压缩空气弹射系统实验与仿真.pdf

第 12 卷 第 6 期2023 年 6 月Vol.12 No.6Jun.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology压缩空气弹射系统实验与仿真刘夏1,2，张新敬2,3,4,5，李笑宇2,3，徐玉杰2,3，徐谦6，陈海生2,3（1江苏大学流体机械工程技术研究中心，江苏 镇江 212013；2中国科学院工程热物理研究所，北京 100190；3中国科学院大学，北京 100049；4中科院工程热物理研究所南京未来能源系统研究院，江苏 南京 211135；5中国科学院轻型动力创新研究院，北京 100190；6江苏大学能源研究院，江苏 镇江 212013）摘要：弹射起飞能够有效降低无人机起飞阶段的能量消耗，增加有效载荷，提升巡航里程。本研究以固定翼无人机压缩空气弹射系统为研究对象，开展实验与仿真研究。基于MATLAB总体热力学设计，本工作成功研制了压缩空气弹射器样机，开展了详细的实验测试；并进一步建立动态仿真模型，把握其气动作用过程。本研究获得了无人机弹射过程中的压力变化及速度、加速度以及位移等运动参数随时间的变化曲线，详细分析了弹射过程中压缩空气的流动规律及其对活塞的作用过程，并分析了不同工作压力对弹射器性能的影响。本研究详细分析了弹射器的具体工作过程与弹射性能，实验测试结果表明：最终搭建的弹射器样机可实现50 kg无人机以25.11 m/s的速度弹射起飞；并通过仿真研究获得了其气动作用机理。关键词：压缩空气弹射；弹射器样机研制；实验测试；动态仿真doi：10.19799/ki.2095-4239.2022.0743 中图分类号：TJ 768.2 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2023）06-1831-09Experimental and simulation study of a compressed air ejection systemLIU Xia1,2,ZHANG Xinjing2,3,4,5,LI Xiaoyu2,3,XU Yujie2,3,XU Qian6,CHEN Haisheng2,3(1Research Center of Fluid Machinery Engineering and Technology,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,Jiangsu,China;2Institute of Engineering Thermophysics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China;3University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China;4Nanjing Institute of Future Energy System,IET,CAS,Nanjing 211135,Jiangsu,China;5Innovation Academy for Light-duty Gas Turbine,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China;6Institute for Energy Research,Jiangsu University,Zhenjiang 212013,Jiangsu,China)Abstract:Catapult launching can effectively reduce the energy consumption of UAVs in the take-off stage,increase the payload,and improve cruising mileage.This study investigated the compressed air ejection system for fixed-wing UAVs through experiment and simulation.Based on the overall thermodynamic design of MATLAB,the compressed air catapult prototype was established successfully,and detailed experimental tests were conducted to evaluate its performance.A dynamic simulation model was further established to grasp its aerodynamic action process.The variation curves of pressure and motion parameters such as velocity,储能系统与工程收稿日期：2022-12-12；修改稿日期：2022-12-30。