固定翼无人机伞降回收系统选型设计

安佳宁　李龙

研究了固定翼无人机伞降回收系统的选型问题，在分析无人机伞降回收系统优劣的基础上，给出了伞降回收系统的基本设计要求和无人机回收的基本流程，分析了回收伞和气囊选型、设计及相关开伞机构的设计与选型。

伞降回收系统主要应用在中小型无人机系统中，这是因为战术机动性对小型无人机系统更为重要，对于伞降回收系统来讲相对简略的无人机系统付出的结构代价比大型、长航时、高效无人机系统要小。伞降回收系统的设计主要从以下几个因素去考虑：一是安全性。回收阶段操作的安全性是回收系统的必然要求。二是保护性。回收系统必须保证飞行器在回收过程中不会遭到损坏，由于一些精密搭载设备对着陆过程有严格限制，因此需要低过载着陆。三是精确性。回收系统必须确保飞行器在预定点以较高精度着陆，减少不必要的回收损坏。四是机动性。回收系统必须满足在所有可能的战术需求区域使用的条件。五是可靠性。回收系统必须具有高度的可靠性，在具体操作上具有高度的可预见性。六是可重复性。在飞行器寿命内回收系统将被多次应用。因此回收系统必须可重复使用。伞降回收系统具有较高的机动性，可以在预先没有准备的区域着陆，但是由于自然风的存在致使伞降回收系统回收精度不高，同时由于较大的着陆过载必须提高机身设计强度。

伞降回收系统设计要求

设计无人机伞降回收系统时，基本的技术要求如下：

系统重量。无人机起飞质量是一个关键参数，对于中小型无人机来讲，更为重要。降落伞系统的质量占发射总质量的5% -10%。无人机越大，降落伞系统所占比例越小。

安装体积和安装位置。在满足质量的前提下，回收系统受到可利用空间大小的制约，在设计之初必须考虑回收伞的体积和伞包的展开路径。

最大过载。系统减速冲击力负载一般由无人机电子器件限定。以最小损坏和最小运转周期使无人机返回地面，是无人机回收系统的主要目标，因此，最大系统过载是影响回收性能的最大制约因素。包括开伞动载和着陆缓冲过载两个指标。

回收精度。对于非滑翔降落伞而言，开伞后没有直接有效的控制方式去控制降落伞，因此最终的落地位置取决于降落伞气动性能和当地风速条件。随着降落伞展开高度的增加，风对落点精度的影响将占据支配地位。因此，对无人机系统装订风速估计将有效提高回收精度。

接地方向和稳定性。虽然在降落伞展开后不能进行有效控制，但是不同的降落伞具有不同的摆动姿态，因此在当无人机摇摆着陆时希望尽可能机身着地，而不是机翼或其他部分。飞行器设计和减震设计必须考虑以任何方向接地的可能。

回收速度和回收高度。回收速度和回收高度对回收伞设计有重要意义，回收速度决定了回收伞能否顺利张开，回收高度决定了回收伞是否有足够时间完成张开过程。

回收系统工作流程

目前，常见的无人机伞降回收过程如下：无人机在平飞状态下进入回收点实施回收。回收指令发出后，发动机停车后伞舱盖打开，抛伞机构向后上方抛出引导伞，引导伞张满通过引导伞连接绳拉出并打开主伞包。为提高开伞程序的可靠性，主伞多采用倒拉方式，即先拉直伞绳，后拉出主伞衣，避免松弛的伞绳干扰伞衣。为减小开伞动载，主伞多采用二次开伞技术，底边采用收口绳约束，收口绳通过延时切割器解除。伞绳拉直瞬间，拔出发火销，拉发切割器延时药，伞衣底边则充气扩张至收口绳张紧状态，并保持设定的阻力面积，使系统初步减速，延时几秒后切割器割刀动作切断收口绳，伞衣底边二次扩张，直至充满。回收伞产生阻力使无人机减速下降直至着陆。着陆时发出脱伞指令后，无人机给脱伞锁电爆管供电，电爆管激发推动分离机构动作，脱离回收伞，避免飞机被风拖曳损伤。具体流程如图1所示。

