無人機數(shù)據(jù)記錄儀發(fā)展淺析

于亞南，張振華，許長平，湯開杰

95894部隊

本文首先簡述傳統(tǒng)無人機機載數(shù)據(jù)記錄儀的結構與功能，并分析其缺點。針對當前無人機在復雜環(huán)境中的飛行特點，提出一種返回式數(shù)據(jù)記錄儀的設計思路。

在信息、人工智能等技術支持下，無人機在多個領域發(fā)揮的作用日漸突出，其優(yōu)勢也愈加明顯，一是無人機可避免“載人”的環(huán)節(jié)，具有人員零傷亡的特點，人員生命安全得到很好的保證；二是無人機具有良好的經(jīng)濟性，成本低，與有人機相比，無人機的重量和能源消耗明顯減小。但是，無人機在飛行中通常由人員遠程操控，并采用通信鏈路傳輸信息，一旦在空中發(fā)生故障無法正常返回，或出現(xiàn)墜毀等情況時，地面操控人員可能只掌握信號丟失時的位置信息。如果想準確了解無人機墜機前的情況，須要對無人機的重要殘骸即數(shù)據(jù)記錄儀內(nèi)存儲的信息進行提取和研究。如果無人機在海洋、荒漠、境外等較為特殊的區(qū)域墜毀，則須要消耗更多的人力、物力尋找數(shù)據(jù)記錄儀，尋找工作面臨很多困難。如果在極端條件下，人們也無法輕易獲取數(shù)據(jù)記錄儀，飛行事故分析工作面臨很大困擾。

因此，為提高無人機事故的研究和分析效率，本文建議對傳統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄儀加以改進，使其具有自主返回功能。當無人機無法正常返航時，數(shù)據(jù)記錄儀能提前與無人機分離，自主降落在指定位置。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄儀概況

數(shù)據(jù)記錄儀俗稱“黑匣子”，是無人機必備的電子記錄儀器之一，用于詳細記錄無人機的飛行高度、速度、航向、姿態(tài)等數(shù)據(jù)。無人機的多種機載儀器儀表通過對應的傳感器與數(shù)據(jù)記錄儀相連接，便于記錄儀采集和記錄各類空中數(shù)據(jù)。地面人員利用這些數(shù)據(jù)可以計算和解讀無人機在空中的飛行狀態(tài)，進而詳細分析無人機在空中的飛行情況。當無人機偶發(fā)故障無法返航時，地面人員在能找到數(shù)據(jù)記錄儀的前提下，分析無人機在空中發(fā)生故障的情況。通常，數(shù)據(jù)記錄儀擁有良好的防摔性、防水性和防火性，即使無人機發(fā)生事故墜毀后，記錄儀仍能保存完好，并具有一定的信號發(fā)射功能，為搜尋工作提供準確的定位信息。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄儀的缺點

圖1 數(shù)據(jù)記錄儀的外殼使用極厚的鋼板，采用一體化成型技術制成。

圖2 由數(shù)據(jù)記錄儀模型刨面圖可見，記錄儀內(nèi)部主要由電路板組成。

由于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄儀只具有數(shù)據(jù)記錄功能，如果無人機發(fā)生故障無法返航且墜落于特殊環(huán)境中，沒有辦法找到或?qū)ふ译y度大，以及尋找工作所引發(fā)的其他附加成本與數(shù)據(jù)記錄儀的回收成本不成正比時，人們則無法獲取記錄儀中的空中數(shù)據(jù)，記錄儀便失去作用。下文對無人機可能發(fā)生的故障情況和記錄儀尋找工作進行分析。

一是無人機在海面上空飛行時突發(fā)故障，墜落于海中無法正常返航。如果數(shù)據(jù)記錄儀恰好遇到較強的海上電磁干擾，其輻射信號會非常不穩(wěn)定，且記錄儀可能隨著海水的運動被移動位置，給數(shù)據(jù)記錄儀的打撈工作帶來極大困難。因此，尋找和打撈工作須投入大量精力，周期長，找回的成功率小。

二是無人機在境外飛行時出現(xiàn)突發(fā)情況，數(shù)據(jù)記錄儀有可能落入別國領土，給事故調(diào)查分析增加很多困難。在外交受阻的情況下，本國相關單位更無法輕易獲取數(shù)據(jù)記錄儀中儲存的有關數(shù)據(jù)。

新型返回式數(shù)據(jù)記錄儀設計思路

根據(jù)上述分析情況，本文建議對數(shù)據(jù)記錄儀進行改進，在不影響無人機整體結構和氣動布局的基礎上，設計一種具有自動分離、自主導航、動力飛行功能的可返回式數(shù)據(jù)記錄儀。

當無人機受到嚴重損壞或發(fā)生嚴重故障而無法返航時，該型數(shù)據(jù)記錄儀能提前脫離無人機，啟用自主飛行模式并自主降落到易獲取的地區(qū)，甚至在極端條件下，亦具有一定的環(huán)境適應能力。

