无人机弹射缓冲储能系统设计研究

doi ： 10.11832/j. issn. 1000-4858.2018. 04.010

无人机弹射缓冲储能系统设计研究

唐友亮

(宿迁学院机电工程学院，江

苏宿迁

223800)

摘要：考虑到无人机弹射滑车制动时存在较大能量损耗问题，设计了无人机弹射缓冲储能系统。介 绍了缓冲储能系统工作原理，简化并基于AMESim建立了系统仿真模型，仿真研究了高速滑车缓冲储能过程 的动态性能，重点分析了储能溢流阀和蓄能器对滑车运动性能和蓄能器储能性能的影响规律。仿真表明：储 能溢流阀开启压力和蓄能器充气压力对系统性能影响一致，随其值增大，滑车位移减小，缓冲储能时间缩短， 蓄能器储能量减小；蓄能器气囊容积增大，滑车位移增大，缓冲储能时间延长。

关键词：无人机;缓冲储能；AMESim;运动性能；储能性能

中图分类号:TH137 文献标志码：B

文章编号= 1000-4858 (2018 $04-0053-05

Design and Research on UAV Ejection Buffer Storage System

TANG You-liang

(School of Mechanical and Electrical Engineering，Suqian College，Suqian，Jiangsu 223800)

Abstract： Considering that a large energy loss

problem is produced when the sliding trolley of UAV

design a UAV ejection buffer storage system. We introduce the working principle of buffer storage system，and sim­plify the system simulation model that is set up based on AMESim. The dynamic performance of buffer storage process for high speed sliding trolley is simulated. The effect of energy storage relief valve and accumulator on the motion performance of trolley and the energy storage performance of accumulator is emphatically analyzed. The sim­ulation resiults show

that

the

influence

of

opening pressure of

energy storage relief

valve

pressure on the system performance is consistent. With the increase of opening pressure of energy storage reliefvalve and accumulator charged pressure, the trolley displacement decreases, and the buffer energy storage time isshortened，and the

storaged energy of accumulator is reduced.

and

the

As

the voliume of

air bag of

the trolley displacement increases

buffer energy storage time is prolonged.

accumu

Key words ： UAV，buffer storage，AMESim，motion performance，energy storage performance

引言

物车综合质量及液压马达排量是影响起飞速度的关键

无人机及弹射技术发展迅猛，特别是对于无人机

参数;赵灼辉等[2]提出以气囊式蓄能器作为主要动力 源、滑轮组作为增速机构的无人机弹射系统。

助推弹射吸引了较多国内外科研人员的关注。由于技 术复杂，最初只有少数国家掌握气动弹射起飞技 术[1-3]，近几年国内不少学者专注研究的无人机弹射 及其弹射滑车缓冲技术卓有成效。高永等[4]基于

Simulink建立无人机弹射起飞过程运动学模型，对弹 性元件弹力系数、导轨长度、离架速度等参数进行了系 统分析;权凌霄等[5]研究了液压马达驱动无人机气液 压弹射系统，仿真表明蓄能器组充气压力、无人机与载

收稿日期:2018-1-15

基金项目：江苏高校品牌专业建设工程（PPZY2015C252);宿 迁市科技支撑计划（M201612)

作者简介:唐友亮（1977—），男，山东临沂人，副教授，硕士， 主要研究方向为数字化设计与制造技术、机电液一体化控制 技术。

54

$%与气（2018年第4期人机

技术目前已 ，但人机

‘

滑车的

动研究

，刘

[7]分析了无人机

统，利用滑块、液压缸和溢流阀进行

动小车。对速 滑车的制动

使用了缓

缸、溢流阀 流阀进行

动滑车，

方法

也

了推广应用[8-10]。

但无人机 过程中存在较大的能

失，

人研究的方法基本通过

机械能以热能的形式[11]，

对滑行小车 能方面的研究，前

期已通过在马达驱动式无人机液压 统中

溢

流阀进行了 动

滑车[12]，本研究将进一步以

液压马达驱动式无人机

统为研究对象，设计一种

的

滑车 能系统，

能

关

键储能 ，溢流阀 进行 滑车动

能，并利用AMESim建立滑车 能系统模型。仿真

表

统能够一定程度上 动

滑车其部分能量，为进一步完善无人机

统设

1

计提供

。

人

射

能系统工作原理

液压马达驱动无人机 能系统如图1示，无人机 ，启动向泵

能器充液，待能器充液完毕后， 二位三通阀得电切换至左位，蓄能

速释能与泵合流

向马达提供动力，向马达带动 使

运动，进而完成滑

车 速 。

1.油箱2.电机3.双向泵4.泵站安全阀5.单向阀

6.蓄能器7.二位三通阀1 8.插装阀9.储能溢流阀 10.节流阀11.二位三通阀2 12.二位三通阀3 13.双向马达 14.卷筒装置15.滑轮16.滑车17.无人机18.钢丝绳

