无人机伞降回收系统结构设计与分析*

李 岩，张军红

(1. 中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088；2. 国家级工业设计中心， 安徽 合肥 230088)

无人机伞降回收系统结构设计与分析*

李 岩1，2，张军红1

(1. 中国电子科技集团公司第三十八研究所， 安徽 合肥 230088；2. 国家级工业设计中心， 安徽 合肥 230088)

为实现无人机的安全回收，文中针对某型号无人机设计了一种伞降回收系统，采用有限元法进行了回收系统口盖在气动力作用下及挂点在开伞过载作用下的力学分析，设计并完成了该回收系统的抛伞实验。结果表明：该回收系统可以在满足结构强度要求的情况下同时满足开伞的可靠性要求。

伞降回收系统；无人机；力学分析

引 言

随着航空技术的发展，无人机在军事、民用等领域的应用不断扩大，需求在不断提高，由于配备了大量高新技术设备，其价格不断上涨，使无人机的多次利用成为降低成本的最佳途径。因此，如何对无人机进行安全精确的回收成为无人机研制中的重要方向之一[1]。

无人机回收方式主要有伞降回收、轮式滑跑回收、撞网回收、绳钩回收以及空中回收等。其中，采用伞降回收方式的无人机对场地要求低，不需要跑道，适用于野外条件，由于操作简单，对操作人员的要求也低。因此，降落伞已广泛应用于无人机的回收[2]。

在无人机执行任务的过程中，回收过程是最容易出现故障的阶段。国内外学者先后在伞降回收系统的故障模式、动力学仿真等方面进行了研究。本文针对某小型无人机设计了一种安全可靠的伞降回收系统，并通过仿真分析和地面模拟实验，验证了该方案的可行性。

1 伞降回收过程描述

无人机伞降回收系统主要由回收电路系统、 抛伞装置、主伞系统和减震装置组成。无人机完成飞行任务后或在空中出现紧急情况时要及时进行回收。回收时应先发出减速指令，当无人机飞行到事先选择好的回收位置时，发出回收指令。无人机接收指令后，发动机停车，伞舱口盖打开，引导伞张开，将主伞从伞舱中拉出拉直，无人机在主伞的作用下竖直速度下降至6 m/s落地，落地瞬间由触地开关引爆主伞脱落节头将主伞与飞机分离，减震装置可以保护无人机机体和机载设备[3-4]。图1为伞降回收示意图。

图1 伞降回收示意图

2 伞降回收系统力学分析

2.1 伞降回收系统组成

无人机伞降回收时主要包括2个阶段：伞降减速阶段和气囊减震阶段。为保证无人机顺利回收，必须保证降落伞能够顺利打开。

本文针对一种80 kg小型无人机系统设计的开伞系统如图2所示。口盖采用一端铰支、一端自由的安装方式，自由端通过舵机摇臂实现飞行时的闭合与回收时的打开，铰支端通过带扭簧的铰链连接口盖和机身。开伞时，摇臂旋转，口盖在扭簧的作用下打开，然后引导伞和主伞相继抛出，实现伞降回收。

图2 开伞系统组成

2.2 伞舱口盖的力学分析

伞舱口盖作为无人机机身的一部分，在气动载荷作用下会产生一定的变形。为保证机身具有合理的气动外形，设计时需对该变形量进行严格的控制，以避免因局部变形过大自由端脱离锁紧机构，并影响整体的气动布局。

伞舱口盖由碳纤维-铝蜂窝夹芯组成，铝蜂窝夹芯厚3 mm，碳纤维共4层，内外各2层，每层厚0.2 mm。采用有限元法对其进行仿真分析，取安全系数1.5，气动载荷P= 0.015 MPa。图3和图4分别为伞舱口盖的应力图和变形图。仿真结果表明：口盖最大应力发生在铰链和摇臂固定处，最大值为500 MPa，最大变形发生在口盖两侧，最大值为6 mm，满足设计要求。

图3 伞舱口盖应力图

图4 伞舱口盖变形图

2.3 机身各伞绳挂点的结构强度

在无人机回收过程中，由引导伞将主伞拉出，当主伞与引导伞速度相等时，伞绳受力最大，本文以此时的力作为伞绳和伞绳挂点的强度校核依据。

在进行伞降回收时，降落伞从被拉出到完全展开的时间极短，阻力特征急剧增加，通过伞绳对无人机产生强大的冲击力，称为开伞动载。开伞动载通过图5中的4根伞绳传递至机身挂点，伞绳汇聚点位于重心吊耳上方。在通常情况下，采用如下公式[5]计算开伞动载：

