四氟乙烷弹射无人机试验及仿真

doi:10.7527/S1000-6893.2024.30085

流体力学与飞行力学

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四氟乙烷弹射无人机试验及仿真

王志富¹^,²^,³, 姚术健¹^,²^,³(), 鲁寨军¹^,²^,³, 钟睦¹^,³, 王瑞峰²^,³

^1.中南大学交通运输工程学院，长沙 410075
^2.中南大学极端流动力能前沿科学中心，长沙 410075
^3.中南大学轨道交通安全教育部重点实验室，长沙 410075

收稿日期:2024-01-02 修回日期:2024-01-19 接受日期:2024-02-20 出版日期:2024-03-14 发布日期:2024-02-27
通讯作者: 姚术健 E-mail:yaoshujian@126.com
基金资助:
国家自然科学基金(12272414);湖南省科技创新计划(2023RC3045)

Experimental and simulation of tetrafluoroethane catapult UAV

Zhifu WANG¹^,²^,³, Shujian YAO¹^,²^,³(), Zhaijun LU¹^,²^,³, Mu ZHONG¹^,³, Ruifeng WANG²^,³

^1.School of Traffic Transportation Engineering，Central South University，Changsha 410075，China
^2.Center of Advanced Scientific Research on Extreme Fluid Power，Central South University，Changsha 410075，China
^3.Key Laboratory of Traffic Safety on Track，Ministry of Education Central South University，Changsha 410075，China

Received:2024-01-02 Revised:2024-01-19 Accepted:2024-02-20 Online:2024-03-14 Published:2024-02-27
Contact: Shujian YAO E-mail:yaoshujian@126.com
Supported by:
National Natural Science Foundation of China(12272414);Science and Technology Innovation Program of Hunan Province(2023RC3045)

摘要/Abstract

摘要：

针对传统无人机气动弹射介质压缩空气动力不足的问题，提出使用四氟乙烷代替空气作为气动介质弹射无人机的方法。四氟乙烷安全性高、容易受热发生相变进行膨胀做功，且相比空气具有更高的比热力学能，因此具有更高的膨胀做功能力。通过弹射试验验证了四氟乙烷用于弹射无人机的可行性，建立了以四氟乙烷为弹射介质的气动热力学数值模型，模型验证后进行了压缩空气与四氟乙烷弹射能力对比，进一步探讨了高压储气罐容积、阀门直径和低压室容积对四氟乙烷弹射无人机内弹道参数的影响，结论表明：四氟乙烷能够在毫秒级别的时间内将无人机弹射出筒，弹射能力优于压缩空气，能够完成500磅（1磅=0.453 6 kg）质量以上无人机弹射任务；注液密度一定时，随着高压储气罐容积增大，低压室压力、无人机加速度和无人机弹射出筒的速度逐渐增大，但速度增幅逐渐减小，所提算例的高压储气罐容积增大至500 L时，速度增幅接近为0，在满足指标的前提下，减小高压储气罐容积能降低低压室内压力峰值和温度峰值，可保证弹射安全；对于特定的弹射系统，阀门存在一个极限释放直径，超过该直径，无人机弹射速度将不再增加，只会增加加速度峰值；其他参数不变的情况下，适当增大低压室的容积可以有效降低无人机的加速度峰值，且无人机出筒时速度降低较少。

关键词: 四氟乙烷, 无人机, 气动弹射, 高比热力学能, 弹射系统结构参数

Abstract:

