一种新型固定翼无人机降落伞的设计

一种新型固定翼无人机降落伞的设计

顾臻烨

江苏航空职业技术学院  212000

[摘要]随着人工智能、远程控制等科技技术的迅速发展，无人机的应用技术发展也是日新月异，迅速地融入到军用、工业、民用的各行各业中。现在主流无人机机型结构为固定翼结构、多旋翼结构、直升机结构和垂直起降结构，其中固定翼结构以成本低廉、续航时间长、载重量大等优势成为了大面积航测、巡检的主流机型，但固定翼无人机降落距离要求很严格，普通作业的固定翼无人机起降场地要长达百米，所以其任务范围受到了很大的限制。本篇论文将从这方面着手解决此痛点。

关键词 固定翼 无人机 降落伞

1 绪论

随着无人机应用技术的迅速发展，固定翼无人机的应用也随之越来越广泛，固定翼无人机机型相较多旋翼而言，其本质性区别就在多旋翼是依靠螺旋桨的旋转获得升力，而固定翼是依靠机翼提供升力，所以固定翼无人机要比多旋翼无人机续航久，但滑翔能力较强带来的弊端就是起降场地要求高，120级的固定翼无人机降落跑道要150米，严重限制了其应用场景，而加装降落伞的话，可以将起降距离缩减到20米，突破了降落受场地限制的难题。本篇论文将对国内外固定翼无人机及其降落方式、搭载降落伞降落的发展现状进行调研，并系统地分析其优缺点，最后进行优化设计出一种固定翼无人机的降落伞装置。

1.1 国内外固定翼无人机的研究现状

国外的固定翼无人机技术发展较早，最早可追溯于1917年无人固定翼飞机，刚开始是用于军事方面，当作靶机进行作业。早期的固定翼无人机是由可载人飞机改制而成，只是将控制的机电系统由控制器控制。

1.2 国外固定翼无人机降落伞技术发展

国外搭载降落伞技术的固定翼无人机较少，其技术最高的为美国的固定翼无人机侧臂系统。这套系统是可以快速实现固定翼无人机快速降落，降落步骤分为进近跑道、降落伞打开、拦截网回收三个步骤，实现方法是给固定翼无人机的下方安装了拦截锁和降落伞释放箱，大大地缩减了降落距离，这种技术较为成熟，但只用适用于海面系统，在陆地上难以实现伞降。

1.3 国内固定翼无人机降落伞技术发展

国内小型固定翼无人机的应用市场非常广泛，虽然起步晚但发展速度非常快，最为突出的是天捷力无人机，其“破晓”固定翼无人机就搭载了伞降系统，它作为截至目前为止技术最新的民用小型固定翼无人机，有合理配置的降落伞系统，可以实现自动的伞降，并且双发电动动力可以实现手抛起飞，没有了场地的严格限制的固定翼无人机可以充分发挥其续航长的优势，提高了作业效率。

2 固定翼无人机搭载降落伞的优劣势分析

固定翼无人机在行业应用作业时的优势多、效率高，但降落距离的限制大，固定翼无人机搭载降落伞就是为了突破降落场地的限制，本章节将就固定翼无人机搭载降落伞系统后的优劣势进行分析。

2.1 固定翼无人机搭载降落伞的优势分析

固定翼无人机降落伞是主要目的是缩减固定翼无人机的降落距离，实现不同作业场地进行任务，并且可以减小固定翼无人机在降落过程中着陆时对机体结构的损伤，现在固定翼无人机搭载的降落伞系统大多是弹射式结构，在无人机降落或者需要紧急开伞时可以通过手动或者自动控制进行开伞，防止飞机坠毁造成较大的损伤。

2.2 固定翼无人机搭载降落伞的劣势分析

大多数常见的固定翼无人机降落伞装置自重非常大，会缩减固定翼的航时，这反而影响了固定翼本身自由的作业优势。这些降落伞装置大多是弹射式结构，这种弹射结构非常复杂，如果操作人员安装时安装不当，会造成打开时机械故障率高，如果在飞行过程中意外开伞或者降落过程中无法开伞，都会造成恶劣的后果。

