊的分離機構完成機傘分離。由于無人機完全靠回收傘完成高速狀態下減速及回收過程，因此，分離機構需要同時保證大沖擊載荷下的結構可靠性和觸地之后的分離可靠性。

目前，無人機回收傘上多數采用成熟的“鋼球式”分離機構[3]，該結構裝配過程復雜、操作要求高，尤其是在相同承載條件下，由于鋼球與上接頭、下接頭均為點接觸形式，局部極易引起應力集中，從而造成材料屈服破壞，故應力集中區域的局部材料必須通過塑性變形來增大與鋼球的接觸面積，從而降低接觸應力。此外，上接頭孔口材料發生塑性變形后會阻礙上下接頭的分離，甚至會造成回收傘無法順利釋放。

為彌補鋼球式分離機構的缺點，本文基于棘爪式爆炸螺栓[4]分離原理設計了一種鉗式分離機構，并采用ABAQUS進行結構靜力仿真計算，得出結構在10 g回收過載作用下的應力水平及其安全系數。結果表明，鉗式分離機構在靜載荷承載能力及裝配方式上均優于經典的鋼球式分離機構，并在某型無人機上實施驗證，為改型無人機提供了一種可靠的解鎖、分離機構，對于其他型號的類似結構提供了重要的參考和借鑒。

1 鉗式分離機構結構形式及工作原理

鉗式分離機構結構形式如圖1所示，由1爆炸螺栓、2墊圈、3下左接頭、4上接頭、5下右接頭、6螺母等組成。上下接頭預留孔處通過掛傘銷來連接回收傘主傘繩及連接無人機的傘繩。

圖1 鉗式分離接頭裝配前后模型示意圖

裝配時，下左接頭和下右接頭可以通過圓銷彼此連接，并且下左接頭和下右接頭可以繞圓銷旋轉開合；爆炸螺栓穿過下左接頭、上接頭和下右接頭的螺栓孔；墊圈處于爆炸螺栓的頭部一側；螺母與爆炸螺栓的另一側緊固；兩個下接頭可以鉗緊上接頭，并利用爆炸螺栓和螺母使上下接頭配合面緊密貼合。

如圖2所示，當無人機開傘回收時，分離裝置的上下兩端被拉緊，分離裝置的配合面承受拉力，爆炸螺栓起到夾緊兩側下接頭及上接頭的作用。由于鋁彈性模量較小，因此通過鋁墊圈及鋁螺母協調接頭變形，減小爆炸螺栓上的載荷。

當無人機落地接收到回收傘分離信號后，爆炸螺栓作動，下左接頭和下右接頭繞圓銷孔旋轉，釋放上接頭，實現上下接頭分離。

2 “鉗式”分離機構的有限元仿真分析

為了承受較大的載荷，鉗式分離機構上下接頭主體采用高強度鋼材，但在直角轉折處剛度突變容易形成應力集中。另外由于結構的不對稱性，在承受拉伸載荷時，上下接頭部位往不同方向變形，爆炸螺栓頭以及鋁螺母協調兩側變形而引起較大應力。為了確保引爆時可靠分離，爆炸螺栓材料為強度較低的鋼材，且結構中設計了一段縮頸，在該處容易出現應力集中現象，如圖3所示。因此，鉗式分離機構整體承載能力受限于爆炸螺栓上縮頸位置的應力以及主體剛度突變位置應力。

根據某型亞音速無人機回收傘設計回收過載，設計回收重量，采用該設計極限載荷(本文設定為27.4 kN)對鉗式分離機構進行靜強度校核。各部件材料參數如表1所示。

表1 “鉗式”分離機構各部件材料參數

基于以上設定，采用ABAQUS對結構進行有限元靜力仿真計算，得出“鉗式”分離機構的應力云圖，如圖4所示。

圖4 “鉗式”分離機構應力云圖

由圖4可以看出，“鉗式”分離機構在27.4 kN承載條件下，所有結構部件均處在材料彈性范圍內，假定爆炸螺栓預緊力為2.5 kN，計算得出鉗式分離機構的各部件最大應力及安全系數如表2所示。

表2 載荷27.4 kN時鉗式分離機構各部件最大應力及安全系數

3 “鋼球式”分離機構的有限元仿真對比分析

某型亞音速無人機上在結構優化前采用“鋼球式”分離機構，結構組成如圖5所示。裝配時將活塞放入上接頭，將鋼珠放在上接頭圓周孔上，然后整體塞入下接頭中，再將接頭倒置，通過慣性使活塞往下接頭一側滑動，從而將鋼珠擠進下接頭中，阻止上下接頭分離，再插入剪切銷防止活塞下移。需要工作時，分離信號引燃點火頭，推動活塞，切斷剪切銷，在彈簧彈力以及回收傘拉力作用下鋼球收回上接頭內，從而實現機構分離。

圖5 “鋼球式”分離機構結構組成示意圖

作為對比，我們對該“鋼球式”分離機構在相同載荷條件(27.4 kN)下進行有限元分析，計算得出上、下接頭應力云圖如圖6所示。結果表明：上、下接頭最大應力分別為2137 MPa、2430 MPa，遠超材料屈服極限。

圖6 “鋼球式”分離機構上、下接頭應力云圖

根據上述對“鉗式”分離機構的計算結果及同等承載條件下“鋼球式”分離機構的對比分析可以看出，“鋼球式”分離機構在27.4 kN載荷下已經出現局部屈服破壞，重復使用可靠性無法保證；而“鉗式”分離機構在27.4 kN載荷下仍能保持結構完整性，并有足夠的結構安全系數。此外，鋼球式結構輪廓尺寸為Φ58 mm×123.5 mm，結構重量約789 g，而鉗式結構輪廓尺寸為50 mm×35 mm×100 mm，重量約759 g。鉗式分離裝置無論從體積、重量、簡單可靠、裝配速度、重復使用以及承載能力方面都優于鋼球式分離機構。

4 結束語

本文設計了一種新型的鉗式分離機構，并通過有限元靜強度分析得出，在10 g回收過載狀態下，其各部分結構的強度安全系數都達到1.5以上。

與傳統的鋼球式分離機構相比，鉗式分離機構體積更小、重量更小、承載能力顯著提升且能實現重復使用。此外，卡勾式機構零件結構簡單、裝配方便，在未來無人機回收傘分離過程中可作為替代鋼球式分離機構的產品。