图

1

无人机弹射缓冲储能系统待滑车加速

人机预 速度后，滑车进入能 ，

滑车

能速 与 人机 速度相同。无人机完

后，

二位三通换

向阀断电，储能二位三通换向阀通电，由于惯性，滑车

动

动 转，因

向马

达一于旋转 ，该工 向马达处于泵工况，其出口油液经节流阀和溢流阀

一定阻力，出油口压对双向马达 逆向 阻力，经流阀溢流阀

流出的油液又 于蓄能器， 一

提供能量备，

能过程中油液压力若大于泵站溢流阀开

压力后，

，

速滑车

稳减速至

2

。

系统建模仿真

2.1 弹射缓冲储能系统模型建立及参数设置本研究 研究无人机 后滑车的 能系统，简滑车 能 的等效系统原理图如图2示。

AMESim 液压仿真

立 能 统仿

真模 ， 如 3 示。

人机11.钢丝绳

图

2

10.无无人机弹射

能系统简化图

1.油箱2.泵站安全阀3.蓄能器4.储能溢流阀

5.节流阀9.6.液压油模型7.重力加速度模型8.双向马达

卷筒装置10.滑轮11.钢丝绳12.滑车

图

3

人机弹射

能系统仿真模型

2018年第4期

液％与气（

55

系统仿真

数按如表1所示进行参数设置，

并进一步进行系统仿真分析。

表1系统主要参数

数名

数

滑车质量M/kg120滑车 倾

s/(°)

15

人机

速

Vm.,#

35卷筒转动惯量Zkg • m22.0卷筒半径Emm500液压马达排量Pm/L.>#0.2溢流阀阀芯质量m/kg0.065储能溢流阀开启压力/MPa3泵站安全阀压力/MPa30节流阀通径/ mm5蓄能器充液压力/MPa3能

容

）

6.3

2.2 无人机弹射缓冲储能系统性能

在初始参数下进行系统仿真， 如 4所示的

蓄能 压力及容积曲线、如 5所示的滑车速度位移曲

及如图6所示的栗站安全阀流

能

溢流阀人口压力。

图4蓄能器气囊压力及容积曲线4

：能器气囊容

始6. 3 L减小

到5.2 L，气囊压力由3.0 MPa增加到3. 95 MPa。5 :滑车 能过程中，速度波动较

大，但总体呈减小趋势，滑车位移可达4.3 n，即 > 位移为4. 3 m。

t/s

图5滑车速度和位移曲线6

:滑车

能过程中，栗站溢流阀流量为0,即双向马达 口的流量基本

能

，

能溢流阀人口压力呈一定的波动后基本稳定于其开

压力附近。

0.5 -

-

1.0L

图 < 泵站安全阀流量计储能溢流阀入口压力曲线

4 3 6

:其他参数不变的情

，滑

车

动时间为3. 5,滑车

动位移为

4. 3 m。

进一步研究滑车

能系统动态性能，接下

来仿真分析储能溢流阀及蓄能

数对系统

能

效果的

。

1) 储能溢流阀

证其他参数不变，分取储能溢流阀 压力

为2，3，4 MPa进行仿真，得如7所示的储能溢流阀

压力对滑车位移的 曲

如图8所示的储能

溢流阀

压力对蓄能 能性能

曲线。7

8

:随能溢流阀

压力增大，

滑车位移减小，缓冲储能间缩短，蓄能

容积减

大。

2) 能充气压力证其他参数不变，分取蓄能器充气压力为2 ~4 MPa进行仿真分析，

如 9所示的蓄能器充

56液％与气（

2018年第4期

图7储能溢流阀开启压力对滑车位移的影响

图=储能溢流阀开启压力对蓄能器储能性能影响

图E蓄能器充气压力对滑车位移的影响

气压力对滑车位移的影响曲线和如图10所示的蓄能 充气压力对蓄能器储能性能的

曲线。

图10蓄能器充气压力对蓄能器储能性能的影响

9

10

:随能器充气压力的增大，滑车位移减小，

能间缩短，蓄能

容积减大。蓄能充气压力 能溢流阀

压力对

统动态性能一致。3)

能

容积

证其他参数不变，分取蓄能 容 3,

6, 9 L进行仿真分析，如11示的蓄能 囊

容积对滑车位移的

曲

如图12所示的蓄能器

容积对蓄能器储能性能的

曲线。

图11蓄能器气囊容积对滑车位移的影响

------------3.0 L-——6.0 L9.0 L

15

20

图12蓄能器气囊容积对蓄能器储能性能的影响

11

12

:随能

容积的增大，滑车位移增大， 能时间有

，蓄能

容

积减小量均约为1' T。

3

结

计了一种无人机 滑车 能系统，介

滑车缓冲储能原理，简化系统模型并基于AMES+仿 真分析了系统

能效果性能，验证了 计的缓能系统 具有一 用，且

分能

：至蓄能器， 一 能。重点分析了储能溢流阀

能 数对系统

能性能的

，

人机

及滑车制动系统进一步设计提供参

，

论：

2018年第4期

(1)

液％与气（57

ZHAO Zhuohui， WU Suzhen. Research and Simulation to the Model of UAV Hydraulic Launch System [ J ]. Machine 统性能影响一致。随其值增大，滑车位移减小，缓冲储

Tool & Hydraulics，2014,42(22) $130 -132.能时间缩短，蓄能器储能量减小；

[7] 刘晓瑞，马胜钢，何宗海，等.无人机弹射器缓冲系统性能

(2) 蓄能器气囊容积增大，滑车位移增大，缓冲储

的研究与分析[J].液压与气动，2014，（7):115-117.

