折疊翼無(wú)人機(jī)的空中投放裝置設(shè)計(jì)*

胡溥瑞，孟 長(zhǎng)，李晨偉，陳亞鋒，王永恒

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，鄭州 450005）

0 引言

近年來(lái)，折疊翼無(wú)人機(jī)的重要軍事價(jià)值在烏俄戰(zhàn)爭(zhēng)以及伊拉克、阿富汗等地區(qū)的軍事沖突中得到了充分的體現(xiàn)。以美軍“彈簧刀”、“郊狼”系列、以色列“英雄”系列為代表[1-3]，折疊翼無(wú)人機(jī)在儲(chǔ)存狀態(tài)下可將機(jī)翼折疊收納于發(fā)射筒中，在出筒瞬間機(jī)翼展開(kāi)，飛抵目標(biāo)上空后，依照相應(yīng)策略執(zhí)行偵查或打擊任務(wù)[4]。小型折疊翼無(wú)人機(jī)由于機(jī)體尺寸的限制，往往采用鋰離子電池驅(qū)動(dòng)，搭配直流無(wú)刷電機(jī)及螺旋槳為無(wú)人機(jī)提供動(dòng)力，由于現(xiàn)階段電池容量密度的約束，造成折疊翼無(wú)人機(jī)航程有限[5-6]；受到機(jī)體尺寸及散熱等條件的約束，使得折疊翼無(wú)人機(jī)無(wú)法搭載大功率電臺(tái)及鏈路，造成其控制半徑及航程受限。應(yīng)用折疊翼無(wú)人機(jī)空中投放技術(shù)可彌補(bǔ)其該方面的缺陷。首先，載機(jī)可裝載折疊翼無(wú)人機(jī)飛至指定區(qū)域進(jìn)行投放，實(shí)現(xiàn)快速遠(yuǎn)程部署，彌補(bǔ)了折疊翼無(wú)人機(jī)續(xù)航能力的不足；同時(shí)，投放載機(jī)可充分發(fā)揮其載荷能力搭載大功率通信設(shè)備，作為投放子機(jī)的通訊中繼，擴(kuò)大了折疊翼無(wú)人機(jī)偵查及打擊的范圍；最后，采用空中投放方式起飛，對(duì)折疊翼無(wú)人機(jī)機(jī)體抗過(guò)載能力要求較低，可有效降低機(jī)體的重量占比，提高其有效載荷能力[7]。

本文根據(jù)某小型折疊翼無(wú)人機(jī)的特點(diǎn)及起飛速度要求，設(shè)計(jì)了一種可用于小型折疊翼無(wú)人機(jī)的空中投放裝置，采用投放筒及制動(dòng)傘的方式實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)的投放，對(duì)制動(dòng)傘及關(guān)鍵承力組件進(jìn)行了分析；通過(guò)設(shè)計(jì)一種小型延時(shí)控制單元來(lái)實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)對(duì)發(fā)射初速的要求；之后根據(jù)投放過(guò)程中投放機(jī)構(gòu)可能出現(xiàn)姿態(tài)進(jìn)行有限元分析，并借助Matlab軟件將分析結(jié)果進(jìn)行擬合；最后，利用Adams軟件進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真，驗(yàn)證了方案的可行性。飛行試驗(yàn)表明，該空中投放裝置能夠?qū)崿F(xiàn)折疊翼無(wú)人機(jī)的空中投放功能。

1 折疊翼無(wú)人機(jī)空中投放裝置工作流程

如圖1所示，載機(jī)到達(dá)目標(biāo)區(qū)域后，將裝有折疊翼無(wú)人機(jī)的投放裝置拋出，投放裝置進(jìn)行自由落體運(yùn)動(dòng)；與此同時(shí)，控制單元檢測(cè)到載機(jī)投放動(dòng)作后啟動(dòng)計(jì)時(shí)；投放裝置下落過(guò)程中，在重力作用下進(jìn)行垂向加速，同時(shí)逐漸低頭傾轉(zhuǎn)；當(dāng)投放裝置下落至設(shè)定時(shí)間T時(shí)，無(wú)人機(jī)已滿足投放速度且進(jìn)入豎直投放準(zhǔn)備姿態(tài)；控制單元釋放鎖定裝置，無(wú)人機(jī)獲得垂向的移動(dòng)自由度，同時(shí)傘倉(cāng)蓋及引導(dǎo)傘在鎖定裝置內(nèi)部彈性元件作用下向投放筒后方彈出，引導(dǎo)傘在氣動(dòng)力作用下張開(kāi)，進(jìn)而牽出主制動(dòng)傘；主制動(dòng)傘張開(kāi)后使投放筒制動(dòng)，無(wú)人機(jī)向前運(yùn)動(dòng)脫離投放筒，機(jī)翼展開(kāi)進(jìn)入拉起流程。

