一種小型固定翼無人機(jī)彈射系統(tǒng)的設(shè)計

李國利， 王瀚， 胡曉航， 鐘艷

（哈爾濱理工大學(xué)，哈爾濱150080）

0 引言

在科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步的今天，無人機(jī)的應(yīng)用可謂前景大好，不論在軍事還是民用領(lǐng)域，無人機(jī)都發(fā)揮著極其重要的作用。文獻(xiàn)[1]指出固定翼無人機(jī)憑借其較快的速度在偵察、探索等方面有很廣泛的應(yīng)用。但由于其起飛滑跑[2]時對場地要求比較高，對于一些沒有起飛條件的情況（如災(zāi)后救援、體育賽事、演唱會等）將無法發(fā)揮作用，限制了其在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用。文獻(xiàn)[3]指出在民用無人機(jī)領(lǐng)域，多旋翼固定翼在航拍方面的應(yīng)用是極為廣泛的，其原因之一就是起飛時幾乎不受地面情況的限制。但是多旋翼無人機(jī)存在著續(xù)航時間短、飛行速度慢等多種問題，對一些大范圍的運動及偵察有著天生的弊端。

固定翼無人機(jī)有著相對持久的續(xù)航時間與很快的巡航速度，而需要一種簡單彈射裝置可以使其能夠在復(fù)雜地面狀況下起飛，以實現(xiàn)其在更廣泛領(lǐng)域方面的應(yīng)用，解決旋翼類無人機(jī)在某些領(lǐng)域的弊端。文獻(xiàn)[4]列舉了3種無人機(jī)彈射起飛的方式，分別為橡筋彈射、電動機(jī)直接彈射、液壓氣壓彈射，并分析了這幾種彈射方式中各自的優(yōu)劣點。文獻(xiàn)[5]、文獻(xiàn)[6]分別對液壓與電動機(jī)彈射進(jìn)行了相關(guān)研究，但是成本較高，不適用于一般場合的應(yīng)用。本文通過MATLAB[7]對發(fā)射進(jìn)行參數(shù)化研究并使用SoildWorks[8]設(shè)計出一種成本低、質(zhì)量輕的固定翼彈射系統(tǒng)，以拓展固定翼在偵察、救援、航拍等領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 彈射系統(tǒng)的工作原理

1.1 設(shè)計要求

為了在保證操作的簡便性的基礎(chǔ)上實現(xiàn)低成本的發(fā)射，本文設(shè)計的固定翼彈射平臺采用拉簧作為直接彈射動力的方式。

本文所設(shè)計的固定翼彈射系統(tǒng)適用于絕大部分類型的小型固定翼無人機(jī)，由于要在地面情況復(fù)雜的條件下使用，彈射平臺的占地面積要小。此外所設(shè)計的彈射裝置的使用要簡單，方便無人機(jī)的裝填并適用于多個無人機(jī)的連續(xù)發(fā)射。

1.2 工作原理

圖1為彈射系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖，彈射系統(tǒng)可以分為三大部分：由接觸腹板和定位側(cè)板組成的無人機(jī)限位滑道；由定滑輪、鋼絲和拉簧組成的彈射動力裝置；由光軸支座、光軸、直線軸承、連接板、活動牽引鉤、導(dǎo)向臂、導(dǎo)向塊、絲杠、絲桿螺母、聯(lián)軸器、電動機(jī)組成的彈射復(fù)位裝置。

圖2為固定翼彈射系統(tǒng)的三維原理圖，圖3為俯視圖。在本文所設(shè)計的彈射平臺中，拉簧與鋼絲相連，并通過前端的定滑輪實現(xiàn)提供牽引力的拉簧變向，以便在保證發(fā)射行程不變的基礎(chǔ)上減小整個發(fā)射平臺的長度。初始位置時，拉簧由于長度原因被稍微拉緊，鋼絲到達(dá)其位置的最前面時被緩沖塊擋住。