回收伞设计

回收伞型选择

降落伞操作的基本原理是释放一个高拉力装置到自由大气中，也就是给重力加速度产生一个阻力。当这个力和加速度与重力平衡后，系统将进入稳定降落阶段。无人机常用的伞型有：平面圆形伞、底边延伸伞、锥形伞、方形伞、十字型伞，阻力系数和稳定性的对比如表1所示：十字形伞最初由美国海军军械实验室在二十世纪四十年代末期发展而来。这种伞构型简单，由两块带状伞衣叠加而成，并缝在一起。伞的长宽比和伞衣织物孔的大小对最终伞的稳定性有决定作用。增加伞的长宽比或织物孔的大小会增加伞的静稳定性和动稳定性。十字形伞的拉力和张力系数小于圆形伞。但是摆角小。较小的摇摆角是十字形伞衣在大翼展无人机回收系统中受到欢迎的主要原因，这将会降低无人机与地面接触时损坏的几率。但是较小的张力系数意味着膨胀过程相对较慢，同时在这个阶段产生会掉高，带来了最后落点精度的不确定性。圆形伞在实际中得到大量使用，亚声速无人机多使用连续伞衣，有缝隙和带状伞主要用于超声速无人机。现在单纯的半球伞已经很少使用，替代者为锥型和多锥体伞。这两种伞改进了圆形伞的拉力特性。与十字形伞衣相比这些伞衣具有较高的拉力和升力系數。因此在张开时变化性较小，而且在较小表面积下就可以达到需要的下降率。但是这些降落伞更易摆动。锥形伞和底边延伸伞具有高可靠性，便于应用收口机构，透气量匹配良好的设计同样具有较高的稳定性。

回收伞系统设计

降落伞系统主要包括引导伞1个、引导伞连接绳1根、伞包1个、主伞连接绳1根、主伞1具、吊带组件1付、脱落接头1个.如图2所示。其中，主伞设计和引导伞设计是其重点。

以某型无人机为例，其回收伞选用了底边延伸伞，如图3所示。伞衣阻力系数是0.8。无人机回收质量110kg，回收速度110m/s，回收高度为200m.无人机规范落速为6m/s。根据稳降阶段动力学模型，物伞系统重力与伞的阻力平衡，故而有：

式中，V1为无人机回收速，（GA）s=Cs×As，△为相对空气密度，K根据经验取0.08。因此有Fmax=11557N，开伞最大动载为11557N，开伞过载大于10g，因此要采用收口。收口比为收口绳长度与伞衣底边长度之比，在大面积降落伞的伞衣底边采用合适的收口比，使主伞分两次充气张满，在开伞速度相同时，其最大开伞动载与一次充气张满相比，可很大程度上减小开伞动载，经迭代计算，取收口面积比5%。为了提高降落的稳定性，伞绳长取伞衣名义直径的90%，为8m，共24跟伞绳。

引导伞功用是将伞包从伞舱内拉出，并使主伞系统拉直。考虑设计裕度，提高伞系统拉直的可靠性，设计时基本选取引导伞面积为主伞面积的1%左右。

无人机伞包多采用倒拉程序设计，伞衣、伞绳分室隔离，伞衣在内室伞绳在外室，隔离幅用插销封闭，利用近底边端伞绳拉直的行程差拔出插销，解除隔离封包。伞绳室设有末绳套圈，用于约束、固定伞绳束，避免拉直过程伞绳成团掉出，相互缠绕。开伞时引导伞牵引拉出伞包，拉断伞包封包括销保险线，拔出封包插销打开伞包，继而顺序拉出伞绳;伞绳拉直瞬间拔出隔离封包插销和切割器拉发销，拉出伞衣并拉发收口绳延时切割器。

目前，常用的开伞机构有两种，一种是射伞火箭和爆炸螺栓配合，一種是带弹簧引导伞和伞舱盖闭锁机构配合。射伞火箭结构复杂，但是可以将引导伞弹到相对较高的高度。避免和无人机尾翼发生干涉。带弹簧引导伞结构简单，但是存在引导伞与尾翼相干涉的情况，多用于双垂尾无人机和V字型尾翼无人机。

