一种小型无人机撞网吸能回收装置的制作方法

本实用新型涉及一种小型无人机撞网吸能回收装置，属于无人机回收技术领域。

背景技术：

无人驾驶飞机简称“无人机”，英文缩写为“UAV”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。

目前常见的无人机回收方式主要有伞降回收、撞网回收和着陆滑跑等类型，其中，撞网回收方式适合固定翼无人机在狭窄回收场地或舰艇上使用。国外对无人机撞网回收的研究始于20世纪70年代末，目前为止，已有“先锋”、“天鹰座/苍鹰”、“银狐”、“杀人蜂”、“侦察兵”等多型无人机成功地使用了撞网回收系统。中国国内对无人机撞网回收技术的研究始于20世纪90年代初，包括撞网回收地面拦截装置的研究、舰载撞网回收技术研究和撞网回收系统研究等。目前常用的无人机撞网回收系统主要包括拦阻网、立柱、导引索、阻尼器、拉带、牵引装置和滑轮等部分，常用的吸能关键部件为涡轮阻尼器。由于涡轮阻尼器设计复杂，制造成本较高，不适合小型无人机的回收。因此，如何设计简单、经济、有效的吸能装置回收小型无人机是现有技术有待解决的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的就在于为了解决上述问题而提供一种结构简单、效果显著的小型无人机撞网吸能回收装置。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

一种小型无人机撞网吸能回收装置，包括一张软网、多根弹簧、四根竖杆、两根第一横杆和两根第二横杆，以所述吸能回收装置回收无人机的方向为前方，所述软网除边缘外的部分后移形成袋状，所述软网的边缘形成一个四方形开口，相互平行的多根所述弹簧的一端均匀安装于所述软网的四方形开口的四边，四根所述竖杆的下端固定于地面，两根相互平行且上下分布的所述第一横杆的两端分别与前面两根所述竖杆的上端和下段连接，两根相互平行且左右分布的所述第二横杆的两端分别与后面两根所述竖杆的上端和上方的所述第一横杆靠近两端的位置连接，所述第一横杆和所述第二横杆相互垂直，多根所述弹簧的另一端均匀安装于由两根所述第一横杆和前面两根竖杆形成的四方形杆体上。使用时，无人机从软网的四方形开口进入，在弹簧拉力作用下实现缓冲，完成回收。

作为优选，四根所述竖杆、两根所述第一横杆和两根所述第二横杆均为钢管，软网一般采用塑料绳制作而成，弹簧为螺旋形弹簧；所述竖杆的高度为5m、直径为40mm、壁厚为4mm。

本实用新型的有益效果在于：

本实用新型所述小型无人机撞网吸能回收装置采用拉伸弹簧作为吸能部件，通过弹簧的塑性变形吸收无人机动能，其结构简单、便于制作、成本低廉、便于应用。

附图说明

图1是本实用新型所述小型无人机撞网吸能回收装置的立体图；

图2是本实用新型所述小型无人机撞网吸能回收装置去掉软网和弹簧后的立体图；

图3是本实用新型所述小型无人机撞网吸能回收装置的弹簧的主视结构示意图图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步说明：

如图1、图2和图3所示，本实用新型所述小型无人机撞网吸能回收装置包括一张软网2、多根弹簧1、四根竖杆、两根第一横杆和两根第二横杆，四根竖杆分别为竖杆3、5、9、10，两根第一横杆分别为第一横杆6、7，两根第二横杆分别为第二横杆4、8，以所述吸能回收装置回收无人机的方向为前方，软网2除边缘外的部分后移形成袋状，软网2的边缘形成一个四方形开口，相互平行的多根弹簧1的一端均匀安装于软网2的四方形开口的四边，四根竖杆3、5、9、10的下端固定于地面，两根相互平行且上下分布的第一横杆6、7的两端分别与前面两根竖杆3、9的上端和下段连接，两根相互平行且左右分布的第二横杆4、8的两端分别与后面两根竖杆5、10的上端和上方的第一横杆6靠近两端的位置连接，第一横杆6、7分别和第二横杆4、8相互垂直，多根弹簧1的另一端均匀安装于由两根第一横杆6、7和前面两根竖杆3、9形成的四方形杆体上；四根竖杆3、5、9、10、两根第一横杆6、7和两根第二横杆4、8均为钢管，软网2一般采用塑料绳制作而成，弹簧1为螺旋形弹簧；竖杆3、5、9、10的高度为5m、直径为40mm、壁厚为4mm。

如图1所示，使用时，无人机从软网2的四方形开口进入，在弹簧1的拉力作用下实现缓冲，完成回收。

为了对本实用新型所述小型无人机撞网吸能回收装置的回收能力进行验证，下面以优选设计方法和一个应用实施例进行具体说明，但下述方法并非唯一设计方法，不是本实用新型的保护对象。

