褚 威 李 欣 楊樹勛 易 鑫 姚欽元 龔長江

（酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，甘肅 酒泉732750）

近年來，國內(nèi)各類型無人機(jī)發(fā)展迅速，新型無人機(jī)系統(tǒng)層出不窮，在軍事和民用領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越廣泛，各類無人機(jī)系統(tǒng)的維護(hù)維修保障已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)重點(diǎn)關(guān)注的問題之一。當(dāng)前，共軸雙槳式無人直升機(jī)因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)布局和相對(duì)優(yōu)越的性能備受軍內(nèi)外關(guān)注，尤其在森林巡防、農(nóng)林植保以及邊海防巡邏、軍事目標(biāo)偵察、應(yīng)急搜索救援等領(lǐng)域展現(xiàn)出了較高的應(yīng)用價(jià)值。

然而，共軸雙槳式無人直升機(jī)機(jī)械設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)布局等與常規(guī)無人直升機(jī)系統(tǒng)差異較大，當(dāng)前國內(nèi)無人機(jī)行業(yè)各領(lǐng)域?qū)υ擃愋蜔o人機(jī)的使用以及維護(hù)維修保障等工作還缺少經(jīng)驗(yàn)，尚未形成完善系統(tǒng)的裝備服務(wù)保障體系。用戶方在實(shí)際使用過程中，無人機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)問題后，自行維修的技術(shù)難度較大，特別是對(duì)重要部件的維修能力普遍較弱，大多需要返場進(jìn)行維修，這樣極大削弱了裝備的使用效能，尤其對(duì)于部隊(duì)用戶來說，返場過程不僅耗時(shí)耗資耗力，還將影響部隊(duì)的作戰(zhàn)任務(wù)和行動(dòng)。因此，進(jìn)一步提高用戶方對(duì)共軸雙槳無人直升機(jī)的維護(hù)維修能力尤為迫切，本研究即針對(duì)某型共軸雙槳無人直升機(jī)，結(jié)合下場跟學(xué)跟訓(xùn)、實(shí)際操作使用、日常維護(hù)維修等經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)重難點(diǎn)問題提出了關(guān)于共軸雙槳式無人直升機(jī)維護(hù)維修保障的意見建議，為該類無人機(jī)用戶單位提供了一定的參考。

1 共軸雙槳式無人直升機(jī)特點(diǎn)

共軸雙槳式無人直升機(jī)單個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)上有兩組并列轉(zhuǎn)動(dòng)的螺旋槳，這兩組螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度方向相反，在整機(jī)布局和性能上具有非常明顯的特點(diǎn)。

1.1 無人直升機(jī)共軸雙槳式布局的優(yōu)點(diǎn)

1.1.1 無尾槳結(jié)構(gòu)，安全高效

傳統(tǒng)常規(guī)布局的無人直升機(jī)尾槳較容易出現(xiàn)損傷，如尾槳的異物損傷、尾梁損傷、長距離的傳動(dòng)軸系損傷等。共軸雙槳無人直升機(jī)采用無尾槳結(jié)構(gòu)布局，不僅避免了尾槳損傷，也可節(jié)省尾槳所耗用的額外功率，比常規(guī)布局可增加6%～16%的效率，維護(hù)和生存能力更強(qiáng)。

1.1.2 氣動(dòng)特性對(duì)稱，機(jī)動(dòng)性好

在使用相同發(fā)動(dòng)機(jī)的情況下，共軸雙槳布局比“單旋翼+尾槳”布局的無人直升機(jī)升力大12%，共軸式旋翼氣動(dòng)力對(duì)稱性優(yōu)于單旋翼式，各軸之間沒有相互交聯(lián)的影響，機(jī)動(dòng)飛行更易操縱；改變航向時(shí)更容易保持飛行高度，超低空飛行和越障飛行性能更優(yōu)越，飛行安全系數(shù)更高。

