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浅谈超轻型共轴双旋翼载人飞行器在消防救援应用中的设计研发思路

2018/6/5 9:54:34 次浏览

浅谈超轻型共轴双旋翼载人飞行器在消防救援应用中的设计研发思路

孟凡亭12 高吉忠1

 

1. 天津京东智联科技发展有限公司,天津 300202

2. 宝德(天津)安防科技股份有限公司,天津 300457)

摘要:简要分析了当前国内外载人飞行设备的发展情况,提出载人飞行器在消防及安全生产领域应急救援中的应用场景,分析载人飞行器的组成结构,关键参数的设定,为未来应急救援搜救、侦查提供一种新思路。

关键词:消防:救援:共轴双旋翼:载人飞行器

1 引言

近年来,随着科技的飞速发展,国内外通用航空产业方兴未艾,发达国家相继研发了各具特色的单人飞行器,如大家比较熟悉的马丁飞行背包(图1),德国人研制的多旋翼载人飞行器(图2),日本人研制的单人飞行器(图3),以及我国研制的单人飞行器(图4)。这些飞行器,或者尚在研发过程中,或者因重量、体积、使用环境等原因,虽然关注者众多,市场应者寥寥。

 

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2载人飞行器设计思路

笔者结合我国通航领域和安全生产工作的实际需要,设计一种超轻型共轴双旋翼单人飞行器,采用旋翼机起降方式,具有较轻的空重、快捷地起降以及合理的速度、飞行高度和续航时间,满足应急、公安、文化等部门实际应用的需要。

2.1  抢险救援。

由担负抢险救援任务的政府部门配备,一旦发生灾害事故,飞行器可凭借快速、高效、垂直起落、不受道路影响等优势快速到达水、陆路不可通达的作业现场,实施空中侦查、搜索救援、辅助指挥、物资运送等工作。

2.2  交警巡逻。

平时飞行器放在交警巡逻车内,一旦遇到突发事故,交警迅速使用飞行器从空中飞赴事故地点,避开地面拥堵路段,第一时间赶赴现场、处置事故、疏导交通,提高出警效率。

2.3  避难逃生。

面对中高端个人用户,平时放在工作和休息场所,一旦发生地震、火灾等灾害事故,用户通过飞行器迅速逃离灾害现场,最大限度减少人员伤亡。

2.4  文化娱乐。

可在山地、平原等旅游场所配备使用,用作往返运输、登高望远的工具,还可以作为影视制作中高空摄影取景的专用工具。

3 研发内容和技术创新

该型号飞行器是基于专利《双旋翼高楼逃生飞行器》(CN201610229737.X)(如图5所示)结合飞行器结构布局及人机工程学研制的。其技术创新点如下:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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3.1  共轴双旋翼系统

气动布局上,该型号单人飞行器采用共轴反桨双旋翼直升机旋翼系统,无尾翼结构,飞行器的航向操纵靠上下两旋翼总距的差动变化来完成。

3.2  站立式操作

为了便于交警使用,采用站立模式,依靠站立式缓冲设备来保护人员在着陆时的人身安全。

3.3  操作系统

该型号飞行器拟采用智能操作界面,集成环境感知、自动或手动操作、信息传输/记录等功能。

4  主要技术和经济指标

从技术指标的要求出发,把系统的可靠性、稳定性以及飞行器的安全性放在首位,充分体现轻便、实用、可靠、先进的特点。在满足要求的前提下,尽量采用已有的、比较成熟的技术和经过认证的设备,同时适量引进前沿设备和理念。经过精心设计和合理配置,最大限度发挥各系统能力,使产品具有高效率,低成本,实现系统模块化、标准化、提高设备小型化水平。努力做到结构紧凑、使用方便、满足使用要求。拟研制具有如下使用环境、技术和经济指标的飞行器:

4.1 任务

抢险救援、交警巡逻、避难逃生、文化娱乐

4.2 主要技术指标

4.2.1  使用环境:

1)大气环境:

使用温度:-20℃~+40℃

相对湿度: 30%~90%

压力:≥95KPa

风速:小于4级

2)气象条件:

使用条件:白天

天气情况:无雨

3)污染环境:

污染指数≤100

4)安装环境:

电磁火:在无电磁干扰的环境下进行安装

5)地面环境:

一般城市用地

4.2.2  基本性能指标(设计目标)

