兵工学报 ›› 2024, Vol. 45 ›› Issue (1): 219-230.doi: 10.12382/bgxb.2023.0362
收稿日期:
2023-04-21
上线日期:
2024-01-30
通讯作者:
基金资助:
ZHOU Yue1, LI Zhuangzhuang1, ZHENG Ranshun2, LI Jun1,*()
Received:
2023-04-21
Online:
2024-01-30
摘要:
为提高火箭助推式无人机起飞时助推机构的分离安全性,提出一种可自动安全分离的无人机火箭助推机构。以某型号无人机为例,运用理论力学与刚体运动学知识建立以分离安全性最优为目标的助推机构理论模型,得出助推机构中关键参数的设计依据并建立助推机构的三维模型。运用刚体动力学分析方法得到助推机构的分离运动轨迹,搭建包含助推机构和模拟无人机部分的实验系统,验证助推机构分离轨迹和分离姿态与仿真结构有一致的变化趋势。研究结果表明,该助推机构在分离过程中可有效规避安全隐患,提高分离安全性。
中图分类号:
周悦, 李壮壮, 郑然舜, 李军. 无人机火箭助推机构分离安全性研究[J]. 兵工学报, 2024, 45(1): 219-230.
ZHOU Yue, LI Zhuangzhuang, ZHENG Ranshun, LI Jun. Research on Safe Separation Mechanism of UAV Rocket Booster[J]. Acta Armamentarii, 2024, 45(1): 219-230.
符号 | 定义 | 符号 | 定义 |
---|---|---|---|
m1/kg | 驱动体质量 | m2/kg | 发动机分离质量 |
O1/mm | 駆动体质心 | O2/mm | 发动机质心 |
m3/kg | 助推机构质量 | O3/mm | 助推机构质心 |
(x1,y1)/mm | 驱动体质心坐标 | (x2,y2)/mm | 助推发动机质心坐标 |
I1/(kg·m2) | 驱动体转动惯量 | I2/(kg·m2) | 助推发动机转动惯量 |
(x3,y3)/mm | 助推机构质心坐标 | I3/(kg·m2) | 助推机构转动惯量 |
l1/mm | 驱动体长度 | l2/m | 助推发动机长度 |
r0/mm | 基座转轴半径 | r/mm | 助推发动机半径 |
α/(°) | 推力角 | γ/(°) | 仰角 |
β/(°) | 滑槽角 | Fmax/N | 推力峰值 |
δ/mm | 推力偏置距离 | Ft/N | 稳定推力值 |
表1 助推机构结构参数
Table 1 Structure parameters of booster
符号 | 定义 | 符号 | 定义 |
---|---|---|---|
m1/kg | 驱动体质量 | m2/kg | 发动机分离质量 |
O1/mm | 駆动体质心 | O2/mm | 发动机质心 |
m3/kg | 助推机构质量 | O3/mm | 助推机构质心 |
(x1,y1)/mm | 驱动体质心坐标 | (x2,y2)/mm | 助推发动机质心坐标 |
I1/(kg·m2) | 驱动体转动惯量 | I2/(kg·m2) | 助推发动机转动惯量 |
(x3,y3)/mm | 助推机构质心坐标 | I3/(kg·m2) | 助推机构转动惯量 |
l1/mm | 驱动体长度 | l2/m | 助推发动机长度 |
r0/mm | 基座转轴半径 | r/mm | 助推发动机半径 |
α/(°) | 推力角 | γ/(°) | 仰角 |
β/(°) | 滑槽角 | Fmax/N | 推力峰值 |
δ/mm | 推力偏置距离 | Ft/N | 稳定推力值 |
参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
---|---|---|---|
γ/(°) | 10 | r0/m | 0.025 |
α/(°) | 25 | β/(°) | 待优化 |
(x3,y3)/m | $\left(\frac{0.5 l_{1}+6 \times\left(l_{1}+0.268\right)}{m_{1}+7}, 0\right) $ | m2/kg | 6 |
I3/(kg·m-2) | m1(0.0075+ )+6(l1+0.268-x3)2+m1(x3- l1)2+0.1474 | (x2,y2)/m | (l1+0.268,0) |
δ/m | 0.015 | I2/(kg·m-2) | 0.1474 |
m1/kg | 待优化 | l2/m | 0.536 |
(x1,y1)/m | ( l1,0) | r/m | 0.05 |
I1/(kg·m-2) | m1(0.0075+ ) | Fmax/kN | 9.3 |
l1/m | 待优化 | Ft/kN | 8.0 |
表2 某无人机助推机构参数
