固定翼無(wú)人機(jī)傘降回收系統(tǒng)選型設(shè)計(jì)

安佳寧　李龍

研究了固定翼無(wú)人機(jī)傘降回收系統(tǒng)的選型問(wèn)題，在分析無(wú)人機(jī)傘降回收系統(tǒng)優(yōu)劣的基礎(chǔ)上，給出了傘降回收系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)要求和無(wú)人機(jī)回收的基本流程，分析了回收傘和氣囊選型、設(shè)計(jì)及相關(guān)開(kāi)傘機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)與選型。

傘降回收系統(tǒng)主要應(yīng)用在中小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)中，這是因?yàn)閼?zhàn)術(shù)機(jī)動(dòng)性對(duì)小型無(wú)人機(jī)系統(tǒng)更為重要，對(duì)于傘降回收系統(tǒng)來(lái)講相對(duì)簡(jiǎn)略的無(wú)人機(jī)系統(tǒng)付出的結(jié)構(gòu)代價(jià)比大型、長(zhǎng)航時(shí)、高效無(wú)人機(jī)系統(tǒng)要小。傘降回收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)主要從以下幾個(gè)因素去考慮：一是安全性?；厥针A段操作的安全性是回收系統(tǒng)的必然要求。二是保護(hù)性?；厥障到y(tǒng)必須保證飛行器在回收過(guò)程中不會(huì)遭到損壞，由于一些精密搭載設(shè)備對(duì)著陸過(guò)程有嚴(yán)格限制，因此需要低過(guò)載著陸。三是精確性?；厥障到y(tǒng)必須確保飛行器在預(yù)定點(diǎn)以較高精度著陸，減少不必要的回收損壞。四是機(jī)動(dòng)性?；厥障到y(tǒng)必須滿足在所有可能的戰(zhàn)術(shù)需求區(qū)域使用的條件。五是可靠性?；厥障到y(tǒng)必須具有高度的可靠性，在具體操作上具有高度的可預(yù)見(jiàn)性。六是可重復(fù)性。在飛行器壽命內(nèi)回收系統(tǒng)將被多次應(yīng)用。因此回收系統(tǒng)必須可重復(fù)使用。傘降回收系統(tǒng)具有較高的機(jī)動(dòng)性，可以在預(yù)先沒(méi)有準(zhǔn)備的區(qū)域著陸，但是由于自然風(fēng)的存在致使傘降回收系統(tǒng)回收精度不高，同時(shí)由于較大的著陸過(guò)載必須提高機(jī)身設(shè)計(jì)強(qiáng)度。

傘降回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)傘降回收系統(tǒng)時(shí)，基本的技術(shù)要求如下：

系統(tǒng)重量。無(wú)人機(jī)起飛質(zhì)量是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)于中小型無(wú)人機(jī)來(lái)講，更為重要。降落傘系統(tǒng)的質(zhì)量占發(fā)射總質(zhì)量的5% -10%。無(wú)人機(jī)越大，降落傘系統(tǒng)所占比例越小。

安裝體積和安裝位置。在滿足質(zhì)量的前提下，回收系統(tǒng)受到可利用空間大小的制約，在設(shè)計(jì)之初必須考慮回收傘的體積和傘包的展開(kāi)路徑。

最大過(guò)載。系統(tǒng)減速?zèng)_擊力負(fù)載一般由無(wú)人機(jī)電子器件限定。以最小損壞和最小運(yùn)轉(zhuǎn)周期使無(wú)人機(jī)返回地面，是無(wú)人機(jī)回收系統(tǒng)的主要目標(biāo)，因此，最大系統(tǒng)過(guò)載是影響回收性能的最大制約因素。包括開(kāi)傘動(dòng)載和著陸緩沖過(guò)載兩個(gè)指標(biāo)。

