基于COTS的无人机减震气囊设计

蒋志华

(中国人民解放军92419部队，辽宁 兴城 125106)

COTS即Commercial-off-the-shelf翻译为“商用货架产品”，指可以采购到的具有开放式标准定义的接口的软件或硬件产品。其来源于美国军方，在过去，美国国防采办项目必须使用国防部颁布的军用标准与军用规范。在冷战结束和苏联的解体后，美国国防部改革了采办政策，提出了COTS策略。即设计及采购人员只要允许应该尽可能地在军事装备中采用成熟的通用技术和产品。

由其定义可知，COTS产品设计的原则就是安装使用简便，可在现有系统部件的条件下运行。在可靠性、环境因素、使用寿命、尺寸、特殊的输入电压、电磁兼容性等方面均有良好的表现，且生产商可提供完善行业知识和技术支持，这样可以使研发人员只关心本专业相关的技术研究，而不必把精力花费在通用技术上［1］。相对于其他可以根据特殊情况而特定应用的系统而言，COTS系统更能节省成本和时间，因此在无人机领域内也获得广泛应用。本文针对无人机气囊减震回收进行研究，在回收气囊产品选型基础上完成了减震气囊的设计。

1 无人机气囊减震回收

无人机常用的回收方式有伞降回收、着陆滑跑回收以及撞网回收等，其中伞降回收技术成熟，为大多数无人机所采用。同时为降低无人机最终着陆冲击，伞降回收通常采用伞降+末端缓冲装置(如减震气囊、反擎火箭等)的组合形式［2］。由于减震气囊具有投资少、灵活、安全、可靠、综合经济效益高等特点，而在伞降回收中得到广泛应用［3］。

无人机伞降回收时，通过释放回收伞，改变无人机运动方向，由水平运动调整为垂直降落运动，匀速下降;同时利用装置在机体上的减震气囊，实现无人机软着陆。气囊减震工作过程如下:气囊在无人机匀速下降过程中，适时打开减震气囊，利用充气装置给气囊充气;着陆时，气囊先触地，在无人机重力和速度作用下，囊体内的气体压力增加，当囊体内压力达到一定值时，气囊排气孔打开，利用其排气过程，气囊变形而吸收部分着陆能量，使无人机完好无损着陆。

依据回收功能确定以车用安全气囊为基础进行减震气囊的设计。车用安全气囊用于驾驶员的安全辅助保护，其使用可靠性高、使用广泛、成本低廉，且市面上可供选择的产品种类齐全，从安全性、供货连续性、后期维护等方面均可满足系统设计要求［4］。一般来说车用安全气囊和无人机减震气囊的用途不同，二者在技术要求上也不尽相同，很难选择一款车用安全气囊满足无人机减震气囊所有技术要求，因此采用在满足基本要求的基础上，进行适应性改进设计来实现。

2 气囊选型

由减震气囊工作过程可以看出减震气囊由囊体和充气装置两部分组成，其中气囊体积、底面积、高度、初始充气压力构成气囊的基础要素，而气囊的排气孔爆破压力和排气孔面积决定了减震的效果。下面首先从基本要素出发进行气囊选型。

2.1 无人机气囊减震总体要求

无人机回收质量 m=110 kg，无人机机体直径 d=0.3 m，依据总体对回收系统要求，回收系统性能的降落伞回收速度v1=6 m/s，回收加速度过载αmax≤12 g，无人机最终速度 v2=0 m/s。

2.2 减震气囊要求有关参数要求

2.2.1 缓冲气囊的体积

对于缓冲气囊［5］，其质量体积比一般取1100 kg/m3，回收质量取110 kg，则缓冲气囊的体积计算的0.10 m3。为提高稳定性，一般采用前后气囊布局，考虑到前后气囊距离重心有一定的距离，因此单个气囊体积可以比理论计算的稍大一些，取单个气囊体积取值为0.06 m3。

2.2.2 气囊底面积半径

为保证缓冲气囊可以包裹住机身，气囊的宽度必须大于机身直径，根据设计经验气囊的宽度一般取无人机机身直径的1.5倍以上，根据无人机体直径，囊体半径取值为r0=0.25 m。

2.2.3 气囊的高度

囊体高度由回收系统的减震行程决定，则回收过程能量变化E为

为实现有效缓冲，气囊的反作用力F为

考虑实际缓冲过程中“力—行程”曲线不能很好的保持为矩形，有一定的缓冲效率η，则气囊做功W为

依据能量守恒(1)式和(3)式相等则有

取气囊缓冲效率为0.85，则代入已知参数可得气囊理论高度为h=0.25 m。对于缓冲气囊，如果需要提高其缓冲性能，囊体的高度应该越高越好，但高度增加将会降低气囊的稳定性，导致无人机产生侧翻。综合考虑气囊体积和底面积，取气囊的设计高度为0.3 m。

2.2.4 充气初始压力

气囊内压力越高意味着气囊越接近刚性体，从而减小了传递碰撞冲击力过程中的损耗。减小囊体压力对降低冲击载荷有利，但过低的囊体压力也会降低缓冲效果。囊体初始压力在一定范围内，对最大压力和最大加速度影响不是很大，比较合理的选择范围是3～5 kPa［6］，同时考虑大气压力，采用标准大气环境，则囊体内部压力取值为108 kPa。