基金项目：北京市自然科学基金（JQ21010），国家杰出青年科学基金项目（51925604），国家重点研发计划项目（2018YFE0117300）。第一作者：刘夏（1999），女，硕士研究生，主要从事压缩空气弹射方面的科研工作，E-mail：；通讯作者：陈海生，研究员，博士，主要从事压缩空气储能关键科学问题研究，E-mail：chen_hs 。引用本文：刘夏,张新敬,李笑宇,等.压缩空气弹射系统实验与仿真J.储能科学与技术,2023,12(6):1831-1839.Citation：LIU Xia,ZHANG Xinjing,LI Xiaoyu,et al.Experimental and simulation study of a compressed air ejection systemJ.Energy Storage Science and Technology,2023,12(6):1831-1839.2023 年第 12 卷储能科学与技术acceleration,and displacement in the launching process of UAVs were obtained.The different parameters,like the effects of different working pressures on the performance of the catapult launch prototype,concrete working process,ejection performance of the catapult launch prototype,and the flow characteristics of compressed air and its effect on the piston were analyzed in detail.The experimental test results show that the catapult prototype can realize the catapult take-off of the 50 kg UAVs at a speed of 25.11 m/s.Similarly,its aerodynamic mechanism is obtained through simulation research.Keywords:compressed air ejection;development of catapult prototype;experimental test;dynamic simulation无人机压缩空气弹射技术是利用压缩空气的内能转化为活塞的动能，进一步带动无人机运动，它能在短时间内实现无人机的加速，达到无人机的飞行速度。无人机应用范围广泛，涵盖多个领域，但其起飞阶段能量消耗占比较高，缩短了无人机续航时间以及降低了无人机的有效载荷1-2，因此亟需合适的助力发射方式。目前无人机常用的起飞方式包括火箭助推、滑跃起飞、垂直起飞、弹射起飞、手抛发射及空中投放等3-4。压缩空气弹射技术相较于其他弹射方式，如弹力弹射、液压弹射、蒸汽弹射及电磁弹射等5-6，具有能量密度高、结构简单、机动性强、红外暴露小、成本低廉以及重复性好等优点7。相较于无人机自力起飞，压缩空气弹射可以有效地避免高温排焰，延长发射设备的寿命；减少对场地的约束，提高无人机停放数量，增强无人机群战斗力8；并且可以降低无人机起飞过程的能量消耗，提升其有效载荷且增加巡航里程。由于压缩空气弹射作用时间很短，在较高气源压力下，瞬时流量大9，弹射器的参数选择及整体设计是一大难点。因此，基于实验与仿真方法，把握弹射过程中的弹射体运动状况以及腔室、气路中的气体流动规律显得尤为重要。目前国外在压缩空气弹射器研发方面比较领先的有美国、英国、芬兰以及西班牙等少数发达国家。如美国的Mark4弹射器，应用于美国“扫描鹰”和“综合者”无人机系统。