无人机助推火箭推力线调整装置及方法

文献标识码：A
文章编号：1009-0134(2017)02-0150-03
0 引言
目前，无人机在军事领域和民用领域正发挥着越来越 重要的作用，无人机产业已经成为当前国民经济中重要的 高科技产业之一。在无人机市场当中，中小型无人机市场 需求已经占到无人机市场总体需求的90%以上[1]。
无人机起飞方式是决定其作战灵活性的关键因素 之一。目前，无人机起飞方式有零长发射和滑跑（轨道 滑跑和地面滑跑）起飞两大类[2]。火箭助推发射是国内 外众多中小型固定翼无人机经常采用的一种起飞方式。 无人机采用火箭助推发射起飞，主要是借助固体火箭助 推动力，将无人机由静止状态加速到安全飞行速度和高 度。这种起飞方式一般采用零长发射或短轨发射，不需 要专用机场跑道，对周围自然环境要求较低，可以很好 的满足快速、便捷、机动的野战环境使用要求，从而大 大提高无人机的应用范围[3]。
1 推力线
火箭助推发射是无人机飞行过程中较为复杂的阶 段，是指无人机从静止状态通过助推火箭和发动机推力 （拉力）达到一定的安全飞行高度和飞行速度，并保持 一定飞行姿态的过程。在初始条件确定的情况下，无人 机起飞过程中的速度由助推火箭和发动机推力决定，无 人机起飞过程中的稳定性由无人机机体俯仰角决定。在 起飞阶段，无人机飞行速度较低、舵面控制效果较差, 飞行姿态对发射参数极为敏感。在气动力还不能充分起 作用的发射初期，良好的助推火箭推力线安装角是无人 机发射成功与否的关键因素之一[1]。
物体的重心方向都是竖直向下。竖直吊挂法是指将无人 机机体翻转过来，机腹朝上，通过助推火箭和机体连接 处的挂点竖直吊挂在吊挂装置上，则吊挂所用钢索的方 向必然通过无人机实际重心。因此，竖直钢索的方向即
收稿日期：2017-01-02 作者简介：杨铁江（1978 -），男，硕士，研究方向为无人机工装设计。
因此，如何进行助推火箭推力线调整，使助推火箭 推力线延长线接近或通过无人机实际重心，满足无人机 零长发射起飞时技术状态要求，就成为无人机制造过程 中亟待解决的问题之一。
2 调整方法
在实际工程应用中，经常采用的无人机助推火箭推 力线调整方法有竖直吊挂法和重心测量法两种方法。
2.1 竖直吊挂法 竖直吊挂法的理论依据来源于在重力作用下，任何
无人机助推火箭推力线调整装置及方法
A method and ajudgement device for UAV propeller launch
杨铁江，童 话，高星海
YANG Tie-jiang, TONG Hua, GAO Xing-hai
（西北工业大学 第365研究所，西安 710072）
摘 要：介绍了火箭助推发射无人机推力线调整的两种基本方法，在比较了两种方法各自优缺点的基础
上，基于重心测量法原理，研制了无人机助推火箭推力线调整装置。该装置解决了传统火箭
助推发射无人机安装助推火箭必须称重吊挂的问题，减少了人工操作环节，提高了操作安全
性。该装置安装精度经过测量验证，满足无人机助推火箭安装技术要求，能够保证无人机起
飞安全。
关键词：无人机；助推火箭；推力线；调整
中图分类号：V279
将无人机按图2所示方式支撑好后，通过调整
无人机在机身对称平面内的俯仰角，分别在0°、
+4°、-4°三种状态下测出无人机在三个支撑点处的重
竖直吊挂法的缺点： 1）对于机体尺寸较大的火箭助推发射无人机，竖 直吊挂法对吊挂场地空间尺寸要求都大幅提高。由于尺 寸变大、重量增加，无人机翻转和吊挂都变得较为困 难，吊挂安全性问题也更加突出。 2）如无人机在燃油在 未加满状态下起飞，在未满 油状态进行助推火箭推力线调整时，由于燃油流动性， 油箱中燃油在竖直吊挂状态与水平发射状态重心位置差 异较大。因此，竖直吊挂法对于未满油状态下测量误差 较大。
体重量数据，通过公式计算得出无人机实际重心的空间
坐标值。然后以实际重心坐标为依据，根据产品设计给
定的助推火箭推力线与无人机基准平面的夹角，确定助
推火箭座与无人机的相对位置。
重心测量原理如下：将无人机采用后三点式支撑，
其中前面两个支撑点为无人机前支点，后面支撑点位于
机身腹部对称面上，其支撑结构原理示意图如图2所示。
解决的问题就是要找到无人机的实际重心。在生产过程
中，由于各种制造误差积累的影响，每架装配完成的无
人机实际重心相对于理论重心都有一定偏差，因此，必
须采用添加配重等方法调整无人机接近理论重心，并实际工程应用中，通常基于力矩平衡原理，采用
三点法进行无人机重心测量。根 据三点法测量得到的机
在无人机发射前，通过调整助推火箭推力线相对 无人机实际重心的相对位置，可以产生有利于发射安全 的作用力矩。推力线纵向上偏离重心，可以产生一定的 低头力矩，以克服发射初期负迎角时较大的抬头力矩； 推力线横侧偏离重心，可以产生一定的滚转力矩，以抵 消螺旋桨转动产生的反扭矩，但同时产生的偏航力矩对 发射不利，太大的侧向偏航力矩，还会产生很大侧滑。 因此,无论是助推火箭推力线产生的抬头力矩、低头力 矩还是偏航力矩，其偏离量都必须限制在一定数值范围 内。否则，由于助推火箭推力较大，在无人机俯仰方向 产生较大的作用力矩，会造成无人机在起飞时俯仰姿态 发生改变，显著影响无人机起飞性能，从而导致发射失 败概率增大[1]。
【150】 第39卷 第2期 2017-02
为助推火箭推力线方向，根据此测量方法，就可以进行 无人机实际重心调整和助推火箭推力线的调整安装。
采用竖直吊挂法进行测量时，在无人机助推火箭座 顶锥中心设计有内螺纹，螺栓与内螺纹连接，测量筒接 头内锥面与火箭座顶锥面配合。利用钢索和螺栓将无人 机机腹朝上，竖直吊挂在吊挂装置上，则钢索方向即为 无人机实际重心方向，测量筒、测量筒接头、火箭顶锥 三者轴线方向即为助推火箭实际推力线方向。当钢索方 向与测量筒轴线方向重合时，即表示助推火箭推力线通 过无人机实际重心。当钢索方向与测量筒轴线方向有偏 差或偏差较大时，则说明无人机实际重心与理论重心偏 离较大，需对无人机配重进行调整。竖直吊挂法吊挂工 装组成示意图如图1所示。