振动技术在无人机中的应用

2019-09-10吕晓林

无人机 2019年4期

吕晓林

以火箭助推发射型无人机为例，通过分析无人机振动环境、振动特性，明确冲击振动频率振幅和振动功率谱，确定振动设备和检测设备，完成无人机振动试验设计，并成功运用在某型无人机研制生产中。该分析研究对其他无人机振动试验设计有借鉴作用。

无人机在发射、空中飞行和回收过程中要受到火箭、发动机、空气激波、回收伞产生的振动冲击，无人机能否承受这种振动，直接影响到到无人机飞行安全和飞行成功。通过分析无人机振动环境、振动特性，明确冲击振动频率振幅、波形，确定振动功率谱，选择相应的振动设备，在地面模拟无人机所承受的实际振动环境，以检验机载设备能否正常工作。

无人机振动源分析

助推火箭振动分析

助推火箭主要是由于推力的波动导致对无人机机体结构产生振动。

助推器点火和脱落时作用在飞机结构的力和力矩。

发动机振动分析

发动机传给飞机结构的力和力矩。螺旋桨、转子及发动机旋转部件之类的转动构件产生的固有的和制造偏差引起的不平衡力。

安装在螺桨式飞机上的设备，其振动环境由宽带随机谱上迭加窄带尖峰所组成。宽带谱来源于各种随机振源以及各种非正弦的周期性分量，周期性分量是由和涡轮螺桨发动机有关的旋转部件（发动机、齿轮箱、转轴等]引起的，窄带尖峰是由于螺旋桨叶所带动的旋转压力场引起的。这些峰值的中心频率位于螺旋桨桨叶通过频率（桨叶数乘以螺旋桨每分钟转速除以60及其谐波的比较窄的频带内。

安装在其他类发动机[包括喷气式飞机发动）上的设备的振动谱形，除转子转速的主要尖峰信号频率外，与螺桨式飞机的谱形相类似。发动机振动谱如图1所示。

空气振动分析

空气振动主要表现形式为：尾旋、下洗流等气动扰动传给飞机结构的力和力矩;阵风载荷。

回收系统振动分析

回收伞的张开、二次开伞、着陆时冲击等振动是无人机回收时主要振动来源。

上述振动一般表征为周期的、随机的或瞬态的振动。

无人机振动特性如表1所示，振动功率谱密度如表2所示。无人机振动特性分析

根据无人机的各种振动源，确定各种振动载荷的大致量级、振动类别（周期的、随机的、瞬态的）及其作用的位置或区域。应用特定的分析方法或试验技术，确定振动预计状态下的无人机结构模态参数（固有振型、固有频率、广义质量和阻尼比）。对于要进行预振动的地面或飞行状态，建立无人机结构振动响应分析用的数学模型，根据确定的激振动力和模态参数，在各种特定的飞行状态下有关的振动载荷同时作用的情况下，采用已知的精确或近似方法进行响应分析，预计无人机各区域的振动量级。该振动量级可以作为无人机振动试验设计的依据。

目前，一般通过利用patran建立无人机三维模型，利用nastran软件分析无人机振动模态特性。根据无人机振动模态对相应振动的响应，确定振动频率振幅和振动功率谱。图2为某型无人机振动功率谱特性示意图。

振动技术在部件环境筛选（ ESS）试验中的应用

ESS试验目的

环境筛选的目的是通过对电子产品施加随机振动及温度循环应力，以鉴别和剔除产品工艺和元件引起的早期故障，从而提高产品的使用可靠性。

ESS试验设计

振动台台面能通过专用夹具将受筛产品刚性固定，并能保证由受筛产品、夹具、台面及其空气弹簧支撑系统所组成的质量一弹簧系统在20 - 2000Hz频率范围内不应有共振频率存在，即在20 - 2000Hz频率范围内沿振轴方向的传递函数必须保持平坦，其不平坦允差不得超过±3dB，如有困难时，频率范围在500 - 2000Hz的允差放宽到±6dB，但累计带宽应在300Hz以内。随机振动试验控制点谱形允许误差见表3。

②如有困难时，允差放宽到-9dB，但累计带宽应在300Hz以内。

在随机振動时发生的故障，为最大限度减少为故障寻找而必须进行的随机振动对产品寿命的影响，要求筛选及故障寻找施振总时间，在0.04g2/Hz功率谱密度值作用下的时间不能超过20min.其中故障寻找筛选应在尽可能低的振级上进行，以使等效时间减至最小，振动量级与时间的等效关系见表4。振动功率谱密度如图3所示。

振动技术在无人机整机振动试验中的应用

整机振动试验目的

整机振动试验主要是模拟无人机在空中飞行时的振动环境，检验无人机系统的工作情况是否正常。

整机振动试验设计

整机振动采用正弦扫频振动的方法，无人机固定在两台JZQlOO型激器上振，按20 - 200 - 20Hz的频率扫描，扫描二次;在扫频范围内的五个谐振点定频振动各3min，振动均方根加速度4.13g，沿无人机轴向垂直方向施振。

参试振动仪器设备：

01激振

B&K3560CPULSE多分析仪;

B&K2708功率放大;

JXQ100激振器。

02测量

B&K4334加速度传感器;