無人機數據記錄儀發展淺析

于亞南，張振華，許長平，湯開杰

95894部隊

本文首先簡述傳統無人機機載數據記錄儀的結構與功能，并分析其缺點。針對當前無人機在復雜環境中的飛行特點，提出一種返回式數據記錄儀的設計思路。

在信息、人工智能等技術支持下，無人機在多個領域發揮的作用日漸突出，其優勢也愈加明顯，一是無人機可避免“載人”的環節，具有人員零傷亡的特點，人員生命安全得到很好的保證；二是無人機具有良好的經濟性，成本低，與有人機相比，無人機的重量和能源消耗明顯減小。但是，無人機在飛行中通常由人員遠程操控，并采用通信鏈路傳輸信息，一旦在空中發生故障無法正常返回，或出現墜毀等情況時，地面操控人員可能只掌握信號丟失時的位置信息。如果想準確了解無人機墜機前的情況，須要對無人機的重要殘骸即數據記錄儀內存儲的信息進行提取和研究。如果無人機在海洋、荒漠、境外等較為特殊的區域墜毀，則須要消耗更多的人力、物力尋找數據記錄儀，尋找工作面臨很多困難。如果在極端條件下，人們也無法輕易獲取數據記錄儀，飛行事故分析工作面臨很大困擾。

因此，為提高無人機事故的研究和分析效率，本文建議對傳統數據記錄儀加以改進，使其具有自主返回功能。當無人機無法正常返航時，數據記錄儀能提前與無人機分離，自主降落在指定位置。

傳統數據記錄儀概況

數據記錄儀俗稱“黑匣子”，是無人機必備的電子記錄儀器之一，用于詳細記錄無人機的飛行高度、速度、航向、姿態等數據。無人機的多種機載儀器儀表通過對應的傳感器與數據記錄儀相連接，便于記錄儀采集和記錄各類空中數據。地面人員利用這些數據可以計算和解讀無人機在空中的飛行狀態，進而詳細分析無人機在空中的飛行情況。當無人機偶發故障無法返航時，地面人員在能找到數據記錄儀的前提下，分析無人機在空中發生故障的情況。通常，數據記錄儀擁有良好的防摔性、防水性和防火性，即使無人機發生事故墜毀后，記錄儀仍能保存完好，并具有一定的信號發射功能，為搜尋工作提供準確的定位信息。

傳統數據記錄儀的缺點

圖1 數據記錄儀的外殼使用極厚的鋼板，采用一體化成型技術制成。

圖2 由數據記錄儀模型刨面圖可見，記錄儀內部主要由電路板組成。

由于傳統數據記錄儀只具有數據記錄功能，如果無人機發生故障無法返航且墜落于特殊環境中，沒有辦法找到或尋找難度大，以及尋找工作所引發的其他附加成本與數據記錄儀的回收成本不成正比時，人們則無法獲取記錄儀中的空中數據，記錄儀便失去作用。下文對無人機可能發生的故障情況和記錄儀尋找工作進行分析。

一是無人機在海面上空飛行時突發故障，墜落于海中無法正常返航。如果數據記錄儀恰好遇到較強的海上電磁干擾，其輻射信號會非常不穩定，且記錄儀可能隨著海水的運動被移動位置，給數據記錄儀的打撈工作帶來極大困難。因此，尋找和打撈工作須投入大量精力，周期長，找回的成功率小。

二是無人機在境外飛行時出現突發情況，數據記錄儀有可能落入別國領土，給事故調查分析增加很多困難。在外交受阻的情況下，本國相關單位更無法輕易獲取數據記錄儀中儲存的有關數據。

新型返回式數據記錄儀設計思路

根據上述分析情況，本文建議對數據記錄儀進行改進，在不影響無人機整體結構和氣動布局的基礎上，設計一種具有自動分離、自主導航、動力飛行功能的可返回式數據記錄儀。

當無人機受到嚴重損壞或發生嚴重故障而無法返航時，該型數據記錄儀能提前脫離無人機，啟用自主飛行模式并自主降落到易獲取的地區，甚至在極端條件下，亦具有一定的環境適應能力。