英国梅吉特防务系统公司的“大力士”气动弹射器，采用低压充气系统，可以实现以55 m/s的速度发射250 kg无人机的目标。芬兰罗伯尼克公司研制的“孔蒂奥”弹射器，可以发射重量50500 kg全系列飞行器，包括战术无人机及发射靶机等；其开发的MC系列弹射器可支持以37 m/s的速度完成500 kg无人机的弹射起飞作业。此外，西班牙Aries公司研制的HERCULES AH-01型号弹射器，可以实现最大弹射质量500 kg，最大速度65 m/s的弹射任务5,10。国内学者主要围绕压缩空气弹射内弹道特性研究、弹射器结构设计以及弹射系统控制等方面展开相关理论及实验研究。尤其在内弹道特性研究方面，主要针对筒式发射，基于不同的研究方法并且面向不同发射对象，进行了大量弹射器影响参数研究。方九如11和丛龙腾12都以超近程防御武器系统压缩空气发射为背景，利用流固耦合仿真方法对不同空气压力、泄流面积以及内弹道长度等参数条件下的内弹道特性展开研究。李军等13利用有限元分析软件建立了大口径火箭弹压缩空气发射装置的仿真模型，从能量角度出发进行参数分析，并考虑了泄漏带来的能量损耗。谢磊等14利用Fluent软件建立了直筒式压缩空气弹射装置1/4网格模型，在先前研究基础上考虑了初始温度对弹射装置内弹道特性的影响。李博平等15建立直筒式压缩空气弹射装置内弹道数学模型，在MATLAB中实现了发射阀全开时间以及阀最大流通面积等参数的仿真计算。刘南宏等7开展筒式压缩空气弹射系统仿真与实验研究，通过初始参数设计搭建原理实验台并完成不同质量下的弹射实验，验证了其仿真模型的准确性，为压缩空气弹射器样机的研制提供有效理论参考。范奥博16以一种巡飞无人机的压缩空气单兵弹射为研究背景，基于流固耦合仿真软件分析了泄流因素对单兵筒式武器内弹道特性的影响以及弹射击发时的活塞碰撞应力情况，并在此基础上试制样机展开试验，最终实现4.5 kg巡飞无人机以52 m/s左右的速度发射。此外，Ren等17针对高压气动弹射器工作时面临的气压、温度急剧变化情况，建立了基于Peng-Robinson方程的真实气体理论模型，该模型1832第 6 期刘夏等：压缩空气弹射系统实验与仿真考虑了动态泄漏及气体与金属壁之间强制对流传热的影响并得到了试验验证，为研究高精度高压气动弹射器提供了方法。徐张宝18针对高压气动弹射过程中存在的强非线性以及模型不稳定等控制问题，结合理论与实验方法深入研究并提出了一种子系统控制策略。相较于大量的筒式发射研究，李德庚等19、张钊20、黄国勤等21、李士军等22、罗江雪等23则针对无人机发射，基于仿真分析方法开展了导轨气压弹射装置研究。其中，李德庚等19基于数学仿真方法进行了主要影响参数分析，并关注了发射倾角对无人机加速过程的影响。张钊20进行了无人机弹射系统设计以及批量化弹射方案的研究。黄国勤等21、李士军等22则主要针对一种楔形轨道弹射装置进行系统结构上的仿真优化设计。罗江雪等23基于Ansys Workbench进行了弹射架风振研究。国外在压缩空气弹射领域已具备相对成熟的产品加工技术，并已应用于军事领域。而国内的大多研究仍处在筒式发射的理论研究或关键部件实验阶段，相较于筒式发射，导轨弹射增设了增速滑轮组、牵引装置、缓冲装置以及导轨等部件，在实现牵引无人机平稳加速和滑车制动以及完成样机组装及运输等方面，增加了理论设计以及实验实施难度，迄今也未形成具有一定市场规模的导轨式无人机用压缩空气弹射器产品24。因此，基于上述研究，本工作开展了无人机用压缩空气弹射器样机的研制以及实验与仿真研究，成功研制适用于中小型固定翼无人机的压缩空气弹射器样机并开展了性能测试，进一步建立仿真模型进行动态分析，结合实验结果，详细分析弹射器瞬态工作过程的气动作用原理，揭示了压缩空气弹射器气动作用机理。1 压缩空气弹射系统1.1系统工作原理无人机压缩空气弹射系统如图1所示。在弹射准备阶段，无人机及滑车被固定在初始位置，压缩机向高压储气罐充气，达到目标压力时停止充气。弹射开始时，闭锁机构释放滑车及无人机。通过气阀控制，压缩气体瞬间从储气罐充入动力气缸推动活塞做功并通过增速滑轮组带动滑车及无人机加速，加速后期无人机达到失速速度离开小车实现起飞，滑车则在缓冲装置作用下实现减速制动。1.2热力学模型由于在压缩空气弹射实际作用过程中，真实气体的流动情况较为复杂，为简化模型，本研究中均采用理想气体模型，且不考虑泄漏。在储气装置充放气过程中，根据质量守恒定律和能量守恒定律可得25：dmdt=m in-m out(1)d(mu)dt=m inhin-m outhout-kcA(T-Tenv)(2)式中，m in、m out为储气室(储气罐、储气缸)充放气时的空气流量。