1.1.3 外廓尺寸緊湊，集成度高

在同等升力下，共軸雙槳式無人直升機(jī)外廓尺寸較緊湊，集成度高，對(duì)起降場地和地面運(yùn)輸要求低，飛行中受側(cè)風(fēng)影響較?。焕走_(dá)識(shí)別特征、目視識(shí)別特征和受彈面小，便于隱蔽，戰(zhàn)斗損傷概率??；無尾槳布局可減小周期距控制的負(fù)擔(dān)；機(jī)體振動(dòng)也由于兩副反轉(zhuǎn)的旋翼而相互對(duì)消，平穩(wěn)性和懸停性好。

1.1.4 安全性能優(yōu)越，應(yīng)急性強(qiáng)

在相同級(jí)別的發(fā)動(dòng)機(jī)下，共軸雙槳布局較常規(guī)布局的無人直升機(jī)更安全。因反扭力對(duì)等可避免傳統(tǒng)無人直升機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)15%的尾槳功率損耗；采用同時(shí)變換主旋翼的硬槳，避免了直升機(jī)急轉(zhuǎn)彎時(shí)的打槳意外，比傳統(tǒng)直升機(jī)的安全性增加400%；甚至可在低空發(fā)動(dòng)機(jī)熄火時(shí)平穩(wěn)著陸，提高了無人機(jī)迫降的裝備完好率。

1.2無人直升機(jī)共軸雙槳式布局的不足

1.2.1 機(jī)械設(shè)計(jì)難度大

共軸雙槳式無人直升機(jī)用套筒軸驅(qū)動(dòng)上下兩副反轉(zhuǎn)的旋翼，存在上下旋翼之間的間距問題。若間距過小，則上下旋翼發(fā)生碰撞的幾率大；若間距過大，則飛行阻力增加，對(duì)驅(qū)動(dòng)軸的剛度要求也相應(yīng)提高，套筒軸不光要傳遞功率，還要傳遞上面旋翼的總距、周期距控制，而大功率的套筒軸在機(jī)械設(shè)計(jì)上有相當(dāng)大的難度。

1.2.2 旋翼碰撞機(jī)率大

共軸雙槳式無人直升機(jī)上下兩副旋翼在某些特殊情況下，如在飛行時(shí)突遇變風(fēng)，導(dǎo)致槳葉變形或損壞時(shí)，槳葉上的作用力就會(huì)失去平衡發(fā)生碰撞。由于非對(duì)稱升力的緣故，上下旋翼的旋轉(zhuǎn)平面有在一側(cè)“碰撞”的傾向，這進(jìn)一步增加了對(duì)上下旋翼之間間距的要求，并且如果無人機(jī)向有“碰撞”傾向一側(cè)轉(zhuǎn)彎時(shí)，必須比向另一側(cè)轉(zhuǎn)彎要謹(jǐn)慎，否則就有可能發(fā)生上下旋翼碰撞導(dǎo)致墜機(jī)的嚴(yán)重事故。

1.2.3 維護(hù)維修難度大

通常共軸雙槳式無人直升機(jī)的外廓尺寸比較緊湊，結(jié)構(gòu)布局的集成度也較高，結(jié)構(gòu)重量和載重一般都集中在無人機(jī)的重心處。高集成度的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雖然使直升機(jī)懸停時(shí)效率更高，但同時(shí)也給機(jī)務(wù)人員的日常維護(hù)維修增加了難度。系統(tǒng)與系統(tǒng)、部件與部件之間的空間較小，一方面對(duì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的清理維護(hù)比較麻煩，另一方面在對(duì)各系統(tǒng)部件進(jìn)行拆卸、組裝與調(diào)試時(shí)難度增加。此外，共軸雙槳式無人直升機(jī)特有的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)也較常規(guī)直升機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)更易發(fā)生問題，維修復(fù)雜度也相應(yīng)提高。

2 共軸雙槳式無人直升機(jī)維護(hù)維修難點(diǎn)

2.1 機(jī)體結(jié)構(gòu)緊湊，拆卸組裝難度大

共軸雙槳式無人直升機(jī)整體結(jié)構(gòu)以傳動(dòng)軸為中心，通常布設(shè)有變速箱總成、離合器、聯(lián)軸器、發(fā)電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)、水箱總成、慣性測量單元（IMU）、飛控計(jì)算機(jī)、電瓶等主要部件，整個(gè)機(jī)體結(jié)構(gòu)十分緊湊，拆卸組裝難度較大。

