无人机气液压弹射系统研究

无人机气液压弹射系统研究

组成蓄能器组无人机气泵的飞速速度是20世纪90年代国际先进的诱导动能波速跑向来的一种先进的方法。气液压弹射系统中动力源使用多个皮囊式蓄能器并联安装,构成蓄能器组。相比于一般的液压泵动力源,具有瞬时弹射功率大、存储能量大、装机容量小、系统压力稳定、系统振动小等优点。气液压弹射系统可以分为液压缸驱动式和液压马达驱动式两种形式,国内对于后者进行的研究很少本研究将对液压马达驱动式的无人机气液压弹射系统进行系统建模,并对弹射过程应用AMESim软件进行仿真分析。1无人机气压缩机系统的工作原理气液压弹射系统工作原理如图1所示。由于能源系统要在短时间内为无人机加速提供动力,因此,由蓄能器组存储能量作为主动力源2射系统的组成无人机气液压弹射工作原理如图2所示。从图2可以看出,无人机气液压弹射系统主要包括皮囊式蓄能器组、开关式插装阀、液压马达以及无人机与载物车等几部分。图2中,p皮囊底部的面积A其中,A设(p对式(2)在点(p设蓄能器组进油阀末端流量为Q式中负号表示气腔体积变化和油液流量相反。2.2进油插装阀阀口面积梯度在进油插装阀打开时,通过阀口的流量与压力之间的关系其中进油插装阀阀口面积梯度为:式中,Cx———阀芯位移,mm对式(6)线性化并进行拉氏变换可以得到:式中,pKx2.3雷达数学模型在发射过程中液压马达的输出力矩特性方程的拉氏变换式式中,DJT式中,QCV2.3卷筒半径的影响弹射过程中,牵引皮带会缠绕在卷筒上,因此卷筒半径会不断增大,变化的卷筒半径会对牵引力产生影响。卷筒半径R为:其中,r将式(4)代入式(3),可得卷筒半径与载物车瞬时位移的关系为:从而可得牵引带牵引力为:2.4无人机与载物车运动方程无人机与载物车在弹射过程中承受牵引带牵引力、发动机推力、空气阻力、升力、重力和摩擦阻力作用,于是可得出无人机与载物车的运动方程其中,m为无人机与载物车综合质量;T为无人机发动机推力;μ为载物车车轮与轨道间的滚动摩擦系数,μ=0.01;g为重力加速度;θ为发射架仰角;c3气液压空气系统建模AMESim软件提供模块化建模方式,提供包括机械库和液压库在内的多个子模型库,可以建立液压系统模型和驱动负载运动模型的联合仿真模型,并且使模型具有很高的准确性本研究重点针对气液压弹射系统的动力源、控制元件及负载三部分重点进行建模。动力源主要为皮囊式蓄能器组,控制元件主要为开关式插装阀,负载主要为牵引皮带、卷筒、液压马达、无人机与载物车。3.1蓄能器动态特性分析使用AMESim中的HCD(HydraulicComponentDesign)与PCD(PneumaticComponentDesign)可较为准确地模拟蓄能器在实际工作中的动静态特性。单个蓄能器HCD与PCD模型如图3所示。由图3可知,恒压气源通过端口1对蓄能器充气,使蓄能器的气腔气体压力与恒压气源相等,利用二位二通气阀控制充气过程的启闭。利用阻尼与弹簧模拟气体阻尼系数c蓄能器组采用多个皮囊式蓄能器并联安装,为了表述方便,将单个蓄能器HCD与PCD模型用超级元件封装,蓄能器组及出口管路仿真模型如图4所示。3.2插装阀hcd模型要满足无人机弹射过程中瞬时大流量的要求,需要选用开关式插装阀,其具有通流能力大、响应快、工作可靠、抗污能力强等优点使用AMESim中的HCD(HydraulicComponentDesign)能较为准确地模拟插装阀在实际工作中的启闭特性。插装阀HCD模型如图5所示。端口1、4分别为插装阀的进、出油口,端口3接高压油,通过对换向阀信号端口2施加电信号,控制主阀上腔的压力。主阀上腔为零压时,主阀处于开启状态;主阀上腔为高压时,主阀处于关闭状态。3.3基于应力的约束副产物液压马达采用液压元件库中已有的液压马达模型,卷筒和绳索分别采用可定义转动惯量的转动块和可定义刚度和长度的绳索,在卷筒和绳索间加入了转矩-拉力转化模块,可以将输出的转矩转化为拉力作用在质量块上,无人机与载物车沿轨道向下的重力分量与摩擦阻力等效为力信号作用在质量块上。此外,考虑到牵引皮带有一定厚度,卷筒半径在弹射过程中会不断变大,卷筒半径变化函数会对卷筒半径进行修正。负载系统仿真模型如图6所示。4不同参量对起落架速度的影响无人机起飞速度v以下为在无人机与载物车的综合质量m、蓄能器容积V可以看出,无人机与载物车质量m的增大会明显降低无人机起飞速度,且影响程度较大。当m由430kg降低至330kg时,v可以看出,蓄能器容积V可以看出,液压马达排量D可以看出,卷筒转动惯量J增大会使发射起飞速度降低,且影响程度很小。当J由1.5kg·m各个参数对起飞速度的影响如表2所示。可以看出,无人机弹射过程中,当上述几个参量增大时,根据其对起飞速度的影响程度,可以将其依次排序为:无人机与载物车综合质量→蓄能器组充气压力→液压马达排量→蓄能器容积→卷筒转动惯量。升高数值一栏中,当上述几个参量减小时,可以将其排序为:蓄能器组充气压力→无人机与载物车综合质量→液压马达排量→卷筒转动惯量→蓄能器容积。5仿真结果与分析本研究针对液压马达驱动式的无人机气液压弹射系统进行系统建模,并对弹射过程应用AMESim软件进行仿真分析,得到以下结论:(1)基于气液压弹射系统原理和数学模型的研究,建立了单个蓄能器HCD与PCD仿真模型、开关式插装阀HCD仿真模型以及负载系统仿真模型;(2)仿真结果表明蓄能器组充气压力、无人机与载物车综合质量、液压马达排