武汉智能鸟公司研制的\"智能鸟KC3400\"垂直起降固定翼无人机(油...
张鼎宸 徐显超 黄盼伟 卢翔
【摘 要】无人机越来越火，无人机坠机事故都不可避免。本文提出了将降落伞及碰撞缓冲气囊结合应用在无人机上，解决了无人机坠机损失过大的问题，提高了无人机的安全性及可靠性。
【关键词】无人机；降落伞；安全气囊
无人机的安全性能一直依赖于无人机飞控系统以及地面操纵人员，其安全系数较低。为减少无人机坠毁所带来的损失，提高无人机安全性及可靠性，将降落伞及碰撞缓冲气囊结合应用在无人机上。
1 主要研究内容及技术难点
气囊气体发生剂及材料的选定同样是该项目的重点难点。因为此项目主要研究对象非飞控系统，所以在设计制作触发气囊气体发生装置上也存在一定的难度。
2 降落伞设计
通常按时序将降落伞的工作过程划分为三个阶段，及拉直过程、充气过程和稳定下降过程。在拉直過程中，处于紧困扎状态的伞绳和伞衣从伞仓里迅速拉出。充气阶段是指从伞衣系统全长拉直起到伞衣第一次充满为止的整个过程。充气过程是降落伞工作过程中最为重要也是最为复杂的一个阶段。在伞衣完全充满后，气动阻力将使物—伞系统继续减速直至到达稳定的平衡状态，这一过程称为稳定下降阶段。
2.1 降落伞的几何描述参数
降落伞的主要构成部分是伞绳和伞衣，伞衣是可以充气至一定形状并产生气动力的织物。如图 1为降落伞的结构示意图。降落伞全部伞绳的集合点称为交汇点，从伞衣底边到交汇点的距离称为伞绳的有效长度。
如图2所示
（1）名义面积S0：表示降落伞的大小，对于传统的降落伞，其名义面积定义为所有产生气动力的织物；
（2）名义直径D0：面积S0所计算的圆直径，即D0=；
（3）投影直径D0：处于稳定下降状态的降落伞伞衣在空气动力和织物张力作用下的形状称为充满状态，完全充满伞衣的投影面积记为SP，与名义直径类似，定义投影直径Dp.0=；
（4）结构直径Dc；
（5）投影高度记为hp；
（6）降落伞的质心记为CM；
（7）伞衣的质心记为Cp；
（8）完全充满后伞衣底部的半径记为R0；
（9）伞衣质心到伞衣底部的距离记为Lcp。
2.2 降落伞质心位置
如图3所示，在伞衣的集合中心位置O点建立降落伞的连体坐标系Oxyz，其中Ox轴沿着伞衣的对称轴，Oy轴、Oz轴与Ox轴构成右手坐标系。
如果将伞绳的质量记为ms，伞衣的质量记为mc，中间吊带质量记为mr，则降落伞的质心位置
2.3 伞衣充满条件
为了使降落伞能够顺利的充气并充满，物-伞系统在开伞时的速度要求足够大，满足开伞所需动压。但是降落伞充满所需的速度有一定的范围限制，即伞衣充满条件。
通过推导可以得到降落伞是否能充满的判据：
（1）若vmin （2）若4vd （3）若vlk<4vd 其中，vmin为最小开伞速度，vlk为临界开伞速度，vd为伞衣充满后系统稳定下降的速度，v为伞衣充气时系统的速度。 2.4 伞衣阻力面积变化 2.4.1 初始充气阶段 根据试验发现，对一定形式的伞衣，在初始充气阶段参数λ为常数 2.4.2 主充气阶段 在主充气阶段，在充气过程中伞衣的非流线特征越来越明显。通常将（CS）表示时间t的幂函数 2.5 伞衣充满时间 降落伞充满时间是指从伞衣开始充气到完全充满所需时间，它表征伞衣充气的快慢，是一个重要的性能参数。 系统的瞬时速度和伞衣内外压力差在充气过程中是变化的，需要通过求解系统运动方程得到。 作如下基本假设： 在充气过程中 （1）伞衣投影面积随时间线性变化； （2）伞衣阻力系数不变； （3）伞衣有效透气量不变； （4）空气密度不变； （5）完全充满后，伞衣为半球形。 通过对大量的试验数据的整理分析，得到如下经验公式 3 气囊设计 碰撞缓冲气囊通常称为安全气囊，安全气囊装置一般由传感器，控制器，充气器和气囊等组成，充气器分压缩气体、烟火式和混合式等集中形式。其中两个关键问题是气囊的开启时刻和充盈时刻的配合以及气囊内的气体压力和体积。 气囊设计的主要参数是气囊直径、气囊的气体压力、多次碰撞的动力学特征以及对系统的影响，尤其是对物体的影响，以及多个气囊组成的气囊包裹结构等。 对气囊的结构包括体积、强度、充气压力和流量以及弹性等作地面模拟试验；跌落试验中测量气囊压力、着陆加速度、速度—时间历程、气囊质量以及气囊材料的应力等。 3.1 气囊的垫升原理 气囊应符合如下的基本静力学关系，即无人机的重力（W）应等于作用在无人机底部表面压缩空气的合理（P），即支撑力。支撑力的作用点位置应处于压力表面的面心——压心。 3.2 柔性壁的张力 气囊在结构上是一种柔性薄壳，主要特点是柔性。在工作状态下柔性囊的构形是靠囊内的空气压力来维持的，其稳定性和刚性是靠空气压力形成的拉力来保证的，空气压力越高，则作用在气囊上的拉应力越大，其刚性和稳定性也就越大。 在空气压力的作用下，柔性薄壳力图达到相应的最大体积形状，而妨碍实现这种形状时将受到附加应力的作用，有可能导致薄壳破裂。如果外力作用引起的压缩应力超过了拉应力，则气囊形状发生变形而失稳。 研究认为，气囊的基本工作原理属于弹性力学原理。采用薄壳无矩理论方法和公式对气囊进行受力分析，并作如下假设： 假设气囊材料性质保证柔性薄壳无弯矩状态的条件。 薄壳无矩理论也称为薄膜理论不仅对多层囊是合理的，而且对整体柔性囊也是合理的通过上述假设后，根据薄膜理论，如图4所示，柔性壁微分平衡方程可简化为 3.3 气囊的受力分析 由于气囊可简化为在挂点A和B上的一条柔顺线，用柔体力学理论分析。 在气囊上有三个作用力，即气囊内的空气压力（Pb）、气囊自重（Fw）以及气囊与无人机机体连接挂点A和B的约束力（FA、FB）。如图5 只考虑Pb，忽略Fw、FA和FB 根据柔顺线平衡方程，在指教坐标系中，二元气囊AB段曲线上的受力平衡方程有 3.4 气体发生装置 气体发生装置采用的是微型充气泵。参数如下图6 4 总结 把安全气囊和降落伞配合使用在无人机或有人机上对提高飞机安全性能将非常有意义。 [责任编辑：朱丽娜]
