無人機(jī)傘降回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉 靖

（解放軍92419部隊(duì)，遼寧興城 125106）

無人機(jī)傘降回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉 靖

（解放軍92419部隊(duì)，遼寧興城 125106）

對無人機(jī)傘降回收系統(tǒng)的組成及工作原理進(jìn)行研究，在此基礎(chǔ)上依據(jù)無人機(jī)總體要求對回收系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，綜合考慮系統(tǒng)開傘動載、穩(wěn)降速度及回收減震等要求，系統(tǒng)采用減速傘引導(dǎo)、主傘收口及減震氣囊緩沖的回收方式，通過仿真分析及實(shí)際飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理可行，滿足無人機(jī)回收要求。

無人機(jī)；傘降回收；飛行試驗(yàn)

目前降落傘已廣泛應(yīng)用于無人機(jī)的回收，用降落傘回收無人機(jī)具有操作簡單的優(yōu)點(diǎn)，接到回收指令，無人機(jī)從飛行狀態(tài)到安全著陸，整個(gè)過程自動完成，對操作人員要求低。此外，降落傘回收對場地要求低，無需跑道，適用于野外條件。無人機(jī)降落傘回收系統(tǒng)一般包括：回收傘、著陸緩沖裝置、觸地開關(guān)和傘-機(jī)分離機(jī)構(gòu)。回收傘一般由減速傘、主傘及懸掛帶組成［1］，小型回收傘采用引導(dǎo)傘直接拉主傘的程序。對無人機(jī)來說，應(yīng)盡量減小回收時(shí)的著陸速度以減少無人機(jī)的損傷，考慮到回收系統(tǒng)的可行性和經(jīng)濟(jì)性，通常要求無人機(jī)以6～7m／s的垂直速度落地［2］，這項(xiàng)指標(biāo)主要靠主傘的大阻力面來保證。常用的主傘傘型有錐形傘、波環(huán)傘及底邊延伸型傘等，均由密織物材料作傘衣，具有較好的阻力特性，為了減輕無人機(jī)損傷，通常要輔以著陸緩沖機(jī)構(gòu)，使無人機(jī)著陸時(shí)承受的沖擊進(jìn)一步減小。

1 傘降回收系統(tǒng)組成

無人機(jī)回收系統(tǒng)由引導(dǎo)傘、引導(dǎo)傘連接繩、傘包、主傘連接繩、主傘、吊帶組件、拋傘卷布、裝傘提袋等組成。當(dāng)無人機(jī)進(jìn)入回收前，保持迎風(fēng)直線水平飛行，關(guān)閉發(fā)動機(jī)?；厥罩噶畎l(fā)出后，傘艙蓋打開彈起，引導(dǎo)傘在拋傘卷布的引導(dǎo)下被氣流吹起充滿。引導(dǎo)傘產(chǎn)生的阻力將傘包從傘艙內(nèi)拉出并拉直上、下連接帶。拉直上、下連接帶時(shí)，傘包打開，隨之拉直傘繩，拉出傘衣，傘衣迎氣流充氣、張滿，穩(wěn)定下降。傘艙蓋打開彈起時(shí)打開氣囊艙以及氣囊充氣閥門，使氣囊充氣。在無人機(jī)著地瞬間，分離接頭工作，使上、下連接帶分離，傘衣與無人機(jī)脫離，避免傘拖曳無人機(jī)致使其受損，此時(shí)氣囊與地面接觸，無人機(jī)靠氣囊減震［3］。開傘后，引導(dǎo)傘、引導(dǎo)傘連接繩、傘包系留在傘衣頂上，以利于傘系統(tǒng)的回收和再次使用。無人機(jī)回收工作原理如圖1所示。

圖1 無人機(jī)回收工作原理

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 主傘

主傘主要用于無人機(jī)減速，無人機(jī)以100m／s速度開傘，考慮到三錐形傘結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、擺角小、阻力系數(shù)大等優(yōu)點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用三錐形傘，傘結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 三錐形傘結(jié)構(gòu)示意圖

盤縫帶的阻力系數(shù)是0.8-0.96，設(shè)計(jì)時(shí)初步取0.8，無人機(jī)回收質(zhì)量為100kg，無人機(jī)規(guī)范要求落地速度需小于7m／s，考慮到無人機(jī)采用的是渦噴發(fā)動機(jī)，為了減小落地時(shí)對發(fā)動機(jī)的震動傷害，本設(shè)計(jì)著陸速度取6.5m／s，并采用氣囊進(jìn)行減震。

