一種微型無(wú)人機(jī)機(jī)載氣動(dòng)連續(xù)發(fā)射裝置

葉邦松，劉超峰，方彤，周倪敏，劉杰，侯勁，王昊，陳澤嘉

（上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，上海 201620）

0 引言

隨著中國(guó)低空飛行領(lǐng)域的逐步開(kāi)放，微型無(wú)人機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。由于消費(fèi)級(jí)微型無(wú)人機(jī)易于獲得、攜帶方便、操作簡(jiǎn)單，不法分子利用微型無(wú)人機(jī)從事違法犯罪活動(dòng)也日益增加，嚴(yán)重威脅城市公共安全和社會(huì)秩序，因此如何防范此類(lèi)威脅顯得尤為重要［1］?；诂F(xiàn)有武器裝備在城市反微型無(wú)人機(jī)存在一定的局限性，不能很好的滿足城市反微型無(wú)人機(jī)的需求［2］，因此本文采用軟殺傷的思想設(shè)計(jì)了一種連續(xù)子彈發(fā)射裝置，該裝置以無(wú)人機(jī)為搭載平臺(tái)，以壓縮氣體為動(dòng)力，同時(shí)將動(dòng)力系統(tǒng)、調(diào)壓系統(tǒng)、發(fā)射系統(tǒng)、填充系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)集成于一體，實(shí)現(xiàn)對(duì)“黑飛”無(wú)人機(jī)的打擊。該裝置用于低空無(wú)人機(jī)軟殺傷式的防衛(wèi)和捕獲，可為公共管理部門(mén)和安全執(zhí)法部門(mén)提供技術(shù)支撐。同時(shí)，本方案設(shè)計(jì)的無(wú)人機(jī)機(jī)載連續(xù)發(fā)射裝置可為研究城市反微型無(wú)人機(jī)軟殺傷式的研究人員提供參考。

1 無(wú)人機(jī)機(jī)載連續(xù)發(fā)射子彈裝置總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)原則

（1）安全性：本裝置類(lèi)似于管制槍具，近距離擊中人會(huì)造成傷害事故，因此需要充分考慮裝載使用以及搬運(yùn)存放時(shí)產(chǎn)生的危險(xiǎn)和可能發(fā)生的事故。因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，盡量要求零件沒(méi)有多余的松動(dòng)，減少由于撞擊摩擦而產(chǎn)生的危險(xiǎn)。把安全放在首位，杜絕因裝置本身而產(chǎn)生的人員傷亡或者各類(lèi)不安全情況的發(fā)生。

（2）可靠性：對(duì)通用性有較高的要求，因此需要采用較好的材料，成熟的制造技術(shù)來(lái)制造子彈發(fā)射平臺(tái)，保證其本身的強(qiáng)度和剛度。盡可能多的使用標(biāo)準(zhǔn)件，提高裝置的互換性和通用性，在發(fā)生故障時(shí)能更快的進(jìn)行修復(fù)。

（3）經(jīng)濟(jì)性：充分利用已有的研究成果和已經(jīng)成熟的技術(shù)，減少制造過(guò)程中不必要的開(kāi)發(fā)?？紤]其經(jīng)濟(jì)型，盡可能地采用成熟的制造工藝提高生產(chǎn)率，降低成本。

1.2 功能指標(biāo)

（1）足夠的射程：本子彈射擊平臺(tái)需要保證射程至少為10 m，這樣能有足夠的威力和更大的概率擊中無(wú)人機(jī)。子彈發(fā)射距離很大程度上取決于子彈本身直徑，以及槍管的長(zhǎng)度和樣式?jīng)Q定了子彈的準(zhǔn)確度。