能时间延长。

LIUXiaorui，MA Shenggang， HE Zonghai， et al. Analysis on Buffer System of UAV Catapult [ J]. Chinese Hydraulics & Pneumatics，2014，（ 7) ： 115 - 117.参考文献：

[8] 刘兴阳，同智宽，李永林，等.无人机液压弹射装置能源系 )1 ] DICKARD H E. Mini-RPV Launch System Conceptual Study

统仿真研究[J].机床与液压，2008,36(12):170 -172. [R]. ADA062990, 1978.

LIU Xingang，TONG Zhikuan，LI Yonglin，et al. The Sim­[2]冯密荣，等.世界无人机大全[M].北京：航空工业出版

ulation Study of Hydraulic Energy System of Launch Equip­社，2004.

ment on Unmanned Aerial Vehicle [ J ]. Machine Tool & FENG Mirong，et al. The Whole UAVs in the Worltd [ M].

Hydraulics，2008,36(12) $170-172.Beijing： Aviation Industry Press，2004.

[9] 秦贞超，周志鸿，梁上愚.无人机起飞弹射液压系统的设 [(] Brian T McGeer， Andreas H von Flotow，Cory Roeseler.

计与研究[J].液压与气动，2010，（10):6-7.Methods and Apparatuses for Launching Unmanned Aircraft，

QIN Zhenchao，ZHOU Zhihong，LItVNG Shangyu. The De­Including Releasably Gripping Aircraft During Launch and

sign and Research of tlie Hydraulic System for UAV Launch Braking Subsequent Grip Motion [ P]. United States，Patent

Equipment [ J]. Chinese Hydraulics & Pneumatics，2010,7165745.

(10) ：6 -7.[4] 高永，孟浩，李冰，等.基于Srniulmk的小型无人机弹射架

[10] 赵伟，阮健，李胜，等.液压弹射机构动力系统研究[J]. 性能仿真[J].海军航空工程学院学报，2017，（5):452

兵工学报，2013,34(4):459 -464.-456.

ZHAO Wei， RUAN Jian， LI Sheng， et al. Research on GAOYong，MENGHao，LI Bing，et al. Performance Simu­

Power System of Hydraulic Catapult Mechanism [ J]. Acta lation on a Small UAV Ejection Frame Based on Simulink

2013,34(4) ：459 -464.Armamentarii，[J]. Journal of Naval Aeronautical and Astronautical Uni­

[11] 曹亚光，尹文军.无人机液压弹射系统仿真研究[j].液 versity， 2017，（5) ：452 -456.

压与气动，2017，（7):90 -95.[5] 权凌霄，刘建伟，宋豫，等.无人机气液压弹射系统建模与

CAO Yaguang，YIN Wenjun. Simulation Research on UAV 弹射过程仿真分析[J].液压与气动，2016，（1):71 -77.

Hydraulic Launching System [ J ]. Chinese Hydraulics & QUAN Lingiao，LIU Jianwei，SONG Yu，et al. Modeling

Pneumatics，2017，（7) ：90 -95.of Pneudraulic Launching System of UAV and Simulation A­

[12] TANG Youliang. Simulation Research on Sliding Trolley nalysis of Launching Process [ J ]. Chinese Hydraulics &

Buffer System of UAV Hydraulic Ejection. [ 2014 - 12 - Pneumatics，2016，（1)：71 -77.

04] [2018 - 03 - 10]. http://journal. yeyanet. com. cn/ [6] 赵灼辉，吴素珍.无人机液压弹射系统的模型研究与仿真

CN/abstract/abstract2443. shtml.[J].机床与液压，2014,42(22):130 -132.

储能溢流阀开启压力和蓄能器充气压力对系

《液压与气动》“引言”与“结论”写作要求

引言，简要说明研究的目的、范围、相关领域的前人工作与现状（也称文献综述，尤其近年的发展现状和文

献），理论依据、试验基础和研究方法，作者的意图、预期的结果及其作用和意义。应言简意赅，不要与摘要雷 同，不要成为摘要的注释。一般教科书中已有的基本理论、试验方法和基本方程的推导，在引言中不必赘述。如 实评述，防止吹嘘自己和贬低别人，避免宣传性的用语。对出现的比较专业化的术语或缩写词进行定义和说明，

后文中出现时不必再解释，引言中尽量不要出现图。

结论，是整篇文章的最终的、总体的总结。完整、准确、简洁地指出：由对研究对象进行考察或试验得到的 结果所揭示的原理及其普遍性；研究中有无发现例外或本研究尚难以解释和解决的问题；与先前已经发表过的 (包括他人或著者自己）研究工作的异同；本研究在理论上与实用上的意义与价值；对进一步研究本课题的建议。