(1)

式中：ms为伞衣的质量；mf为附加质量；v为无人机的速度；t为时间；ρ为空气密度；C为伞的阻力系数；A为伞的面积；g为重力加速度。

图5 伞降承力系统

图6为伞绳的受力示意图。开伞动载分解至机身前后挂点，其大小分别为F前= 5 000 N、F后= 3 000 N。图7为挂点的结构示意图。由加强框将力传递至机身。为保证挂点具有足够的强度，螺栓、螺母、连接板和加强框材料均采用30CrMnSiA，安全系数取1.5。由于前后挂点结构相同，仅对牵挂点进行强度校核。

图6 伞绳受力分解

图7 挂点结构示意图

图8和图9分别为挂点和加强框的应力分析图。仿真结果表明：连接板、螺栓和加强框的最大应力为530 MPa，安全系数达到2.0，满足设计要求。

图8 挂点应力分析

图9 加强框应力分析

3 抛伞实验

无人机在进行伞降回收时，下面3个因素将影响整个回收过程：

1) 伞舱口盖能否顺利打开；

2) 主伞能否顺利拉出并张开；

3) 主伞张开时是否会碰撞螺旋桨和垂尾。

因此需通过试验来验证开伞的可靠性。试验方案为：将无人机固定在货车上，为充分模拟无人机所受的气动力，应使无人机高出车头；车速达到100 km/h时，操作手在距无人机500 m处发出开伞指令。经过20次试验，主伞均可顺利打开，并且不会碰撞螺旋桨和垂尾。

4 结束语

本文针对某型号无人机设计了一种伞降回收系统，通过仿真分析，对回收系统的口盖、挂点进行了强度校核，并对其开伞过程的可靠性进行了试验验证，得到如下结论：

1) 回收系统的口盖对无人机整体气动外形影响较大。针对伞舱口盖的有限元仿真及实验结果表明，在最大气动载荷作用下，其变形满足设计要求。

2) 回收系统的开伞过程是无人机回收的重要环节。抛伞实验表明，伞包可以顺利打开且不会碰撞到螺旋桨和垂尾，满足使用要求。

3) 在伞降回收过程中，机身挂点承受较大的载荷。建立机身局部挂点的有限元模型进行分析，结果表明机身挂点满足强度设计要求。

4) 降落伞开伞过程非常复杂，涉及结构动力学和流体动力学，很难通过仿真模拟。本文仅验证了开伞是否碰撞螺旋桨和垂尾，不能完全验证使用情况。

5) 下一步应完善实验条件，模拟无人机空中开伞状态，同时增加落地缓冲装置，以减小落地时对机体和设备的损失。

[1] 张光斌. 无人机回收技术综述[J]. 国际航空, 1996(11): 30-31.

[2] 冯密荣. 无人机大全[M]. 北京: 航空工业出版社, 2004.

[3] 赵翔. 某型无人机伞降回收过程动力学及运动仿真[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2010.

[4] 华晓波. 无人机发射和回收系统结构的力学分析和试验[D]. 杭州: 浙江大学, 2010.

[5] 余莉, 明晓, 胡斌. 降落伞开伞过程的试验研究[J]. 南京航空航天大学学报, 2006, 38(2): 176-180.

李 岩 (1988-)，男，硕士，工程师，主要从事无人机结构设计工作。

Structure Design and Analysis of Parachute Recovery System for UAV

LI Yan1,2，ZHANG Jun-hong1

(1.The38thResearchInstituteofCETC,Hefei230088,China；2.NationalIndustrialDesignCenter,Hefei230088,China)

To land UAV safely, a kind of parachute recovery system for the UAV is designed in this paper. Analysis of the recovery system lids under aerodynamic load and the suspension structure under parachute releasing overload are completed by finite element simulation. The parachute releasing test of this system is designed and completed. The results show that the structural design can satisfy both the strength and the reliability requirements of parachute releasing.

parachute recovery system; UAV; mechanical analysis

2016-03-09

V279

A

1008-5300(2016)05-0044-03