In response to insufficient aerodynamic power in traditional Unmanned Aerial Vehicle （UAV） pneumatic catapults， a method is proposed to use tetrafluoroethane （R134a） instead of air as the pneumatic medium for catapulting UAVs. Tetrafluoroethane is characterized by its high safety， ease of undergoing phase transition for expansion with heating， and higher thermodynamic potential compared to air. The feasibility of using tetrafluoroethane for UAV catapult is validated through catapult experiments， and an aerodynamic thermodynamic numerical model is established with tetrafluoroethane as the catapult medium. After model verification， the catapult ability of compressed air and tetrafluoroethane is compared， and the impacts of high-pressure gas storage chamber volume， valve diameter， and low-pressure chamber volume on the trajectory parameters of tetrafluoroethane catapult UAVs are further explored. The results indicate that tetrafluoroethane can catapult the UAV out of the tube within milliseconds， exhibiting superior catapult abilities compared to compressed air， and is capable of catapulting UAVs with a mass of over 500 pounds（1 pound = 0.453 6 kg）.When the liquid injection density is constant， the pressure of the low-pressure chamber， the acceleration of the UAV， and the catapult velocity of the UAV gradually increase with the grow in the high-pressure gas storage chamber volume， while the velocity increase gradually declines. When the numerical example increases to 500 L， the velocity increase is close to 0. While meeting the specified requirements， reducing the volume of the high-pressure gas storage chamber can decrease the pressure peak and temperature peak in the low-pressure chamber， so can ensure catapult safety. For a specific catapult system， there exists a critical release diameter for the valve； exceeding this diameter will only increase the peak acceleration instead of the UAV catapult velocity. Under unchanged conditions， appropriately increasing the volume of the low-pressure chamber effectively reduces the acceleration peak of the UAV， with a minimal decrease in catapult velocity when the UAV exits the tube.

Key words: tetrafluoroethane, UAV, pneumatic catapults, high specific thermodynamic energy, structural parameters of ejection system

中图分类号:

V279.2

王志富, 姚术健, 鲁寨军, 钟睦, 王瑞峰. 四氟乙烷弹射无人机试验及仿真[J]. 航空学报, 2024, 45(21): 130085.

Zhifu WANG, Shujian YAO, Zhaijun LU, Mu ZHONG, Ruifeng WANG. Experimental and simulation of tetrafluoroethane catapult UAV[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2024, 45(21): 130085.

