某型无人机的“钳式”分离机构设计与分析

王晓东，姜其用，涂金岽

(南京模拟技术研究所,江苏 南京 210016)

0 引言

对于导弹、火箭等有舱段解锁、分离需求的航空航天飞行器而言，需要设计特别的火工分离机构[1-2]。与此类似，为了防止无人机触地之后被回收伞拖拽而损毁，同样需要特殊的分离机构完成机伞分离。由于无人机完全靠回收伞完成高速状态下减速及回收过程，因此，分离机构需要同时保证大冲击载荷下的结构可靠性和触地之后的分离可靠性。

目前，无人机回收伞上多数采用成熟的“钢球式”分离机构[3]，该结构装配过程复杂、操作要求高，尤其是在相同承载条件下，由于钢球与上接头、下接头均为点接触形式，局部极易引起应力集中，从而造成材料屈服破坏，故应力集中区域的局部材料必须通过塑性变形来增大与钢球的接触面积，从而降低接触应力。此外，上接头孔口材料发生塑性变形后会阻碍上下接头的分离，甚至会造成回收伞无法顺利释放。

为弥补钢球式分离机构的缺点，本文基于棘爪式爆炸螺栓[4]分离原理设计了一种钳式分离机构，并采用ABAQUS进行结构静力仿真计算，得出结构在10 g回收过载作用下的应力水平及其安全系数。结果表明，钳式分离机构在静载荷承载能力及装配方式上均优于经典的钢球式分离机构，并在某型无人机上实施验证，为改型无人机提供了一种可靠的解锁、分离机构，对于其他型号的类似结构提供了重要的参考和借鉴。

1 钳式分离机构结构形式及工作原理

钳式分离机构结构形式如图1所示，由1爆炸螺栓、2垫圈、3下左接头、4上接头、5下右接头、6螺母等组成。上下接头预留孔处通过挂伞销来连接回收伞主伞绳及连接无人机的伞绳。

图1 钳式分离接头装配前后模型示意图

装配时，下左接头和下右接头可以通过圆销彼此连接，并且下左接头和下右接头可以绕圆销旋转开合；爆炸螺栓穿过下左接头、上接头和下右接头的螺栓孔；垫圈处于爆炸螺栓的头部一侧；螺母与爆炸螺栓的另一侧紧固；两个下接头可以钳紧上接头，并利用爆炸螺栓和螺母使上下接头配合面紧密贴合。

如图2所示，当无人机开伞回收时，分离装置的上下两端被拉紧，分离装置的配合面承受拉力，爆炸螺栓起到夹紧两侧下接头及上接头的作用。由于铝弹性模量较小，因此通过铝垫圈及铝螺母协调接头变形，减小爆炸螺栓上的载荷。

当无人机落地接收到回收伞分离信号后，爆炸螺栓作动，下左接头和下右接头绕圆销孔旋转，释放上接头，实现上下接头分离。

2 “钳式”分离机构的有限元仿真分析

为了承受较大的载荷，钳式分离机构上下接头主体采用高强度钢材，但在直角转折处刚度突变容易形成应力集中。另外由于结构的不对称性，在承受拉伸载荷时，上下接头部位往不同方向变形，爆炸螺栓头以及铝螺母协调两侧变形而引起较大应力。为了确保引爆时可靠分离，爆炸螺栓材料为强度较低的钢材，且结构中设计了一段缩颈，在该处容易出现应力集中现象，如图3所示。因此，钳式分离机构整体承载能力受限于爆炸螺栓上缩颈位置的应力以及主体刚度突变位置应力。

根据某型亚音速无人机回收伞设计回收过载，设计回收重量，采用该设计极限载荷(本文设定为27.4 kN)对钳式分离机构进行静强度校核。各部件材料参数如表1所示。

表1 “钳式”分离机构各部件材料参数

基于以上设定，采用ABAQUS对结构进行有限元静力仿真计算，得出“钳式”分离机构的应力云图，如图4所示。

图4 “钳式”分离机构应力云图

由图4可以看出，“钳式”分离机构在27.4 kN承载条件下，所有结构部件均处在材料弹性范围内，假定爆炸螺栓预紧力为2.5 kN，计算得出钳式分离机构的各部件最大应力及安全系数如表2所示。

表2 载荷27.4 kN时钳式分离机构各部件最大应力及安全系数

3 “钢球式”分离机构的有限元仿真对比分析

某型亚音速无人机上在结构优化前采用“钢球式”分离机构，结构组成如图5所示。装配时将活塞放入上接头，将钢珠放在上接头圆周孔上，然后整体塞入下接头中，再将接头倒置，通过惯性使活塞往下接头一侧滑动，从而将钢珠挤进下接头中，阻止上下接头分离，再插入剪切销防止活塞下移。需要工作时，分离信号引燃点火头，推动活塞，切断剪切销，在弹簧弹力以及回收伞拉力作用下钢球收回上接头内，从而实现机构分离。

图5 “钢球式”分离机构结构组成示意图

作为对比，我们对该“钢球式”分离机构在相同载荷条件(27.4 kN)下进行有限元分析，计算得出上、下接头应力云图如图6所示。结果表明：上、下接头最大应力分别为2137 MPa、2430 MPa，远超材料屈服极限。

图6 “钢球式”分离机构上、下接头应力云图

根据上述对“钳式”分离机构的计算结果及同等承载条件下“钢球式”分离机构的对比分析可以看出，“钢球式”分离机构在27.4 kN载荷下已经出现局部屈服破坏，重复使用可靠性无法保证；而“钳式”分离机构在27.4 kN载荷下仍能保持结构完整性，并有足够的结构安全系数。此外，钢球式结构轮廓尺寸为Φ58 mm×123.5 mm，结构重量约789 g，而钳式结构轮廓尺寸为50 mm×35 mm×100 mm，重量约759 g。钳式分离装置无论从体积、重量、简单可靠、装配速度、重复使用以及承载能力方面都优于钢球式分离机构。

4 结束语

本文设计了一种新型的钳式分离机构，并通过有限元静强度分析得出，在10 g回收过载状态下，其各部分结构的强度安全系数都达到1.5以上。

与传统的钢球式分离机构相比，钳式分离机构体积更小、重量更小、承载能力显著提升且能实现重复使用。此外，卡勾式机构零件结构简单、装配方便，在未来无人机回收伞分离过程中可作为替代钢球式分离机构的产品。