一种小型固定翼无人机弹射着陆系统的设计

摘要:

为了快速切实的解决目前小型固定翼无人机经常出现的在各种地形复杂多变的复杂地面状况飞机上起降或在快艇跑道上起飞等无法快速自动地完成滑动跑位或起飞等的复杂动作场景中面临的飞机如何能够快速的安全地起飞着陆等一系列的各种复杂操作问题,本文将首次尝试使用基于SoildWorks三维建模、MATLAB和数学矩阵分析系统等的三维软件,设计与研究生产出了这样的一种更高性能小型无人机固定翼自动快速弹射和着陆的系统,以确保成功的实现高性能的小型固定翼无人机能实现在各种上述的动作场景基础上的自动快速弹射起飞。首先我们应通过根据目前某种较为小型的固定翼式大型无人飞行机具所有飞机的各自最小允许的最大起飞垂直最大速度半径和自身最小飞行重量来通过计算求出在弹射过程和在起飞发射时无人机所需可能同时需要或消耗到的全部飞行总能量,再然后依由这种大型的无人机的本身和所能同时独立所承受所起的最大垂直飞行垂直推力而通过计算来得出所有飞机各自最短的允许起飞发射垂直起飞垂直距离,从而能够初步的确定的求取出在无人机和整个垂直飞行发射垂直起飞平台上飞行的各种主要的计算参数。进而可完成对发射无人机平台系统的立体三维建模,并通过利用有限元分析建模软件直接对无人机发射无人机平台中的一些关键功能构件对系统进行结构强度性能校核计算和结构刚度校核,确保平台上发射的无人机结构的稳定可靠性好和机体具有连续足够且长时间良好的使用寿命。

关键词:固定翼无人机系统;弹射系统设计;弹射系统动力设计;飞机三维建模设计

0引言

在这世界科技技术也在不断在提高与进步发展速度日新月异的大时代今天,无人机系统发展的未来实际技术应用与前景可谓都是前景一片相当的大好,不在论是应用在我们国家军事领域还是在国家与民用与航天领域,无人机技术都在一直在发挥着这一种极其特殊的与重要的军事科技作用。

1.弹射系统的工作原理

1.1设计要求

本文报告中所描述并设计建造完成了的小型固定翼无人机的弹射着陆平台系统将能基本适用于在国内安装绝大部分类型飞机下架的国内所有的小型固定翼无人机,并且考虑由于小型飞机要大量安装或者在其它一些地面情况等极其复杂而恶劣的复杂地形条件情况下大量安装并使用,弹射和降落着陆平台系统的空间占地面积都必须一定要小。此外所必须要设计生产出的弹射装置的正确使用操作方法一定要做到尽可能的简单,方便无人机正确快速的进行装填适合于连续操作的多个无人机进行同时进行发射。

1.2工作原理

图中的1部分即为弹射系统的组成系统框图,弹射式系统结构一般又可以大致粗略的分为下列这三大系统部分:由接触腹板和定位侧板等共同构件组成的弹射无人机限位滑道系统部分;以及由稳定滑轮、钢丝盘圈和拉簧盘等组成的弹射式辅助动力装置系统;还有一种由光轴支座、光轴、直线轴承、连接用垫板、活动式牵引钩、导向臂、导向滑块、丝杠、丝杆螺母、联轴器、电机座等附件组成整体的弹射式复位式传动装置。技术参数

图1弹射系统框图

图例2图中为固定翼飞机弹射着陆平台系统结构模型的三维原理图,图例3图中为飞机俯视图。在根据本文设计要求及所需要求进行设计及建造完成的飞机垂直弹射平台体系设计中,拉簧将与钢丝臂相连,并同时将其通过向其最前端所安装的紧定力滑轮以来实现在提供发动机最大输出牵引力时的拉簧变动轴向以保证达到在尽可能保证发动机整个垂直发射平台系统行程尺寸基本稳定不变的总体原则基础上适当的减小了其整个飞机垂直发射平台体系的长度。初始位置时,拉簧丝由于钢丝长度原因还没有能被弹簧丝稍微地给拉得比较紧,钢丝长度在到达了其初始位置后的钢丝长度最前面的位置同时也就没有被任何一个钢丝缓冲块所给所挡住。

下,而只能让无人机最终无法起飞升深空。此时固定翼发射平台才能重新被恢复并回到其初始发射的位置,完成了另一个发射的周期。

图2弹射系统三维原理图

图3弹射系统俯视图

3.1活动牵引钩强度分析

活动牵引够主要用于固定牵引钢丝,由于牵引其主要工作特点在于受到牵引钢丝上垂直相对于牵引钩平面所在的平面向下的牵引力以及向下平行垂直于牵引钩的平面的向前牵引的牵引力,两个引力大小的相同即为其最大的作用力F=842.83N。牵引钩选用的焊接材料通常为进口304和不锈钢。

图5牵引钩应力云图

由上述有限元应力分析研究结果和得到的应力云图5式中我们可知,牵引钩子设计的允许最大连续工作应力将远远要小于这种特殊材料设计的最大设计连续许作用工作应力,因此也即可简单得出了下述分析结论:由这种特殊结构材料所设计而制成的牵引式钩子设计能够基本满足其正常设计使用强度要求。

3.2活动牵引钩的刚度分析

图6牵引钩应变位移云图

与上述强度对比分析时的受力平衡状况应与材料强度相同,由应变位移图图表5中亦可看出,最大应变位移应为大于0.2mm并大于牵引钩板相对应于限位侧板上的间隙预留量的1mm。因此可得出下列结论:变形不会通过导致在机构的运动变形过程中产生的干涉变形而达到满足刚度要求

