一種小型固定翼無人機彈射系統的設計

李國利， 王瀚， 胡曉航， 鐘艷

（哈爾濱理工大學，哈爾濱150080）

0 引言

在科學技術不斷進步的今天，無人機的應用可謂前景大好，不論在軍事還是民用領域，無人機都發揮著極其重要的作用。文獻[1]指出固定翼無人機憑借其較快的速度在偵察、探索等方面有很廣泛的應用。但由于其起飛滑跑[2]時對場地要求比較高，對于一些沒有起飛條件的情況（如災后救援、體育賽事、演唱會等）將無法發揮作用，限制了其在更廣泛領域的應用。文獻[3]指出在民用無人機領域，多旋翼固定翼在航拍方面的應用是極為廣泛的，其原因之一就是起飛時幾乎不受地面情況的限制。但是多旋翼無人機存在著續航時間短、飛行速度慢等多種問題，對一些大范圍的運動及偵察有著天生的弊端。

固定翼無人機有著相對持久的續航時間與很快的巡航速度，而需要一種簡單彈射裝置可以使其能夠在復雜地面狀況下起飛，以實現其在更廣泛領域方面的應用，解決旋翼類無人機在某些領域的弊端。文獻[4]列舉了3種無人機彈射起飛的方式，分別為橡筋彈射、電動機直接彈射、液壓氣壓彈射，并分析了這幾種彈射方式中各自的優劣點。文獻[5]、文獻[6]分別對液壓與電動機彈射進行了相關研究，但是成本較高，不適用于一般場合的應用。本文通過MATLAB[7]對發射進行參數化研究并使用SoildWorks[8]設計出一種成本低、質量輕的固定翼彈射系統，以拓展固定翼在偵察、救援、航拍等領域的應用。

1 彈射系統的工作原理

1.1 設計要求

為了在保證操作的簡便性的基礎上實現低成本的發射，本文設計的固定翼彈射平臺采用拉簧作為直接彈射動力的方式。

本文所設計的固定翼彈射系統適用于絕大部分類型的小型固定翼無人機，由于要在地面情況復雜的條件下使用，彈射平臺的占地面積要小。此外所設計的彈射裝置的使用要簡單，方便無人機的裝填并適用于多個無人機的連續發射。

1.2 工作原理

圖1為彈射系統的系統框圖，彈射系統可以分為三大部分：由接觸腹板和定位側板組成的無人機限位滑道；由定滑輪、鋼絲和拉簧組成的彈射動力裝置；由光軸支座、光軸、直線軸承、連接板、活動牽引鉤、導向臂、導向塊、絲杠、絲桿螺母、聯軸器、電動機組成的彈射復位裝置。

圖2為固定翼彈射系統的三維原理圖，圖3為俯視圖。在本文所設計的彈射平臺中，拉簧與鋼絲相連，并通過前端的定滑輪實現提供牽引力的拉簧變向，以便在保證發射行程不變的基礎上減小整個發射平臺的長度。初始位置時，拉簧由于長度原因被稍微拉緊，鋼絲到達其位置的最前面時被緩沖塊擋住。

圖2 彈射系統三維原理圖

圖3 彈射系統俯視圖

在使用時，首先將整個平臺以相對于地面一定角度放置（一般為25°～45°之間），在限位滑道前端放入一枚無人機，電動機驅動連接板帶動活動牽引鉤向前運動直到接觸到鋼絲。活動牽引鉤與其相連接的方式為鉸鏈連接，且在其前端有一定坡度，因而當活動牽引鉤接觸到鋼絲并繼續向前運動一小段距離時，鉤子被有預張緊力的鋼絲下壓并最終勾到鋼絲。完成這一動作后，電動機反轉通過連接板和活動牽引鉤向后拉動鋼絲，同時拉簧的活動端向前運動實現拉簧的蓄力；當整個鋼絲牽引機構運動到后端時，導向臂端部安裝的軸承接觸導向塊進而向上帶動導向臂，而由于活動牽引鉤與導向臂分別在連接鉸鏈的兩端，所以活動牽引鉤向下運動，從而釋放鋼絲。此時鋼絲受到拉簧的力遠大于無人機的重力及無人機與腹板的摩擦力，所以鋼絲會從后方帶動無人機以很大的加速度向前運動，當無人機以較大的速度運動到滑道末端時，鋼絲會被緩沖塊擋下，而無人機起飛升空。此時固定翼平臺恢復初始位置，完成一個發射周期。

2 技術參數計算

2.1 拉簧參數的確定

小型固定翼無人機的質量一般在2 kg以下，起飛速度在20 m/s以下，以此標準作為彈射平臺的設計基礎。首先計算固定翼無人機達到起飛速度所需要的能量：

式中：M為無人機質量；V為起飛速度。

根據發射的工作原理，需要有兩個滑輪做導向，所以滑輪外圈的線速度等于鋼絲移動速度（20 m/s）。滑輪為鋼制、不可忽略質量，為了方便計算可將滑輪簡化為半徑、質量不變的圓柱體。