圖1 無(wú)人機(jī)投放流程

2 結(jié)構(gòu)組成

該空中投放裝置由投放筒、投放機(jī)構(gòu)、制動(dòng)傘及控制單元組成，如圖2所示。

圖2 投放裝置結(jié)構(gòu)

2.1 投放筒

投放筒作為折疊翼無(wú)人機(jī)的收納裝置，攜行及運(yùn)輸時(shí)為無(wú)人機(jī)提供保護(hù)，同時(shí)在投放裝置自由落體段為機(jī)翼提供約束，避免在速度未積累到投放速度前機(jī)翼展開(kāi)導(dǎo)致失速。

由于空中投放方式速度累積依靠重力作用，因此投放筒沒(méi)有抗高過(guò)載要求，加工時(shí)可選用低介電常數(shù)的D玻璃纖維，該種玻璃纖維機(jī)械強(qiáng)度不及常用的E玻璃纖維，但其對(duì)筒內(nèi)無(wú)人機(jī)的GPS及鏈路信號(hào)影響較小[8-9]；芳綸雖具有優(yōu)異的介電常數(shù)及拉伸強(qiáng)度，但成本較高。如表1所示。

表1 常見(jiàn)樹(shù)脂基復(fù)合材料增強(qiáng)纖維介電性能

投放筒前端延伸至機(jī)身，使機(jī)頭外露，該種布置策略可在下落過(guò)程中對(duì)頭部空氣來(lái)流進(jìn)行整流；投放筒尾部周向均布4片尾翼，用于投放筒下落過(guò)程中提供額外低頭力矩，使無(wú)人機(jī)盡快進(jìn)入并穩(wěn)定在出筒準(zhǔn)備姿態(tài)。

2.2 投放機(jī)構(gòu)

投放機(jī)構(gòu)占據(jù)投放筒尾部位置，實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)自載機(jī)投放后的延時(shí)出筒展開(kāi)，主要由鎖定裝置、制動(dòng)傘、定位框及傘倉(cāng)蓋組成，如圖3所示。

圖3 鎖定機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

2.2.1 鎖定裝置

鎖定裝置作為核心組件軸向貫穿整個(gè)投放機(jī)構(gòu)，將無(wú)人機(jī)及傘倉(cāng)蓋鎖定，在控制單元發(fā)出釋放信號(hào)時(shí)，鎖定裝置動(dòng)作將無(wú)人機(jī)及傘倉(cāng)蓋同時(shí)釋放。

2.2.2 制動(dòng)傘

制動(dòng)傘分為主傘及引導(dǎo)傘，鎖定裝置釋放時(shí)，傘倉(cāng)蓋向后彈出，牽引引導(dǎo)傘打開(kāi)，引導(dǎo)傘充氣后牽引主傘打開(kāi)。主傘打開(kāi)后，將制動(dòng)力通過(guò)定位框傳遞給投放筒，使投放筒制動(dòng)，無(wú)人機(jī)由于慣性力作用向前運(yùn)動(dòng)脫出投放筒。

制動(dòng)傘開(kāi)傘過(guò)程可分為如下幾個(gè)階段[10-11]：（1）引導(dǎo)傘出傘倉(cāng)直至傘繩拉直；（2）引導(dǎo)傘充氣打開(kāi)階段；（3）主傘出傘倉(cāng)直至傘繩拉直；（4）主傘充氣打開(kāi)階段；（5）無(wú)人機(jī)脫出投放裝置；（6）投放裝置勻速下落階段。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，僅考慮主傘完全打開(kāi)后對(duì)投放裝置的制動(dòng)作用。因此，主傘提供給投放筒的制動(dòng)力應(yīng)能夠克服無(wú)人機(jī)機(jī)身、機(jī)翼與投放筒內(nèi)壁之間的摩擦力。根據(jù)試驗(yàn)測(cè)量得到無(wú)人機(jī)與投放筒內(nèi)壁產(chǎn)生的最大靜摩擦力F不大于20 N。