圖2 彈射系統(tǒng)三維原理圖

圖3 彈射系統(tǒng)俯視圖

在使用時，首先將整個平臺以相對于地面一定角度放置（一般為25°～45°之間），在限位滑道前端放入一枚無人機(jī)，電動機(jī)驅(qū)動連接板帶動活動牽引鉤向前運動直到接觸到鋼絲?；顒訝恳^與其相連接的方式為鉸鏈連接，且在其前端有一定坡度，因而當(dāng)活動牽引鉤接觸到鋼絲并繼續(xù)向前運動一小段距離時，鉤子被有預(yù)張緊力的鋼絲下壓并最終勾到鋼絲。完成這一動作后，電動機(jī)反轉(zhuǎn)通過連接板和活動牽引鉤向后拉動鋼絲，同時拉簧的活動端向前運動實現(xiàn)拉簧的蓄力；當(dāng)整個鋼絲牽引機(jī)構(gòu)運動到后端時，導(dǎo)向臂端部安裝的軸承接觸導(dǎo)向塊進(jìn)而向上帶動導(dǎo)向臂，而由于活動牽引鉤與導(dǎo)向臂分別在連接鉸鏈的兩端，所以活動牽引鉤向下運動，從而釋放鋼絲。此時鋼絲受到拉簧的力遠(yuǎn)大于無人機(jī)的重力及無人機(jī)與腹板的摩擦力，所以鋼絲會從后方帶動無人機(jī)以很大的加速度向前運動，當(dāng)無人機(jī)以較大的速度運動到滑道末端時，鋼絲會被緩沖塊擋下，而無人機(jī)起飛升空。此時固定翼平臺恢復(fù)初始位置，完成一個發(fā)射周期。

2 技術(shù)參數(shù)計算

2.1 拉簧參數(shù)的確定

小型固定翼無人機(jī)的質(zhì)量一般在2 kg以下，起飛速度在20 m/s以下，以此標(biāo)準(zhǔn)作為彈射平臺的設(shè)計基礎(chǔ)。首先計算固定翼無人機(jī)達(dá)到起飛速度所需要的能量：

式中：M為無人機(jī)質(zhì)量；V為起飛速度。

根據(jù)發(fā)射的工作原理，需要有兩個滑輪做導(dǎo)向，所以滑輪外圈的線速度等于鋼絲移動速度（20 m/s）?；啚殇撝?、不可忽略質(zhì)量，為了方便計算可將滑輪簡化為半徑、質(zhì)量不變的圓柱體。

設(shè)達(dá)到相應(yīng)速度所需能量為：

式中：J為滑輪的轉(zhuǎn)動慣量；ω為滑輪的角速度；m為滑輪的質(zhì)量；r為滑輪半徑。

設(shè)W為拉簧所提供發(fā)射的能量:

式中：K為拉簧的進(jìn)度系數(shù)；X為發(fā)射行程。

鋼繩較輕，所消耗的能量忽略不記。

固定翼無人機(jī)發(fā)射過程中與發(fā)射系統(tǒng)之間的摩擦不可忽略。設(shè)能量傳遞效率為0.90，實際發(fā)射傾角為43°左右，方便計算按45°,則發(fā)射一枚固定翼無人機(jī)所需要的總能量應(yīng)與拉簧所提供的能量相同，即:

解得行程X與勁度系數(shù)的函數(shù)表達(dá)式為

發(fā)射最大作用力與發(fā)射行程的函數(shù)表達(dá)式為

利用MATLAB繪出拉簧勁度系數(shù)K、最大作用力F與發(fā)射行程X之間關(guān)系的圖像，如圖4所示。通過分析圖像可知，當(dāng)發(fā)射行程大于0.6 m時，拉簧的勁度系數(shù)K明顯下降。

圖4 K與F函數(shù)圖像

勁度系數(shù)的下降對整個發(fā)射平臺的設(shè)計都是很有利的：1）減小拉簧在發(fā)射過程中對發(fā)射平臺的作用力；2）更容易選到合適的拉簧，避免定制而需要較高的費用。而由于設(shè)計需求為小型發(fā)射平臺，發(fā)射行程X不宜過大。

通過最大受力圖像與勁度系數(shù)圖像綜合得出：發(fā)射行程X在0.9～1.2之間較為合適，選用X=1.1 m。拉簧勁度系數(shù)K=766.24 N/m，最大作用力F=842.83 N。而由于拉簧的放置為左右兩根，所以單根拉簧的勁度系數(shù)與最大拉力為總的一半。

2.2 電動機(jī)參數(shù)的確定

由2.1節(jié)分析了彈射時最大作用力為842.83 N，這個力由電動機(jī)旋轉(zhuǎn)通過聯(lián)軸器與絲桿帶動絲桿螺母提供，下一步是計算電動機(jī)的功率和轉(zhuǎn)矩。

