固定翼無人機(jī)用降落傘及安全氣囊的研發(fā)

張鼎宸　徐顯超　黃盼偉　盧翔

【摘 要】無人機(jī)越來越火，無人機(jī)墜機(jī)事故都不可避免。本文提出了將降落傘及碰撞緩沖氣囊結(jié)合應(yīng)用在無人機(jī)上，解決了無人機(jī)墜機(jī)損失過大的問題，提高了無人機(jī)的安全性及可靠性。

【關(guān)鍵詞】無人機(jī)；降落傘；安全氣囊

無人機(jī)的安全性能一直依賴于無人機(jī)飛控系統(tǒng)以及地面操縱人員，其安全系數(shù)較低。為減少無人機(jī)墜毀所帶來的損失，提高無人機(jī)安全性及可靠性，將降落傘及碰撞緩沖氣囊結(jié)合應(yīng)用在無人機(jī)上。

1 主要研究內(nèi)容及技術(shù)難點(diǎn)

氣囊氣體發(fā)生劑及材料的選定同樣是該項(xiàng)目的重點(diǎn)難點(diǎn)。因?yàn)榇隧?xiàng)目主要研究對象非飛控系統(tǒng)，所以在設(shè)計(jì)制作觸發(fā)氣囊氣體發(fā)生裝置上也存在一定的難度。

2 降落傘設(shè)計(jì)

通常按時(shí)序?qū)⒔德鋫愕墓ぷ鬟^程劃分為三個(gè)階段，及拉直過程、充氣過程和穩(wěn)定下降過程。在拉直過程中，處于緊困扎狀態(tài)的傘繩和傘衣從傘倉里迅速拉出。充氣階段是指從傘衣系統(tǒng)全長拉直起到傘衣第一次充滿為止的整個(gè)過程。充氣過程是降落傘工作過程中最為重要也是最為復(fù)雜的一個(gè)階段。在傘衣完全充滿后，氣動阻力將使物—傘系統(tǒng)繼續(xù)減速直至到達(dá)穩(wěn)定的平衡狀態(tài)，這一過程稱為穩(wěn)定下降階段。

2.1 降落傘的幾何描述參數(shù)

降落傘的主要構(gòu)成部分是傘繩和傘衣，傘衣是可以充氣至一定形狀并產(chǎn)生氣動力的織物。如圖 1為降落傘的結(jié)構(gòu)示意圖。降落傘全部傘繩的集合點(diǎn)稱為交匯點(diǎn)，從傘衣底邊到交匯點(diǎn)的距離稱為傘繩的有效長度。

如圖2所示

（1）名義面積S0：表示降落傘的大小，對于傳統(tǒng)的降落傘，其名義面積定義為所有產(chǎn)生氣動力的織物；

（2）名義直徑D0：面積S0所計(jì)算的圓直徑，即D0=；

（3）投影直徑D0：處于穩(wěn)定下降狀態(tài)的降落傘傘衣在空氣動力和織物張力作用下的形狀稱為充滿狀態(tài)，完全充滿傘衣的投影面積記為SP，與名義直徑類似，定義投影直徑Dp.0=；

（4）結(jié)構(gòu)直徑Dc；

（5）投影高度記為hp；

（6）降落傘的質(zhì)心記為CM；

（7）傘衣的質(zhì)心記為Cp；

（8）完全充滿后傘衣底部的半徑記為R0；

（9）傘衣質(zhì)心到傘衣底部的距離記為Lcp。

2.2 降落傘質(zhì)心位置

如圖3所示，在傘衣的集合中心位置O點(diǎn)建立降落傘的連體坐標(biāo)系Oxyz，其中Ox軸沿著傘衣的對稱軸，Oy軸、Oz軸與Ox軸構(gòu)成右手坐標(biāo)系。

如果將傘繩的質(zhì)量記為ms，傘衣的質(zhì)量記為mc，中間吊帶質(zhì)量記為mr，則降落傘的質(zhì)心位置

2.3 傘衣充滿條件

為了使降落傘能夠順利的充氣并充滿，物-傘系統(tǒng)在開傘時(shí)的速度要求足夠大，滿足開傘所需動壓。但是降落傘充滿所需的速度有一定的范圍限制，即傘衣充滿條件。

通過推導(dǎo)可以得到降落傘是否能充滿的判據(jù)：

（1）若vmin

（2）若4vd

（3）若vlk<4vd

其中，vmin為最小開傘速度，vlk為臨界開傘速度，vd為傘衣充滿后系統(tǒng)穩(wěn)定下降的速度，v為傘衣充氣時(shí)系統(tǒng)的速度。

2.4 傘衣阻力面積變化

2.4.1 初始充氣階段

根據(jù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對一定形式的傘衣，在初始充氣階段參數(shù)λ為常數(shù)

