基于狭小空间固定翼无人机起飞回收系统设计方法与知识应用.pdf

OCIENCE&TECHINOLOGYVISION科技视界基于狭小空间固定翼无人机起飞回收系统设计方法与知识应用区刘志学（湖南国防工业职业技术学院，湖南湘潭4112 0 7)摘要：随着技术进步和信息化作战的发展，无人机在整个装备体系中的地位和作用日益凸显，并正在从过去执行单一侦察任务向执行警戒、打击乃至空战等高等级任务发展。小型战术无人机在无人机序列中发挥越来越重要的作用，文章主要以小型无人机野外恶劣环境、海上平台狭小空间作业等特殊需求为背景，针对以小型卡车平台为载体，对相关弹射系统与撞网系统车载集成方法进行设计研究，以高度集成、功能齐全、操作简便、运输安全等为设计目标，开展集飞机运输、野外供电、弹射起飞、撞网回收等功能相结合的集成车载方案设计。关键词：狭小空间；固定翼无人机；起飞回收设计引言随着无人机技术及其应用领域的不断发展和扩大，小型无人机的相关技术也不断随之完善，由之前常见的军事领域扩展到航空绘测、灾害检测、农业监测等领域。对于小型战术无人机而言起飞回收系统的设计更为重要，微小型无人机因飞行速度慢、质量轻，可以采用类似手掷起飞、擦地回收等简单灵活的方式解决起飞回收问题。中大型无人机通常有专用机场保障起飞回收操作，而小型无人机因其自身特点，在执行野外战场、舰上应用等任务过程中，既不能采用手掷起飞、擦地回收的简单模式，又难以提供专用的起降跑道场地保障!，通常需要研制专用的起飞回收系统，这也为中小型无人机的研制和应用带来挑战。一、系统设计方法与知识问题的提出（一）固定翼无人机的起飞和回收时间短，但事故率高起飞和回收是无人机应用过程中最困难和最关键的阶段，在整个任务阶段飞行时间虽然仅占6%，却发生了53%的事故。特别对于小型战术无人机而言起飞回收系统的设计更为重要，微小型无人机因飞行速度慢、质量轻，给无人机的集成设计带来技术上的挑战和设计上的难点。（二）小型战术无人机缺专用机场保障起飞回收操作无人机技术的发展也促进了无人机种类的丰富。根作者简介：刘志学，湖南邵阳人，副教授，研究方向为机械设计、模具设计。基金项目：论文系2 0 2 0 年湖南省教育厅科学研究项目（课题编号：2 0 C0676；课题名称：车载集成固定翼无人机起飞与回收系统一体化的研究与设计）成果之一。62科技视罗Science&TechnologyVisionNEWTECHNOLOGYAPPLICATION新技术应用据飞行模式的不同我们将其分为扑翼机、旋翼机、固定翼无人机等，其中固定翼无人机在速度、航行时长、气动效率、机动性能等方面都具有绝对的优越性 2。但与此同时，固定翼无人机也存在某些缺陷呕待解决，其中最主要的是固定翼无人机的起飞与降落的场地问题，固定翼无人机由于起飞与回收需要助飞的初动力和回收的无损装置，因此其对场地的要求较为严苛，尤其是当处于较为狭小的空间时，固定翼无人机的起飞与回收往往很难较好实现。口1二、基于狭小空间固定翼无人机起飞回收系统设计方法与知识应用的设计思路(一)设计背景针对固定翼小型无人机，在野战环境或随舰应用等无起降场地的情况下，可选择起飞的方式主要有母机投放、火箭助推、弹力发射等，回收方式主要有伞降回收、撞网回收等。分析不同起飞回收方式的特点，可以发现采用弹射起飞、撞网回收组合的起降方式具有成本低廉、使用安全、飞行损伤小等明显优势，同时由于弹射起飞、撞网回收的起降装置占地面积小，可方便地实现车载、舰载集成，可以很好地适应外场转运和野战作业，当场地狭小不能为固定翼无人机提供专属跑道的时候，此种方式也能解决固定翼无人机起飞以及后续回收的问题。（二）方法与知识应用的方案针对小型固定翼无人机在野战环境、狭小空间的便捷可靠起飞回收问题，提出了车载集成弹射、撞网一体化的方案，并以车载平台为例进行系统集成验证，项目的总体方案如图1所示。