摘要：气液压发射起飞是近年来国际上出现的一种先进的无人机发射方式,适用于中小型无人机的发射起飞。原理试验研究为无人机气液压发射技术的应用研究提供试验基础,并为发射装置的工程研制提供设计依据。气液压发射是将气压储能与液压传动相结合以产生作用力,使无人机加速至起飞速度。以滑车为无人机的模拟试验件进行原理试验,并对蓄能器油压、钢丝绳牵引力、滑车速度等参数进行动态测量,试验结果表明,气液压发射原理切实可行,增加充油压力能明显增大发射装置的做功能力。气液压发射原理在工程应用中进一步得到有效验证。
关键词：无人机;发射;起飞;液压传动
中图分类号：V279;TH137
文献标识码：A 文章编号：1005-2615(2010)06-０699-05
Principle Experiments of Hydraulic and Pneumatic Launching of UAV
Li Yue１, Zhang Haili２
(1. Research Institute of Unmanned Aircraft, Nanjing University of Aeronautics ＆ Astronautics, Nangjing, 210016, China;
2. Department Military Commissary in Nanjing Area, Nangjing, 210007, China)
Abstract:
The takeoff by hydraulic and pneumatic launching (HPL) is an international advanced launching method for unmanned aerial vehicle (UAV). It is suitable for launching of medium-sized and pint-sized UAV. The foundation is offered for HPL technology on principle experiments. Moreover, the design base is offered for engineering development of the launching equipment. HPL technology is to produce power combining pneumatic energy with the hydraulic transmission, so that UAV can be accelerated to takeoff velocity. The principle experiments are accomplished using a shuttle as the simulation experiment part of UAV. Some parameters, such as accumulator oil pressure, steel cable pull and shuttle velocity are dynamically measured. Results show that the principle of the launch technique is feasible. And the power of the launch equipment can be advanced by increasing oil pressure. The HPL principle is validated in engineering application.
Key words:
unmanned aerial vehicle; launching; take off; hydraulic transmission
无人机气液压发射起飞方式是近年来国际上出现的一种先进的无人机发射方式,适用于中小型无人机的发射起飞。与常用的火箭助推起飞方式相比,具有诸多优点:不会产生光、声、热、烟雾等信号,便于起飞场地的隐蔽;不存在火控器材的存储、运输和管理问题;每次进行无人机发射时耗材及支援保障的费用较低;在一定范围内通过调节系统参数便可适应于不同无人机起飞质量和起飞速度要求。
国外最先把气液压发射起飞应用于无人机发射,由于技术复杂、难度较大,只有美国、德国等极少数国家掌握此项技术［1-2］,国内也开展了无人机气液压发射起飞技术的研究，但仅有南京航空航天大学结合无人机型号对气液压发射技术进行了实质性研究,近年来研制成功的气液压发射装置能用于发射小型无人机。气液压发射技术涉及无人机发射加速、无人机与其运动载体-滑车分离、滑车缓冲减速等多项关键技术。本文仅针对无人机发射加速问题进行了原理试验研究,为该项发射技术的拓展应用提供研究基础。
