帶自鎖機(jī)構(gòu)的垂索回收無人機(jī)翼尖攔阻鉤設(shè)計(jì)

唐 春

(江蘇自動(dòng)化研究所，江蘇 連云港 222061)

當(dāng)前艦載固定翼無人機(jī)的回收方式主要包括：滑降、撞網(wǎng)、打撈和空中垂索回收等[1]，要求艦上配備安全著艦系統(tǒng)，如X-47B無人機(jī)采用滑降輔以航母攔阻索[2]，“先鋒”無人機(jī)采用撞網(wǎng)回收[3]等?；厥占夹g(shù)已成為影響艦載無人機(jī)技術(shù)發(fā)展的難題之一，能否安全自動(dòng)便捷地回收艦載無人機(jī)是評(píng)價(jià)艦載無人機(jī)性能的重要指標(biāo)。相對(duì)于滑降、撞網(wǎng)或打撈回收方式，空中垂索回收方式可將安全著艦系統(tǒng)懸于艦外，減少甲板空間，減少對(duì)艦上設(shè)備的損壞，并可根據(jù)回收路線多自由度調(diào)整回收位置，難度低，對(duì)氣象要求低[4]。目前，垂索回收已在美國(guó)“掃描鷹”無人機(jī)上成功應(yīng)用[5]。

機(jī)載攔阻鉤作為垂索回收的必備裝置，必須具備四個(gè)特點(diǎn)：1)攔阻鉤外形設(shè)計(jì)成便于攔阻索滑入攔阻鉤滑槽內(nèi)；2)攔阻鉤的鎖緊機(jī)構(gòu)必須能夠卡死攔阻索，禁止無人機(jī)在繩索上下滑；3)攔阻鉤的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度必須能夠承受無人機(jī)和攔阻索之間的相互作用力；4)攔阻鉤盡量選用輕質(zhì)材料，減少無人機(jī)的總重。

現(xiàn)有的國(guó)內(nèi)外固定翼無人機(jī)配裝的攔阻鉤都未設(shè)計(jì)有自鎖機(jī)構(gòu)，無人機(jī)撞繩后，都是依靠攔阻鉤與繩索之間的摩擦力阻止飛機(jī)滑落。該方式存在飛機(jī)滑落的風(fēng)險(xiǎn)，在國(guó)內(nèi)的回收試驗(yàn)中已經(jīng)發(fā)生多次。為了提高回收成功率，技術(shù)人員進(jìn)行了帶有自鎖功能的攔阻鉤設(shè)計(jì)，并利用了CATIA(Computer Aided Three-dimensional Interactive Application)的多模塊聯(lián)動(dòng)設(shè)計(jì)，提高了設(shè)計(jì)的成功率并縮短了設(shè)計(jì)本身的周期。

1 艦載無人機(jī)空中垂索回收過程

艦載固定翼無人機(jī)垂索回收裝置主要由拖車、可旋轉(zhuǎn)底座、液壓支撐桿、機(jī)械臂、懸臂梁、彈簧組、攔阻索等組成。無人機(jī)的機(jī)翼翼尖安裝有攔阻鉤，當(dāng)無人機(jī)在回收引導(dǎo)系統(tǒng)的控制下準(zhǔn)確飛向回收點(diǎn)后，帶有后掠角的左/右翼與攔阻索接觸，繩索在無人機(jī)前進(jìn)的同時(shí)向翼尖滑動(dòng)，經(jīng)攔阻鉤的開口槽與攔阻鉤通過鎖緊裝置連接[6]。無人機(jī)速度降為0 m/s時(shí)，無人機(jī)在攔阻索和水平梁彈簧組的作用下左右擺動(dòng)直至停止。旋轉(zhuǎn)底座將無人機(jī)移動(dòng)到甲板上方，通過液壓支撐裝置回收，過程如圖1所示。

圖1 艦載固定翼無人機(jī)垂索回收過程

在回收過程中，攔阻鉤主要受力情況如下：

1)當(dāng)飛機(jī)帶動(dòng)攔阻索向前運(yùn)動(dòng)時(shí)，攔阻鉤殼體受到攔阻索逆航向的擠壓力F1；

2)當(dāng)飛機(jī)由于受到繩索拉力回?cái)[時(shí)，攔阻鉤鎖緊裝置受到攔阻索順航行的擠壓力F2。

通過分析發(fā)現(xiàn)，由于攔阻索與彈簧組回彈的彈性勢(shì)能是由無人機(jī)的動(dòng)能產(chǎn)生，因此F1>F2，本文分析擠壓力F1。