（2）子彈發(fā)射系統(tǒng)的自動(dòng)發(fā)射功能：由于本裝置是掛載在無(wú)人機(jī)上的，而無(wú)人機(jī)從發(fā)現(xiàn)目標(biāo)無(wú)人機(jī)到子彈射擊擊中目標(biāo)無(wú)人機(jī)的時(shí)間是不定的，因此子彈發(fā)射裝置需要對(duì)接收到的信號(hào)立刻進(jìn)行響應(yīng)，而不能通過(guò)類(lèi)似于時(shí)間計(jì)數(shù)器的裝置進(jìn)行射擊。另外，市面上小型子彈發(fā)射裝置一般為手持武器，通過(guò)扣動(dòng)扳機(jī)來(lái)間接擊發(fā)撞針，這種觸發(fā)方式掛載在無(wú)人機(jī)上顯得較為繁瑣，扣動(dòng)扳機(jī)較難實(shí)現(xiàn)，且本裝置對(duì)整體的體積與重量有明確要求。因此，選擇使用電機(jī)推動(dòng)撞針來(lái)完成子彈發(fā)射的任務(wù)。

（3）目標(biāo)追擊能力：由于本裝置的目標(biāo)是小型無(wú)人機(jī)，對(duì)方行動(dòng)靈活多變，追擊中會(huì)產(chǎn)生諸多困難，子彈發(fā)射裝置又掛載在無(wú)人機(jī)上，在飛行時(shí)添加了負(fù)擔(dān)。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)選用了六翼無(wú)人機(jī)，相比于四翼無(wú)人機(jī)其有更多的動(dòng)力，更好的滯空能力和更優(yōu)秀的追擊性能。

（4）緩沖功能：在子彈擊發(fā)的同時(shí)，子彈發(fā)射裝置會(huì)受到反作用力而造成整體的晃動(dòng)。用緩沖裝置抵消一部分的力，能更好的為下一次的射擊提供更好的環(huán)境，使連續(xù)射擊有更好的準(zhǔn)確度。

1.3 主要參數(shù)

無(wú)人機(jī)機(jī)載連續(xù)發(fā)射子彈裝置主要參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 主要參數(shù)Tab.1 Main parameters

1.4 總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)發(fā)射原理：本裝置主要用于子彈發(fā)射，發(fā)射方式模仿槍支射擊，但像手槍一樣扣動(dòng)扳機(jī)將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，在掛載中的無(wú)人機(jī)中難以實(shí)現(xiàn)［3］。因此做了一些改進(jìn)，在子彈發(fā)射裝置后部加裝電機(jī)，由電機(jī)帶動(dòng)零件不斷撞擊撞針以達(dá)到連續(xù)發(fā)射的目的。

子彈發(fā)射平臺(tái)的流程為：裝置接收到信號(hào)以后啟動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)推動(dòng)盤(pán)旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)時(shí)撞擊扳機(jī)促使其向前敲擊撞針，撞針撞擊填入槍管中的子彈來(lái)完成射擊動(dòng)作。

本無(wú)人機(jī)平臺(tái)子彈發(fā)射裝置的總體設(shè)計(jì)如圖1所示，將根據(jù)其功能特點(diǎn)的需求進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，主要分為4 大模塊：子彈填裝模塊、觸發(fā)模塊、緩震模塊、發(fā)射控制模塊。

圖1 無(wú)人機(jī)子彈連續(xù)發(fā)射裝置總體圖Fig.1 Overall diagram of the continuous launching device of UAV bullets

1.4.1 子彈填裝模塊

模仿全自動(dòng)手槍內(nèi)部結(jié)構(gòu)，子彈填裝模塊由槍管，槍部上殼，機(jī)動(dòng)鋼鐵等零件組成。在一顆子彈被擊發(fā)射出后，其后坐力帶動(dòng)機(jī)動(dòng)鋼鐵向后移動(dòng)，帶動(dòng)彈殼至后方缺口彈出槍膛，而后歸位并將彈夾中的子彈推入槍管中。

滿足連續(xù)發(fā)射，主要由2 個(gè)階段實(shí)現(xiàn)：

第一階段：扳機(jī)撞擊撞針，撞針撞擊子彈后槍膛會(huì)受到火藥爆炸的反作用力，使整個(gè)槍膛向后運(yùn)動(dòng)，彈殼會(huì)在槍膛后退到一定位置時(shí)從預(yù)留的位置彈出；