回收精度。對(duì)于非滑翔降落傘而言，開(kāi)傘后沒(méi)有直接有效的控制方式去控制降落傘，因此最終的落地位置取決于降落傘氣動(dòng)性能和當(dāng)?shù)仫L(fēng)速條件。隨著降落傘展開(kāi)高度的增加，風(fēng)對(duì)落點(diǎn)精度的影響將占據(jù)支配地位。因此，對(duì)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)裝訂風(fēng)速估計(jì)將有效提高回收精度。

接地方向和穩(wěn)定性。雖然在降落傘展開(kāi)后不能進(jìn)行有效控制，但是不同的降落傘具有不同的擺動(dòng)姿態(tài)，因此在當(dāng)無(wú)人機(jī)搖擺著陸時(shí)希望盡可能機(jī)身著地，而不是機(jī)翼或其他部分。飛行器設(shè)計(jì)和減震設(shè)計(jì)必須考慮以任何方向接地的可能。

回收速度和回收高度?；厥账俣群突厥崭叨葘?duì)回收傘設(shè)計(jì)有重要意義，回收速度決定了回收傘能否順利張開(kāi)，回收高度決定了回收傘是否有足夠時(shí)間完成張開(kāi)過(guò)程。

回收系統(tǒng)工作流程

目前，常見(jiàn)的無(wú)人機(jī)傘降回收過(guò)程如下：無(wú)人機(jī)在平飛狀態(tài)下進(jìn)入回收點(diǎn)實(shí)施回收?；厥罩噶畎l(fā)出后，發(fā)動(dòng)機(jī)停車(chē)后傘艙蓋打開(kāi)，拋傘機(jī)構(gòu)向后上方拋出引導(dǎo)傘，引導(dǎo)傘張滿通過(guò)引導(dǎo)傘連接繩拉出并打開(kāi)主傘包。為提高開(kāi)傘程序的可靠性，主傘多采用倒拉方式，即先拉直傘繩，后拉出主傘衣，避免松弛的傘繩干擾傘衣。為減小開(kāi)傘動(dòng)載，主傘多采用二次開(kāi)傘技術(shù)，底邊采用收口繩約束，收口繩通過(guò)延時(shí)切割器解除。傘繩拉直瞬間，拔出發(fā)火銷(xiāo)，拉發(fā)切割器延時(shí)藥，傘衣底邊則充氣擴(kuò)張至收口繩張緊狀態(tài)，并保持設(shè)定的阻力面積，使系統(tǒng)初步減速，延時(shí)幾秒后切割器割刀動(dòng)作切斷收口繩，傘衣底邊二次擴(kuò)張，直至充滿。回收傘產(chǎn)生阻力使無(wú)人機(jī)減速下降直至著陸。著陸時(shí)發(fā)出脫傘指令后，無(wú)人機(jī)給脫傘鎖電爆管供電，電爆管激發(fā)推動(dòng)分離機(jī)構(gòu)動(dòng)作，脫離回收傘，避免飛機(jī)被風(fēng)拖曳損傷。具體流程如圖1所示。

回收傘設(shè)計(jì)