本文以實(shí)際某型艦載無人機(jī)設(shè)計(jì)參數(shù)為例：該無人機(jī)質(zhì)量m=15 kg、回收速度v=25 m/s、飛行高度方向控制誤差ce=±1.74 m、垂索兩段總安全余量長(zhǎng)度bar=2 m。假設(shè)垂索長(zhǎng)度為L(zhǎng)(6 m～10 m)、攔阻索彈性系統(tǒng)為k、垂索水平方向最大形變量為Δx，為了使最大瞬時(shí)過載a最小化，求解如下方程：

最大瞬時(shí)過載時(shí)的受力方程[7]：

(1)

能量方程：

(2)

對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析，擬合出柔性攔阻索分析結(jié)果，并確定最終采用的柔性攔阻索參數(shù)為：垂索長(zhǎng)L=10 m，彈性模量k=99 N/m，水平方向最大形變量Δx=8.5 m，最大瞬時(shí)過載a=5.7 g，垂索上產(chǎn)生的最大拉力F=481.3 N，兩段垂索作用于攔阻鉤的水平分力合力為Fx=833.6 N。

2 攔阻鉤設(shè)計(jì)

攔阻鉤主要由外部殼體和自鎖機(jī)構(gòu)組成，自鎖機(jī)構(gòu)是攔阻鉤的核心部件，由多套彈簧機(jī)構(gòu)和連桿機(jī)構(gòu)組成的混合機(jī)構(gòu)。機(jī)構(gòu)各彈簧的彈性系數(shù)以及連桿的轉(zhuǎn)動(dòng)角度計(jì)算誤差會(huì)影響機(jī)構(gòu)的精度以及回收可靠性。本文采用CATIA的多個(gè)模塊進(jìn)行攔阻鉤自鎖機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和關(guān)鍵承力零件(外部殼體)的有限元分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的科學(xué)性與正確性，確保設(shè)計(jì)成功，其設(shè)計(jì)流程如圖2所示。

圖2 設(shè)計(jì)流程圖

2.1 三維實(shí)體建模與運(yùn)動(dòng)模擬

依據(jù)無人機(jī)垂索回收原理，利用CATIA的零件設(shè)計(jì)與裝配設(shè)計(jì)模塊進(jìn)行如圖3所示的攔阻鉤三維實(shí)體模型設(shè)計(jì)，其中自鎖機(jī)構(gòu)主要由4組彈簧、2組連桿、制動(dòng)塊、制動(dòng)銷等組成。

1. 機(jī)翼連接體; 2. 攔阻鉤殼體; 3. M12法蘭堵頭; 4. φ5彈簧; 5,21. 后、前擋塊; 6，11. M2×6沉頭螺釘; 7，10. 銷軸; 8. 長(zhǎng)連桿; 9. 鉤連桿; 12. φ8彈簧; 13. M12圓柱堵頭; 14. 法蘭軸; 15. 卡銷; 16. M3圓柱堵頭; 17. φ3彈簧; 18. 滑塊; 19. φ10彈簧; 20. M12圓柱堵頭圖3 攔阻鉤三維模型

圖3中，設(shè)計(jì)原理是：法蘭軸(14)一端處于滑槽外，另一端接觸長(zhǎng)連桿(8)，連桿另一端與鉤連桿(9)連接，鉤連桿另一端擋住滑塊(18)。當(dāng)攔阻索滑入攔阻鉤的滑槽內(nèi)，利用兩者之間的作用力推動(dòng)法蘭軸向后運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)長(zhǎng)連桿、鉤連桿轉(zhuǎn)動(dòng)，鉤欄桿釋放滑塊，在彈簧(19)的作用下，滑塊急速向前滑動(dòng)，直至鎖緊攔阻索并由卡銷鎖緊滑塊。

結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)初步建立后，為了保證所有零件之間無干涉和驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)的可行性，需要對(duì)攔阻鉤進(jìn)行運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的校核，本文在DMU Kinematics環(huán)境下動(dòng)態(tài)模擬機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過程。首先對(duì)攔阻鉤殼體施加固定約束，對(duì)法蘭軸添加位移驅(qū)動(dòng)，確定攔阻鉤機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副(見表1)。根據(jù)運(yùn)動(dòng)分析結(jié)果，優(yōu)化法蘭軸和攔阻鉤殼體內(nèi)滑槽間的最大位移值，選擇最合適的參數(shù)，然后開始錄制運(yùn)動(dòng)過程。反復(fù)錄制查看效果，并進(jìn)一步修改零件，直至運(yùn)動(dòng)效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。圖4所示為攔阻鉤自鎖機(jī)構(gòu)在兩種運(yùn)動(dòng)位置(分別為初始狀態(tài)和鎖緊狀態(tài))的結(jié)構(gòu)樣式。

