新型無人機液壓彈射裝置的設計與研究

， ， (鄭州大學 機械工程學院， 河南 鄭州　450001)

引言

無人機起飛方式眾多，有手拋、火箭助推、彈射起飛等方式[1]，而彈射起飛中的液壓彈射是目前國內外的研究主流。目前，液壓彈射常用如下兩種方案：方案一，采用液壓缸帶動滑輪增速系統進行彈射，該方案由液壓能源系統、電液控制系統、滑輪組增速機構、緩沖機構、無人機及滑行小車等組成，由于液壓缸結構特征、密封性能以及安裝方式的限制，液壓缸的運動速度一般只有3 m/s左右，遠低于無人機的起飛速度38 m/s，所以需要設置增速比不小于12.7的增速滑輪組，而增速比越大滑輪組結構越復雜，能耗越大、效率越低、性能越差、維護成本越高，所以該方案多適用于中小型無人機低速起飛的場合。方案二，液壓馬達彈射方案，該方案主要由液壓能源系統、液壓馬達、運載裝置、緩沖制動系統、彈射架裝置等多個分系統組成，直接由馬達帶動繩輪使無人機加速至起飛速度，無需增速機構，提高了系統效率，但由于液壓馬達排量和成本的限制，該方案多用于中小型無人機的彈射起飛[2]。

為滿足中、重型無人機彈射起飛的要求，提出了一種新型無人機液壓彈射系統，該系統采用液壓缸帶動齒輪齒條增速原理，增速比可達15倍，該方案結構緊湊、性能穩定、成本低，最高可彈射質量為400 kg的無人機。

1　無人機彈射起飛工作原理

無人機液壓彈射起飛裝置結構圖如圖1所示，包括彈射軌道2、液壓系統3、增速系統4、緩沖系統5、拖車6、滑行小車7等組成。

圖1　無人機液壓彈射系統整體結構圖

無人機置于滑行小車上，滑行小車通過鋼絲繩與繩輪連接，繩輪通過花鍵與增速系統中增速箱的齒輪輸出軸連接，在液壓缸的兩端設置有齒條(齒條與液壓缸同步運動)。彈射前，滑行小車由卡緊裝置固定在軌道上，由液壓泵向蓄能器充入高壓油液[3]，當油壓達到設定值時，溢流閥溢流，該過程為蓄能器儲能階段；彈射時，液控單向閥反向開啟，高壓油液瞬間進入增速系統液壓缸的無桿腔中，在高壓油液的推動下缸體向前運動(活塞桿固定)，帶動固定在缸體左右兩側的齒條運動，齒條又與增速箱輸入軸小齒輪嚙合，從而帶動固定在兩個增速箱高速軸上的繩輪做高速轉動，無人機和滑行小車在鋼絲繩牽引力的作用下沿軌道迅速加速[4]，達到起飛速度后與設置在軌道末端的緩沖液壓缸上的緩沖塊撞擊，無人機脫離滑車后在自身動力和慣性的作用下彈射起飛，該過程為無人機彈射起飛過程；彈射后，滑行小車最終通過繩輪制動和撞擊緩沖液壓缸上的緩沖塊兒而停止。無人機順利彈射后，液壓系統同時完成復位狀態，即：增速系統液壓缸、繩輪制動液壓缸活塞桿收回、緩沖液壓缸活塞桿伸出，高壓油泵向蓄能器充油，蓄能器處于滿載狀態。

2　增速系統

2.1　工作原理

增速系統的作用是使無人機隨滑行小車在有限長度的軌道上加速至安全起飛速度。結合滑輪增速系統的不足，提出一種新的增速系統，如圖2所示。

該增速系統由增速箱1、繩輪2、液壓缸3、齒條4、油箱5組成。增速箱放在兩側的油箱上，繩輪通過花鍵連接到兩增速箱高速軸之間，兩個齒條固定在液壓缸兩側(齒條與液壓缸同步運動)，與增速箱低速軸小齒輪相嚙合。高壓油液進入液壓缸無桿腔，推動液壓缸及齒條向前運動，從而可以通過增速箱使繩輪高速轉動，以使無人機迅速加速到起飛速度。

1.增速箱　2.繩輪　3.液壓缸　4.齒條　5.郵箱

2.2　增速系統關鍵結構設計計算方程

在對增速系統關鍵結構進行選型設計時，可根據無人機彈射技術指標的要求[5]，通過對滑行小車加速過程動力學分析，并對繩輪及增速箱齒輪進行受力分析，確定增速箱齒輪模數、分度圓直徑及齒寬等參數；并根據所受扭矩確定軸的直徑；以及對液壓缸進行推力及速度計算，確定液壓缸的活塞桿推力、運動速度、工作壓力、活塞有效面積和行程。增速箱和液壓缸選型設計計算方程如下(式中符號見表1)。