回收傘型選擇

降落傘操作的基本原理是釋放一個(gè)高拉力裝置到自由大氣中，也就是給重力加速度產(chǎn)生一個(gè)阻力。當(dāng)這個(gè)力和加速度與重力平衡后，系統(tǒng)將進(jìn)入穩(wěn)定降落階段。無(wú)人機(jī)常用的傘型有：平面圓形傘、底邊延伸傘、錐形傘、方形傘、十字型傘，阻力系數(shù)和穩(wěn)定性的對(duì)比如表1所示：十字形傘最初由美國(guó)海軍軍械實(shí)驗(yàn)室在二十世紀(jì)四十年代末期發(fā)展而來(lái)。這種傘構(gòu)型簡(jiǎn)單，由兩塊帶狀傘衣疊加而成，并縫在一起。傘的長(zhǎng)寬比和傘衣織物孔的大小對(duì)最終傘的穩(wěn)定性有決定作用。增加傘的長(zhǎng)寬比或織物孔的大小會(huì)增加傘的靜穩(wěn)定性和動(dòng)穩(wěn)定性。十字形傘的拉力和張力系數(shù)小于圓形傘。但是擺角小。較小的搖擺角是十字形傘衣在大翼展無(wú)人機(jī)回收系統(tǒng)中受到歡迎的主要原因，這將會(huì)降低無(wú)人機(jī)與地面接觸時(shí)損壞的幾率。但是較小的張力系數(shù)意味著膨脹過(guò)程相對(duì)較慢，同時(shí)在這個(gè)階段產(chǎn)生會(huì)掉高，帶來(lái)了最后落點(diǎn)精度的不確定性。圓形傘在實(shí)際中得到大量使用，亞聲速無(wú)人機(jī)多使用連續(xù)傘衣，有縫隙和帶狀傘主要用于超聲速無(wú)人機(jī)?，F(xiàn)在單純的半球傘已經(jīng)很少使用，替代者為錐型和多錐體傘。這兩種傘改進(jìn)了圓形傘的拉力特性。與十字形傘衣相比這些傘衣具有較高的拉力和升力系數(shù)。因此在張開(kāi)時(shí)變化性較小，而且在較小表面積下就可以達(dá)到需要的下降率。但是這些降落傘更易擺動(dòng)。錐形傘和底邊延伸傘具有高可靠性，便于應(yīng)用收口機(jī)構(gòu)，透氣量匹配良好的設(shè)計(jì)同樣具有較高的穩(wěn)定性。

回收傘系統(tǒng)設(shè)計(jì)

降落傘系統(tǒng)主要包括引導(dǎo)傘1個(gè)、引導(dǎo)傘連接繩1根、傘包1個(gè)、主傘連接繩1根、主傘1具、吊帶組件1付、脫落接頭1個(gè).如圖2所示。其中，主傘設(shè)計(jì)和引導(dǎo)傘設(shè)計(jì)是其重點(diǎn)。

以某型無(wú)人機(jī)為例，其回收傘選用了底邊延伸傘，如圖3所示。傘衣阻力系數(shù)是0.8。無(wú)人機(jī)回收質(zhì)量110kg，回收速度110m/s，回收高度為200m.無(wú)人機(jī)規(guī)范落速為6m/s。根據(jù)穩(wěn)降階段動(dòng)力學(xué)模型，物傘系統(tǒng)重力與傘的阻力平衡，故而有：

式中，V1為無(wú)人機(jī)回收速，（GA）s=Cs×As，△為相對(duì)空氣密度，K根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取0.08。因此有Fmax=11557N，開(kāi)傘最大動(dòng)載為11557N，開(kāi)傘過(guò)載大于10g，因此要采用收口。收口比為收口繩長(zhǎng)度與傘衣底邊長(zhǎng)度之比，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(kāi)傘速度相同時(shí)，其最大開(kāi)傘動(dòng)載與一次充氣張滿相比，可很大程度上減小開(kāi)傘動(dòng)載，經(jīng)迭代計(jì)算，取收口面積比5%。為了提高降落的穩(wěn)定性，傘繩長(zhǎng)取傘衣名義直徑的90%，為8m，共24跟傘繩。

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)時(shí)基本選取引導(dǎo)傘面積為主傘面積的1%左右。

無(wú)人機(jī)傘包多采用倒拉程序設(shè)計(jì)，傘衣、傘繩分室隔離，傘衣在內(nèi)室傘繩在外室，隔離幅用插銷(xiāo)封閉，利用近底邊端傘繩拉直的行程差拔出插銷(xiāo)，解除隔離封包。傘繩室設(shè)有末繩套圈，用于約束、固定傘繩束，避免拉直過(guò)程傘繩成團(tuán)掉出，相互纏繞。開(kāi)傘時(shí)引導(dǎo)傘牽引拉出傘包，拉斷傘包封包括銷(xiāo)保險(xiǎn)線，拔出封包插銷(xiāo)打開(kāi)傘包，繼而順序拉出傘繩;傘繩拉直瞬間拔出隔離封包插銷(xiāo)和切割器拉發(fā)銷(xiāo)，拉出傘衣并拉發(fā)收口繩延時(shí)切割器。