撞网系统飞机储运架轻卡平台图1车载集成无人机一体化起飞回收系统方案此方案主要依托轻卡车为起飞回收平台，在轻卡上同时设置飞机弹射系统以及撞网系统，通过弹射的方式赋予无人机动能，同时利用撞网使无人机进行缓冲停止飞行，通过此类方式在轻卡上完成固定翼无人机的起飞回收的一体化。方案主要研究点包括以下几方面。1.以车载为平台搭载固定翼无人机弹射回收系统设计固定翼无人机在弹射、撞网回收过程中随着发射地点的变更以及不同场合下的使用，在物资运输方面需要在不同的平台搭建弹射装置和撞网回收装置，为无人机的发射与回收装置的运输带来很大困扰和不便。为此本文的研究内容主要把固定翼无人机在发射、回收任务中高度集成于车载上，同时可以一次性完成装载固定翼无人机发射机组，为部队、军区、民用等方面提供强有力的技术支持和安全保证。2.车载系统高集成度弹射撞网一体化发射回收系统方案深人分析小型战术固定翼无人飞行器的应用环境和工作要求，提出基于弹射起飞和撞网回收相结合的起飞回收方案，并通过详细梳理弹射系统、撞网系统的设计约束和设计目标，为开展详细设计提供基础研究保障。3.面向狭小空间应用的固定翼无人机弹射撞网一体化车载集成方法针对小型无人机野外恶劣环境、海上平台狭小空间作业等特殊需求，以小型卡车平台为载体，本文研究弹射系统与撞网系统车载集成方法。以高度集成、功能齐全、操作简便、运输安全等为设计目标，开展集装备运输、野外供电、弹射起飞、撞网回收等功能相结合的集成车载方案设计。（三）设计方法的分析无人机发射回收系统的设计是一项系统工程，必须解决好诸如发射回收装置设计、过程能量转换机理、多约束条件下的参数优化、车载集成验证等相关关键技术。设计分析发射装置设计与关键参数匹配方面，项目拟采用橡筋储能、导轨引导的弹射起飞方案，由橡筋储能提供起飞源动力，固定翼无人机通过弹压发射模式获得初速度，如图2 所示。此次设计研究以无人机起飞重量、起飞速度、飞机过载要求等为约束，通过空气动力学等影响因素分析无人机弹射系统设计中起飞滑行导轨长度、弹性系数、使用储能倍率等关键参数之间的耦合和优化问题。集成所一弹射系统有原始参数进行项目无人机飞行参数、飞行高度等的研究验证工作。在回收撞网设计与关键参数匹配方面，拟采用双边收网支架运动同步机构实现网兜成型，确保无人机回收Science&TechnologyVision科技视零63DCIENCE&TECHINOLOGYVISION科技视界括模型配重和无人机飞行测试，验证研究中所提出方法的有效性和可行性。1三、基于狭小空间固定翼无人机起飞回收系统设计方法与知识应用研究过程（一）系统设计方法的实施过程本次设计研究的具体步骤过程：（a）多段可折叠导轨方便储运图2 弹射系统设计方案过程的可靠捕获，采用支架末端液压同步阻尼与倾倒阻尼组合的方式增大回收缓冲行程与冲击缓冲距离，降低回收过程对无人机造成过载，保证无人机无损回收，如图3所示；从能量守恒和均匀释放的角度，研究同步阻尼与倾倒阻尼的匹配和设计方法；考虑起竖便捷性和倾倒阻尼有效性，研究起竖与阻尼液压系统的设计方法 3。（a）起竖前状态（c）无人机撞网后同步机构成兜图3撞网系统设计方案在车载集成与飞行验证研究方面，通过优化无人机的弹射装置以及撞网回收系统，集成以有效空间的车体为平台，集成无人机储运、工作、发电机供油供电等功能，大大地提高了无人机在恶劣环境条件应用的方便性，当飞行空间狭小无法为固定翼无人机提供跑道的情况下，能够在此依托此起飞回收系统完成无人机的起飞与回收工作 4；通过部件级试验和典型工况的系统级试验，包（b）展开弹射状态(b）起竖后状态（d）同步机构阻尼和倾倒阻尼组合缓冲增程（1）对各大航空航天系统、国防科学技术大学、军方等无人机生产基地进行调研，了解国内相关研究进度；（2）基于7 kg级固定翼无人机发射撞网回收平台基础，完成7 kg级固定翼无人机整套系统设计，并且优化设计思路，形成系统设计方法；（3）完成车载供油提供、供电系统改造、运输平台的设计；（4）完成加工制作7 kg级固定翼无人机车载弹射系统结构；（5）完成加工制作7 kg级固定翼无人机撞网回收系统、缓冲结构、拉网结构、支撑系统等；（6）完成车载液压助力系统、结构关键零件的设计与加工制作；（7）整合车载弹射系统、撞网系统，开展试验飞行。