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折叠翼无人机冷气发射装置动态特性分析及优化

张钊 彭一明 周福亮 魏小辉 聂宏 杨刚

张钊, 彭一明, 周福亮, 等 . 折叠翼无人机冷气发射装置动态特性分析及优化[J]. 北京航空航天大学学报, 2022, 48(10): 1951-1959. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0059
引用本文: 张钊, 彭一明, 周福亮, 等 . 折叠翼无人机冷气发射装置动态特性分析及优化[J]. 北京航空航天大学学报, 2022, 48(10): 1951-1959. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0059
ZHANG Zhao, PENG Yiming, ZHOU Fuliang, et al. Analysis and optimization of dynamic characteristics of air-cooled launcher for fold-rotor UAV[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2022, 48(10): 1951-1959. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0059(in Chinese)
Citation: ZHANG Zhao, PENG Yiming, ZHOU Fuliang, et al. Analysis and optimization of dynamic characteristics of air-cooled launcher for fold-rotor UAV[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2022, 48(10): 1951-1959. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0059(in Chinese)

折叠翼无人机冷气发射装置动态特性分析及优化

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2021.0059
基金项目: 

国防科技卓越青年科学基金 2018-JCJQ-ZQ-053

中国博士后科学基金 2019M651827

江苏省博士后科研资助计划项目 2018K042B

江苏高校优势学科建设工程 

详细信息
    通讯作者:

    魏小辉, E-mail: wei_xiaohui@nuaa.edu.cn

  • 中图分类号: V279+.2

Analysis and optimization of dynamic characteristics of air-cooled launcher for fold-rotor UAV

Funds: 

National Defense Science Foundation for Distinguished Young Scholars 2018-JCJQ-ZQ-053

China Postdoctoral Science Foundation 2019M651827

Jiangsu Planned Project for Postdoctoral Research Funds 2018K042B

A Project Funded by the Priority Academic Program Development of Jiangsu Higher Education Institutions 

More Information
  • 摘要:

    针对冷气投放装置工作过程中存在的机械系统和气压系统耦合非线性动力学问题,提出了一种满足折叠翼无人机(UAV)结构形式和空中发射技术要求的冷气发射动态特性分析方法及优化设计方法。以某型折叠翼无人机为研究对象,基于联合仿真建立了无人机气动发射系统动力学模型,搭建了冷气发射系统试验样机,并完成压缩气体空中发射试验,验证了仿真模型的准确性。在此基础上,分析了无人机与冷气发射装置主要系统参数对无人机发射动态性能的影响,针对该系统进行了参数优化设计。结果表明:储气瓶体积和充气压力是影响无人机冷气发射动态特性的关键参数,随着储气瓶体积和充气压力增大,最大发射速度和加速度明显增大,储气瓶体积从15 L增加至30 L,最大发射速度增加了52.7%,最大发射加速度增长了60.9%呈正相关影响;充气压力从0.4 MPa增加至0.7 MPa,最大发射速度增长了50.5%,最大发射加速度增长了69.9%;发射角度对无人机发射性能影响较小,可忽略不计。

     

  • 图 1  储气瓶充气过程原理

    Figure 1.  Schematic diagram of gas cylinder filling process

    图 2  储气瓶放气过程原理

    Figure 2.  Schematic diagram of gas cylinder deflation process

    图 3  开口气缸作动过程示意图

    Figure 3.  Diagram of actuating process of open cylinder

    图 4  无人机发射过程示意图

    Figure 4.  Schematic diagram of UAV launch process

    图 5  摩擦力示意图

    Figure 5.  Diagram of friction force

    图 6  无人机冷气发射试验方案原理

    Figure 6.  Diagram of principle of air-cooled launch test of UAV

    图 7  冷气空中发射试验装配

    Figure 7.  Diagram of air-cooled launch test

    图 8  试验结果与仿真结果对比

    Figure 8.  Comparison of test results and simulation results

    图 9  无人机质量对发射速度的影响

    Figure 9.  Effect of UAV mass on launch speed

    图 10  无人机质量对发射加速度的影响

    Figure 10.  Effect of UAV mass on launch acceleration

    图 11  发射角度对发射速度的影响

    Figure 11.  Effect of launch angle on launch speed

    图 12  发射角度对发射加速度的影响

    Figure 12.  Effect of launch angle on launch acceleration

    图 13  充气压力对发射速度的影响

    Figure 13.  Effect of inflation pressure on launch speed

    图 14  充气压力对发射加速度的影响

    Figure 14.  Effect of inflation pressure on launch acceleration

    图 15  储气瓶体积对发射速度的影响

    Figure 15.  Effect of cylinder volume on launch velocity

    图 16  储气瓶体积对加速度的影响

    Figure 16.  Effect of cylinder volume on acceleration

    图 17  联合仿真优化模型

    Figure 17.  Co-simulation optimization model

    表  1  仿真与试验对比工况

    Table  1.   Comparison of simulation and test conditions

    参数 工况1 工况2 工况3
    工作压力/MPa 0.4 0.5 0.5
    储气瓶体积/L 15 15 20
    电磁脉冲阀口径/寸 1 1 1
    注:1寸=3.333 333 333 33 cm。
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    表  2  仿真与试验发射速度对比

    Table  2.   Comparison of exit velocity between simulation and test

    参数 工况1 工况2 工况3
    试验发射速度/(m·s-1) 8.9 10.3 12.7
    仿真发射速度/(m·s-1) 9.3 10.9 13.1
    误差/% 4.5 5.8 3.1
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    表  3  仿真与试验发射加速度对比

    Table  3.   Comparison of launch overload between simulation and test

    参数 工况1 工况2 工况3
    试验发射加速度/(m·s-2) 162 180 240
    仿真发射加速度/(m·s-2) 156 182 229
    误差/% -3.7 1.1 -4.6
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    表  4  无人机质量对发射性能的影响

    Table  4.   Effect of UAV mass on launch performance

    影响参数 最大发射速度/(m·s-1) 最大发射加速度/(m·s-2)
    无人机质量5 kg 11.4 239
    无人机质量20 kg 8.5 126
    增长率/% -25.4 -47.3
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    表  5  发射角度对发射性能的影响

    Table  5.   Effect of launch angle on launch performance

    影响参数 最大发射速度/(m·s-1) 最大发射加速度/(m·s-2)
    发射角度0° 9.3 156
    发射角度60° 8.8 145
    增长率/% -5.4 -7.1
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    表  6  充气压力对发射性能的影响

    Table  6.   Effect of inflation pressure on launch performance

    影响参数 最大发射速度/(m·s-1) 最大发射加速度/(m·s-2)
    充气压力0.4 MPa 9.3 156
    充气压力0.7 MPa 14 265
    增长率/% 50.5 69.9
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    表  7  储气瓶体积对发射性能的影响

    Table  7.   Effect of cylinder volume on launch performance

    影响参数 最大发射速度/(m·s-1) 最大发射加速度/(m·s-2)
    储气瓶体积15 L 9.3 156
    储气瓶体积30 L 14.2 251
    增长率/% 52.7 60.9
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    表  8  系统参数寻优结果

    Table  8.   System parameter optimization results

    参数 数值
    充气压力/MPa 0.54
    发射角度/(°) 1
    储气瓶体积/L 24
    最大发射速度/(m·s-1) 15
    最大发射加速度/(m·s-2) 275
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-02-02
  • 录用日期:  2021-05-11
  • 网络出版日期:  2021-06-15
  • 整期出版日期:  2022-10-20

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