制動(dòng)傘主傘參數(shù)如表2所示。

表2 制動(dòng)傘主傘參數(shù)

該無(wú)人機(jī)常規(guī)釋放速度為vr=30 m/s，制動(dòng)傘主傘完全打開(kāi)時(shí)，根據(jù)主傘參數(shù)計(jì)算制動(dòng)力為：

因此，制動(dòng)傘滿足設(shè)計(jì)要求。

2.2.3 定位框

定位框采用7050鋁合金加工，其材料參數(shù)如表3所示。

表3 定位框材料參數(shù)

隔離框通過(guò)螺釘與投放筒固聯(lián)，并將投放筒內(nèi)部空間分隔為無(wú)人機(jī)倉(cāng)及傘倉(cāng)，同時(shí)為無(wú)人機(jī)提供尾部定位；制動(dòng)傘主傘掛點(diǎn)穿過(guò)隔離框掛點(diǎn)孔將制動(dòng)力傳遞給隔離框。將隔離框模型以中間格式導(dǎo)入ANSYS Workbench，施加安裝孔固定約束及制動(dòng)傘主傘掛點(diǎn)拉力，分析在主傘完全打開(kāi)瞬間定位框的應(yīng)力分布情況，如圖4所示，由分析結(jié)果可知，定位框極限工況下最大應(yīng)力值為σmax=12.6 MPa，其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 隔離框應(yīng)力云圖

2.3 控制單元

如圖5所示，控制單元采用STC單片機(jī)最小系統(tǒng)架構(gòu)，前端使用LM7805穩(wěn)壓器提供DC5V輸出電壓，外接直插式無(wú)源晶振同步時(shí)鐘信號(hào)，協(xié)同單片機(jī)、復(fù)位電路及繼電器觸發(fā)無(wú)人機(jī)的投放動(dòng)作[11-12]。

圖5 控制單元原理

當(dāng)投放裝置處于掛載狀態(tài)時(shí)，觸點(diǎn)K2處于閉合狀態(tài)，單片機(jī)接收端IN與GND連通處于低電平狀態(tài)；當(dāng)載機(jī)收到投放指令，掛載機(jī)構(gòu)執(zhí)行投放動(dòng)作，此時(shí)常閉觸點(diǎn)K2斷開(kāi)，單片機(jī)接收端IN在上拉電阻R3的作用下處于高電平；并在接收到上升沿信號(hào)后啟動(dòng)內(nèi)部定時(shí)器；通過(guò)設(shè)置單片機(jī)內(nèi)部計(jì)數(shù)寄存器[13]，使其達(dá)到設(shè)定時(shí)間T后由輸出端OUT輸出低電平信號(hào)，繼而三級(jí)管Q1導(dǎo)通，繼電器SSR上電控制常開(kāi)開(kāi)關(guān)K3導(dǎo)通，釋放無(wú)人機(jī)鎖定裝置，完成投放動(dòng)作。

3 無(wú)人機(jī)投放過(guò)程仿真

無(wú)人機(jī)投放過(guò)程是指裝有折疊翼無(wú)人機(jī)的投放裝置自載機(jī)投出，投放裝置進(jìn)行投放姿態(tài)調(diào)整、速度累積直至無(wú)人機(jī)釋放機(jī)構(gòu)動(dòng)作的全過(guò)程。自載機(jī)投出后，由于無(wú)人機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)尚未啟動(dòng)，投放裝置運(yùn)動(dòng)過(guò)程類(lèi)似自由落體，除受到重力作用外，空氣來(lái)流對(duì)投放筒外壁造成的氣動(dòng)力將對(duì)投放裝置的速度及姿態(tài)造成影響。