储气罐释气过程中m in=0。m为储气室内的气体质量，t为时间，u为空气比内能，h为空气比焓，T为储气室内空气温度，Tenv为环境温度，kc为储气室内空气与环境的换热系数，A为储气室的换热表面积。储气罐气体流向气缸过程中，空气流经气阀，该过程为一维等熵流动，并由质量流量计算方程可将其进一步分为亚声速流动和超声速流动26-28：Qm=S2Phh-1r2-r+1r 0.5283S2Phh+1()2+11-1r 0.5283(3)式中，为流量修正系数，S为阀流通截面积，Ph为储气罐气体压强，h为储气罐气体密度，为空气绝热指数，r为进出口压比。无人机及气缸活塞运动情况的运动学公式如下：其中不考虑无人机所受发动机推力及所受空气阻力，获得的无人机受力分析：(m1+m2)d2l1dt2=F-fs-Gsin(4)图1无人机压缩空气弹射系统Fig.1UAV compressed air ejection system18332023 年第 12 卷储能科学与技术式中，m1为无人机质量，m2为滑车质量，l1为无人机运动位移，t为无人机运动时间，F为无人机及滑车所受牵引力，fs为滑车及无人机所受摩擦阻力，G为无人机及滑车所受总重力，为发射倾角。活塞受力分析：m3d2l2dt2=Ap-fs-Gsin -FZ(5)式中，m3为活塞质量，l2为活塞运动位移，A为活塞截面积，p为活塞两侧压差，fs为活塞与气缸壁间的摩擦阻力，G为活塞所受重力，FZ为活塞所受负载。二者之间的联系：l1=nl2(6)Fz=nF(7)式中，n为传动比。2 实验与仿真研究2.1压缩空气弹射器设计针对50 kg固定翼无人机用压缩空气弹射器，通过建立热力学模型，并在MATLAB中进行设计参数仿真计算。其计算结果表明：在一定参数范围内，储气罐体积、初始压强、弹射筒直径及轨道长度与弹射速度呈正相关，并且在上述参数中仅轨道长度与弹射过载呈负相关，弹射角度对弹射器性能影响较小。此外，因为本实验的设计目标在于实现20 m/s以上的弹射速度，即该值不小于弹射无人机的失速速度，在该衡量标准下进行弹射器参数选取，因此综合考量，最终得到的参数选取结果见表1。设计的无人机用压缩空气弹射器样机如图2所示，该弹射器包含的实验部件主要有高压储气罐、气缸、增速滑轮装置、弹射导轨、缓冲机构等。其他实验设备及零部件还包括压力传感器、速度传感器以及数据采集系统等。2.2实验测试及数据采集方案本实验测试主要分为三个阶段，即弹射准备阶段、弹射起飞阶段以及弹射完成阶段，如图3所示。在弹射准备阶段，展开弹射架并调整到适当弹射倾角，无人机位于弹射起始位置。弹射起飞阶段，开启电磁阀，同时释放无人机滑车，实现无人机加速飞行。无人机离开弹射轨道即弹射完成。实验记录的数据主要包括压力及无人机运动过程参数等。压力测量选用美国通用电气UNIK5000型压力传感器(图4)。运动参数的获取主要通过加速度传感器实现。实验直接测得的数据为加速度，而速度和位移分别通过对加速度计算间接求得。2.3仿真模型搭建对无人机弹射系统进行仿真分析，在流固耦合仿真软件中建立包括储气罐、连接管、气缸以及活塞等部件对应的仿真模型，模拟气路作用过程。流体域均建立为欧拉域，在该软件系统中欧拉域默认边界为刚性边界，在气缸模型最右端进行出口边界设置，活塞所在固体域则建立为拉格朗日域。最终通过传动比折算由活塞的运动情况间接得到无人机表150 kg无人机压缩空气弹射器参数选取结果Table 1Parameter selection results of compressed air catapult for 50 kg UAV参数储气罐体积储气罐初始压强弹射筒直径轨道长度传动比弹射角度单位mkPamm取值0.18000.255651015图2无人机压缩空气弹射器结构示意图Fig.2Structure diagram of UAV compressed air catapult图3无人机压缩空气弹射过程示意图Fig.3UAV compressed air ejection process diagram1834第 6 期刘夏等：压缩空气弹射系统实验与仿真的运动参数。此外，由于管路为轴对称结构，为简化分析，在仿真软件中搭建网格模型进行计算，该模型运行的总节点数为115110，如图5所示。3 实验与仿真结果分析3.1压力变化分析图610显示了仿真与实验结果。如图6所示，可以看出当阀门开启后，储气罐内的高压空气在短时间内释放，使得储气罐内的压力变化近似线性下降，至弹射终了，储气罐内的剩余气体压强仍占初始压强的68.3%。