3.3连接板的刚度校核

连接板通常用之于连接牵引钩力矩或专用于连接的丝杆螺母,由于其连接板牵引钩的力矩与连接板丝杆螺母作用力不共线,因而使得连接板有时就会发生突然或发生轻微扭转与弯曲的变形,而这时若其扭转幅度或扭转变形受扭量值偏差或过高大都会将容易的导致其在固定丝杆螺母与在连接的丝杆螺母力矩之间都会同时产生一个较大的弯矩,降低其连接的丝杆螺母传动装置力的平均传递和效率,所以这首先必须要考虑检验了一下其抗弯曲刚度是否均已基本满足了设计的精度要求,材料建议依旧是可以考虑选用普通合金钢304合金或不锈钢。

图7连接板应变位移云图

连接板最大的变形量如下图表7中所示,最大的变形量一般为0.02mm几乎全部是在同一个水平面点上出现的连续变形,扭转量相对很的小,因此要求连接板刚度完全满足上述要求。

4结论

本文作者提出发展了这样一种完全基于拉簧动力控制的新型固定翼无人机垂直发射控制系统,该新型系统还具有整机占地面积更小、质量很轻、发射控制系统成本低,对中小型无人机平台的适用性更好等许多优点,可直接适用于我国大多数军用小型垂直固定翼无人机系统在高速无滑跳跑起飞的条件情况下进行的开发应用。并能够利用MATLAB、SoildWorks技术对各种关键控制参数进行组合计算优化与计算机仿真,保证该系统设计的合理性。本文作者所提出设计的这种新型的固定翼无人机的发射飞行平台实际上是要将一种新型的固定翼小型水面无人机快速发射起飞无人机本身的起飞工作方式同时也能由一种长距离高速飞行发射的滑步短跑起飞的方式变为以一种超短波距离飞行发射方式的弹道飞行发射,能真正快速地实现以小型水面的固定翼直升机在海面、湖泊或中等或者更宽大区域范围以内的水域系统空间内所进行的远程快速的起飞攻击飞行与水面侦察,极大限度的提高了到了其对水域进行侦擦性打击时的高度经济型能力与使用的便捷性;可以成功实现并将使用一种新型具有长距离自动定点巡航系统特点的固定翼无人机在各种复杂动态野外环境上进行连续平稳地连续机动发射,对于组织实施大规模野外遇险紧急人员搜救、野生动物自然保护动态调查、森林火险隐患的勘察及评估分析等各类复杂或大的动态范围领域内大规模野外专项侦查探测活动也将都有起到了其极为的广泛有重要借鉴意义和的实践示范引导意义。

21 世纪的今天，世界科学技术水平高速发展下带给人类的是环境的污染问题和资源减少的问题，因此如何绿色和可持续的发展成为未来人类的重要发展方向。相对于传统的金属制造业，金属增材制造成为绿色可持续发展的一条新思路。金属增材制造（Additive

Manufacture）技术，它不同于传统的加工方式：等材制造（如铸造）和减材制造（普通的机械加工）。他是利用 CAD 三维模型，通过热源将工件从二维平面一层一层的制造成三维实体。

电弧增材制造具有较高的沉积速率，粉末和激光直接沉积的沉积效率仅为 14％[1]，而电弧增材制造具有高达 100％的材料利用率[2]。  电弧增材制造效率也高于粉末激光增材制造，电弧增材制造的能效可高达 90％[2]，而粉末激光增材制造的效率只有 30-50％。此外，电弧增材制造的成本远远低于粉末材料激光增材制造系统的成本。 随着科学技术的升级，越来越多的产品必须在高温、长时间及超高速的工作条件下运作。为了提高产品的可靠性，许多材料被研究及应用，特别是高温合金和高强合金。这些产品往往拥有较复杂的结构和较高的加工精度，因此 304 不锈钢以其优异的耐腐蚀性、力学性能、温度强度和高性价比等优点，在石油、核、化工等领域得到了广泛的应用。304不锈钢产品在高温下使用往往拥有较为复杂的形状，如：空腔结构、网状结构及冷却管道结构等，传统的制造方式往往难以进行加工制造，虽然利用激光增材制造技术可以得到这些结构的产品，但其昂贵的工艺成本使之无法广泛应用。304 不锈钢电弧增材制造技术制造的产品可以用于高温、长时间、超高速的工作条件下，但是往往容易出现缺陷。因此优化工艺参数，提高力学性能，减少残余应力成为了研究重点。

参考文献

[1] 付国强, 陈建国, 司亮,等. 中程固定翼无人机发展综述及总体设计技术研究[C]// 2019年(第四届)中国航空科学技术大会. 0.

[2] 魏志强, 刘馨泽. 飞机起飞过程的加速特性分析与轨迹仿真[J]. 飞行力学, 2019, 037(004):17-20.

[3] 张程皓. 小型多旋翼无人机航拍的新探索[D]. 2019.

[4] 孙志宏．无人机弹射起飞技术分析［Ｊ］．测绘与空间地理信息，2０１４，３７（８）：１７４－１７５.

[5] 唐友亮, TANG, You-liang,等. 无人机液压弹射滑行小车缓冲系统仿真研究[J]. 液压与气动, 2018.

[6] 刘希军, 朱新宇, 高丽霞,等. 固定翼无人机电磁弹射用直线感应电机设计与研究[J]. 航天控制, 2020, v.38;No.183(01):71-76.

[7] Blanchet, Gérard / Charbit, Maurice. Digital Signal and Image Processing using MATLAB[J]. John Wiley Professio, 2006, 4(04):397-477.

[8] 尹中会, 嵇浩, 张大伟. 基于SoildWorks Simulation分级式破碎机齿座的有限元分析[J]. 煤矿机械, 2014(12):100-102.