某型无人机伞降回收系统设计

荣海春，张军红

(中国电子科技集团公司第三十八研究所 浮空平台部,安徽 合肥230088)

某型无人机伞降回收系统设计

荣海春，张军红

(中国电子科技集团公司第三十八研究所 浮空平台部,安徽 合肥230088)

摘要：伞降回收是无人机重要的回收方式之一。针对某小型无人机系统及其机载电子设备提出一种伞降回收方案，并完成了结构设计、生产和组装工作。搭建适用于伞降着陆方式的试验平台和测试系统。最后开展了外场试飞工作，试验证明该系统工作稳定、可靠，能满足设计要求。该方法对小型无人机回收系统设计具有参考价值。

关键词：无人机；回收；降落伞

0引言

随着无人机技术日趋成熟和完善，智能集成程度越来越高，其应用范围更加广泛，执行任务的复杂程度也不断提高。大量机载电子设备安装在无人机系统上，大大增强了其功能，使无人机应用价值、工程经济价值都在快速提高。无人机安全回收和应急保障功能逐渐成为制约其应用的一个关键因素[1]。

在无人机系统的研发和试飞阶段，难免会遇到各种突发状况，如发动机故障、控制电路故障、作动系统故障、燃油系统故障、异物撞击、遭遇突风或者超限侧风等，这些都容易导致无人机坠机事件发生。在无人机系统中加入伞降回收模块，危机时刻能够智能化地使用降落伞进行应急回收，避免坠毁事故发生，可以大大节省无人机的研发及生命周期成本。

无人机在执行军事任务过程中，机载任务设备功能强大，可能价值远超无人机本身，更要保证全过程安全，回收顺利。所以，无论从经济成本角度还是军事的安全角度来看，对无人机的安全着陆回收问题的研究都势在必行。

本文设计了一种机身集成伞降系统，能最大程度保护无人机机体安全和机载设备安全，增加系统重复使用的次数，延长使用寿命，大大提高使用安全性，并降低其对回收场地的限制要求。

1伞降回收系统组成及工作流程

该型伞降回收系统主要包括伞衣、伞绳、引导伞、伞包、连接绳、开伞装置、伞舱、舱盖、开伞作动装置、电路系统、引导伞系统、主伞系统、悬挂装置、以及脱离装置等组成。

当无人机进入降落程序，飞行控制系统或操控人员发出指令，发动机先停车熄火，伞舱舵机作动，伞舱盖在扭簧作用下自动摊开，粘附于舱盖背面的引导伞进入迎风状态，在气动力作用下自动抛出，并牵引主伞系统顺利完成拉直过程和主伞充气过程；随降落伞张开气动阻力增加至最大，伞和无人机由减速下降逐渐过度为匀速降落状态；落地瞬间由触地开关引爆主伞脱落节头的两个电爆火头，减震装置保证无人机安全着地[2]。在无人机上配备了自主控制和无线电遥控的多余度回收控制系统，以便在某条回收控制线路发生故障时，改由另一条回收控制线路取代工作，从而保证回收工作能正常进行。具体伞降流程如图1所示。

图1　伞降流程示意图

2伞降回收系统设计

2.1指标计算

该伞降系统既可以作为常规起降方式也可以作为应急起降方式，设计过程应考虑的各种指标包括重量、体积、阻力系数、动载系数、开伞力、着陆速度等、下降速度、伞的定向性能、伞衣稳定性等，如表1所示。

表1　设计目标参数

降落伞系统设计中关键性能指标计算公式如下所示，动压可以表示为：

(1)

其中，q表示动压，ρ为当地空气密度，V表示空速，计算伞系阻力的过程中可以使用平稳下降速度替换。

降落伞下降过程的稳态阻力可以用下式计算：

(2)

其中，D表示稳态降落过程的伞阻力(与全系统的重量相等)，包含摩擦阻力、压差阻力、波阻和诱导阻力等，Vt为最终平稳下降速度，Cd为阻力系数。降落伞的阻力系数应该尽可能大。设计的开伞机构的工作可靠性和稳定性要高，保证无人机着陆过程的安全。S表示伞衣名义面积，包含伞顶孔或结构开洞在内的总面积。

Vt又可以用下式计算：

(3)

其中，W为伞降系统连同无人机和设备的总重量；

伞衣面积可以用下式计算：

CdS=(2W)/(ρV2)

(4)

最大开伞载荷是回收系统设计的关键指标，与伞形、织物透气量、挂载重量，开伞高度、开伞速度等因素有关。可以用下式进行估算：

(5)

其中，Vi为开伞载荷，X1为开伞力减缩系数，经验值一般为0.05～1之间，据下降速度和伞衣载荷而定。Cx是开伞载荷系数，为无量纲的经验值，表示开伞最大载荷与系统重量的比值，文中取为1.8。