目前，常用的開(kāi)傘機(jī)構(gòu)有兩種，一種是射傘火箭和爆炸螺栓配合，一種是帶彈簧引導(dǎo)傘和傘艙蓋閉鎖機(jī)構(gòu)配合。射傘火箭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但是可以將引導(dǎo)傘彈到相對(duì)較高的高度。避免和無(wú)人機(jī)尾翼發(fā)生干涉。帶彈簧引導(dǎo)傘結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是存在引導(dǎo)傘與尾翼相干涉的情況，多用于雙垂尾無(wú)人機(jī)和V字型尾翼無(wú)人機(jī)。

一旦無(wú)人機(jī)傘降著陸后，及時(shí)拋掉傘體防止大風(fēng)對(duì)無(wú)人機(jī)的拉拽及對(duì)機(jī)身造成的損壞，這一點(diǎn)十分重要。目前，應(yīng)用最廣泛的拋傘機(jī)構(gòu)為電控式脫離鎖。以火藥為動(dòng)力當(dāng)電爆管通電后，藥柱立即燃爆，以足夠的能量推動(dòng)柱塞，切斷限制銷(xiāo)，柱塞上移則滾珠離開(kāi)外座，從而使物傘脫離。該形式脫離鎖廣泛用于回收傘的分離，技術(shù)較為成熟，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖5。

空投試驗(yàn)

空投試驗(yàn)是回收傘研制過(guò)程中最重要的性能測(cè)試試驗(yàn)?？胀赌康氖球?yàn)證機(jī)回收系統(tǒng)在無(wú)人機(jī)回收速度、高度、重量狀態(tài)下充氣性能，測(cè)試回收系統(tǒng)的穩(wěn)降速度、動(dòng)載，判斷開(kāi)傘動(dòng)載及穩(wěn)降速度是否滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

氣囊設(shè)計(jì)

儲(chǔ)氣方式

充氣裝置按照氣體的產(chǎn)生方式可分為儲(chǔ)氣式充氣裝置和氣體發(fā)生器兩大類(lèi)，各具特點(diǎn)。儲(chǔ)氣式充氣裝置：由高壓氣瓶、手動(dòng)截止閥、電磁閥和管路附件組成;氣體發(fā)生器：由點(diǎn)火器、金屬殼體、氣體發(fā)生劑和過(guò)濾網(wǎng)組成。綜合對(duì)比以上兩種方案，氣體發(fā)生器充氣方案具有系統(tǒng)組成簡(jiǎn)單、重量較輕等特點(diǎn)，但其屬于火工品，不僅需關(guān)注安全性問(wèn)題，而且屬于一次性消耗品。無(wú)人機(jī)所用氣囊不同于汽車(chē)安全氣囊，需要低溫緩釋氣體發(fā)生器，因?yàn)闅饽页錆M到落地有幾十秒的時(shí)間，如果氣囊內(nèi)氣體溫度過(guò)高，在充氣初期氣囊充滿的情況下在落地的時(shí)候由于氣體溫度降低，壓力將不足起不到緩沖作用。要保證落地瞬間有足夠壓力，必須增大充氣量來(lái)，有可能會(huì)在充氣過(guò)程中造成氣囊破裂。因此，低溫緩釋氣體發(fā)生劑是氣體發(fā)生器的研制難點(diǎn)。采取儲(chǔ)氣式充氣裝置具有可靠性高、可重復(fù)使用等特點(diǎn)，但需配套隔膜壓縮機(jī)、壓力表、氣濾、高壓管路等地面保障設(shè)備。而且充放氣組件質(zhì)量較重，管路氣密性要求較高。選擇哪種儲(chǔ)氣方式要從技術(shù)成熟性、技術(shù)繼承性和使用安全性、無(wú)人機(jī)重量裕度等方面綜合考慮。