并且仿真与实验结果吻合较好，该仿真方法能够应用于弹射器的气动作用过程分析。3.2无人机运动参数分析图7所示为无人机的加速度变化曲线，弹射开始时加速度值骤增并迅速上升到峰值，随后逐渐下降，实验与仿真条件下的加速度曲线变化趋势较为一致。加速度的变化主要由活塞两侧的压差决定，弹射初始时刻，由于阀门开启，储气罐内的高压空气在短时间内涌入储气缸，使得活塞左侧的压力迅速增加，活塞两侧的压差迅速增加到最大值。随着活塞的进一步运动，储气缸容积增加，活塞左侧压力下降，活塞两侧压差减小，从而使得加速度减小。仿真与实验结果相比，加速度的响应时间提前，这是由于仿真相较于实验更趋向于理想过程，在弹射开启瞬间即刻响应；而在实验过程中由于电磁阀完全开启需要一定的时间，因此造成了初期加速度变化上的滞后。并且在弹射后期，实验加速度的变化还出现了一定的波动，考虑这是由于在实验过程中部件间振动等因素导致。图8所示为无人机的速度变化曲线，无人机的弹射速度随着时间的增加不断增大，同时速度增幅图7无人机加速度变化曲线对比Fig.7Comparison of UAV acceleration curve图5无人机压缩空气弹射2D仿真模型示意图Fig.5Schematic diagram of 2D simulation model of UAV compressed air ejection图6储气罐压力变化曲线对比Fig.6Comparison of pressure change curves of gas storage tanks图8无人机速度变化曲线对比Fig.8Comparison of UAV velocity curve图4UNIK5000型压力传感器Fig.4UNIK5000 pressure sensor18352023 年第 12 卷储能科学与技术减小。仿真结果与实验结果二者吻合较好。在弹射初期，由于响应时间的影响，与加速度变化曲线相对应，同时刻下的仿真速度较实验速度增长较快。仿真条件下的弹射末速度为24.74 m/s，实验值为25.11 m/s，误差约为1.5%，在容许误差范围内。图9所示为无人机位移随时间的变化曲线，仿真与实验的变化趋势一致，位移与时间呈近二次函数关系，前期位移增长速度较缓，后期不断增加。此外，结合图10所示的位移速度曲线分析，弹射速度随位移变化不断增大，且加速过程主要集中在弹射行程的前期，后期速度增长变缓，这仍是受活塞两侧的压力变化影响，因为随着活塞位移的不断增加，储气容积不断扩展，活塞左侧压力进一步下降，从而造成相同位移变化下的速度增长逐渐放缓。3.3压缩空气流动过程分析3.3.1设计参数分析对于无人机压缩空气弹射系统而言，影响无人机运动特性的主要因素来自于活塞两侧的气体压力变化，而活塞右侧为常压区，因此为了更好地把握无人机的运动规律，只需对储气缸内的气体变化情况进行分析。图11展示了不同时刻储气缸内的气体压力云图以及速度矢量分布情况。由图11可知，储气缸内的气体压力在弹射初期达到最大，随后逐渐降低。并且几乎在整个弹射阶段，气缸内的高压区分布都在局部与整体之间往复变化。这是由于在不同弹射阶段，活塞左端面处的气体运动不同程度受阻集聚，从而形成局部的高压区，并在压差的驱动下不断改变分布区域。而在355 ms之后，气缸内的压力变化逐渐趋于稳定，直至388 ms弹射结束，气缸内的压力分布再无明显变化，如图11(c)所示。弹射初期510 ms内，来自储气罐的高压空气尚未到达活塞壁面，具有较大的来流速度，并且越靠近轴心处的气体流速越大，易产生较大的速度波动，如图11(a)所示。随着弹射时间的不断推移，到达活塞左侧的流体在活塞端面减速升压，并进一步驱动活塞运动，同时流体在活塞端面由中心向四周扩展，进而沿着气缸壁面回流，到弹射中后期，在整个空间内形成涡流，流体速度分布也逐渐均匀，如图11(b)、(c)所示。3.3.2参数敏感性分析为了进一步分析储气缸初始压力对无人机运动的影响情况，搭建三组仿真模型，设定储气罐初始压力无量纲数为1.25，储气缸初始压力无量纲数分别为1.25、0.9以及0.55，以位移为横坐标，分析不同初始缸压下的储气缸压力变化以及无人机运动情况。如图12所示，储气缸压力变化整体呈先上升后下降的趋势，随着初始值降低，压力变化曲线逐渐变缓。图13所示为三组参数下的无人机速度及加速度变化曲线。不同初值条件下完成弹射所需的时间依次为 340 ms、388 ms 和 489 ms，气缸充气压力不同，其弹射时间不同。