设计研究其中相关的设备制作、调试、试飞等相关操作过程见图4。（二）成果展示本次设计研究在对上述相关设计、制作过程进行充分准备的前提下，针对基于狭小空间对固定翼无人机起飞回收完成了试制固定翼车载集成弹射撞网系统，并开展了飞行验证，具体实物及相关试验过程见图5和图6。在此设计方案中，通过在轻卡上同时设置飞机弹射系统以及装网系统，通过此类方式完成固定翼无人机的起飞回收的一体化，在一定程度上提升无人机的整体效能。（三）设计方法与知识应用的评价本次设计研究主要基于狭小空间固定翼无人机起飞回收系统设计方法与知识应用，整个过程紧紧围绕多约束条件的弹射系统参数设计方法、狭小空间一体化弹射撞网系统集成与验证、集成车载系统无人机发射和回收三个方面进行展开。此次设计研究紧贴军事应用，目标明64科技视罗|Science&Technology VisionNEWTECHNOLOGYAPPLICATION新技术应用确，瞄准7 kg质量级固定翼无人机车载系统的起飞和回收问题开展研究，基于狭小空间环境进行设计，研究成果可直接服务于现代化战争，为国防武器装备提供强有力的武装，较大程度上提高了军队集成作战的战斗力 5。此次设计方案在无人机起飞方式上选择的是弹射起飞，此种起飞方式同时也是航母航载机的常见起飞方式之一，其原因是此种起飞方式能够让无人机在较短距离与时间之内使航载机达到其起飞的速度条件。本次方案中采用的撞网回收方式作为一种可以零距离完成无人机回收的方式也被广泛应用。对无人机采取撞网回收的方式需要提高其相关技术，撞网回收是当小型无人机在面临回收场地狭窄如在舰船等环境下对无人机进行回收的技术，其主要作用及目的是完成对无人机的绝对精确定点回收，因此我们需要对其技术进行不断地完善与精进，（a）阻尼装配(c)立杆安装（e）无人机装配图4具体操作的相关环节图5固定翼车载集成弹射撞网完成图6 固定翼无人机起飞回收过程实验（b）拦网杆装配（d）弹射车底座安装（f）弹射车轨道装配如何精确引导无人机使其能够准确无误地飞往阻拦网是撞网回收技术的核心之一，完成此目标技术则要求对无人机飞行控制系统进行不断地完善改进研究，从而不断增强无人机在撞网回收过程中的定位精确度 6。四、结语未来无人机的发展趋势之一必然是微型方向，因此针对小型无人机在复杂环境中的使用性能的提高必然是研究热点方向。无人机相关技术的发展必然带来对无人机相关方面的要求的提高，无人机使用过程中较为关键的两环一一发射与回收的设计与相关要求也会不断提高。参考文献1杨致明，何洁莹，周同礼.无人机网回收系统研究的历史和现状 R.南京：南京航空航天大学，19 9 9.2李悦，周同礼，董立敏.某型无人机拦阻网回收系统设计 J.南昌航空工业学院学报，2 0 0 4，18（1）：8 2-8 5.3李悦，周儒荣.涡轮阻尼器的试验研究 J.吉林大学学报：工学版，2 0 0 3，33（1）：6 4-6 8.4杨致明.小型无人机的截获回收技术 J.无人机，2 0 0 7（4）45-46.5李大健，谢利理，解万成，等.基于电视跟踪器的撞网回收全自动制导系统仿真研究 J.光子学报，19 9 6，2 5（11）：1037-1042.6张怡，张玉琢.无人机撞网回收末制导系统的研究 J.西北工业大学学报，19 9 7，15（4）：6 0 7-6 12.Science&Technology Vision科技视65