旋翼直径:3m

旋翼轴转速:700转/分钟

高:2.5m

最大起飞重量: 250Kg

空机重量:170Kg

商用载荷:80Kg

最大平飞速度:80 Km/h

经济巡航速度:60 Km/h

最大前爬升速率:3m/s2

最大爬升高度:500m

续航时间:30min

最大悬停高度:300m

最长悬停时间:5min

4.2.3  预估重量

1)空机重量:

1)旋动系统:

桨叶:1.5Kg×4

传动系统:60Kg

2)机体结构

桁架结构:20Kg

机身外形:5Kg

标准件:5 Kg

3)动力系统:

发动机:50Kg

油箱及燃油:25Kg

4) 飞控系统

人员操纵装置:5Kg

控制装置:5Kg

连接电缆:5Kg

2)有用载荷:

商用载荷:≤100Kg

4.2.4  操控方式

1)控制方式:电传控制

2)总距油门杆(左手摇杆)——升降控制:               前推——上升

后拉——下降

居中——高度不变(悬停或平飞状态)

左推——左转

右推——右转

3)周期变距杆(右手摇杆)——飞行方向控制:

前推——前飞

后拉——后退

左推——左移

右推——右移

1) 左杆按键功能:

左一(红电源标志):36V电源开关,电机开关,控制旋翼转动

左二(蓝电源标志):24V电源开关,控制主板、频闪灯、摄像头

左三(绿光标志):强光灯开关,控制手臂灯、探照灯、底盘灯

左四(白光标志):屏幕开关

2) 右杆按键功能:

右一(上绿钮):通电自检功能键,开机后启动用于检测机械部件是否运转正常

右二(下绿钮):预留

右三(黄钮):飞行状态锁紧功能键

右四(红钮):旋翼弹射及降落伞打开开关,只有在旋翼停止转动的情况下才可以工作

          

左手摇杆                                      右手摇杆

4.2.5  飞控系统

1)功能

双飞控系统

智能系统:

1)航电系统加电自检功能

2)飞行状态锁定功能

3)自动蔽障功能

4)到达指令地点,自动进入悬停状态

5)外部环境不适合起飞时,自动锁死旋翼系统,不执行起飞任务

自动报警系统:

1)剩余电量临界(当电量剩余20%时)

2)障碍物提示

3)到达指令地点提示

4)当飞行前温度、湿度、风速等不具备起飞条件

2)界面显示

1)飞行环境相关参数:湿度、温度、风速、气压、周围环境

2)飞行性能相关参数:飞行速度、高度、位置、航线、指令地点、剩余电量、电机转速、飞行时间、舱内温度

 

飞控界面

4.3  使用功能

旋翼系统:共轴双旋翼反桨式

操控系统:自动飞行模块与人员干预操控之间可切换模式

显示系统:周围环境、飞行模块、系统状态之间切换屏显

自动避障系统:激光或远红外装置自动感应,调节操控系统,重新编程飞行模块。

自动报警系统:自动切换显示系统,显示报警内容,同时采用语音提示。

远程数据传输:通过摄像装置、GPS(或北斗)定位,实时画面和信息数据传输到指定接收站,以便总部直接决策;也可以总部或指挥站直接发布声音指令给执勤交警;记录飞行状况、外部环境。

外放高分贝扬声器:交警可以空中语音指挥或指导汽车驾驶员行驶。

兼容信号控制接口:通过接入设备,来完成信号发射。可以用来控制道路信号灯、电子交通警示牌、电子眼、违章拍照等。

应急安全保障系统:桨叶或旋动系统故障时,减速器紧急制动,降落伞迅速打开,使驾驶员安全着陆。

4.4  外形描述:

该型号飞行器操作员采用站立式操作,站立于踏板上。采用上下各两片桨叶的共轴双旋翼式飞行系统。内部传动系统,操纵系统,动力系统及飞控系统置于系统舱内。下面采用半环式起落架。

4.5  关键技术

该飞行器需要解决的关键技术主要有以下几点:

4.5.1  旋动系统:共轴双旋翼气动系统操纵系统以及传动系统相对复杂。

4.5.2  整体布局:由于该型号飞行器需要满足便携性要求,这就给该飞行器内部各部件的布局带来了难度,既要满足结构紧凑的要求又要利于各部件的散热。

4.5.3  操作系统:该型号飞行器拟采用智能操作界面,集成环境感知、自动或手动操作、信息传输/记录等功能。

 


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