结合图1-图3，本实用新型所述小型无人机撞网吸能回收装置的设计方法，包括以下步骤：

(1)计算无人机动能：

撞网时刻无人机飞行速度V₀，无人机质量m，通过公式(1)计算无人机动能：

式中，U_uav为无人机撞网时刻的动能，单位J；

(2)计算弹簧1的结构参数，包括以下步骤：

(2.1)设定弹簧1的数量n、弹簧1的簧丝直径d、弹簧1的圈数n_s；

(2.2)由弹簧1的数量计算竖杆3、5、9、10(下文直接以“竖杆”表示其中一根竖杆或所有竖杆，不用标记数字)的弹性能U_re；

本步骤具体计算方法为：

竖杆受弹簧1的拉力产生弹性变形，通过公式(2)计算每根竖杆的应变能：

式中：U_re为竖杆在弹性段的应变能，单位J；M_re为竖杆横截面的弯矩，单位m².N；G_r为竖杆材料的剪切模量，单位P_a；J_rp为竖杆横截面的极惯性距，单位m⁴；l_r为竖杆高度，单位m；

(2.3)由弹簧1的簧丝直径d计算弹簧1的弹性能U_se；

本步骤具体计算方法为：通过公式(3)计算每个弹簧1在弹性段的应变能：

式中：U_se为弹簧1在弹性段的应变能，单位J；M_se为弹簧1的簧丝开始屈服时刻对应的簧丝横截面的扭矩，单位m².N；G_s为弹簧1的簧丝的剪切模量，单位P_a；J_sp为弹簧1的簧丝横截面的极惯性距，单位m⁴；l为弹簧1的簧丝长度，单位m；

(2.4)由弹簧1的数量、竖杆弹性能U_re和弹簧1的弹性能U_se计算弹簧1的塑性能U_sp；

本步骤具体计算方法为：

通过公式(4)计算弹簧1的塑性段的应变能：

式中：N为竖杆数量，本例为4，n为弹簧1的数量；

(2.5)判断弹簧1的塑性能U_sp是否小于等于零；

(2.6)若步骤(2.5)的判断结果为是，则返回步骤(2.1)，或减小弹簧1的数量n，或减小弹簧1的簧丝直径d，或者减小弹簧1的圈数n_s；

(2.7)若步骤(2.5)的判断结果为否，则由弹簧1的塑性能U_sp计算弹簧1的簧丝扭转角变化ΔΦ；

本步骤具体计算方法为：

假设弹簧1的簧丝为理想塑性材料，通过公式(5)计算弹簧1的簧丝塑性段的扭转角增量：

式中：ΔΦ为弹簧1的簧丝塑性段的扭转角增量；T_se为弹簧1的簧丝塑性段扭转力矩，单位N.m；

(2.8)由弹簧1的簧丝直径d、弹簧1的圈数n_s计算弹簧1的中径D；

本步骤具体计算方法为：

通过公式(6)计算弹簧1的中径：

式中：D为弹簧1的中径，单位m；τ_se为弹簧1的簧丝剪切屈服强度，单位P_a；d为弹簧1的簧丝直径，单位m；n_g为无人机回收最大过载；g为重力加速度，单位m/s₂；m为无人机质量，单位kg；n为弹簧1的数量；

(2.9)由簧丝扭转角变化ΔΦ、弹簧1的中径D计算弹簧1的塑性拉伸长度H；

本步骤具体计算方法为：

通过公式(7)计算弹簧1的塑性拉伸长度：

式中：H为弹簧1的塑性拉伸长度，单位m；

(2.10)由弹簧1的圈数n_s计算弹簧丝长度L；

(2.11)判断弹簧1的塑性拉伸长度H是否大于弹簧丝长度L；

(2.12)若步骤(2.11)的判断结果为是，则返回步骤(1)，或增大弹簧1的数量n，或增大弹簧1的簧丝直径d，或者弹簧1的圈数n_s；

(2.13)若步骤(11)的判断结果为否，则完成弹簧1的结构参数计算。

结合图1-图3，下面以一个具体实施例说明本小型无人机撞网吸能回收装置的设计过程：

小型无人机质量4kg、撞靶速度20m/s、展长1m，要求最大回收过载为10。

步骤一：弹簧1的簧丝材料按照《一般用途低碳钢丝YBT-5294-2006》选取，则弹簧簧丝材料的弹性模量E约200GPa，剪切模量G约77GPa；

步骤二：按公式(1)计算无人机撞靶动能为800J；设定弹簧1的数量为18个、弹簧1的簧丝直径Ф3.55mm，弹簧1的圈数10；由公式(2)～公式(7)计算得到弹簧1的塑性能41J，弹簧1的塑性拉伸长度3.7m，弹簧1的丝长度4.7m，弹簧1的塑性能大于零，并且弹簧1的塑性拉伸长度H大于弹簧1的弹簧丝长度L，选定的弹簧1的材料和设定的弹簧1的结构参数满足要求。

根据获得的弹簧1的结构参数开展回收试验验证，试验表明，本吸能回收装置实现了质量4kg、撞靶速度20m/s的无人机的回收，回收最大过载10.1g。

上述实施例只是本实用新型的较佳实施例，并不是对本实用新型技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本实用新型专利的权利保护范围内。