氣囊類(lèi)型

目前，較常用的氣囊有三類(lèi)，一是充氣骨架式氣囊、二是易破薄膜氣囊、三是雙層氣囊。充氣骨架式氣囊由充氣骨架、外囊、充氣嘴等部分構(gòu)成。充氣骨架一般由聚氨酯膠布等材料熱合而成。氣囊外囊包裹于充氣骨架之外。充氣過(guò)程中內(nèi)骨架充滿后。外氣囊隨之被張開(kāi)，并通過(guò)進(jìn)氣孔與大氣相接。在無(wú)人機(jī)著陸時(shí)，氣囊下部進(jìn)氣孔與地面接觸而堵死，無(wú)人機(jī)壓縮氣囊產(chǎn)生內(nèi)外壓力差，使得系統(tǒng)減速，起到緩沖作用。同時(shí)，在外囊受壓過(guò)程中，出氣孔排出外囊內(nèi)空氣，內(nèi)囊始終保持密閉狀態(tài)，起到吸收殘余速度的作用。易破薄模式氣囊，由氣源直接充滿，下落過(guò)程中，無(wú)人機(jī)壓縮囊內(nèi)氣體，到達(dá)一定壓力值時(shí)薄膜破裂，釋放能量。雙層氣囊，內(nèi)層密封外層有孔。落地后內(nèi)層破裂，外層氣囊小孔數(shù)量和分布控制放氣速度，防止無(wú)人機(jī)反彈。易破薄膜氣囊結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但容易在安裝過(guò)程中造成薄膜破裂，屬于一次使用的消耗品。雙層氣囊可靠性高，外囊配合內(nèi)囊調(diào)節(jié)排氣速度。屬于一次性消耗品。骨架式氣囊結(jié)構(gòu)復(fù)雜，重量較大，但所需氣量較小，可以重復(fù)使用。

氣囊設(shè)計(jì)

氣囊回收設(shè)計(jì)要保證落地過(guò)程中即控制過(guò)載又避免反彈。氣囊體積由質(zhì)量體積比確定，結(jié)合相關(guān)經(jīng)驗(yàn)及過(guò)載要求一般取值在500 - 800kg/m3之間。氣囊排氣口面積大小是決定氣囊緩沖效果的主要因素之一。氣囊排氣口面積由如下公式確定：

假設(shè)氣囊只設(shè)一個(gè)排氣口，開(kāi)始階段放氣是絕能等熵，內(nèi)部氣體總溫T*，總壓為P*，開(kāi)始放氣時(shí)飛機(jī)速度U，加速度為a。在開(kāi)始放氣瞬間，氣囊由于壓縮而減少的流量為：

據(jù)此，可初步求得總的排氣口面積。

落震試驗(yàn)

氣囊落震試驗(yàn)是氣囊完成加工后的性能測(cè)試試驗(yàn)，可以使用落震架模擬無(wú)人機(jī)的重量重心和氣囊安裝位置。氣囊落震試驗(yàn)?zāi)康挠袃蓚€(gè)一是觀察落震架在下降過(guò)程氣囊的形態(tài)及落震架是否發(fā)生反彈，二是通過(guò)力傳感器測(cè)試落震試驗(yàn)過(guò)程中的最大過(guò)載是否滿足指標(biāo)要求。

結(jié)束語(yǔ)

無(wú)人機(jī)回收系統(tǒng)設(shè)計(jì)要在確保無(wú)人機(jī)安全回收的基礎(chǔ)上進(jìn)行綜合權(quán)衡，在有多種選擇的情況下應(yīng)以技術(shù)成熟度作為最重要的衡量指標(biāo)，確保無(wú)人機(jī)的安全回收可靠度，在此基礎(chǔ)上應(yīng)充分考慮節(jié)約成本和降低操作復(fù)雜度。