1 气液压发射原理
气液压发射是将气压储能与液压传动相结合以产生作用力,使无人机加速至起飞速度。气液压能源系统是发射装置的核心部分,为无人机发射起飞提供动力;液压储能元件为气囊式蓄能器
是惟一动力源［3-4］,可实现瞬时大流量高压油供给,以满足无人机瞬时加速的需求。气液压能源系统原理如图1所示,蓄能器的出油口通过管道与液压缸相连,液压缸的活塞杆与绕有钢丝绳的动滑轮组联接,钢丝绳另一端与滑车联接,滑轮组起增速作用。
气囊式蓄能器的工作特点是充油过程时间较长,排油过程非常短暂。蓄能器的工作状态如图2所示,其中，图(a～c)分别表示预充气、充油、排油三个工作状态,从状态(a)到状态(b)为储存能量的过程,从状态(b)到状态(c)为释放能量的过程,在释放能量过程中实现滑车和无人机的瞬时加速。
通过向气囊式蓄能器油腔充入高压油使已充入气囊腔内的高压气体被压缩,储存能量。发射起飞瞬时,气囊腔内高压气体急剧膨胀［5-11］迫使油腔排出高压油,以驱动液压缸活塞做收缩运动,拖动动滑轮组,由缠绕于滑轮组上的钢丝绳牵引装载无人机的滑车沿导轨滑跑,使无人机加速至起飞速度后与滑车分离,最终实现液压能转换为无人机发射起飞的动能。充油过程中,打开截止阀,关闭卸荷阀;发射起飞瞬时,关闭截止阀,开启卸荷阀,实现迅速液压卸荷,以消除动力。
2 原理试验方案
原理试验装置主要由滑车、气囊式蓄能器、截止阀、卸荷阀、回油箱、液控单向阀、单作用式液压缸、牵引钢丝绳、导轨、导向滑轮、释放机构、定滑轮组、动滑轮组等部件组成(图3),滑车作为无人机的模拟试验件。
在试验准备时,预先将高压气体充入蓄能器气囊腔,并将滑车锁住,打开截止阀,关闭卸荷阀,由液压泵向蓄能器充入高压油,当充油压力达到预定值,关闭液压泵,此时液压能储存于蓄能器中,液压缸有杆腔、液压管路均充满高压油,钢丝绳处于紧绷状态。当滑车被释放,执行发射动作,蓄能器气囊腔内的高压气体急剧膨胀,蓄能器油腔内的高压油迅速排出,驱动液压缸活塞杆和动滑轮组,滑车则在钢丝绳牵引力的作用下沿导轨加速运动至加速段末端,受行程开关控制,关闭截止阀,开启卸荷阀。
在试验中质量为30 kg的滑车在导轨上加速运动,加速段行程为476 m;滑轮组的增速倍率为7,导轨安装角为8°,液压缸活塞有效面积为0001 5 m2,活塞有效行程为068 m,蓄能器的容积为40 L。在不同的蓄能器充油压力p0条件下进行滑车加速试验,对蓄能器出油口油液压力p,钢绳牵引力F及滑车速度v进行动态测量,测量时间段为滑车在加速段行程内的运动时间范围。
测量p采用应变式压力传感器,测量F采用拉力传感器,由传感器获取的信号经放大整形后传到数字存贮示波器,以便测量和记录。应变式压力传感器安装于蓄能器出油口处截止阀的测压油口,拉力传感器串联于牵引钢丝绳与滑车的联接处。滑车速度v是通过测量液压缸活塞速度vy后间接获得,由于滑轮组的增速作用,滑车的运动速度v为活塞速度vy的7倍。对液压缸活塞速度vy的测量是通过采用光电开关测量固定于活塞杆端部、宽度为Δs的挡片扫过时间Δt,以间接获得活塞运动Δs距离的平均速度。多组光电开关被成对地安装于液压缸活塞杆两侧的台架。
3 试验结果及分析
31 蓄能器出油口油液压力分析
图4表明蓄能器出油口油液压力p的动态测量结果,图中4条曲线对应的充油压力p0分别为5,7,10和11 MPa。p均呈缓慢下降趋势,这是由于蓄能器在排油过程中液压油流量输出导致。
5 结束语
气液压发射原理是由气液压能源系统提供驱动力，通过滑轮组增速作用以使无人机及滑车加速。针对气液压发射加速问题进行了原理试验研究,试验中进行了无人机模拟试验件——滑车的加速试验,并分别对蓄能器出油口油液压力、钢丝绳牵引力、滑车速度进行了动态测量。原理试验结果表明气液压发射原理切实可行,增加蓄能器充油压力能明显增大发射装置的做功能力。所研究的气液压发射原理在工程应用中进一步得到有效验证。
据现有资料显示,目前美国ESCO公司开发了HP系列气液压发射装置可发射无人机最大质量达到700 kg,发射起飞速度最大达到41 m／s。而国内的气液压发射装置可发射的无人机最大质量和最大发射起飞速度相对较小,因此本文研究的无人机气液压发射加速技术仍然具有很大的拓展空间。为满足较大发射质量的无人机以较大速度发射起飞的要求,须在小型无人机气液压发射的研究基础上开展瞬时大流量高压油的提供、瞬时大流量高压油的卸荷控制等关键问题的深入研究。
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