无人机伞降过程中，开伞瞬间运动状态发生很大变化，会在无人机挂点以及机载设备引起较大冲击载荷，可能超出结构的承载能力，造成飞机或电子设备损坏。所以应当控制开伞载荷在合理范围，同时在主伞悬挂部位合理设置承载结构，将冲击载荷转化为分布载荷，传递到飞机的其它部位。

无人机开伞后平稳落地，尚有4～8m/s剩余速度，如果直接触地，瞬间冲击过载可造成机体结构损伤或机载设备损毁。为尽量避免无人机回收后的损坏，在无人机系统触地部位还可以加装气囊缓冲装置，控制冲击过载在合理范围内，并极大避免冲击反弹现象，保护仪器设备及机体安全[3]。增加气囊减震的伞降缓冲如图2所示。

图2　伞降缓冲示意图

当无人机安全着陆后，为防止遭遇侧风、被大风拖曳或者被伞绳缠绕，在主伞悬挂点设置无人机和伞的脱离装置，保证能及时脱离。

2.2材料选择

综合考虑该系统的设计目标、设计指标、使用寿命、维护管理、使用成本等因素，对系统各组成部分进行了材料选择，如表2所示。伞衣采用芳纶纺织材料，抗拉强度可达锦纶的3～4倍，在同等负载下，降落伞的体积和重量可以比锦纶材料降落伞减少一半；该材料耐热性能好，200℃下仍能保持原有强度的70%～80%，500～569℃才会碳化分解；采用芳纶纺织材料能够增加主伞内部通气量，降低伞内外压力差，提高伞衣的静稳定性。

为增加强度，主伞衣顶部可布置多条加强带，粘接或缝制于伞衣表面。

引导伞的材料采用透气量较小和漂浮性较好的材料，如锦丝绸等，如表2所示。

表2　伞降回收系统主要部件材料

2.3安装方式

当主伞正常工作时，无人机悬挂方式为多点均衡载荷悬挂，四个悬挂点左右对称，将系统重心包围在中间。

伞舱安装于机身后部，系统打开装置及引导伞安装方式如图3所示。

图3　伞降系统安装示意

伞舱机构安装如图4所示，主伞断离电爆火头如图5所示。

图4　伞舱示意图

图5　主伞断离电爆火头

3测试

对该型伞降系统安排了车载试验和外场实际迫降两类试验来验证其指标。车载试验中将安装有伞降系统的机身固定于小型货车上，高度略高于驾驶室，以免驾驶室尾流扰乱正常试验，获得虚假结果。试验人员手持遥控器站在车上合适位置。当车速增加至90千米/小时左右时，发出开伞指令，舵机随即打开伞舱。试验参试人员现场观察记录开伞情况。多次试验证明，系统工作正常，引导伞可靠弹出，抛伞角度合适，各段伞绳长度合适，开伞过程流畅，与螺旋桨、平尾、垂尾等无干扰等。安装在悬挂点的载荷传感器采集冲击载荷信息证明，验证开伞冲击载荷在设计控制范围。无人机伞降回收如图6所示。

图6　伞降回收示意图

4结语

该型伞降系统能为应急情况提供安全保障，从而避免无人机坠毁事故的发生，可以大大节省无人机研发成本，加快研发流程。

参考文献

[1] 郑浩奕.无人机伞降系统关键技术研究[D].广州：华南理工大学，2015.

[2] 邓海飞,吕艳梅,王家林,等.某型无人机伞降回收系统故障模式、影响及危害性分析[J].装备环境工程，2012,9 (3):90-93.

[3] 戈嗣诚,施允涛.无人机回收气囊缓冲特性研究[J].南京航空航天大学学报,1999,31(4)：458-463.

[责任编辑、校对：李琳]

Design of Parachute Recovery System for UAV

RONGHai-chun,ZHANGJun-hong

(Aero Platform Department,No.38 Research Institute of CETC,Hefei 230088,China)

Abstract：Parachute recovery is an important way of UAV landing.The paper proposed a scheme of parachute recovery system for miniature UAV and its airborne electronic equipment,and finished the structure design,production,and assembly of the system.Then,the paper established the test platform and system applicable to parachute landing.Finally,field test flight proved that the system is stable and reliable,and able to meet design requirements.The method is of referential value for the design of miniature UAV recovery system.

Key words：UAV;recovery;parachute

收稿日期：2016-04-02

作者简介：荣海春(1979-)，男，河北遵化人，高级工程师，从事无人机、浮空器研究。

中图分类号：V279

文献标识码：A

文章编号：1008-9233(2016)03-0025-04