固定翼無人機用降落傘及安全氣囊的研發

張鼎宸　徐顯超　黃盼偉　盧翔

【摘 要】無人機越來越火，無人機墜機事故都不可避免。本文提出了將降落傘及碰撞緩沖氣囊結合應用在無人機上，解決了無人機墜機損失過大的問題，提高了無人機的安全性及可靠性。

【關鍵詞】無人機；降落傘；安全氣囊

無人機的安全性能一直依賴于無人機飛控系統以及地面操縱人員，其安全系數較低。為減少無人機墜毀所帶來的損失，提高無人機安全性及可靠性，將降落傘及碰撞緩沖氣囊結合應用在無人機上。

1 主要研究內容及技術難點

氣囊氣體發生劑及材料的選定同樣是該項目的重點難點。因為此項目主要研究對象非飛控系統，所以在設計制作觸發氣囊氣體發生裝置上也存在一定的難度。

2 降落傘設計

通常按時序將降落傘的工作過程劃分為三個階段，及拉直過程、充氣過程和穩定下降過程。在拉直過程中，處于緊困扎狀態的傘繩和傘衣從傘倉里迅速拉出。充氣階段是指從傘衣系統全長拉直起到傘衣第一次充滿為止的整個過程。充氣過程是降落傘工作過程中最為重要也是最為復雜的一個階段。在傘衣完全充滿后，氣動阻力將使物—傘系統繼續減速直至到達穩定的平衡狀態，這一過程稱為穩定下降階段。

2.1 降落傘的幾何描述參數

降落傘的主要構成部分是傘繩和傘衣，傘衣是可以充氣至一定形狀并產生氣動力的織物。如圖 1為降落傘的結構示意圖。降落傘全部傘繩的集合點稱為交匯點，從傘衣底邊到交匯點的距離稱為傘繩的有效長度。

如圖2所示

（1）名義面積S0：表示降落傘的大小，對于傳統的降落傘，其名義面積定義為所有產生氣動力的織物；

（2）名義直徑D0：面積S0所計算的圓直徑，即D0=；

（3）投影直徑D0：處于穩定下降狀態的降落傘傘衣在空氣動力和織物張力作用下的形狀稱為充滿狀態，完全充滿傘衣的投影面積記為SP，與名義直徑類似，定義投影直徑Dp.0=；

（4）結構直徑Dc；

（5）投影高度記為hp；

（6）降落傘的質心記為CM；

（7）傘衣的質心記為Cp；

（8）完全充滿后傘衣底部的半徑記為R0；

（9）傘衣質心到傘衣底部的距離記為Lcp。

2.2 降落傘質心位置

如圖3所示，在傘衣的集合中心位置O點建立降落傘的連體坐標系Oxyz，其中Ox軸沿著傘衣的對稱軸，Oy軸、Oz軸與Ox軸構成右手坐標系。

如果將傘繩的質量記為ms，傘衣的質量記為mc，中間吊帶質量記為mr，則降落傘的質心位置

2.3 傘衣充滿條件

為了使降落傘能夠順利的充氣并充滿，物-傘系統在開傘時的速度要求足夠大，滿足開傘所需動壓。但是降落傘充滿所需的速度有一定的范圍限制，即傘衣充滿條件。

通過推導可以得到降落傘是否能充滿的判據：

（1）若vmin

（2）若4vd

（3）若vlk<4vd

其中，vmin為最小開傘速度，vlk為臨界開傘速度，vd為傘衣充滿后系統穩定下降的速度，v為傘衣充氣時系統的速度。

2.4 傘衣阻力面積變化

2.4.1 初始充氣階段

根據試驗發現，對一定形式的傘衣，在初始充氣階段參數λ為常數

2.4.2 主充氣階段

在主充氣階段，在充氣過程中傘衣的非流線特征越來越明顯。通常將（CS）表示時間t的冪函數

2.5 傘衣充滿時間

降落傘充滿時間是指從傘衣開始充氣到完全充滿所需時間，它表征傘衣充氣的快慢，是一個重要的性能參數。

系統的瞬時速度和傘衣內外壓力差在充氣過程中是變化的，需要通過求解系統運動方程得到。

作如下基本假設：

在充氣過程中

（1）傘衣投影面積隨時間線性變化；

（2）傘衣阻力系數不變；

（3）傘衣有效透氣量不變；

（4）空氣密度不變；

（5）完全充滿后，傘衣為半球形。

通過對大量的試驗數據的整理分析，得到如下經驗公式

3 氣囊設計

碰撞緩沖氣囊通常稱為安全氣囊，安全氣囊裝置一般由傳感器，控制器，充氣器和氣囊等組成，充氣器分壓縮氣體、煙火式和混合式等集中形式。其中兩個關鍵問題是氣囊的開啟時刻和充盈時刻的配合以及氣囊內的氣體壓力和體積。

氣囊設計的主要參數是氣囊直徑、氣囊的氣體壓力、多次碰撞的動力學特征以及對系統的影響，尤其是對物體的影響，以及多個氣囊組成的氣囊包裹結構等。

對氣囊的結構包括體積、強度、充氣壓力和流量以及彈性等作地面模擬試驗；跌落試驗中測量氣囊壓力、著陸加速度、速度—時間歷程、氣囊質量以及氣囊材料的應力等。

3.1 氣囊的墊升原理

氣囊應符合如下的基本靜力學關系，即無人機的重力（W）應等于作用在無人機底部表面壓縮空氣的合理（P），即支撐力。支撐力的作用點位置應處于壓力表面的面心——壓心。

3.2 柔性壁的張力

氣囊在結構上是一種柔性薄殼，主要特點是柔性。在工作狀態下柔性囊的構形是靠囊內的空氣壓力來維持的，其穩定性和剛性是靠空氣壓力形成的拉力來保證的，空氣壓力越高，則作用在氣囊上的拉應力越大，其剛性和穩定性也就越大。

在空氣壓力的作用下，柔性薄殼力圖達到相應的最大體積形狀，而妨礙實現這種形狀時將受到附加應力的作用，有可能導致薄殼破裂。如果外力作用引起的壓縮應力超過了拉應力，則氣囊形狀發生變形而失穩。

研究認為，氣囊的基本工作原理屬于彈性力學原理。采用薄殼無矩理論方法和公式對氣囊進行受力分析，并作如下假設：

假設氣囊材料性質保證柔性薄殼無彎矩狀態的條件。

薄殼無矩理論也稱為薄膜理論不僅對多層囊是合理的，而且對整體柔性囊也是合理的通過上述假設后，根據薄膜理論，如圖4所示，柔性壁微分平衡方程可簡化為

3.3 氣囊的受力分析

由于氣囊可簡化為在掛點A和B上的一條柔順線，用柔體力學理論分析。

在氣囊上有三個作用力，即氣囊內的空氣壓力（Pb）、氣囊自重（Fw）以及氣囊與無人機機體連接掛點A和B的約束力（FA、FB）。如圖5

只考慮Pb，忽略Fw、FA和FB

根據柔順線平衡方程，在指教坐標系中，二元氣囊AB段曲線上的受力平衡方程有

3.4 氣體發生裝置

氣體發生裝置采用的是微型充氣泵。參數如下圖6

4 總結

把安全氣囊和降落傘配合使用在無人機或有人機上對提高飛機安全性能將非常有意義。

[責任編輯：朱麗娜]