浅谈小型无人机的发射系统

王喆健臧雯雯万齐峻吴勃良王锋

（沈阳航空航天大学，辽宁 沈阳 110136）

【摘要】以无人机发射系统为研究对象，进行了动力系统和结构系统的分析。

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关键词 发射系统；结构系统；小型无人机

０概论

小型无人机在1990年代中期开始研制，1990年代末期，出现了第一个飞行样机。美国国防高级研究计划局在1996年授予了航境公司一项研制合同，进行制造小型无人机的可行性研究，小型无人机作战环境主要在峡谷和城市建筑物之间，这表明了小型无人机的使用往往是非直视的。在短短二十几年时间里，小型飞无人机已经从无人驾驶飞机中一个不起眼的配角迅速成长为现代战争中不可缺少的重要角色。

无人机发射系统主要优点有：

(1)无人机发射系统不需要大面积的飞机跑道，其体积小，功能强大，发射过程时间短，无人机即可高速起飞。

(2)无人机发射系统具有良好的机动性能，生存能力高整个无人机可安装在运输载体(汽车、军舰、机车等)上。

(3)生产加工要求容易，无人机发射系统的制造成本低，在战时具有良好的可持续供应能力。

无人机系统具有在任何气候条件下、在起伏的丘陵山沟、沼泽都可起飞的特点，所以说无人机发射系统适应性极强。

于无人机发射系统的这些优点，在现代高尖端战争和高科技生活中发挥着及其重要的作用，所以小型无人机的发射装置迄今依然是值得我们研究的课题。但是，科学研究往往是需要理论与实践相结合的。研制并发射轻巧的小型无人机面临着工程和技术上的难题，其中最为关键的就是解决无人机的动力问题。我们需要小型无人机的发射系统能够在无人机内极小的体积内产生足够的能量，然后使之转化为动能，与此同时又不增加过多的重量。因此，提高小型无人机总体性能的关键在于提高无人机发射系统的机动性和适用性。

１发射系统的分析

发射系统是无人机的一个重要功能系统，是满足无人机机动灵活、重复使用以及高生存能力等多种需求的必要技术保障。现今，无人机的发射系统的种类有很多，例如火箭助推起飞、弹射起飞、地面滑行起飞等方式。因此，无人机的发射的过程在物理学角度可以看做是发射系统对无人机做功的过程，即为无人机的起飞提供能量。目前，国内外的小型无人机的发射系统多采用弹射式弹射起飞的方式，其优点是机动灵活、安全性和隐蔽性好，也最适用于小型无人机。现有弹射的主要原理是将弹性势能、气压能、液压能等不同形式的能量转换为起飞所需的机械动能，目的是使无人机在给定长度的滑轨上能够加速达到安全顺利起飞的速度。

根据为发射动力提供能源的能量形式，可将发射系统分为：气液压弹射系统、电磁弹射系统和橡筋弹射系统等。目前使用比较广泛的发射系统即为电磁弹射系统和橡筋弹射系统这三种。 通常情况下，起飞速度小于25m/s，起飞重量小于100kg，采用橡筋弹射方式；起飞速度介于25~45m/s，起飞重量小于400kg，采用气液压弹射方式。如美国的银狐无人机，英国的“不死鸟”无人机。下面我们将针对三种不同的弹射方式进行分析。

１.１气液压弹射系统

液压弹射是目前比较先进的无人机发射方式。该系统主要由气液压能源系统、弹射桁架系统、锁闭机构、释放机构、滑行系统、增速系统、电气控制系统等多个系统组成。该系统的动力源来自于气液压，气囊式蓄能、单作用式液压缸、液压管路、卸荷阀、截止阀等组成了这种能源系统。系统的工作原理为：在无人机的弹射前先向气囊式蓄能器冲入高压油和氮气，当无人机弹射时，蓄能气囊膨胀，随后排出大流量的高压油，在高压驱动下使液压缸做活塞运动，实现气液压能向机械能的转化，最终实现为无人机的发射提供动力。这种弹射方式安全隐蔽，而且经济性好适应面也比较广，不会产生光、声、热、烟雾等信号，也便于移动。此外，该发射系统针于不同质量的无人机的适用可通过调节冲油压力和蓄能器充气压力实现。

