淺談小型無人機的發(fā)射系統(tǒng)

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1、淺談小型無人機的發(fā)射系統(tǒng)王喆健臧雯雯萬齊峻吳勃良王鋒（沈陽航空航天大學(xué)，遼寧沈陽110136）【摘要】以無人機發(fā)射系統(tǒng)為研究對象，進(jìn)行了動力系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的分析。.jyqk/s，起飛重量小于100kg，采用橡筋彈射方式；起飛速度介于25~45m/s，起飛重量小于400kg，采用氣液壓彈射方式。如美國的銀狐無人機，英國的“不死鳥”無人機。下面我們將針對三種不同的彈射方式進(jìn)行分析。１.１氣液壓彈射系統(tǒng)液壓彈射是目前比較先進(jìn)的無人機發(fā)射方式。該系統(tǒng)主要由氣液壓能源系統(tǒng)、彈射桁架系統(tǒng)、鎖閉機構(gòu)、釋放機構(gòu)、滑行系統(tǒng)、增速系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等多個系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)的動力源來自于

2、氣液壓，氣囊式蓄能、單作用式液壓缸、液壓管路、卸荷閥、截止閥等組成了這種能源系統(tǒng)。系統(tǒng)的工作原理為：在無人機的彈射前先向氣囊式蓄能器沖入高壓油和氮氣，當(dāng)無人機彈射時，蓄能氣囊膨脹，隨后排出大流量的高壓油，在高壓驅(qū)動下使液壓缸做活塞運動，實現(xiàn)氣液壓能向機械能的轉(zhuǎn)化，最終實現(xiàn)為無人機的發(fā)射提供動力。這種彈射方式安全隱蔽，而且經(jīng)濟(jì)性好適應(yīng)面也比較廣，不會產(chǎn)生光、聲、熱、煙霧等信號，也便于移動。此外，該發(fā)射系統(tǒng)針于不同質(zhì)量的無人機的適用可通過調(diào)節(jié)沖油壓力和蓄能器充氣壓力實現(xiàn)。１.２電磁彈射系統(tǒng)電磁彈射系統(tǒng)是近幾年來國際上一種新興的無人機發(fā)射方式，它是使物體在短距離內(nèi)加速到

3、一定速度后發(fā)射出去而利用電磁力推動物體的裝置。該系統(tǒng)主要由電源和直線直流電機等設(shè)備組成。工作原理為：電源的能量貯存系統(tǒng)將貯存的能量轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l脈沖,控制能量輸出以驅(qū)動直線直流電機，直線直流電機就是彈射電動機,為無人機提供彈射力。電磁發(fā)射裝置能夠突破常規(guī)發(fā)射出口速度制約，實現(xiàn)更高速度的發(fā)射。與常規(guī)無人機彈射系統(tǒng)相比，它具有維護(hù)方便、適應(yīng)性好、通用性強、機動靈活、可靠性高等優(yōu)點。１.３橡筋彈射系統(tǒng)橡筋彈射系統(tǒng)是一種自力傾斜彈射起飛。該系統(tǒng)主要由拉力橡筋、牽引鋼絲、鎖緊機構(gòu)、無人機基座、滑行軌道、絞盤裝置和穩(wěn)定的桁架等結(jié)構(gòu)組成。該系統(tǒng)的能量源來自于橡筋的彈性勢能。鎖緊機構(gòu)

4、將飛機固定在基座上，絞盤裝置拉動牽引鋼絲使橡筋受力拉伸，使橡筋達(dá)到最大彈性勢能，在開鎖裝置打開瞬間，無人機隨著基座在滑行軌道上加速滑行后獲得最大速度起飛。影響該系統(tǒng)的總體性能的因素主要為結(jié)構(gòu)的設(shè)計、加工過程中的質(zhì)量以及所選取橡筋的性能。橡筋的性能具體包括高低溫彈性的差異、彈性形變系數(shù)、耐用程度等。根據(jù)能量守恒原理，發(fā)射無人機所需的能量于橡筋彈性勢能，滑行軌道長度是橡筋做功的距離，所以合理長度的滑行軌道能夠使無人機能夠有效的達(dá)到最大彈射速度。綜合考慮彈射機構(gòu)的使用性能往往將軌道做成兩段或者三段，連續(xù)使用，用滑輪組來增加橡筋形變的距離，增加彈性勢能。因此，使用橡筋發(fā)力

5、彈射結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，裝配及維護(hù)要求稍高，其優(yōu)點是通過手搖或電機帶動鋼絲絞盤即可完成裝配。綜上，無人機橡筋彈射方式原理簡單、機構(gòu)簡便，但僅限于低速、微小型無人機發(fā)射。氣壓和液壓彈射方式除工作介質(zhì)（高壓氣體或高壓油）不同外，工作原理基本相同。但氣壓彈射能量特性受環(huán)境溫度影響較大，且安全性較差。相比之下，橡筋彈射系統(tǒng)這種成本低廉、簡單易行，設(shè)備便攜性很高，易于保養(yǎng)且無額外器材消耗的方式更容易得到推廣和使用。２橡筋彈射系統(tǒng)的簡單分析如圖為橡筋彈射沿著滑行軌道斜面上升時并加速的過程。我們以，橡筋和無人機基座為研究對象，受力如下圖所示。圖中，x為小車在彈射軌道上的位移，F(xiàn)s為小

6、車與軌道之間的摩擦力，R為涵道風(fēng)扇提供的推力，P為無人機與基座的重力，F(xiàn)w為飛機所受到的空氣阻力，θ為彈射軌道與水平面之間的夾角。根據(jù)分析力學(xué)可知，系統(tǒng)的重力勢能Vp為：Vp=xsinθ系統(tǒng)的彈性勢能Vs為：3小結(jié)目前，無人機正在成為現(xiàn)代高科技發(fā)展中無法缺少的一部分，體現(xiàn)在民用和軍事上。在民用方面，無人機可在防災(zāi)、電力、森林、氣象、地質(zhì)勘探、海洋勘探等多方面發(fā)揮重要的作用。其次，無人機的作用在軍事上體現(xiàn)得尤為明顯,越來越多的國家將其作為武器裝備到陸?？杖?偵察、執(zhí)行攻擊的作戰(zhàn)任務(wù)和靶機訓(xùn)練的任務(wù),并取得了顯著的成效,而且應(yīng)用領(lǐng)域還在不斷地擴(kuò)大。尤其在美國針對伊拉

7、克等中東和阿富汗等中亞地區(qū)采取的軍事措施中,無人機被得到了廣泛地應(yīng)用,在取得了顯著的作戰(zhàn)成果同時創(chuàng)造了許多新的作戰(zhàn)方式,也因此使得無人機成為了現(xiàn)代軍事行動中的新寵。目前，世界各國對無人機的起飛發(fā)射作了大量研究和嘗試，雖然我國的無人機相比部分科技發(fā)達(dá)國家起步以及發(fā)展得相對較晚較晚，但通過后來的研發(fā)，也在很多尖端科技取得了不俗的成績，相信我國的無人機定在不久的將來定能在世界上占有不可撼動的一席之地。..