表1　符號索引

齒輪設計公式：

軸設計公式：

液壓缸設計公式：

設計計算時將初始參數設為無人機400 kg，起飛速度38 m/s，傳動比12.7。通過計算分析得出三組齒輪模數分別為8、10、12；齒寬分別為110 mm、145 mm、170 mm；液壓缸內徑160 mm，活塞桿直徑80 mm，傳動比15。該系統結構緊湊，安全可靠，效率高，在尺寸、結構及性能上完全可以成功的將中到重型無人機(300～400 kg)以38 m/s的速度發射出去，解決了目前只能發射中小型無人機這個瓶頸，并為以后其他類型的無人機彈射器的研究奠定了基礎。

3　液壓系統的設計

液壓系統是無人機彈射系統的動力源，是系統的核心部分[6]，而蓄能器可瞬時釋放大量的高壓油，可使無人機瞬時加速到較大的速度，因此選用蓄能器作為儲能元件；該液壓彈射系統需滿足在蓄能器充油壓力為25 MPa時，短時間內(0.7 s)將質量最高為400 kg 的無人機以38 m/s彈射起飛。液壓缸具有結構簡單、性能可靠等優點，作為系統的執行機構。液壓原理圖如圖3所示。

整個液壓系統主要分為以下四個階段。電磁閥通、斷電順序如表2所示。

1) 蓄能器儲能階段

按下電機啟動按鈕，電機帶動液壓泵工作，油液通過單向閥5進入蓄能器7中，當蓄能器壓力達到設定值時，溢流閥4溢流，充油結束，蓄能器儲能。

2) 無人機彈射階段

電磁換向球閥8、電磁換向閥10右側通電，液控單向閥9反向開啟，蓄能器7中的高壓油液經過液控單向閥9迅速進入彈射液壓缸的無桿腔，推動液壓缸缸體向前運動，通過增速箱帶動繩輪高速轉動，完成無人機的發射階段。

3) 緩沖階段

所研究的緩沖系統由兩部分組成， 一是電磁換向閥13右側通電(電磁換向閥8斷電)，油液進入緩沖液壓缸7的無桿腔中，通過背壓閥11決定無桿腔中油液的壓力，在滑行小車撞擊沖擊塊16時，通過油液的壓縮性來吸收一定的沖擊能；二是通過給換向閥12右側通電，油液進入繩輪制動液壓缸17，從而使繩輪抱緊裝置作用，抱緊繩輪，從而通過連接在滑行小車后側的鋼絲繩制動滑行小車。值得注意的是，兩部分緩沖裝置需同時作用，并合理匹配其結構參數和工作參數，以避免鋼絲繩受力過大而崩斷。

1.油箱　2.過濾器　3.液壓泵　4.先導式溢流閥　5.單向閥 6.壓力表　7.蓄能器　8.電磁換向球閥　9.液控單向閥 10、12、13.電磁換向閥　11.背壓閥 14、17.彈射液壓缸　15.緩沖液壓缸　16.緩沖塊

4) 液壓缸復位

一次彈射結束后，電磁換向閥10、電磁換向閥9和電磁換向閥5左側通電，液壓缸14、15、17復位。

表2　電磁閥通斷電順序

4　試驗驗證

為了研究蓄能器充油壓力對彈射性能的影響，在生產現場分別對蓄能器充油壓力為15 MPa、20 MPa、25 MPa、30 MPa時對無人機起飛速度和彈射時間的影響做了試驗驗證，得出結果如表3所示。

表3　充油壓力的影響

由試驗數據得知，該系統在25 MPa時，滿足了無人機起飛速度為38 m/s的性能指標，并且隨著充油壓力的增大，液壓缸推力增大，無人機起飛速度增大，彈射時間縮短。當壓力每增加5 MPa 時，起飛速度增加率分別為7.1%、5.2%和1.3%，起飛速度增加趨勢減小，因此可通過適當的增加蓄能器充油壓力來提高無人機末速度。

5　結論

(1) 所研究液壓彈射裝置，采用齒輪齒條增速系統，該系統結構緊湊，效率高，增速比大，性能穩定；

(2) 緩沖系統由滑車緩沖裝置和繩輪抱緊裝置兩部分組成，該緩沖系統安全可靠；

(3) 試驗結果得知，通過改變蓄能器充油壓力的大小，可滿足不同彈射質量、不同起飛速度無人機的彈射性能要求，其中，最大可彈射質量為400 kg、起飛速度為38 m/s的無人機。

參考文獻：

[1]何慶,劉東升,于存貴,張麗靜.無人機發射技術[J].飛航導彈,2010,(10):24-27.

[2]劉小龍,馬勝鋼,劉蘭榮,董攀輝.無人機液壓彈射系統性能的仿真研究[J].液壓與氣動,2013,(9):60-62.

[3]劉興陽,同智寬,李永林,王建平.無人機液壓彈射裝置能源系統仿真研究[J].機床與液壓,2008,36(12):170-172.

[4]趙灼輝,吳素珍.無人機液壓彈射系統的模型研究與仿真[J].機床與液壓,2014,42(22):130-132.

[5]李悅,巫成榮,吳泊寧,裴錦華,戈嗣誠.無人機氣液壓彈射裝置的關鍵系統設計[J].南昌航空工業學院學報(自然科學版),2002,16(2):64-67.

[6]秦貞超,周志鴻,梁上愚.無人機起飛彈射液壓系統的設計與研究[J].液壓與氣動,2010,(10):6-7.