１.２电磁弹射系统

电磁弹射系统是近几年来国际上一种新兴的无人机发射方式，它是使物体在短距离内加速到一定速度后发射出去而利用电磁力推动物体的装置。该系统主要由电源和直线直流电机等设备组成。工作原理为：电源的能量贮存系统将贮存的能量转变为高频脉冲,控制能量输出以驱动直线直流电机，直线直流电机就是弹射电动机,为无人机提供弹射力。电磁发射装置能够突破常规发射出口速度制约，实现更高速度的发射。与常规无人机弹射系统相比，它具有维护方便、适应性好、通用性强、机动灵活、可靠性高等优点。

１.３橡筋弹射系统

橡筋弹射系统是一种自力倾斜弹射起飞。该系统主要由拉力橡筋、牵引钢丝、锁紧机构、无人机基座、滑行轨道、绞盘装置和稳定的桁架等结构组成。该系统的能量源来自于橡筋的弹性势能。锁紧机构将飞机固定在基座上，绞盘装置拉动牵引钢丝使橡筋受力拉伸，使橡筋达到最大弹性势能，在开锁装置打开瞬间，无人机随着基座在滑行轨道上加速滑行后获得最大速度起飞。影响该系统的总体性能的因素主要为结构的设计、加工过程中的质量以及所选取橡筋的性能。橡筋的性能具体包括高低温弹性的差异、弹性形变系数、耐用程度等。根据能量守恒原理，发射无人机所需的能量来源于橡筋弹性势能，滑行轨道长度是橡筋做功的距离，所以合理长度的滑行轨道能够使无人机能够有效的达到最大弹射速度。综合考虑弹射机构的使用性能往往将轨道做成两段或者三段，连续使用，用滑轮组来增加橡筋形变的距离，增加弹性势能。因此，使用橡筋发力弹射结构相对复杂，装配及维护要求稍高，其优点是通过手摇或电机带动钢丝绞盘即可完成装配。

综上，无人机橡筋弹射方式原理简单、机构简便，但仅限于低速、微小型无人机发射。气压和液压弹射方式除工作介质（高压气体或高压油）不同外，工作原理基本相同。但气压弹射能量特性受环境温度影响较大，且安全性较差。相比之下，橡筋弹射系统这种成本低廉、简单易行，设备便携性很高，易于保养且无额外器材消耗的方式更容易得到推广和使用。

２橡筋弹射系统的简单分析

如图为橡筋弹射沿着滑行轨道斜面上升时并加速的过程。我们以，橡筋和无人机基座为研究对象，受力如下图所示。

图中， x为小车在弹射轨道上的位移， Fs为小车与轨道之间的摩擦力，R为涵道风扇提供的推力，P 为无人机与基座的重力，Fw为飞机所受到的空气阻力， θ为弹射轨道与水平面之间的夹角。根据分析力学可知，系统的重力势能Vp为：

Vp=xsinθ

系统的弹性势能Vs为：

3小结

目前，无人机正在成为现代高科技发展中无法缺少的一部分，体现在民用和军事上。在民用方面，无人机可在防灾、电力、森林、气象、地质勘探、海洋勘探等多方面发挥重要的作用。其次，无人机的作用在军事上体现得尤为明显, 越来越多的国家将其作为武器装备到陆海空三军, 侦察、执行攻击的作战任务和靶机训练的任务, 并取得了显著的成效, 而且应用领域还在不断地扩大。尤其在美国针对伊拉克等中东和阿富汗等中亚地区采取的军事措施中,无人机被得到了广泛地应用, 在取得了显著的作战成果同时创造了许多新的作战方式, 也因此使得无人机成为了现代军事行动中的新宠。目前，世界各国对无人机的起飞发射作了大量研究和尝试，虽然我国的无人机相比部分科技发达国家起步以及发展得相对较晚较晚，但通过后来的研发，也在很多尖端科技取得了不俗的成绩，相信我国的无人机定在不久的将来定能在世界上占有不可撼动的一席之地。

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参考文献

［１］张安平.无人机电磁弹射技术研究[J].沈阳航空工业学院学报,2007.

［２］苏倩.无人机动力系统及弹射装置的研究[D].哈尔滨工业大学,2008.

［３］李建华.某无人机发射系统技术研究[D].南京理工大学, 2008.

［4］何庆,刘东升,于存贵,张丽静.无人机发射技术[J].飞航导弹,2010.

［责任编辑：曹明明］