為分析無(wú)人機(jī)投放過(guò)程各個(gè)時(shí)刻投放機(jī)構(gòu)的速度及姿態(tài)變化情況，首先使用三維建模軟件對(duì)投放裝置外形建模，建立流場(chǎng)模型；并以中間格式導(dǎo)入ICEM CFD，設(shè)置邊界條件及附面層參數(shù)，進(jìn)行網(wǎng)格劃分，將網(wǎng)格文件導(dǎo)入ANSYS CFX，通過(guò)設(shè)置邊界條件可得到不同攻角下投放裝置受到空氣阻力及傾轉(zhuǎn)力矩的離散結(jié)果，利用MATLAB函數(shù)擬合工具將離散結(jié)果擬合為投放裝置來(lái)流攻角及速度的函數(shù)。使用Adams建立投放裝置動(dòng)力學(xué)模型，施加邊界條件，通過(guò)迭代最終可得到無(wú)人機(jī)投放過(guò)程終點(diǎn)的位姿及速度結(jié)果。

以某型折疊翼無(wú)人機(jī)為例，填裝無(wú)人機(jī)后投放裝置的尺寸及重量參數(shù)如表4所示。

表4 投放機(jī)構(gòu)（含無(wú)人機(jī)）尺寸及質(zhì)量參數(shù)

建立流場(chǎng)模型，通過(guò).stp格式導(dǎo)入ICEM CFD，建立網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖6所示。

圖6 投放機(jī)構(gòu)有限元網(wǎng)格劃分結(jié)果

將建立得到的網(wǎng)格文件導(dǎo)入ICEM CFD，通過(guò)設(shè)置不同來(lái)流角度及流速等邊界條件，可得到投放機(jī)構(gòu)下落過(guò)程中不同姿態(tài)角及速度下受到的垂向空氣阻力及投放機(jī)構(gòu)傾轉(zhuǎn)力矩；表5所示為下落速度為15 m/s時(shí)投放機(jī)構(gòu)的受力情況；通過(guò)定義圓柱體旋轉(zhuǎn)流場(chǎng)，設(shè)置不同的流速可得到投放機(jī)構(gòu)在不同角速度傾轉(zhuǎn)條件下的空氣阻力矩。傾轉(zhuǎn)角速度為2 rad/s時(shí)投放機(jī)構(gòu)表面壓力云圖如圖7所示。

表5 下落速度為15 m/s時(shí)的氣動(dòng)力影響

圖7 傾轉(zhuǎn)角速度為2 rad/s時(shí)投放機(jī)構(gòu)表面壓力云圖

將不同來(lái)流攻角及下落速度下得到的垂向阻力及傾轉(zhuǎn)力矩的離散值導(dǎo)入MATLAB，運(yùn)用最小二乘法建立一個(gè)新的函數(shù)模型逼近樣本點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合[14-15]。一般來(lái)說(shuō)，雖然采用較高的多項(xiàng)式最高冪次將使得擬合曲線與試驗(yàn)點(diǎn)數(shù)值更為接近，但次數(shù)過(guò)高或造成試驗(yàn)點(diǎn)以外及插值區(qū)間邊緣的數(shù)據(jù)偏差增大[16]。低速流體中來(lái)流阻力往往與速度的平方成正比[17]，同時(shí)考慮到計(jì)算經(jīng)濟(jì)性，將速度的最高次冪設(shè)置為2，來(lái)流攻角的最高次冪設(shè)置為3，擬合結(jié)果如式（1）及（2）所示：

式中：D為投放機(jī)構(gòu)受到的垂向阻力；M為投放機(jī)構(gòu)受到的傾轉(zhuǎn)力矩；v為投放機(jī)構(gòu)的下落速度；α為投放機(jī)構(gòu)的來(lái)流攻角。

垂向阻力與傾轉(zhuǎn)力矩的擬合結(jié)果及曲面如圖8及圖9所示。

圖8 垂向空氣阻力擬合結(jié)果

圖9 傾轉(zhuǎn)力矩?cái)M合結(jié)果

將得到的垂向阻力D(v,α)、傾轉(zhuǎn)力矩M(v,α)及傾轉(zhuǎn)阻力矩Mr(ω)擬合結(jié)果引入Adams，設(shè)置初始及邊界條件，如表6所示。