以某型機(jī)為例機(jī)，在實(shí)際拆卸組裝過程中，若3 人配合對(duì)其進(jìn)行完全拆卸并完成組裝，正常情況下約需3 個(gè)工作日，并且不含組裝后的調(diào)試時(shí)間。由于集成度比較高，在平時(shí)的維護(hù)維修保障工作中，若其中一個(gè)部件出現(xiàn)問題，可能需要將其他相鄰部件全部拆卸下來才能對(duì)問題部件進(jìn)行檢查、維修，以發(fā)動(dòng)機(jī)為例，若發(fā)動(dòng)機(jī)底部某個(gè)墊片出現(xiàn)問題，必須將整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)拆卸下來才能進(jìn)行相應(yīng)的維修和更換。因此，共軸雙槳式無人直升機(jī)由于其緊湊的結(jié)構(gòu)布局，日常維護(hù)維修保障難度比常規(guī)布局的無人直升機(jī)要大得多。

2.2 飛行振動(dòng)較大，部件連接易開裂

由于共軸雙槳式無人直升機(jī)使用上下旋翼反向旋轉(zhuǎn)來達(dá)到水平方向的力矩平衡，兩層旋翼同時(shí)作用在無人機(jī)主傳動(dòng)軸上的力非常大，導(dǎo)致與傳動(dòng)軸緊密連接的部件均會(huì)產(chǎn)生較大的震動(dòng)。此外，通常發(fā)動(dòng)機(jī)采用螺絲硬固定，發(fā)動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)采用聯(lián)軸器進(jìn)行連接，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)給機(jī)體本身帶來的振動(dòng)及振動(dòng)傳導(dǎo)都比較大。

從以往飛行測試結(jié)果來看，隨著無人機(jī)連續(xù)工作時(shí)間的增加，機(jī)體抖動(dòng)程度明顯增加，在飛行后檢查中曾發(fā)現(xiàn)傳動(dòng)軸桿出現(xiàn)裂痕、直線舵機(jī)連接處斷裂、槳葉出現(xiàn)裂痕、槳轂螺栓的強(qiáng)烈振動(dòng)導(dǎo)致螺旋槳螺絲卡死、發(fā)動(dòng)機(jī)漏油等問題，經(jīng)分析，這些問題多由振動(dòng)較大引起。因此，如何解決大振動(dòng)問題是共軸雙槳式無人直升機(jī)維修保障的一大難點(diǎn)。

2.3 傳動(dòng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維護(hù)維修要求高

由于共軸雙槳式布局的無人直升機(jī)上下兩層旋翼的變距和變速等結(jié)構(gòu)均依托同一根軸安裝，其整體傳動(dòng)機(jī)構(gòu)較為復(fù)雜。通常該型機(jī)的中心傳動(dòng)結(jié)構(gòu)主要包括變速箱組件、變速箱主軸、舵機(jī)組件、上下傾斜盤組件、上下旋翼連桿組件等，這些組件相互配合共同實(shí)現(xiàn)對(duì)飛機(jī)的姿態(tài)控制，若其中任一部件出現(xiàn)故障，均會(huì)影響到無人機(jī)的正常操控。尤其是變速箱內(nèi)部傳動(dòng)齒輪較多，包含大小各類齒輪數(shù)十個(gè)，對(duì)整個(gè)傳動(dòng)起著至關(guān)重要的作用，在實(shí)際使用過程中，若這部分結(jié)構(gòu)出現(xiàn)故障，一方面對(duì)組裝拆卸的技術(shù)要求高，另一方面對(duì)安裝后的調(diào)試要求高，相比常規(guī)布局的無人直升機(jī)維護(hù)維修難度更大。