自動分離技術

新型數據記錄儀的自動返回過程大致可以分為自動分離、自主返回、接收三個階段。當無人機無法正常返航時，儲存綜合飛行信息的記錄儀與無人機分離，成為一種獨立的飛行器安全返航。記錄儀使用一種可控觸發模塊實現分離功能，此模塊技術稱為數據記錄儀自動分離技術。

新型數據記錄儀底座可采用氣囊式結構。記錄儀中的傳感器用于感知壓力、溫度等外界信號，記錄儀中的處理器將外界信號與設定值進行比較，當達到或超越臨界值后，記錄儀中的處理器觸發氣囊開關，為氣囊充注氣體，借助氣囊彈射作用，記錄儀獲得初始動力，與無人機分離。當然，飛控系統也可以給傳感器提供信號。當無人機偶遇突發情況時，飛控系統經過綜合判斷，必要時向傳感器發送彈射信號。

圖3 傳統數據記錄儀的顏色均為橘黃色，只具有數據記錄功能，無自主返回功能。

在設計新型記錄儀時，盡量不改變無人機的結構，可以利用物質化學反應生成氣體的方式，為氣囊充氣。在本文氣囊充氣技術研究中，利用NaN3與KNO3發生化學反應，生成N2，實現數據記錄儀的自動彈出功能。

氮氣生成的化學反應方程式：

通過配平得到:

由此看出，NaN3與KNO3發生化學反應后，生成高含量的N2，符合實用需求。

自主返回技術

自主返回技術模塊主要實現數據記錄儀的自主返回功能。該技術模塊分為兩種，一是氣動布局設計模塊；二是返回路徑最優算法設計模塊。

圖4 數據記錄儀與無人機、地面控制中心的關系。

（1）氣動布局設計模塊

為節省動力并獲得較小體積的數據記錄儀，可以選用滑翔式飛行模式，采用滑翔機的氣動布局設計。

（2）返回路徑最優算法設計模塊

數據記錄儀的自主返回對導航精度要求并不高，允許一定誤差存在。在數據記錄儀上容易實現北斗、GPS等衛星信號接收機的安裝。技術難點是，須要設計一套路徑最優選擇算法，使數據記錄儀無論在什么位置，都能根據當時的條件，自主計算出最優路徑并返回。

能源與動力技術

滑翔機通常不安裝動力設備，如果無人機事故發生地相對較遠時，記錄儀僅采用滑翔方式將無法實現返回。因此，在記錄儀返回途中，可以選擇滑翔與動力飛行相結合的方式，事先在處理器中設定好啟用動力的時機，剩余時段采用滑翔方式返回。

建議盡可能減少記錄儀的動力飛行。隨著現代科學技術的發展，太陽能和風能發電已經成為較便捷和實用的供電方式。然而，數據記錄儀的尺寸較小，加裝過多的發電模塊反而適得其反。因此，可以選擇核電池作為能源。

更準確地說，核電池是核熱電池，又稱同位素溫差發電機，足以滿足未來數據記錄儀的動力需求。其基本原理是利用溫差發電，只要有熱源就能產生溫差，通過熱電偶、半導體等熱電轉換器發電。發熱源有多種選擇，而核電池利用放射性同位素衰變產生熱量。由于放射性同位素衰變是自發行為，不依賴任何外部條件。在沒有陽光和惡劣天氣條件下，甚至在-100 ～-200℃環境中，作為發熱源的放射性同位素都能正常工作，為數據記錄儀提供必要的發電能源。核電池發熱部件最理想的原料是钚238，钚238輻射出的阿爾法粒子很容易被屏蔽，一張紙就能擋住，對人類生命來講非常安全。因此，钚238曾用做心臟起搏器。另外，钚238衰變產生的熱量比較大，但發熱功率并不恒定。钚238的半衰期是86.4年，其價格比較昂貴，須要在專用核反應堆內用中子轟擊镎237才能獲得。

如果相關單位能研制出新型返回式數據記錄儀，將對無人機空中數據分析提供較大支撐，大幅提高數據記錄儀的回收效率，滿足未來多種領域需求。