自動分離技術

新型數(shù)據(jù)記錄儀的自動返回過程大致可以分為自動分離、自主返回、接收三個階段。當無人機無法正常返航時，儲存綜合飛行信息的記錄儀與無人機分離，成為一種獨立的飛行器安全返航。記錄儀使用一種可控觸發(fā)模塊實現(xiàn)分離功能，此模塊技術稱為數(shù)據(jù)記錄儀自動分離技術。

新型數(shù)據(jù)記錄儀底座可采用氣囊式結構。記錄儀中的傳感器用于感知壓力、溫度等外界信號，記錄儀中的處理器將外界信號與設定值進行比較，當達到或超越臨界值后，記錄儀中的處理器觸發(fā)氣囊開關，為氣囊充注氣體，借助氣囊彈射作用，記錄儀獲得初始動力，與無人機分離。當然，飛控系統(tǒng)也可以給傳感器提供信號。當無人機偶遇突發(fā)情況時，飛控系統(tǒng)經(jīng)過綜合判斷，必要時向傳感器發(fā)送彈射信號。

圖3 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄儀的顏色均為橘黃色，只具有數(shù)據(jù)記錄功能，無自主返回功能。

在設計新型記錄儀時，盡量不改變無人機的結構，可以利用物質(zhì)化學反應生成氣體的方式，為氣囊充氣。在本文氣囊充氣技術研究中，利用NaN3與KNO3發(fā)生化學反應，生成N2，實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄儀的自動彈出功能。

氮氣生成的化學反應方程式：

通過配平得到:

由此看出，NaN3與KNO3發(fā)生化學反應后，生成高含量的N2，符合實用需求。

自主返回技術

自主返回技術模塊主要實現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄儀的自主返回功能。該技術模塊分為兩種，一是氣動布局設計模塊；二是返回路徑最優(yōu)算法設計模塊。

圖4 數(shù)據(jù)記錄儀與無人機、地面控制中心的關系。

（1）氣動布局設計模塊

為節(jié)省動力并獲得較小體積的數(shù)據(jù)記錄儀，可以選用滑翔式飛行模式，采用滑翔機的氣動布局設計。

（2）返回路徑最優(yōu)算法設計模塊

數(shù)據(jù)記錄儀的自主返回對導航精度要求并不高，允許一定誤差存在。在數(shù)據(jù)記錄儀上容易實現(xiàn)北斗、GPS等衛(wèi)星信號接收機的安裝。技術難點是，須要設計一套路徑最優(yōu)選擇算法，使數(shù)據(jù)記錄儀無論在什么位置，都能根據(jù)當時的條件，自主計算出最優(yōu)路徑并返回。

能源與動力技術

滑翔機通常不安裝動力設備，如果無人機事故發(fā)生地相對較遠時，記錄儀僅采用滑翔方式將無法實現(xiàn)返回。因此，在記錄儀返回途中，可以選擇滑翔與動力飛行相結合的方式，事先在處理器中設定好啟用動力的時機，剩余時段采用滑翔方式返回。

建議盡可能減少記錄儀的動力飛行。隨著現(xiàn)代科學技術的發(fā)展，太陽能和風能發(fā)電已經(jīng)成為較便捷和實用的供電方式。然而，數(shù)據(jù)記錄儀的尺寸較小，加裝過多的發(fā)電模塊反而適得其反。因此，可以選擇核電池作為能源。

更準確地說，核電池是核熱電池，又稱同位素溫差發(fā)電機，足以滿足未來數(shù)據(jù)記錄儀的動力需求。其基本原理是利用溫差發(fā)電，只要有熱源就能產(chǎn)生溫差，通過熱電偶、半導體等熱電轉換器發(fā)電。發(fā)熱源有多種選擇，而核電池利用放射性同位素衰變產(chǎn)生熱量。由于放射性同位素衰變是自發(fā)行為，不依賴任何外部條件。在沒有陽光和惡劣天氣條件下，甚至在-100 ～-200℃環(huán)境中，作為發(fā)熱源的放射性同位素都能正常工作，為數(shù)據(jù)記錄儀提供必要的發(fā)電能源。核電池發(fā)熱部件最理想的原料是钚238，钚238輻射出的阿爾法粒子很容易被屏蔽，一張紙就能擋住，對人類生命來講非常安全。因此，钚238曾用做心臟起搏器。另外，钚238衰變產(chǎn)生的熱量比較大，但發(fā)熱功率并不恒定。钚238的半衰期是86.4年，其價格比較昂貴，須要在專用核反應堆內(nèi)用中子轟擊镎237才能獲得。

如果相關單位能研制出新型返回式數(shù)據(jù)記錄儀，將對無人機空中數(shù)據(jù)分析提供較大支撐，大幅提高數(shù)據(jù)記錄儀的回收效率，滿足未來多種領域需求。