2.4.2 主充氣階段

在主充氣階段，在充氣過程中傘衣的非流線特征越來越明顯。通常將（CS）表示時(shí)間t的冪函數(shù)

2.5 傘衣充滿時(shí)間

降落傘充滿時(shí)間是指從傘衣開始充氣到完全充滿所需時(shí)間，它表征傘衣充氣的快慢，是一個(gè)重要的性能參數(shù)。

系統(tǒng)的瞬時(shí)速度和傘衣內(nèi)外壓力差在充氣過程中是變化的，需要通過求解系統(tǒng)運(yùn)動方程得到。

作如下基本假設(shè)：

在充氣過程中

（1）傘衣投影面積隨時(shí)間線性變化；

（2）傘衣阻力系數(shù)不變；

（3）傘衣有效透氣量不變；

（4）空氣密度不變；

（5）完全充滿后，傘衣為半球形。

通過對大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理分析，得到如下經(jīng)驗(yàn)公式

3 氣囊設(shè)計(jì)

碰撞緩沖氣囊通常稱為安全氣囊，安全氣囊裝置一般由傳感器，控制器，充氣器和氣囊等組成，充氣器分壓縮氣體、煙火式和混合式等集中形式。其中兩個(gè)關(guān)鍵問題是氣囊的開啟時(shí)刻和充盈時(shí)刻的配合以及氣囊內(nèi)的氣體壓力和體積。

氣囊設(shè)計(jì)的主要參數(shù)是氣囊直徑、氣囊的氣體壓力、多次碰撞的動力學(xué)特征以及對系統(tǒng)的影響，尤其是對物體的影響，以及多個(gè)氣囊組成的氣囊包裹結(jié)構(gòu)等。

對氣囊的結(jié)構(gòu)包括體積、強(qiáng)度、充氣壓力和流量以及彈性等作地面模擬試驗(yàn)；跌落試驗(yàn)中測量氣囊壓力、著陸加速度、速度—時(shí)間歷程、氣囊質(zhì)量以及氣囊材料的應(yīng)力等。

3.1 氣囊的墊升原理

氣囊應(yīng)符合如下的基本靜力學(xué)關(guān)系，即無人機(jī)的重力（W）應(yīng)等于作用在無人機(jī)底部表面壓縮空氣的合理（P），即支撐力。支撐力的作用點(diǎn)位置應(yīng)處于壓力表面的面心——壓心。

3.2 柔性壁的張力

氣囊在結(jié)構(gòu)上是一種柔性薄殼，主要特點(diǎn)是柔性。在工作狀態(tài)下柔性囊的構(gòu)形是靠囊內(nèi)的空氣壓力來維持的，其穩(wěn)定性和剛性是靠空氣壓力形成的拉力來保證的，空氣壓力越高，則作用在氣囊上的拉應(yīng)力越大，其剛性和穩(wěn)定性也就越大。

在空氣壓力的作用下，柔性薄殼力圖達(dá)到相應(yīng)的最大體積形狀，而妨礙實(shí)現(xiàn)這種形狀時(shí)將受到附加應(yīng)力的作用，有可能導(dǎo)致薄殼破裂。如果外力作用引起的壓縮應(yīng)力超過了拉應(yīng)力，則氣囊形狀發(fā)生變形而失穩(wěn)。

研究認(rèn)為，氣囊的基本工作原理屬于彈性力學(xué)原理。采用薄殼無矩理論方法和公式對氣囊進(jìn)行受力分析，并作如下假設(shè)：

假設(shè)氣囊材料性質(zhì)保證柔性薄殼無彎矩狀態(tài)的條件。

薄殼無矩理論也稱為薄膜理論不僅對多層囊是合理的，而且對整體柔性囊也是合理的通過上述假設(shè)后，根據(jù)薄膜理論，如圖4所示，柔性壁微分平衡方程可簡化為

3.3 氣囊的受力分析

由于氣囊可簡化為在掛點(diǎn)A和B上的一條柔順線，用柔體力學(xué)理論分析。

在氣囊上有三個(gè)作用力，即氣囊內(nèi)的空氣壓力（Pb）、氣囊自重（Fw）以及氣囊與無人機(jī)機(jī)體連接掛點(diǎn)A和B的約束力（FA、FB）。如圖5

只考慮Pb，忽略Fw、FA和FB

根據(jù)柔順線平衡方程，在指教坐標(biāo)系中，二元?dú)饽褹B段曲線上的受力平衡方程有

3.4 氣體發(fā)生裝置

氣體發(fā)生裝置采用的是微型充氣泵。參數(shù)如下圖6

4 總結(jié)

把安全氣囊和降落傘配合使用在無人機(jī)或有人機(jī)上對提高飛機(jī)安全性能將非常有意義。

[責(zé)任編輯：朱麗娜]