表6 動(dòng)力學(xué)仿真初始及邊界條件設(shè)置

通過(guò)仿真，可得到投放機(jī)構(gòu)姿態(tài)角與下落速度的變化曲線。如圖10和圖11所示。

圖10 速度-時(shí)間曲線

圖11 來(lái)流攻角-時(shí)間曲線

由仿真結(jié)果可以得到以下結(jié)論。

（1）由速度-時(shí)間曲線可以看出，投放裝置下落過(guò)程中，隨著來(lái)流攻角逐漸變小，空氣阻力隨投放裝置迎風(fēng)面積減小隨之減小，在圖中反應(yīng)為速度曲線斜率逐漸增大。由分析結(jié)果可知，投放裝置垂向速度在t=3.6 s左右達(dá)到30 m/s，完成速度累積。

（2）由來(lái)流攻角-時(shí)間曲線可以看出，隨下落速度逐漸增加，投放裝置受到的低頭傾轉(zhuǎn)力矩逐漸增大，在圖中反應(yīng)為來(lái)流攻角曲線斜率減小并加速向零攻角靠攏；隨投放裝置傾轉(zhuǎn)角速度增加，傾轉(zhuǎn)阻力矩對(duì)投放裝置傾轉(zhuǎn)減速作用逐漸顯現(xiàn)，在圖中表現(xiàn)為投放機(jī)構(gòu)來(lái)流攻角接近0°時(shí)攻角曲線隨時(shí)間斜率逐漸平緩，在投放機(jī)構(gòu)首次計(jì)入豎直姿態(tài)后，其自身傾轉(zhuǎn)角速度將投放機(jī)構(gòu)繼續(xù)向負(fù)攻角方向傾轉(zhuǎn)，但在傾轉(zhuǎn)阻力矩的制動(dòng)作用下，投放裝置角度逐漸穩(wěn)定到豎直投放準(zhǔn)備姿態(tài)。從圖中可以看到，t=3.6 s時(shí)，投放裝置姿態(tài)基本穩(wěn)定。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)小型折疊翼無(wú)人機(jī)機(jī)翼可折疊的特點(diǎn)，結(jié)合其發(fā)射起飛的速度要求的特征，設(shè)計(jì)了一種新型的折疊翼無(wú)人機(jī)空中投放裝置，該裝置可實(shí)現(xiàn)折疊翼無(wú)人機(jī)的空中投放。利用CATIA進(jìn)行對(duì)該裝置進(jìn)行建模，說(shuō)明其工作原理；并通過(guò)有限元分析其投放過(guò)程的受力情況，進(jìn)行多項(xiàng)式擬合；最后通過(guò)Adams進(jìn)行對(duì)投放過(guò)程進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)仿真。仿真結(jié)果證明，該空中投放裝置能夠?qū)崿F(xiàn)折疊翼無(wú)人機(jī)的空中投放。

該裝置設(shè)計(jì)原理科學(xué)可行，鎖定機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，無(wú)人機(jī)與制動(dòng)傘使用同一機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)鎖定和釋放，避免了多重鎖定機(jī)構(gòu)單方面故障或釋放不同步造成的投放隱患；控制單元使用獨(dú)立的控制系統(tǒng)與電源供電，與無(wú)人機(jī)不產(chǎn)生交聯(lián)，不需設(shè)置投放裝置與無(wú)人機(jī)接口，避免了投放筒生產(chǎn)過(guò)程中筒內(nèi)埋線等復(fù)雜生產(chǎn)工藝，實(shí)現(xiàn)投放裝置生產(chǎn)成本最小化；投放筒在回收過(guò)程中由制動(dòng)傘進(jìn)行減速，避免了觸地時(shí)造成的投放筒及投放裝置損壞，重復(fù)使用率高。目前該中空投放機(jī)構(gòu)已在國(guó)內(nèi)某型無(wú)人機(jī)（3.5 kg級(jí)）上通過(guò)投放驗(yàn)證。通過(guò)改變投放筒及制動(dòng)傘的參數(shù)，可將該裝置應(yīng)用于其他型號(hào)的折疊翼無(wú)人機(jī)，具有較好的推廣價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。