根據(jù)穩(wěn)降階段動力學(xué)模型，物傘系統(tǒng)重力與傘的阻力平衡，故而有

式中，Vz為系統(tǒng)著陸速度，取6.5m／s；ρ0為海平面空氣密度，為1.225kg／m3，計(jì)算得到傘衣阻力特征面積（CA）s＝37.87m2，傘衣阻力系數(shù)cs取0.8，得到傘衣面積：

主傘面積取48m2，計(jì)算得到穩(wěn)降速度：Vz＝

最大開傘動載計(jì)算采用如下公式［4］：

式中，Vl＝100m／s，（CA）s＝Cs×As，Δ為200m高度處相對空氣密度，為0.98093，K取0.008，計(jì)算得到開傘最大動載Fmax＝11983.44N，由于動載太大，因此要采用收口或者2級減速，考慮到開傘高度以及傘的體積和重量等方面的因素，本設(shè)計(jì)采用收口。

2.2 收口比的確定

收口比為收口繩長度與傘衣底邊長度之比，以往經(jīng)驗(yàn)證明，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(shí)，其最大開傘動載與一次充氣張滿相比，很大程度上可減小開傘動載。經(jīng)過反復(fù)迭代計(jì)算，取收口面積比5%［5］。

2.3 引導(dǎo)傘

引導(dǎo)傘功用是將傘包從傘艙內(nèi)拉出，并使主傘系統(tǒng)拉直?？紤]設(shè)計(jì)裕度，提高傘系統(tǒng)拉直的可靠性，設(shè)計(jì)取引導(dǎo)傘面積為0.49m2，結(jié)構(gòu)為正四邊形，傘繩8根。

2.4 傘包

傘包的功用是將主傘衣、傘繩及部分上連接帶包裝起來，以保證開傘程序和包裝后的體積要求。為了提高開傘可靠性，系統(tǒng)采用倒拉開傘，傘包方案為半封口式傘包，傘衣底邊及部分約束于傘包，其余折疊包裝在傘艙內(nèi)。

2.5 吊帶

吊帶起連接作用，是回收傘與無人機(jī)之間的連接裝置，由上連接帶和下連接帶組成。上連接帶一端與主傘相套結(jié)，另一端與脫離鎖相連；下連接帶一端與脫離鎖相連，另一端與飛機(jī)連接。

2.6 氣囊

氣囊用于無人機(jī)落地時(shí)減震，防止無人機(jī)硬著陸。為了使無人機(jī)著陸平穩(wěn)，采用雙氣囊，前后各一個(gè)，兩個(gè)氣囊容積均為100L。

3 系統(tǒng)仿真及結(jié)果分析

3.1 仿真模型

本設(shè)計(jì)采用倒拉法開傘，即先拉直傘繩，再把傘拉出傘包，計(jì)算模型如圖3所示，其中dm為拉直的傘繩微元質(zhì)量；mw+me表示回收物連同已拉出傘繩的質(zhì)量；mys+mv為引導(dǎo)傘、傘衣套連同未拉出的主傘系統(tǒng)的質(zhì)量；Fsh為傘繩拉出阻力，主要是摩擦力。

在航跡坐標(biāo)系下，無人機(jī)及已拉出傘系統(tǒng)的動力學(xué)方程為

拉直過程中主傘系統(tǒng)微元質(zhì)量dm，動量方程為

在不考慮傘繩彈性的情況下，拉出微元的速度v＝vw，因此拉直力可寫為［6］

圖3 計(jì)算模型

在航跡坐標(biāo)系下引導(dǎo)傘及未拉出部分的動力學(xué)方程為

3.2 仿真結(jié)果及分析

根據(jù)上述模型仿真得到結(jié)果如下，圖4為拉直力隨時(shí)間變化曲線，從圖中可以看出在0.42s時(shí)傘繩受到最大拉力為1400N；圖5為開傘動載隨時(shí)間變化曲線，可以看出系統(tǒng)在主傘一次充滿、二次充滿時(shí)過載較大，系統(tǒng)開傘最大動載為5353N，開傘過載小于6g。

圖4 拉直力隨時(shí)間變化曲線

圖6為無人機(jī)高度——水平位移曲線，圖7為高度隨時(shí)間變化曲線，從圖中可以看出，整個(gè)系統(tǒng)約在5s時(shí)速度達(dá)到穩(wěn)定，此時(shí)只有豎直向下的速度，穩(wěn)降速度約為6m／s。