图/表 27

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参考文献 22

1	ZHU Q D， LU P， YANG Z B， et al. Model research of steam catapult launch process for carrier-based aircraft［C］∥ 2018 37th Chinese Control Conference. Piscataway： IEEE Press， 2018： 8519-8524.
2	房兴波，聂宏，张钊，等. 计及弹射滑车质量的某舰载无人机弹射动态响应分析［J］. 航空学报， 2018， 39（12）： 222237.
	FANG X B， NIE H， ZHANG Z， et al. Dynamic response analysis on carrier-based UAV considering catapult shuttle mass［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2018， 39（12）： 222237 （in Chinese）.
3	许勇，颜鸿涛，贾涛，等. 固定翼集群无人机空中模拟对接技术［J］. 航空学报， 2023， 44（5）： 326539.
	XU Y， YAN H T， JIA T， et al. Aerial simulation docking technology of fixed-wing clustering UAVs［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2023， 44（5）： 326539 （in Chinese）.
4	苑玉彬，吴一全，赵朗月，等. 基于深度学习的无人机航拍视频多目标检测与跟踪研究进展［J］. 航空学报， 2023， 44（18）： 028334.
	YUAN Y B， WU Y Q， ZHAO L Y， et al. Research progress of UAV aerial video multi-object detection and tracking based on deep learning［J］. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica， 2023， 44（18）： 028334 （in Chinese）.
5	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.
	LIU X， ZHANG X J， LI X Y， et al. Experimental and simulation study of a compressed air ejection system［J］. Energy Storage Science and Technology， 2023， 12（6）： 1831-1839 （in Chinese）.
6	孙卫杰. 某型固定翼无人机气动弹射系统性能研究［D］. 重庆：重庆大学， 2022： 4-5.
	SUN W J. Research on the performance of pneumatic catapult system of a fixed-wing UAV［D］.Chongqing： Chongqing University， 2022： 4-5 （in Chinese）.
7	刘希军，崔哲，高丽霞，等. 无人机电磁弹射用直线感应电机电磁推力分析［J］. 计算机仿真， 2022， 39（8）： 16-19.
	LIU X J， CUI Z， GAO L X， et al. Analysis of electromagnetic thrust of linear induction motor for electromagnetic ejection of UAV［J］. Computer Simulation， 2022， 39（8）： 16-19 （in Chinese）.
8	BETTELLA A， MORETTO F， GEREMIA E， et al. Development and flight testing of a hybrid rocket booster for UAV assisted take off： AIAA-2013-4140［R］. Reston： AIAA， 2013.
9	LIVESAY P A. Investigation of capabilities and technologies supporting rapid UAV launch system development［D］. Monterey： Naval Postgraduate School， 2015.
10	FAHLSTROM P G， GLEASON T J. Introduction to UAV systems ［M］. 4th ed. Hoboken： John Wiley & Sons， Ltd.， 2012.
11	WANG J Q， LI T， ZHANG Z X， et al. Effect of valve on ballistic performance in supercritical CO₂ pneumatic launch［J］. Journal of CO₂ Utilization， 2023， 75： 102580.
12	李博平，李国庆，张笈玮，等.压缩空气弹射系统内弹道特性［J］.兵工学报，2021，42（12）：2606-2616.
	LI B P， LI G Q， ZHANG J W， et al. Interior ballistic characteristics of compressed air ejection system［J］. Acta Armamentarii， 2021， 42（12）： 2606-2616 （in Chinese）.
13	刘晓龙，马胜钢. 无人机气动弹射系统弹射性能的仿真研究［J］. 郑州大学学报（工学版）， 2013， 34（5）： 56-58.
	LIU X L， MA S G. Simulation research on launch performance of UAV pneumatic launch system［J］. Journal of Zhengzhou University （Engineering Science）， 2013， 34（5）： 56-58 （in Chinese）.
14	LIU X L， XIA C N， MA S G. The modeling and simulation of UAV pneumatic launch system［J］. Applied Mechanics and Materials， 2013， 299： 27-30.
15	罗鑫，李向荣，张金忠，等. 一种采用压缩空气弹射的冷发射系统研究［J］. 装甲兵学报， 2022， 1（5）： 99-104.
	LUO X， LI X R， ZHANG J Z， et al. Research on a cold launch system with compressed air ejection［J］. Journal of Armored Forces， 2022， 1（5）： 99-104 （in Chinese）.
16	刘南宏，张新敬，徐玉杰，等. 筒式压缩空气弹射系统内弹道性能研究［J］. 兵器装备工程学报， 2022， 43（1）： 79-85.
	LIU N H， ZHANG X J， XU Y J， et al. Study on interior ballistic performance of cylindrical compressed air catapult launch system［J］. Journal of Ordnance Equipment Engineering， 2022， 43（1）： 79-85 （in Chinese）.
17	ZHANG Z， PENG Y， WEI X， et al. Research on parameter matching characteristics of pneumatic launch systems based on co-simulation［J］. The Aeronautical Journal， 2022， 126（1296）： 381-400.
18	鲁寨军，王灿，钟睦，等. 十字开槽爆破片超高压爆破实验与仿真研究［J］. 工程爆破， 2021， 27（4）： 14-21.
	LU Z J， WANG C， ZHONG M， et al. Experiment and simulation study on ultra-high pressure blasting of cruciform grooved rupture disc［J］. Engineering Blasting， 2021， 27（4）： 14-21 （in Chinese）.
19	谭大成. 弹射内弹道学［M］. 北京：北京理工大学出版社， 2015： 58-61.
	TAN D C. Interior ballistics of catapults［M］. Beijing： Beijing Insititute of Technology Press， 2015： 58-61 （in Chinese）.
20	沈维道，童钧耕. 工程热力学［M］. 5版. 北京：高等教育出版社， 2016.
	SHEN W D， TONG J G. Engineering thermodynamics［M］. 5th ed. Beijing： Higher Education Press， 2016 （in Chinese）.
21	LI C L， WEN J， WANG S M， et al. Thermodynamic analysis on rapid pressurization of supercritical CO₂ for pneumatic launch performance［J］. Journal of CO₂ Utilization， 2021， 53： 101710.
22	YAO H X， WEI X Z， YE H. Supercritical carbon dioxide as a new working medium for pneumatic launch： A theoretical study［J］. Defence Technology， 2021， 17（4）： 1296-1306.