第二階段：子彈發(fā)射系統(tǒng)后部電機(jī)兩側(cè)的彈簧會(huì)促使后退的槍膛歸位，在歸位時(shí)槍膛會(huì)將下一顆子彈從彈夾內(nèi)推入槍管，恢復(fù)成子彈發(fā)射前的模式。

1.4.2 觸發(fā)模塊

自主設(shè)計(jì)的部件，內(nèi)有撞針和扳機(jī)，當(dāng)電機(jī)帶動(dòng)推動(dòng)盤(pán)后，推動(dòng)盤(pán)會(huì)撞擊扳機(jī)，促使扳機(jī)撞擊撞針，撞針向前移動(dòng)撞擊子彈來(lái)完成射擊動(dòng)作。觸發(fā)模塊由推動(dòng)盤(pán)與撞針組成，其工作原理是電機(jī)帶動(dòng)推動(dòng)盤(pán)，推動(dòng)盤(pán)旋轉(zhuǎn)后突出的紋路促使扳機(jī)回彈與撞針發(fā)生碰撞，撞針向前推進(jìn)接觸彈殼，完成發(fā)射動(dòng)作。設(shè)計(jì)這一模塊時(shí)需要注意推動(dòng)盤(pán)的紋路，扳機(jī)和撞針相互關(guān)聯(lián)的尺寸搭配，需要保證扳機(jī)有足夠的受力傳遞給撞針，撞針有足夠的空間來(lái)回移動(dòng)，并保證這些零件有足夠的強(qiáng)度和剛度來(lái)抵抗零件間的沖擊，防止多次撞擊后產(chǎn)生零件破損。

1.4.3 緩震模塊

自主設(shè)計(jì)的模塊，內(nèi)有滑塊和彈簧，主要用于抵消子彈發(fā)射產(chǎn)生的反作用力，減少無(wú)人機(jī)與子彈發(fā)射平臺(tái)的晃動(dòng)，為下次子彈發(fā)射做充分的準(zhǔn)備，提高整體的穩(wěn)定性和子彈射擊的準(zhǔn)確度。本緩震平臺(tái)參考迫擊炮緩沖機(jī)原理，選用彈簧作為子彈發(fā)射平臺(tái)與無(wú)人機(jī)之間的緩沖構(gòu)件，其作用是：在射擊時(shí)子彈飛出槍管之前，允許子彈發(fā)射裝置與無(wú)人機(jī)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，保證槍體能沿著槍管水平方向抵消后坐力，提高射擊的密集程度。同時(shí)，在射擊時(shí)，槍體后坐與復(fù)進(jìn)的過(guò)程中，使后座不對(duì)無(wú)人機(jī)平臺(tái)產(chǎn)生剛性沖擊，減小作用在無(wú)人機(jī)上的力，降低無(wú)人機(jī)在空中的偏移距離。射擊后保證子彈發(fā)射系統(tǒng)與無(wú)人機(jī)能靜止在一個(gè)準(zhǔn)確的位置上，縮短射擊的間隔時(shí)間和提高射擊頻率。

1.4.4 發(fā)射控制模塊

自主設(shè)計(jì)的模塊，內(nèi)有電機(jī)和推動(dòng)盤(pán)。當(dāng)擊發(fā)信號(hào)來(lái)時(shí)啟動(dòng)電機(jī)，電機(jī)啟動(dòng)后推動(dòng)盤(pán)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，與觸發(fā)模塊接觸。發(fā)射控制模塊包括小電機(jī)和與其過(guò)盈配合的推動(dòng)盤(pán)。子彈發(fā)射指令用電流形式通過(guò)導(dǎo)線連接至電機(jī)，通電后電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)帶動(dòng)推動(dòng)盤(pán)開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，這樣就能帶動(dòng)觸發(fā)模塊轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)扳機(jī)，撞針運(yùn)動(dòng)，來(lái)完成射擊動(dòng)作。需要注意的是子彈發(fā)射裝置后蓋與槍體之間的螺紋應(yīng)與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反，這樣能保證電機(jī)多次啟動(dòng)后，后蓋不會(huì)因?yàn)榕まD(zhuǎn)力的緣故而導(dǎo)致和槍體外殼發(fā)生松動(dòng)。

