CN108791938B - 一种固定翼无人驾驶飞机舰载发射方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固定翼无人驾驶飞机舰载发射方法，准备起飞时，无人机与滑车一起停留在滑轨的停机段位置；启动发动机后，无人机与滑车一起由滑轨的停机段缓慢进入斜坡段，滑行过程中无人机姿态逐渐横滚，避开舰桥设备，防止机翼发生碰撞；到达斜坡段顶端后，无人机与滑车依靠自身重力和发动机推力沿斜坡段加速下滑，进入平直段加速滑行，当无人机达到起飞速度后无人机姿态逐渐改平，滑车自动与无人机脱离，无人机依靠发动力动力离开滑车起飞，滑车减速停留在滑轨平直段末端。本发明利用起飞轨道高度差，将无人机的势能转换为动能，能够节省能量；利用舰船弦长，安装滑轨，通过无人机发动机推力，实现短距加速。

Description

一种固定翼无人驾驶飞机舰载发射方法

技术领域

本发明涉及无人机技术领域，具体涉及一种固定翼无人驾驶飞机舰载发射方法。

背景技术

无人机的发射是其在使用中最难操作的阶段之一，在发射阶段容易发生事故，各国对无人机的起飞发射作了大量研究和尝试。尤其海上船舶发射起飞重量大于100公斤的无人机，迫切需求发展新型发射技术，保证无人机能够快速发射，降低对发射场地和勤务保障的要求等。

目前无人机的发射方式主要有：滑跑起飞、火箭助推发射起飞、弹射起飞、手抛发射起飞、空中投放起飞、垂直起飞等。对于在无跑道情况下发射中小型固定翼无人机，主要有火箭助推、气动弹射、液压弹射和电磁弹射等。

火箭助推发射的优点是占用空间小，受环境条件影响小，能够发射起飞重量上百公斤级的无人机，可以很好地满足快速、机动等要求；其缺点是涉及火工品的贮存、运输和使用，存在安全隐患，而且助推火箭为一次性使用，成本较高。

气动弹射和液压弹射起飞方式是20世纪90年代国际上发展起来的一种导轨动能弹射起飞方式，主要采用气液压能源作为无人机弹射起飞的动力。与常用的火箭助推起飞方式相比，它具有经济性好、适应性好等优点；通过调节蓄能器充气压力和充油压力可满足不同类型的小型无人机对起飞质量和起飞速度的使用要求；具有很好的机动灵活性，可连续进行小型无人机弹射起飞。但是，对于起飞重量上百公斤级的无人机，对应的气液压弹射装置的体积和重量都较大。

电磁弹射是指无人机以电磁力为加速手段，靠发射器提供的动力获得足够的运动能量实施起飞的一种发射方式。相比目前各种成熟的无人机发射方式，其发射时间更快、发射距离更短、发射效率更高。对于发射起飞重量上百公斤级的无人机，电磁弹射需要消耗较大的电力能源，而且弹射时产生巨大冲击应力会对无人机结构造成损伤。

上述无人机发射方式各有优缺点。无论哪种发射方式，都难以克服在无直通甲板的舰船上使用时空间狭小的问题。因此需要开展新型无人机发射方式研究，探索新型发射方式，为未来新型非航母舰载无人机设计提供技术支撑。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种固定翼无人驾驶飞机舰载发射方法，突破传统无人机起飞方式，不使用火工品，发射导轨可以折叠拆装，维护简单，同时能够充分利用舰船纵向长度进行无人机起飞发射，节约舰船甲板空间。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：

一种固定翼无人驾驶飞机舰载发射方法，包括如下步骤：

S1、根据物理运动方程以及能量转化原理设计可折叠起飞滑轨，所述可折叠起飞滑轨由从右往左依次连接的停机段、斜坡段、圆弧过渡段和平直段构成；

所述的物理运动方程如下：

式中，M为无人机起飞重量，g为重力加速度，H为斜坡高度，T为发动机推力，L为斜坡段长度，S₁为圆弧过渡段长度，V1为无人机滑行到达圆弧过渡段底部的速度；

其中：

起飞距离S_q，即无人机连同滑车在轨道上滑行的位移，计算公式如下：

L₁＝L cosβ+R sinβ；

S_q＝L₁+L₂；

式中，β为斜坡角度，R为圆弧过渡段半径，V_q为达到起飞时的速度，a为无人机的加速度；斜坡高度H介于0至10米之间，斜坡角度β介于0度至45度之间，圆弧过渡段的半径R介于0至4米之间；

S2、准备起飞时，无人机与滑车一起停留在滑轨的停机段位置；

S3、启动发动机后，无人机与滑车一起由滑轨的停机段缓慢进入斜坡段，滑行过程中无人机姿态逐渐横滚，避开舰桥设备，防止机翼发生碰撞；

S4、到达斜坡段顶端后，无人机与滑车依靠自身重力和发动机推力沿斜坡段加速下滑，进入平直段加速滑行，当无人机达到起飞速度后无人机姿态逐渐改平，滑车自动与无人机脱离，无人机依靠发动力动力离开滑车起飞，滑车减速停留在滑轨平直段末端。