此外，从图中可以看出，加速度变化曲线与储气缸压力变化曲线基本一致，加速度峰值随初始缸压的增加而增大，同时更高压力下的加速度衰减也更快，变化更为剧烈。速度与初始缸压呈正相关，但随着缸压的进一步提升，同时刻下速度的增幅将会减小。如缸压从0.55提升到0.9，末时刻速度提升了20.5%；但从0.9提升到 1.25，末时刻速度只提升了 12.2%。因此在具图9无人机位移变化曲线对比Fig.9Comparison of UAV displacement curve图10无人机速度-位移变化曲线对比Fig.10Comparison of UAV velocity-displacement curve1836第 6 期刘夏等：压缩空气弹射系统实验与仿真体实验过程中，需要综合考虑发射条件，即无人机发射目标、无人机所能承受的最大过载、气缸承压以及预充气压的经济性，进行合理的初始缸压设定。由于储气缸压力变化在前期有明显差异，故截取10 ms时刻的速度矢量分布图进行对比分析，如图14所示，在弹射初始时刻，当储气罐压力一致时，储气缸压力越小，靠近轴心处的流体速度越大，这是因为在更大的压力梯度下气体的流速增大。因此反过来当初始缸压越大，储气罐气体的流图11储气缸各时刻气体压力云图及速度矢量分布Fig.11Gas pressure cloud diagram and velocity vector distribution at each time of cylinder图12不同初始缸压下储气缸压力变化曲线Fig.12Cylinder pressure change curve under different initial cylinder pressure图13不同初始缸压下运动变化曲线Fig.13Motion curves under different initial cylinder pressures18372023 年第 12 卷储能科学与技术入速度更慢，而活塞两侧又由于压差增大，位移更快，使得储气缸容积扩展更快，两方面因素共同作用使得较高缸压下的气体压力衰减加剧。4 结论本工作介绍了压缩空气弹射器的研制、实验以及仿真分析，成功研制基于压缩空气动力的无人机弹射器样机，并开展了详细的实验与仿真分析，解析了弹射器工作过程参数变化以及气动作用过程，同时研究了不同参数对弹射器性能的影响，得出的主要结论如下。（1）成功研制了无人机压缩空气弹射系统样机，并开展实验研究，实现了50 kg无人机以25.11 m/s的速度弹射。（2）仿真模型的运行结果与实验值吻合较好，储气罐压力变化基本一致，无人机弹射速度误差控制在1.5%内，验证了仿真模型的准确性。（3）研究获得了压缩空气弹射器工作过程的压力、速度、加速度等参数的变化规律，进一步分析把握了气缸内部压缩空气对活塞的作用过程，揭示了弹射过程中压缩空气的作用机理。（4）在一定范围内，储气缸压力与无人机速度、加速度变化呈正相关。储气缸压力设定过高，对气缸及无人机的结构强度要求增加，加速度峰值过高且衰减较快，不利于弹射过程的平稳运行；设定过低，弹射时间延长，弹射速度减小。因此需要综合考虑，设定合理的储气缸初始压力。参 考 文 献1 GAO Y J,YU H R,WU J.Launch scheme and control law design of small tube launched UAVC/2021 China Automation Congress(CAC).October 22-24,2021,Beijing,China.IEEE,2022:8154-8158.2 ROSTAMI M,DEHGHAN MANSHADI M,AFSHARI E.Performance evaluation of two proton exchange membrane and alkaline fuel cells for use in UAVs by investigating the effect of operating altitudeJ.International Journal of Energy Research,2022,46(2):1481-1496.3 叶帅辰,姚晓先.无人机自力起飞方式研究J.火力与指挥控制,2019,44(4):6-11.YE S C,YAO X X.Self-power take-off method of unmanned aerial 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