2 無(wú)人機(jī)機(jī)載連續(xù)發(fā)射子彈裝置運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

2.1 無(wú)人機(jī)平臺(tái)子彈發(fā)射系統(tǒng)總體模型的建立

無(wú)人機(jī)平臺(tái)子彈發(fā)射系統(tǒng)是一個(gè)較為復(fù)雜的機(jī)械系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)可以分為3 大部分：無(wú)人機(jī)、緩震器與子彈發(fā)射系統(tǒng)，如圖2 所示。由于無(wú)人機(jī)平臺(tái)子彈發(fā)射系統(tǒng)的理想模擬環(huán)境是在空中，所以取消重力來(lái)替代懸停于空中的飛行姿態(tài)，建立無(wú)人機(jī)平臺(tái)子彈發(fā)射系統(tǒng)整體的動(dòng)力學(xué)模型，定義系統(tǒng)慣性坐標(biāo)系。

圖2 無(wú)人機(jī)平臺(tái)子彈發(fā)射系統(tǒng)模型Fig.2 Model of bullet launching system for UAV platform

2.2 無(wú)人機(jī)平臺(tái)子彈發(fā)射系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)仿真

將無(wú)人機(jī)平臺(tái)子彈發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行懸?？罩械淖訌棸l(fā)射模擬。起始設(shè)定子彈發(fā)射后無(wú)人機(jī)平臺(tái)受到的反作用力為5N，仿真時(shí)間為0.2 s，記錄了50 次數(shù)據(jù)。無(wú)人機(jī)平臺(tái)的整體位移、速度、加速度、角速度和角加速度如圖3～圖7。

圖3 無(wú)人機(jī)平臺(tái)在發(fā)射期間整體位移曲線Fig.3 Overall displacement curve of UAV platform during launching

圖4 無(wú)人機(jī)平臺(tái)在發(fā)射期間的速度曲線Fig.4 Velocity curve of UAV platform during launch

圖5 無(wú)人機(jī)平臺(tái)在發(fā)射期間的加速度曲線Fig.5 Acceleration curve of UAV platform during launch

圖6 無(wú)人機(jī)平臺(tái)在發(fā)射期間的角速度曲線Fig.6 Angular velocity curve of UAV platform during launching

圖7 無(wú)人機(jī)平臺(tái)在發(fā)射期間的角加速度曲線Fig.7 Angular acceleration curve of UAV platform during launching

通過(guò)仿真結(jié)果可知：本文設(shè)計(jì)的連續(xù)子彈發(fā)射裝置能夠在無(wú)人機(jī)平臺(tái)上正常發(fā)射子彈，且發(fā)射時(shí)產(chǎn)生的后坐力對(duì)無(wú)人機(jī)平臺(tái)的平穩(wěn)飛行影響甚微，可以忽視。

3 結(jié)束語(yǔ)

隨著微型無(wú)人機(jī)技術(shù)的發(fā)展，微型無(wú)人機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。同時(shí)，微型無(wú)人機(jī)的一些應(yīng)用已成為公共安全的潛在威脅。針對(duì)這種現(xiàn)狀，本文研究了一種子彈連續(xù)發(fā)射裝置，該裝置利用無(wú)人機(jī)作為平臺(tái)，搭載子彈連續(xù)發(fā)射裝置，對(duì)無(wú)人機(jī)展開(kāi)打擊行動(dòng)。相較于以往導(dǎo)彈、高射炮、狙擊手、電磁干擾裝置等反無(wú)人機(jī)手段來(lái)說(shuō)，本裝置具有較高的靈活性且成本低。通過(guò)對(duì)無(wú)人機(jī)搭載的連續(xù)子彈發(fā)射裝置在發(fā)射子彈時(shí)仿真，證明了方案的可行性。本方案設(shè)計(jì)的微型無(wú)人機(jī)機(jī)載子彈連續(xù)發(fā)射裝置可以為研究城市環(huán)境中反微型無(wú)人機(jī)軟殺傷設(shè)備的研究人員提供研究基礎(chǔ)與參考。