振動(dòng)技術(shù)在無人機(jī)中的應(yīng)用

呂曉林

以火箭助推發(fā)射型無人機(jī)為例，通過分析無人機(jī)振動(dòng)環(huán)境、振動(dòng)特性，明確沖擊振動(dòng)頻率振幅和振動(dòng)功率譜，確定振動(dòng)設(shè)備和檢測(cè)設(shè)備，完成無人機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，并成功運(yùn)用在某型無人機(jī)研制生產(chǎn)中。該分析研究對(duì)其他無人機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)有借鑒作用。

無人機(jī)在發(fā)射、空中飛行和回收過程中要受到火箭、發(fā)動(dòng)機(jī)、空氣激波、回收傘產(chǎn)生的振動(dòng)沖擊，無人機(jī)能否承受這種振動(dòng)，直接影響到到無人機(jī)飛行安全和飛行成功。通過分析無人機(jī)振動(dòng)環(huán)境、振動(dòng)特性，明確沖擊振動(dòng)頻率振幅、波形，確定振動(dòng)功率譜，選擇相應(yīng)的振動(dòng)設(shè)備，在地面模擬無人機(jī)所承受的實(shí)際振動(dòng)環(huán)境，以檢驗(yàn)機(jī)載設(shè)備能否正常工作。

無人機(jī)振動(dòng)源分析

助推火箭振動(dòng)分析

助推火箭主要是由于推力的波動(dòng)導(dǎo)致對(duì)無人機(jī)機(jī)體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動(dòng)。

助推器點(diǎn)火和脫落時(shí)作用在飛機(jī)結(jié)構(gòu)的力和力矩。

發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)分析

發(fā)動(dòng)機(jī)傳給飛機(jī)結(jié)構(gòu)的力和力矩。螺旋槳、轉(zhuǎn)子及發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)部件之類的轉(zhuǎn)動(dòng)構(gòu)件產(chǎn)生的固有的和制造偏差引起的不平衡力。

安裝在螺槳式飛機(jī)上的設(shè)備，其振動(dòng)環(huán)境由寬帶隨機(jī)譜上迭加窄帶尖峰所組成。寬帶譜來源于各種隨機(jī)振源以及各種非正弦的周期性分量，周期性分量是由和渦輪螺槳發(fā)動(dòng)機(jī)有關(guān)的旋轉(zhuǎn)部件（發(fā)動(dòng)機(jī)、齒輪箱、轉(zhuǎn)軸等]引起的，窄帶尖峰是由于螺旋槳葉所帶動(dòng)的旋轉(zhuǎn)壓力場(chǎng)引起的。這些峰值的中心頻率位于螺旋槳槳葉通過頻率（槳葉數(shù)乘以螺旋槳每分鐘轉(zhuǎn)速除以60及其諧波的比較窄的頻帶內(nèi)。

安裝在其他類發(fā)動(dòng)機(jī)[包括噴氣式飛機(jī)發(fā)動(dòng)）上的設(shè)備的振動(dòng)譜形，除轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的主要尖峰信號(hào)頻率外，與螺槳式飛機(jī)的譜形相類似。發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)譜如圖1所示。

空氣振動(dòng)分析

空氣振動(dòng)主要表現(xiàn)形式為：尾旋、下洗流等氣動(dòng)擾動(dòng)傳給飛機(jī)結(jié)構(gòu)的力和力矩;陣風(fēng)載荷。

回收系統(tǒng)振動(dòng)分析

回收傘的張開、二次開傘、著陸時(shí)沖擊等振動(dòng)是無人機(jī)回收時(shí)主要振動(dòng)來源。

上述振動(dòng)一般表征為周期的、隨機(jī)的或瞬態(tài)的振動(dòng)。

無人機(jī)振動(dòng)特性如表1所示，振動(dòng)功率譜密度如表2所示。無人機(jī)振動(dòng)特性分析

根據(jù)無人機(jī)的各種振動(dòng)源，確定各種振動(dòng)載荷的大致量級(jí)、振動(dòng)類別（周期的、隨機(jī)的、瞬態(tài)的）及其作用的位置或區(qū)域。應(yīng)用特定的分析方法或試驗(yàn)技術(shù)，確定振動(dòng)預(yù)計(jì)狀態(tài)下的無人機(jī)結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)（固有振型、固有頻率、廣義質(zhì)量和阻尼比）。對(duì)于要進(jìn)行預(yù)振動(dòng)的地面或飛行狀態(tài)，建立無人機(jī)結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)分析用的數(shù)學(xué)模型，根據(jù)確定的激振動(dòng)力和模態(tài)參數(shù)，在各種特定的飛行狀態(tài)下有關(guān)的振動(dòng)載荷同時(shí)作用的情況下，采用已知的精確或近似方法進(jìn)行響應(yīng)分析，預(yù)計(jì)無人機(jī)各區(qū)域的振動(dòng)量級(jí)。該振動(dòng)量級(jí)可以作為無人機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)的依據(jù)。