Table 2 Parameters of a UAV booster
参数 | 数值 | 参数 | 数值 |
---|---|---|---|
γ/(°) | 10 | r0/m | 0.025 |
α/(°) | 25 | β/(°) | 待优化 |
(x3,y3)/m | $\left(\frac{0.5 l_{1}+6 \times\left(l_{1}+0.268\right)}{m_{1}+7}, 0\right) $ | m2/kg | 6 |
I3/(kg·m-2) | m1(0.0075+ )+6(l1+0.268-x3)2+m1(x3- l1)2+0.1474 | (x2,y2)/m | (l1+0.268,0) |
δ/m | 0.015 | I2/(kg·m-2) | 0.1474 |
m1/kg | 待优化 | l2/m | 0.536 |
(x1,y1)/m | ( l1,0) | r/m | 0.05 |
I1/(kg·m-2) | m1(0.0075+ ) | Fmax/kN | 9.3 |
l1/m | 待优化 | Ft/kN | 8.0 |
助推发动机相关参数 | 数值 |
---|---|
质量/kg | 6.0±0.1 |
质心距离 /mm | 322.6 |
质心赤道转动惯量Ixc/(kg·mm2) | 80445.0 |
质心赤道转动惯量Izc/(kg·mm2) | 80445.1 |
质心极转动惯量Iyc/(kg·mm2) | 3701.0 |
表3 实验模型数据
Table 3 Experimental model data
助推发动机相关参数 | 数值 |
---|---|
质量/kg | 6.0±0.1 |
质心距离 /mm | 322.6 |
质心赤道转动惯量Ixc/(kg·mm2) | 80445.0 |
质心赤道转动惯量Izc/(kg·mm2) | 80445.1 |
质心极转动惯量Iyc/(kg·mm2) | 3701.0 |
前后端坐标 差值 | 时间/s | ||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
0 | 0.05 | 0.10 | 0.15 | 0.20 | 0.25 | 0.30 | 0.35 | 0.40 | 0.45 | 0.50 | |
前端Y坐标差值/mm | 0 | 1.24 | 2.69 | 0.06 | -2.78 | -4.72 | 1.00 | 5.64 | 5.05 | 1.85 | 0.45 |
前端Z坐标差值/mm | 0 | -0.71 | -1.38 | -1.37 | -7.27 | -7.55 | -15.16 | -33.69 | -58.43 | -88.34 | -150.11 |
后端Y坐标差值/mm | 10.85 | 8.45 | 0.26 | 8.88 | -11.01 | -6.94 | -11.45 | -19.43 | -29.26 | -37.43 | -55.77 |
后端Z坐标差值/mm | 17.24 | 7.31 | -0.08 | 11.11 | -5.01 | -0.51 | -10.05 | -25.63 | -44.50 | -72.55 | -114.53 |
表4 助推机构前后端坐标差值
Table 4 Difference between the coordinates of front-end and back-end of booster
前后端坐标 差值 | 时间/s | ||||||||||
---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
0 | 0.05 | 0.10 | 0.15 | 0.20 | 0.25 | 0.30 | 0.35 | 0.40 | 0.45 | 0.50 | |
前端Y坐标差值/mm | 0 | 1.24 | 2.69 | 0.06 | -2.78 | -4.72 | 1.00 | 5.64 | 5.05 | 1.85 | 0.45 |
前端Z坐标差值/mm | 0 | -0.71 | -1.38 | -1.37 | -7.27 | -7.55 | -15.16 | -33.69 | -58.43 | -88.34 | -150.11 |
后端Y坐标差值/mm | 10.85 | 8.45 | 0.26 | 8.88 | -11.01 | -6.94 | -11.45 | -19.43 | -29.26 | -37.43 | -55.77 |
后端Z坐标差值/mm | 17.24 | 7.31 | -0.08 | 11.11 | -5.01 | -0.51 | -10.05 | -25.63 | -44.50 | -72.55 | -114.53 |
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