圖5 開傘動載隨時(shí)間變化曲線

圖6 高度——水平位移曲線

圖7 高度隨時(shí)間變化曲線

4 系統(tǒng)飛行驗(yàn)證

基于上述設(shè)計(jì)方案，本文結(jié)合某型無人機(jī)飛行進(jìn)行了實(shí)際飛行驗(yàn)證，飛行試驗(yàn)結(jié)果如下所示。圖8為無人機(jī)飛行俯仰角和滾轉(zhuǎn)角變化曲線，從圖中可以看出，在回收初始階段，無人機(jī)有一個(gè)大的抬頭過程，俯仰角約為50°，這是由于回收傘瞬時(shí)動載突然加大導(dǎo)致，隨后俯仰角以7s～8s為周期，在-20°～+20°之間震蕩，并且振幅有減小趨勢。滾轉(zhuǎn)角變化規(guī)律與俯仰角變化規(guī)律基本一致，從分析可以看出，無人機(jī)擺動角基本在20°范圍內(nèi)，滿足回收要求。

圖8 無人機(jī)俯仰角、滾動角變化曲線

圖9為無人機(jī)速度、高度隨時(shí)間變化曲線，從圖中可以看出：在初始階段，降落傘沒有完全張開，此時(shí)無人機(jī)減速較慢；當(dāng)降落傘充氣到一定程度，速度迅速減小，當(dāng)速度約小于70m／s后無人機(jī)開始掉高，這是由于無人機(jī)最小飛行速度限制，速度在隨后3s內(nèi)下降到自由穩(wěn)降速度，而高度下降了約20m，回收系統(tǒng)從開始工作到主傘二次充氣張滿過程時(shí)間約為5s。

圖9 無人機(jī)速度、高度隨時(shí)間變化曲線

圖10為無人機(jī)氣壓高度、GPS高度隨時(shí)間變化曲線，由圖中曲線可知，兩種高度變化趨勢基本一致，在傘繩拉直過程中，氣壓高度出現(xiàn)跳躍，這是由較大的開傘瞬時(shí)動載造成的測量誤差，無人機(jī)在穩(wěn)降段下降速度約為6m／s，與仿真結(jié)果基本一致，直接驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。

圖10 氣壓高度、GPS高度隨時(shí)間變化曲線

從上述分析可知，該無人機(jī)回收系統(tǒng)主傘二次充氣至張滿過程時(shí)間約為5s，充氣過程高度下降約20m，隨后進(jìn)入自由穩(wěn)降階段，穩(wěn)降速度約為6m／s，此過程中無人機(jī)擺動角在20°范圍內(nèi)，整個(gè)降落過程時(shí)間約為40s，實(shí)際飛行結(jié)果與理論計(jì)算基本一致，系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)合理可行。

5 結(jié)束語

本文首先介紹了無人機(jī)傘降回收系統(tǒng)的組成及工作原理，然后根據(jù)無人機(jī)總體要求對回收系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，為滿足開傘過載及回收減震要求，最終確定系統(tǒng)采用主傘收口加減震氣囊的回收方式，通過仿真分析及實(shí)際飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)整個(gè)回收過程約40s，回收過程擺動角在20°范圍內(nèi)，無人機(jī)落地速度6m／s，設(shè)計(jì)合理可行，可以保證無人機(jī)安全回收。

［1］ 祝小平.無人機(jī)設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2007.

［2］ 《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊》編委會.軍用飛機(jī)總體設(shè)計(jì)（飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊第四冊）［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2005.

［3］ 徐宏，葛義華.降落傘典型開傘過程的試驗(yàn)研究［J］.飛行力學(xué)，2012，30（1）：74?77.

［4］ 王利榮.降落傘理論與應(yīng)用［M］.北京：宇航出版社，1997.

［5］ 余莉.飛行器救生及生命保障技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2009.

［6］ Toni R.A.Theory of the Dynamics of a Parachute System Undergoing its Inflation Process［J］.3rd Aerodynamic Pececoration System Conference，1970.

Design and Implementation of Parachute Recovery System for Unmanned Aerial Vehicle

LIU Jing
（the Unit 92419 of PLA，Xingcheng 125106，China）

Based on studying the composition and working principle of the parachute recovery system for a certain unmanned aerial vehicle，the recovery system is detailed designed according to the general requirements of the UAV.Considering the dynamic load of opening the parachute，landing speed and recovery damping requirements，the system uses a guiding decel?erating parachute，the main parachute convergent technology and the damping airbag buffer.Through the simulation analysis and actual flight test validation，the system is designed to be reasonable and meet the recovery requirements.

unmanned aerial vehicle；parachute recovery；flight test

TJ765；E917

A

10.3969／j.issn.1673?3819.2016.06.023

1673?3819（2016）06?0109?04

2016?08?21

2016?09?28

劉靖（1984?），男，山西定襄人，碩士研究生，研究方向?yàn)轱w機(jī)總體設(shè)計(jì)和氣動設(shè)計(jì)。