目前，一般通過利用patran建立無人機(jī)三維模型，利用nastran軟件分析無人機(jī)振動(dòng)模態(tài)特性。根據(jù)無人機(jī)振動(dòng)模態(tài)對(duì)相應(yīng)振動(dòng)的響應(yīng)，確定振動(dòng)頻率振幅和振動(dòng)功率譜。圖2為某型無人機(jī)振動(dòng)功率譜特性示意圖。

振動(dòng)技術(shù)在部件環(huán)境篩選（ ESS）試驗(yàn)中的應(yīng)用

ESS試驗(yàn)?zāi)康?/p>

環(huán)境篩選的目的是通過對(duì)電子產(chǎn)品施加隨機(jī)振動(dòng)及溫度循環(huán)應(yīng)力，以鑒別和剔除產(chǎn)品工藝和元件引起的早期故障，從而提高產(chǎn)品的使用可靠性。

ESS試驗(yàn)設(shè)計(jì)

振動(dòng)臺(tái)臺(tái)面能通過專用夾具將受篩產(chǎn)品剛性固定，并能保證由受篩產(chǎn)品、夾具、臺(tái)面及其空氣彈簧支撐系統(tǒng)所組成的質(zhì)量一彈簧系統(tǒng)在20 - 2000Hz頻率范圍內(nèi)不應(yīng)有共振頻率存在，即在20 - 2000Hz頻率范圍內(nèi)沿振軸方向的傳遞函數(shù)必須保持平坦，其不平坦允差不得超過±3dB，如有困難時(shí)，頻率范圍在500 - 2000Hz的允差放寬到±6dB，但累計(jì)帶寬應(yīng)在300Hz以內(nèi)。隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)控制點(diǎn)譜形允許誤差見表3。

②如有困難時(shí)，允差放寬到-9dB，但累計(jì)帶寬應(yīng)在300Hz以內(nèi)。

在隨機(jī)振動(dòng)時(shí)發(fā)生的故障，為最大限度減少為故障尋找而必須進(jìn)行的隨機(jī)振動(dòng)對(duì)產(chǎn)品壽命的影響，要求篩選及故障尋找施振總時(shí)間，在0.04g2/Hz功率譜密度值作用下的時(shí)間不能超過20min.其中故障尋找篩選應(yīng)在盡可能低的振級(jí)上進(jìn)行，以使等效時(shí)間減至最小，振動(dòng)量級(jí)與時(shí)間的等效關(guān)系見表4。振動(dòng)功率譜密度如圖3所示。

振動(dòng)技術(shù)在無人機(jī)整機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)中的應(yīng)用

整機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)?zāi)康?/p>

整機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)主要是模擬無人機(jī)在空中飛行時(shí)的振動(dòng)環(huán)境，檢驗(yàn)無人機(jī)系統(tǒng)的工作情況是否正常。

整機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

整機(jī)振動(dòng)采用正弦掃頻振動(dòng)的方法，無人機(jī)固定在兩臺(tái)JZQlOO型激器上振，按20 - 200 - 20Hz的頻率掃描，掃描二次;在掃頻范圍內(nèi)的五個(gè)諧振點(diǎn)定頻振動(dòng)各3min，振動(dòng)均方根加速度4.13g，沿?zé)o人機(jī)軸向垂直方向施振。

參試振動(dòng)儀器設(shè)備：

01激振

B&K3560CPULSE多分析儀;

B&K2708功率放大;

JXQ100激振器。

02測(cè)量

B&K4334加速度傳感器;

B&K4508B加速度傳感器;

B&K2635電荷放大器;

B&K2610測(cè)量放大器。

結(jié)束語

通過分析無人機(jī)振動(dòng)環(huán)境、振動(dòng)特性，明確沖擊振動(dòng)頻率振幅、沖擊波形和振動(dòng)功率譜，確定振動(dòng)設(shè)備和檢測(cè)設(shè)備，完成無人機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)，并成功運(yùn)用在某型無人機(jī)研制生產(chǎn)中。該分析研究對(duì)有人機(jī)和其他無人機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)有一定的借鑒作用。