一旦无人机伞降着陆后，及时抛掉伞体防止大风对无人机的拉拽及对机身造成的损坏，这一点十分重要。目前，应用最广泛的抛伞机构为电控式脱离锁。以火药为动力当电爆管通电后，药柱立即燃爆，以足够的能量推动柱塞，切断限制销，柱塞上移则滚珠离开外座，从而使物伞脱离。该形式脱离锁广泛用于回收伞的分离，技术较为成熟，其结构设计如图5。

空投试验

空投试验是回收伞研制过程中最重要的性能测试试验。空投目的是验证机回收系统在无人机回收速度、高度、重量状态下充气性能，测试回收系统的稳降速度、动载，判断开伞动载及稳降速度是否满足设计指标要求。

气囊设计

储气方式

充气装置按照气体的产生方式可分为储气式充气装置和气体发生器两大类，各具特点。储气式充气装置：由高压气瓶、手动截止阀、电磁阀和管路附件组成;气体发生器：由点火器、金属壳体、气体发生剂和过滤网组成。综合对比以上两种方案，气体发生器充气方案具有系统组成简单、重量较轻等特点，但其属于火工品，不仅需关注安全性问题，而且属于一次性消耗品。无人机所用气囊不同于汽车安全气囊，需要低温缓释气体发生器，因为气囊充满到落地有几十秒的时间，如果气囊内气体温度过高，在充气初期气囊充满的情况下在落地的时候由于气体温度降低，压力将不足起不到缓冲作用。要保证落地瞬间有足够压力，必须增大充气量来，有可能会在充气过程中造成气囊破裂。因此，低温缓释气体发生剂是气体发生器的研制难点。采取储气式充气装置具有可靠性高、可重复使用等特点，但需配套隔膜压缩机、压力表、气滤、高压管路等地面保障设备。而且充放气组件质量较重，管路气密性要求较高。选择哪种储气方式要从技术成熟性、技术继承性和使用安全性、无人机重量裕度等方面综合考虑。

气囊类型

目前，较常用的气囊有三类，一是充气骨架式气囊、二是易破薄膜气囊、三是双层气囊。充气骨架式气囊由充气骨架、外囊、充气嘴等部分构成。充气骨架一般由聚氨酯胶布等材料热合而成。气囊外囊包裹于充气骨架之外。充气过程中内骨架充满后。外气囊随之被张开，并通过进气孔与大气相接。在无人机着陆时，气囊下部进气孔与地面接触而堵死，无人机压缩气囊产生内外压力差，使得系统减速，起到缓冲作用。同时，在外囊受压过程中，出气孔排出外囊内空气，内囊始终保持密闭状态，起到吸收残余速度的作用。易破薄模式气囊，由气源直接充满，下落过程中，无人机压缩囊内气体，到达一定压力值时薄膜破裂，释放能量。双层气囊，内层密封外层有孔。落地后内层破裂，外层气囊小孔数量和分布控制放气速度，防止无人机反弹。易破薄膜气囊结构简单，但容易在安装过程中造成薄膜破裂，属于一次使用的消耗品。双层气囊可靠性高，外囊配合内囊调节排气速度。属于一次性消耗品。骨架式气囊结构复杂，重量较大，但所需气量较小，可以重复使用。

气囊设计

气囊回收设计要保证落地过程中即控制过载又避免反弹。气囊体积由质量体积比确定，结合相关经验及过载要求一般取值在500 - 800kg/m3之间。气囊排气口面积大小是决定气囊缓冲效果的主要因素之一。气囊排气口面积由如下公式确定：

假设气囊只设一个排气口，开始阶段放气是绝能等熵，内部气体总温T*，总压为P*，开始放气时飞机速度U，加速度为a。在开始放气瞬间，气囊由于压缩而减少的流量为：

据此，可初步求得总的排气口面积。

落震试验

气囊落震试验是气囊完成加工后的性能测试试验，可以使用落震架模拟无人机的重量重心和气囊安装位置。气囊落震试验目的有两个一是观察落震架在下降过程气囊的形态及落震架是否发生反弹，二是通过力传感器测试落震试验过程中的最大过载是否满足指标要求。

结束语

无人机回收系统设计要在确保无人机安全回收的基础上进行综合权衡，在有多种选择的情况下应以技术成熟度作为最重要的衡量指标，确保无人机的安全回收可靠度，在此基础上应充分考虑节约成本和降低操作复杂度。