进一步地，所述圆弧过渡段采用小曲率。

进一步地，所述无人机的起飞推重比为0.58。

本发明具有以下有益效果：

1、本发明通过能量转换，利用起飞轨道高度差，将无人机的势能转换为动能，能够节省能量。

2、利用舰船弦长，安装滑轨，通过无人机发动机推力，实现短距加速。

3、在无人机参数一定的情况下，通过计算了解系统中滑轨长度参数的灵敏度，及时分析气动特性变化规律，提高无人机操纵性和稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例中可折叠起飞滑轨的安装示意图。

图2为本发明实施例中可折叠起飞滑轨的结构示意图。

图3为无人机在图2中滑轨上的起飞初始阶段示意图。

图4为无人机在图2中滑轨上斜坡段滑行阶段示意图。

图5为无人机在图2中滑轨上平直段滑行起飞阶段示意图。

图6为滑轨长度为90米时，滑车连同无人机在轨道上滑行时速度与时间的关系图。

图7为滑轨长度为90米时，滑车连同无人机在轨道上滑行时位移与时间的关系图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及优点更加清楚明白，以下结合实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1，本发明实施例提供了一种固定翼无人驾驶飞机舰载发射方法，该方法设计了一安装在舰船的船舷外侧的可折叠起飞滑轨，可折叠起飞滑轨安装在舰船的左侧或者右侧，作为无人机发射的轨道。如图2所示，所述的可折叠起飞滑轨右端为停机段1，停机段1的左端与斜坡段2连接，斜坡段2的左端与圆弧过渡段3的右端连接，圆弧过渡段3与平直段4连接。

可折叠起飞滑轨的轨道长度对整个系统的影响最敏感。由运动物理方程计算可得到，滑轨长度每增加10米，无人机的起飞推重比可下降约0.06。计算得到的起飞推重比为0.58，与经验值对比，介于喷气战斗机(格斗)和喷气战斗机(其他)之间，本发明中无人机采用该推重比，可以在舰载特殊条件下获得较好的起飞性能。

参照图3-图5，无人机准备起飞时，与滑车一起停留在滑轨的停机段1位置，启动发动机后，无人机与滑车一起缓慢滑行进入斜坡段2，滑行过程中无人机姿态逐渐横滚，避开舰桥设备，防止机翼发生碰撞，到达斜坡段2的顶端后，无人机与滑车依靠自身重力以及发动机推力沿着斜坡段2以及圆弧过渡段3加速下滑，进入平直段4，之后由无人机发动机提供推力使其加速向前运行，直到其达到起飞速度，无人机姿态逐渐改平，离开平直段4。

由于无人机通过圆弧过渡段3时为加速阶段且该阶段处无人机承受起飞过程中的最大过载，为减小该情况，滑轨的圆弧过渡段3应采用小曲率，即增大圆弧过渡段3的半径。

为减小无人机起飞过程中的过载，对其发射采用滑车夹持的方式，起飞过程中滑车与无人机同时运动，无人机在滑轨上运行达到起飞速度后与支架脱离，无人机起飞，滑车减速停留在平直段4的末端。

通过仿真分析得到发射过程中无人机在轨道滑行过程中速度随时间变化的关系图6，滑行位移随时间变化的关系图7。无人机起飞重量为1000公斤，在轨道上滑行加速至V_q＝32米/秒时需要约5.7秒，滑行约97米。

综上所述，通过采用上述无人机发射方式和滑轨结构，可以使无人机在节省能量的情况下快速发射，提高了发射效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种固定翼无人驾驶飞机舰载发射方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、根据物理运动方程以及能量转化原理设计可折叠起飞滑轨，所述可折叠起飞滑轨由从右往左依次连接的停机段、斜坡段、圆弧过渡段和平直段构成；所述可折叠起飞滑轨安装在舰船的船舷外侧作为固定翼无人驾驶飞机的发射的轨道；

所述的物理运动方程如下：

式中，M为无人驾驶飞机起飞重量，g为重力加速度，H为斜坡高度，T为发动机推力，L为斜坡段长度，S₁为圆弧过渡段长度，V1为无人驾驶飞机滑行到达圆弧过渡段底部的速度；

其中：

起飞距离S_q，即无人驾驶飞机连同滑车在轨道上滑行的位移，计算公式如下：

L₁＝Lcosβ+Rsinβ：

S_q＝L₁+L₂；

式中，β为斜坡角度，R为圆弧过渡段半径，V_q为达到起飞时的速度，a 为无人驾驶飞机的加速度；斜坡高度H介于0至10米之间，斜坡角度β介于0度至45度之间，圆弧过渡段的半径R介于0至4米之间；

S2、准备起飞时，滑车将无人驾驶飞机夹持，无人驾驶飞机与滑车一起停留在滑轨的停机段位置；

S3、启动发动机后，无人驾驶飞机与滑车一起由滑轨的停机段缓慢进入斜坡段，滑行过程中无人驾驶飞机姿态逐渐横滚，避开舰桥设备，防止机翼发生碰撞；

S4、到达斜坡段顶端后，无人驾驶飞机与滑车依靠自身重力和发动机推力沿斜坡段加速下滑，进入平直段加速滑行，当无人驾驶飞机达到起飞速度后无人驾驶飞机姿态逐渐改平，滑车自动与无人驾驶飞机脱离，无人驾驶飞机依靠发动机 动力离开滑车起飞，滑车减速停留在滑轨平直段末端；

所述无人驾驶飞机的起飞推重比为0.58。

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