2.3 固定翼无人机的起降方式综合分析

固定翼结构用于无人机应用方向时有了各有各样的结构优化，机体布局和起降方式也有着差异。

常规的三点式起落架是最常见的起落架方式，不管是前三点式起落架或者后三点式起落架都是滑跑起降。对于作业场地的跑道要求高，为了解决这一难题，又出现的可垂直起降式的固定翼无人机，就是在机翼两侧添加多旋翼轴，一般情况下是加装四旋翼轴，可以实现原点起飞原点降落，对于场地要求最低。但缺点也很明显，就是机体结构复杂，制造、维护成本都非常高，并且在飞行过程中这种结构会有很大的风阻。现在这种垂起结构制作成了可隐藏式的，就是为了解决风阻的问题，但结构更加复杂、重量更重，无用体积变大。

除了上述两种起降方式外，还有弹射起飞+拦截网降落的组合起降方式。

3 一种固定翼无人机的降落伞设计

我设计的这款固定翼无人机的降落伞综合了其他市面上降落伞的优势，优化改进了不足的地方，实用性、安全系、性价比都很高。

3.1 固定翼无人机降落伞的应用场景

固定翼无人机的安全性大多只依赖于机体结构的稳定性、飞行控制系统的稳定性、飞手的操控水平，三者缺一不可所以安全性也比较低，所以需要额外的保护飞机的装置来提高固定翼无人机的安全性，我设计的固定翼无人机降落伞应用广泛，可普遍用于各类小型无人机及航空模型上使用，且安装方便，在使用时只需要进行遥控开关舵机即可实现，可帮助固定翼无人机航空测绘、固定翼无人机电力巡检等场景进行安全飞行。

3.2 固定翼无人机降落伞的伞体设计

按照降落伞的工作顺序，可以分成三个步骤：降落伞的释放过程、降落伞的拉伸过程、稳定下降过程。在降落伞的释放过程中，无人机的降落伞仓中的伞绳和伞衣由紧困状态迅速拉出，拉出后受到气流阻力的影响，伞体迅速打开，随后受到的空气阻力迅速放大，加速度由大到小，最后进入稳定下降过程。

固定翼无人机的降落伞的主要构成部分就是降落伞的伞衣和伞绳，伞衣是一种可以折叠、打开后呈现一定形状并产生气动阻力的部件，类似于真实降落伞的微缩版，伞衣可以根据固定翼无人机的重量进行定制，伞绳根据伞衣的大小进行布置。

3.3 固定翼无人机降落伞的控制设计

固定翼无人机降落伞的控制可以通过手动控制或者飞控自动输出信号控制。其工作装置是由舵机进行实现释放的。这种固定翼无人机采用20公斤的金属舵机最合适，就是被广泛用于航模、车模、机器人、机械臂的舵机，接线方式：红色线对应正极，黑色线对应负极，黄色线对应信号线。工作电压为4.8伏至8.4伏，减速比为310比1，齿轮比为275比1，脉宽范围为500至2500us，脉冲范围可由飞控或者接收机直接输出，但中立位置设置在1500us最为合适。工作频率为50至330赫兹，齿轮使用纯铜齿轮，比传统塑料齿轮更加耐磨，使用寿命更高。舵机的摇臂与降落伞仓盖板相连接，可以控制盖板的释放，舵机的线直接与接收机或者飞控相连接，接收机控制时只需要使用遥控器进行自定义某开关即可。使用飞控进行控制时，需将failsafe功能瞬时输出某通道信号以控制舵机系统的开闭。

3.4 使用方法

常规的固定翼无人机的机身是纵向强度最高的，所以要将降落伞安装在机身上。降落伞的伞仓开口朝向机头方向，以使得开伞时受到的空气阻力最大。安装降落伞仓的固定侧时，应使用环氧树脂等不破坏机体复材结构的粘合剂，并且需根据使用说明等待反应完全完成后再投入正式使用。降落伞的控制连接线，即舵机线需使用热缩管进行加粗加固，且需贴合机体并进行表面粘合及光滑处理。舵机线连接飞控或接收机时，通道需对应正确，并在伞仓放入伞体前进行测试通道的开关是否对应的摇臂、释放装置正反是否正确，确保正确后方可投入使用。

参 考 文 献

[1]龚小胜,蔡武惠,刘雪锋,易崇瑞,邱廷伟.降落伞及安全气囊在固定翼无人机中的应用及研究[J].电力设备管理,2020(01)

[2]谭立国,杨小艳,宋申民,霍建文.面向小型舰船的固定翼无人机海上回收方法综述[J].哈尔滨工业大学学报,2019,51(10

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