設達到相應速度所需能量為：

式中：J為滑輪的轉動慣量；ω為滑輪的角速度；m為滑輪的質量；r為滑輪半徑。

設W為拉簧所提供發射的能量:

式中：K為拉簧的進度系數；X為發射行程。

鋼繩較輕，所消耗的能量忽略不記。

固定翼無人機發射過程中與發射系統之間的摩擦不可忽略。設能量傳遞效率為0.90，實際發射傾角為43°左右，方便計算按45°,則發射一枚固定翼無人機所需要的總能量應與拉簧所提供的能量相同，即:

解得行程X與勁度系數的函數表達式為

發射最大作用力與發射行程的函數表達式為

利用MATLAB繪出拉簧勁度系數K、最大作用力F與發射行程X之間關系的圖像，如圖4所示。通過分析圖像可知，當發射行程大于0.6 m時，拉簧的勁度系數K明顯下降。

圖4 K與F函數圖像

勁度系數的下降對整個發射平臺的設計都是很有利的：1）減小拉簧在發射過程中對發射平臺的作用力；2）更容易選到合適的拉簧，避免定制而需要較高的費用。而由于設計需求為小型發射平臺，發射行程X不宜過大。

通過最大受力圖像與勁度系數圖像綜合得出：發射行程X在0.9～1.2之間較為合適，選用X=1.1 m。拉簧勁度系數K=766.24 N/m，最大作用力F=842.83 N。而由于拉簧的放置為左右兩根，所以單根拉簧的勁度系數與最大拉力為總的一半。

2.2 電動機參數的確定

由2.1節分析了彈射時最大作用力為842.83 N，這個力由電動機旋轉通過聯軸器與絲桿帶動絲桿螺母提供，下一步是計算電動機的功率和轉矩。

絲桿的型號為T8，導程為12 mm，即絲桿最大直徑為8 mm,絲桿旋轉一周，絲桿螺母運動12 mm。按一般工況螺旋傳動的效率為0.8，由能量公式：

式中：V為螺母運動速度；L為導程；n為電動機轉速；μ為傳動效率；T為電動機轉矩；P為有效功率。

得出：T=2.01 N·m。

為了快速完成無人機的發射，要求在10 s之內完成拉簧的蓄力，則轉速為

式中：t為蓄力時間。

得到電動機的功率為

最終確定電動機的轉矩不小于2.01 N·m，電動機功率不小于115.9 W。

3 核心構件的強度校核與剛度校核

首先將模型在SoildWorks中建立出來，并利用其中的Simulation對受力情況復雜及對剛度有特別要求的構件進行有限元分析，從而校核其強度、剛度是否滿足需求。有限元分析是把所計算構件劃分為很多細小的網格，并針對網格里的每一個小單元進行計算。與以往的計算方法及實驗法相比，這種方式極大提高了結果的準確性，并降低了得出結論所花費的時間和成本。

3.1 活動牽引鉤強度分析

活動牽引鉤用于牽引鋼絲，由于其工作特點受到鋼絲垂直于牽引鉤所在平面的力及平行牽引鉤平面向前的力，兩個力大小相同，為最大作用力F=842.83 N。牽引鉤的材料為304不銹鋼。

由圖5可知，牽引鉤的最大應力小于這種材料的許用應力，因此得出結論：由這種材料制成的鉤子滿足使用要求。

3.2 活動牽引鉤的剛度分析

與上述強度分析時受力狀況與材料相同，由圖6可以看出，最大位移為0.2 mm，大于牽引鉤相對于限位側板的間隙預留量1 mm。因此得出結論：變形不會導致機構運動過程中的干涉，且滿足剛度要求。

3.3 連接板的剛度校核

連接板用于連接牽引鉤與絲桿螺母，由于牽引鉤與絲桿螺母作用力不共線，因而連接板會發生扭轉變形，而扭轉變形量過大會導致絲桿螺母與絲桿之間產生彎矩，降低絲桿傳動的效率，所以要檢驗其剛度是否滿足設計要求，材料依舊選用304不銹鋼。

連接板的變形量如圖7所示，最大變形量為0.02 mm，幾乎是同水平面上的變形，扭轉量很小，因此連接板剛度滿足要求。

圖5 牽引鉤應力云圖

圖6 牽引鉤應變位移云圖

圖7 連接板應變位移云圖

4 結論

本文提出了一種基于拉簧動力的固定翼無人機發射系統，該系統具有占地面積小、質量輕、發射成本低、對無人機的適用性好等優點，可適用于大多數小型固定翼無人機在無滑跑起飛條件下的應用。并利用MATLAB、SoildWorks對關鍵參數進行計算與仿真，保證該系統設計的合理性。本文提出的固定翼無人機發射平臺將固定翼無人機起飛的方式由長距離的滑跑起飛變為超短距離的彈道發射，能實現小型固定翼在海面、湖泊等大范圍的水域內的起飛與偵察，極大提高了對水域偵察的經濟性與便捷性；可以將具有長距離巡航的固定翼無人機在野外環境平穩發射，對于野外搜救、野生動物調查、森林火險勘察等大范圍野外活動有極為重要的意義。