2.3 气囊选型

依据初步参数结果，基本可确定气体发生器(充气装置)和气囊的型号。其中气体发生器选择某汽车安全系统有限公司的DTN60F气体发生器，气囊选择DAB主气囊。

DTN60F气体发生器主要性能指标如下:峰值压力(60 L压力罐内)180 kPa以下可调;采用烟火式气体发生器、单极式、外壳不锈钢;环境测试抗老化防水性符合GB要求，使用寿命15 a。其外形如图1所示，具有体积小方便安装特点。

DAB型主气囊性能如下:气囊容积60 L;能承受550 kPa的压力;囊体直径0.5 m，高度0.31 m;可在 -35 ～ +85℃的条件下折叠并压缩保存15 a不失效。具有耐压强度高，方便储存的特点。

图1 气体发生器外形示意图

对比减震气囊相关参数要求，车用安全气囊满足上述指标要求，具备作为减震气囊的条件。

3 适应性设计

囊体排气孔爆破压力和排气孔是气囊设计中的重要设计内容，基本决定了气囊的缓冲效率。其中排气孔爆破压力决定了囊体压缩过程吸收的能量，而排气孔决定了气囊释放吸收能量的快慢。在排气孔爆破压力一定时，若排气孔设计过大，则有可能囊体无法起到保护作用，或者作用时间不够，囊体就快速泄气结束;若囊体排气孔过小，会造成囊体内压力过大出现反弹，形成二次冲击。因此在设计并验证减震气囊时，排气孔和气囊爆破压力是二个主要设计指标。

3.1 排气孔面积

假设气囊在开始阶段是绝能等熵的，且排气孔为临界或超临界流动，难么排气孔面积At的可简化为［7］

其中:v1为初始速度;A为气囊底面积;K为排气孔流动系数;R为气体参数;T*为囊内气体总温。那么代入已知量，可求解得排气孔面积At为0.016 m2。

3.2 气囊爆破压力确定

囊体排气孔爆破压力与着陆速度、气囊半径、排气孔面积之间很难用严格的数学表达式来描述，在工程上常采用试验数据进行确定［2］，图2描述了着陆速度、气囊半径、排气孔面积和囊体爆破压力之间的关系。图2中当气囊半径0.25 m、着陆速度 6 m/s、排气孔面积 0.016 m2，则爆破压力Pbrust=33.6 kPa。

图2 气囊半径、排气孔面积和爆破压力的关系

4 仿真验证

为了对设计结果进行评估，按照气囊减震理论对回收过程进行数据分析计算。其中无人机回收初始参数为:回收质量110 kg、伞降着陆速度6 m/s、气囊囊体直径0.5 m高度0.3 m、排气孔面积 0.016 m2、爆破压力 33.5 kPa。按此初始参数对该型无人机回收减震过程进行数值仿真计算［8］，无人机轴向过载变化曲线如图3所示。从图中可以看出在给定条件下，当无人机与气囊接触0.07 s时过载达到最大，最大值9.7 g，在接触0.2 s后无人机基本着陆，落地过载为0.28 g。无人机回收着陆缓冲过载控制在了10 g内，较好的达到了设计的目的。

图3 缓冲气囊轴向缓冲过载计算

5 结论

文章按照COTS产品设计的思路，分析了无人机气囊减震回收过程，基于汽车安全气囊对无人机减震气囊进行设计。通过无人机回收需求分析，给出算例无人机减震气囊体积、高度、底面半径和充气压力等要素，完成了气囊选型。在此基础上进行了减震气囊适应性设计和仿真验证，仿真结果表明，该方法合理可行，可用于无人机减震气囊设计，简化了设计制造流程，降低系统建设和维护成本。但是受汽车安全气囊功能特性限制，其气体发生器产生气体有限、气囊体积有限，一般能较好的满足小于150 kg级的无人机回收减震要求，但不适用于中大型无人机减震气囊设计。

［1］谢宗武，魏然，金明河，等.基于商用现成器件设计星载计算机关键模块的研究［J］.高技术通讯，2008(12):1285-1290.

［2］祝小平.无人机设计手册［M］.北京:国防工业出版社，2007:308-312.

［3］张光斌.无人机回收技术综述［J］.国际航空，1996(11):30-31.

［4］钟志华，杨济匡.汽车安全气囊技术及其应用［J］.中国机械工程，2002(11):234-237.

［5］李俊.无人机伞降回收系统的设计与发展方向［C］//航空航天科技创新与长三角经济转型发展论坛论文集，2008:194-198.

［6］张忠伟.无人机回收气囊减震性能的计算分析［J］.西安.液压与气动，2004(2):28-31.

［7］戈嗣诚，施允涛.无人机回收气囊缓冲特性研究［J］.南京.南京航空航天学学报，1999，31(4):458-463.

［8］张元明.无人机回收减震气囊的理论研究［J］.液压与气动，2005(1):7-9.