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主管单位：中国科学技术协会主办单位：中国航空学会北京航空航天大学

参数	数值
配重件质量/kg	3.9
高压储气罐容积/L	0.064
四氟乙烷密度/（kg·m^-3）	1 133
释放压力/MPa	4
阀门直径/mm	30
低压室容积/L	0.5
弹射筒内径/mm	127
行程/m	0.7

[1]	王海峰, 刘坤澎, 江泓鑫, 杜晨曦. 螺旋桨多设计点气动优化方法和变桨距角策略[J]. 航空学报, 2024, 45(9): 528831-528831.
[2]	赵春晖, 刘安萌, 吕洋, 潘泉. 无人机韧性自主定位技术综述[J]. 航空学报, 2024, 45(8): 28839-028839.
[3]	张薇, 何若俊. 面向物联网数据收集的无人机自主路径规划[J]. 航空学报, 2024, 45(8): 329054-329054-1.
[4]	赵靖, 宋丹. 无人机GNSS/IMU组合导航系统完好性监测方法[J]. 航空学报, 2024, 45(7): 328943-328943.
[5]	王传云, 苏阳, 王琳霖, 王田, 王静静, 高骞. 面向反制无人机集群的多目标连续鲁棒跟踪算法[J]. 航空学报, 2024, 45(7): 329017-329017.
[6]	罗旭东, 吴一全, 陈金林. 无人机航拍影像目标检测与语义分割的深度学习方法研究进展[J]. 航空学报, 2024, 45(6): 28822-028822.
[7]	尹洪玉, 吴宇, 梁天骄. 固定翼无人机巡逻覆盖协同路径规划方法[J]. 航空学报, 2024, 45(6): 328944-328944.
[8]	安朝, 霍贵玺, 孟杨, 谢长川, 杨超. 翼尖铰接组合式无人机气动建模方法及布局参数影响[J]. 航空学报, 2024, 45(6): 629587-629587.
[9]	李广佳, 王红波, 张凯, 仪志胜. 临近空间太阳能无人机增升减阻技术综述[J]. 航空学报, 2024, 45(5): 529644-529644.
[10]	蔡云鹏, 周大鹏, 丁江川. 具有防撞安全约束的无人机集群智能协同控制[J]. 航空学报, 2024, 45(5): 529683-529683.
[11]	郑高杰, 何小明, 李东坡, 谭慧俊, 汪昆, 吴祯龙, 王德鹏. 尾部推进无人机双90°偏折进气道/蜗壳耦合流动特性[J]. 航空学报, 2024, 45(4): 128782-128782.
[12]	王祝, 张梦通, 张振鹏, 徐广通. 基于多指标动态优先级的无人机协同路径规划[J]. 航空学报, 2024, 45(4): 328816-328816.
[13]	何明, 陈浩天, 韩伟, 邓成, 段海滨. 无人机仿鸟群协同控制发展现状及关键技术[J]. 航空学报, 2024, 45(20): 29946-029946.
[14]	於志文, 孙卓, 程岳, 郭斌. 智能无人机集群协同感知计算研究综述[J]. 航空学报, 2024, 45(20): 630912-630912.
[15]	王月星, 周启扬, 李敏倩, 缪炜星, 陆炎迪, 葛贤亮. 无人机集群控制软件原型设计[J]. 航空学报, 2024, 45(20): 630678-630678.

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