表1 攔阻鉤機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)副

圖4 攔阻鉤自鎖機(jī)構(gòu)不同運(yùn)動(dòng)位置的結(jié)構(gòu)樣式

2.2 繩索與攔阻鉤間摩擦系數(shù)校核

攔阻鉤設(shè)計(jì)的最終目的是鎖死攔阻索，防止無人機(jī)下滑，因此，必須校核攔阻索與滑塊間的摩擦系數(shù)，Φ10彈簧(圖5)設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

圖5 彈簧示意圖

材料琴鋼絲剛性模量G8 000自由長(zhǎng)L25 mm壓縮長(zhǎng)度ΔL13 mm線材直徑d2 mm彈簧中徑Dm10 mm有效圈數(shù)Nc4.5

彈簧常數(shù)k：

(3)

彈簧壓力F：

F=k·ΔL=46.28 kgf=453.5 N

(4)

由文獻(xiàn)知，繩與鋁材間的動(dòng)摩擦系數(shù)約為0.45，為增大摩擦力，將與繩索接觸的滑塊與法蘭盤表面進(jìn)行表面處理，增加表面粗糙度，實(shí)驗(yàn)得出此時(shí)摩擦系數(shù)達(dá)0.62，即摩擦力Fμ=453.5×0.62=281.2 N，大于無人機(jī)自身重力147 N，滿足設(shè)計(jì)要求。

3 攔阻鉤殼體有限元分析

由力學(xué)分析知，攔阻鉤殼體幾乎承受所有攔阻索作用力，為關(guān)鍵承力零件，因此本文針對(duì)攔阻鉤殼體進(jìn)行有限元分析。利用網(wǎng)格劃分工具，對(duì)網(wǎng)格規(guī)格進(jìn)行設(shè)置，包括元素類型、網(wǎng)格尺寸、網(wǎng)格形狀和網(wǎng)格凹陷等。由于攔阻索與殼體接觸位置變形量最大，為主受力部位，網(wǎng)格劃分時(shí)，該位置需對(duì)網(wǎng)格尺寸和垂度進(jìn)一步細(xì)化[8]。圖6為網(wǎng)格優(yōu)化處理的結(jié)果，單元節(jié)點(diǎn)間的應(yīng)力差小于單元最大應(yīng)力的10%。

圖6 網(wǎng)格優(yōu)化處理的結(jié)果

表3為攔阻鉤殼體的材料特性[9]，表4為網(wǎng)格劃分及殼體擠壓應(yīng)力加載的具體參數(shù)。由圖7攔阻鉤殼體擠壓應(yīng)力等值分布圖知，攔阻鉤殼體在受攔阻索水平分力合力833.6 N的擠壓下的應(yīng)力最大值為1e+007 N/m2，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于7075鋁合金材質(zhì)的屈服強(qiáng)度，攔阻鉤不會(huì)產(chǎn)生疲勞、裂紋或斷裂危險(xiǎn)。

表3 攔阻鉤殼體材料特性

表4 有限元分析具體參數(shù)

圖7 攔阻鉤殼體擠壓應(yīng)力等值分布圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)垂索回收固定翼無人機(jī)的回收特點(diǎn)設(shè)計(jì)了一型具有自鎖功能的翼尖攔阻鉤，處于回收航路的無人機(jī)與攔阻索接觸時(shí)，自鎖機(jī)構(gòu)在兩者相互作用下快速勾住并鎖緊攔阻索。利用CATIA軟件進(jìn)行攔阻鉤模型的運(yùn)動(dòng)仿真和關(guān)鍵承力零件過載情況的有限元分析，得出應(yīng)力等值分布圖，確保設(shè)計(jì)可靠。

該型攔阻鉤設(shè)計(jì)原理科學(xué)可行，通過彈簧及連桿實(shí)現(xiàn)自主回收，并解決了現(xiàn)有固定翼無人機(jī)回收時(shí)的自動(dòng)下滑問題。通過簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)適配設(shè)計(jì)即可應(yīng)用于多型艦載小型固定翼無人機(jī)(≤60 kg)的回收，有較好的推廣價(jià)值和應(yīng)用前景。攔阻鉤現(xiàn)已在國(guó)內(nèi)某型無人機(jī)(30 kg級(jí))上實(shí)際應(yīng)用，實(shí)際承受過載10g，回收速度28 m/s。