絲桿的型號為T8，導(dǎo)程為12 mm，即絲桿最大直徑為8 mm,絲桿旋轉(zhuǎn)一周，絲桿螺母運動12 mm。按一般工況螺旋傳動的效率為0.8，由能量公式：

式中：V為螺母運動速度；L為導(dǎo)程；n為電動機(jī)轉(zhuǎn)速；μ為傳動效率；T為電動機(jī)轉(zhuǎn)矩；P為有效功率。

得出：T=2.01 N·m。

為了快速完成無人機(jī)的發(fā)射，要求在10 s之內(nèi)完成拉簧的蓄力，則轉(zhuǎn)速為

式中：t為蓄力時間。

得到電動機(jī)的功率為

最終確定電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩不小于2.01 N·m，電動機(jī)功率不小于115.9 W。

3 核心構(gòu)件的強度校核與剛度校核

首先將模型在SoildWorks中建立出來，并利用其中的Simulation對受力情況復(fù)雜及對剛度有特別要求的構(gòu)件進(jìn)行有限元分析，從而校核其強度、剛度是否滿足需求。有限元分析是把所計算構(gòu)件劃分為很多細(xì)小的網(wǎng)格，并針對網(wǎng)格里的每一個小單元進(jìn)行計算。與以往的計算方法及實驗法相比，這種方式極大提高了結(jié)果的準(zhǔn)確性，并降低了得出結(jié)論所花費的時間和成本。

3.1 活動牽引鉤強度分析

活動牽引鉤用于牽引鋼絲，由于其工作特點受到鋼絲垂直于牽引鉤所在平面的力及平行牽引鉤平面向前的力，兩個力大小相同，為最大作用力F=842.83 N。牽引鉤的材料為304不銹鋼。

由圖5可知，牽引鉤的最大應(yīng)力小于這種材料的許用應(yīng)力，因此得出結(jié)論：由這種材料制成的鉤子滿足使用要求。

3.2 活動牽引鉤的剛度分析

與上述強度分析時受力狀況與材料相同，由圖6可以看出，最大位移為0.2 mm，大于牽引鉤相對于限位側(cè)板的間隙預(yù)留量1 mm。因此得出結(jié)論：變形不會導(dǎo)致機(jī)構(gòu)運動過程中的干涉，且滿足剛度要求。

3.3 連接板的剛度校核

連接板用于連接牽引鉤與絲桿螺母，由于牽引鉤與絲桿螺母作用力不共線，因而連接板會發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，而扭轉(zhuǎn)變形量過大會導(dǎo)致絲桿螺母與絲桿之間產(chǎn)生彎矩，降低絲桿傳動的效率，所以要檢驗其剛度是否滿足設(shè)計要求，材料依舊選用304不銹鋼。

連接板的變形量如圖7所示，最大變形量為0.02 mm，幾乎是同水平面上的變形，扭轉(zhuǎn)量很小，因此連接板剛度滿足要求。

圖5 牽引鉤應(yīng)力云圖

圖6 牽引鉤應(yīng)變位移云圖

圖7 連接板應(yīng)變位移云圖

4 結(jié)論

本文提出了一種基于拉簧動力的固定翼無人機(jī)發(fā)射系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有占地面積小、質(zhì)量輕、發(fā)射成本低、對無人機(jī)的適用性好等優(yōu)點，可適用于大多數(shù)小型固定翼無人機(jī)在無滑跑起飛條件下的應(yīng)用。并利用MATLAB、SoildWorks對關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行計算與仿真，保證該系統(tǒng)設(shè)計的合理性。本文提出的固定翼無人機(jī)發(fā)射平臺將固定翼無人機(jī)起飛的方式由長距離的滑跑起飛變?yōu)槌叹嚯x的彈道發(fā)射，能實現(xiàn)小型固定翼在海面、湖泊等大范圍的水域內(nèi)的起飛與偵察，極大提高了對水域偵察的經(jīng)濟(jì)性與便捷性；可以將具有長距離巡航的固定翼無人機(jī)在野外環(huán)境平穩(wěn)發(fā)射，對于野外搜救、野生動物調(diào)查、森林火險勘察等大范圍野外活動有極為重要的意義。