魏英魁,胡彦平,宫晓春
(北京强度环境研究所,北京 100076)
某型无人机是全新研制、中高空飞行、主要执行战场侦察任务的飞行器。根据该型无人机工作使用环境特点,总结分析其工作期间遭受的环境载荷的来源与特点,同时对无人机结构动力特性进行了分析,并最终确定该型无人机的环境试验条件与考核方案。
某型无人机是一新型侦察型飞行器,该型无人机采用共轴双旋翼技术[1-3]、模块化设计、结构紧凑、维护方便。其搭载自主研发的飞行控制系统,实现了飞机从起飞、悬停、航路点飞行到降落所有飞行状态的全自主化,并具有链路失效保护和自动返航功能。无人直升机采用电控-分控式旋翼控制技术,减少了结构复杂性,降低了整体质量,提高了系统可靠性。
无人机作为一种精密化和集成度很高的飞行器,其结构和电子器件对环境因素的敏感性较高,表1 分析了不同环境因素对无人机结构件和飞行可靠性的影响[4-6]。从表1 可以看出,影响无人机飞行可靠性的环境因素较多,振动力学环境对无人机结构和飞行可靠性影响较大。
表1 不同环境因素对无人机可靠性影响
根据无人机飞行使用环境和侦察能力指标,分析其在飞行侦察时所能遭受的环境因素。
1)高低温环境因素:该型无人机车外、机载设备温度为-40 ~+55 ℃;发动机-25 ℃以上启动;车内设备温度为-20~+55 ℃。
2)湿热环境因素:湿度为 95%±5%,温度为30~60 ℃交变。
3)低气压环境因素:参照该型无人直升机任务剖面,其侦察飞行高度为海拔1000 m,在此高度下,无人机将面对低气压工作环境,也是影响无人机飞行可靠性的重要环境因素之一。
4)淋雨环境因素:该型无人机可在小雨(1 mm/h)环境下正常飞行与起降。
5)砂尘环境因素:该型无人机具备在沙漠地形起降的能力。
6)振动力学环境因素:无人机采用共轴双旋翼技术,存在双螺旋桨,螺旋桨飞机上设备的振动主要是由螺旋桨转动诱发的。螺旋桨转速一般是恒定的,其产生的尖峰频率固定,但转速存在少量漂移,故而尖峰有一定带宽,并非纯粹的正弦振动[7-10]。
仪器装备在无人机上的安装和制造过程会有些微差异,以及无人机本身共振频率的差异也会导致尖峰频率具有一定带宽。同时如果工作时螺旋桨速度是变化的,这些尖峰的带宽应包括螺旋桨速度变化时引起频率变化的范围,因此该型无人机需进行随机+窄带随机振动力学环境试验考核。
根据GJB 150.16A—2009《军用设备实验室环境试验方法 第16 部分 振动试验》[11]相关内容,军用螺旋桨式飞机设备振动试验的谱型、量值和持续时间见表2。
表2 军用螺旋桨式飞机设备振动试验谱型、量值和持续时间
由表2 可以看出,螺旋桨式飞机振动谱是一种随机叠加窄带随机的振动谱,其窄带随机中心频率f0由无人机螺旋桨转动速率与桨叶数共同确定。该型无人机为2 桨叶(f0=2×螺旋桨转速),螺旋桨动力使用的是二冲程活塞式发动机,其性能指标见表3。
表3 活塞发动机性能
由表3 可以看出,无人机旋翼最高转速为6800 r/min,即频率为113 Hz。无人机不同工作状态下,旋翼工作转速也不相同,即起飞时频率为113 Hz,巡航时为108 Hz,怠速时为33 Hz,则f0=66 Hz。实际飞行时,无人机在这几种不同的状态下转换,因此在振动力学环境试验考核时这几个频率均要进行考核。在随机振动环境考核时,要叠加这3 个频率下的窄带,根据所考核部件或结构在机上的位置,按表2 计算得到频率所对应的功率谱密度值,对无人机部件和结构进行随机+窄带随机力学环境考核。
根据无人机飞行工作使用环境分析,确定了该型无人机环境可靠性试验内容与条件,具体见表4。该型无人机环境可靠性试验按表4 所列内容与试验条件进行实施,具体试验操作按照GJB 150A 相应试验内容规定执行。
表4 无人机环境可靠性试验项目与条件
文中对某型无人机进行了简介,对气候与力学环境因素对无人机可靠性的影响进行了阐述,重点分析了该型无人机工作飞行环境特性。最后确定了该型无人机环境试验内容与条件,并结合相关试验标准进行了试验实施。