2.4 電氣線路復(fù)雜，合理布設(shè)難度大

由于共軸雙槳式無人直升機(jī)的獨(dú)特布局結(jié)構(gòu)，通常內(nèi)部線路和各類接口較多，整體布設(shè)復(fù)雜、合理布設(shè)難度大。以某型機(jī)為例，整機(jī)大小插頭、接口50 余個(gè)，各類線路40 余股，僅與飛控計(jì)算機(jī)連接的線路就有20 路，航空插頭18 個(gè)，主要與直線舵機(jī)、數(shù)傳天線、GPS 天線、ECU、溫度/轉(zhuǎn)速傳感器等連接。

在日常操作訓(xùn)練和維護(hù)維修過程中，由于線路復(fù)雜，一方面在進(jìn)行拆解后很難恢復(fù)原有布局，導(dǎo)致在組裝過程中外殼等部位難以精確安裝，甚至安裝不上；一方面還容易出現(xiàn)錯(cuò)漏問題，導(dǎo)致個(gè)別線路忘記安裝或者安裝錯(cuò)誤等。給機(jī)務(wù)人員增加了較大的工作難度，尤其對(duì)于部隊(duì)用戶，機(jī)務(wù)人員的專業(yè)水平有限，難以勝任高復(fù)雜度和高難度的電氣線路合理布設(shè)工作。

3 共軸雙槳式無人直升機(jī)維護(hù)維修建議

3.1 不斷進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，完善現(xiàn)有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷

無人機(jī)的結(jié)構(gòu)布局并非是一成不變的，尤其是針對(duì)共軸雙槳式這種非常規(guī)布局的無人直升機(jī)，在保證整機(jī)重心位置不變的基礎(chǔ)上，可通過改變部分主要部件的位置來對(duì)整機(jī)布局進(jìn)行調(diào)整，并通過多次試驗(yàn)驗(yàn)證來確定最為合理的結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)方案。

在布局的設(shè)計(jì)上要充分考慮維護(hù)維修的便捷要求，減少各部件之間的維修關(guān)聯(lián)性，使機(jī)務(wù)人員能夠?qū)收峡焖俣ㄎ缓途珳?zhǔn)維修，避免因個(gè)別部件的小故障而對(duì)整機(jī)進(jìn)行拆卸；通過對(duì)整機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化盡量減少部件之間的硬連接，并在關(guān)鍵部位增加減震設(shè)計(jì)，以減少整機(jī)震動(dòng)；在電氣線路的布設(shè)上，一方面要對(duì)各類線路進(jìn)行分類處理，通過設(shè)置不同顏色、標(biāo)簽標(biāo)記等方式進(jìn)行明顯區(qū)分，另一方面還要對(duì)線路布設(shè)位置進(jìn)行定位，對(duì)應(yīng)各線路的標(biāo)記同時(shí)在機(jī)體相應(yīng)的布設(shè)位置也要進(jìn)行明顯標(biāo)記，使機(jī)務(wù)操作手在線路拆解后能夠快速分辨線路功能和準(zhǔn)確定位線路的布設(shè)位置。

3.2 合理利用3D 打印，強(qiáng)化創(chuàng)新制造維修能力

雖然當(dāng)前無人機(jī)設(shè)計(jì)制造技術(shù)和飛控技術(shù)越來越成熟，但仍然存在諸多不可控因素，飛行中難免會(huì)發(fā)生磕碰、撞擊、摔落等問題，包括共軸雙槳式無人直升機(jī)在內(nèi)的多數(shù)無人機(jī)，其殼體等外部部件多采用復(fù)合材料制成，在無人機(jī)表面出現(xiàn)破損甚至完全損毀時(shí)，如果采用原廠部件進(jìn)行整體更換，不僅花費(fèi)高而且耗時(shí)長。3D 打印技術(shù)屬于快速成形技術(shù)的一種，可進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)定制、生產(chǎn)周期短、材料利用率高，為無人機(jī)機(jī)體的維護(hù)維修提供了新的解決思路，如果將3D 打印技術(shù)與3D 掃描技術(shù)結(jié)合使用，則機(jī)務(wù)維修保障效率會(huì)更高。以打印某款固定翼無人機(jī)翼尖為例：首先通過手持式的激光3D 掃描儀對(duì)翼尖進(jìn)行建模，然后通過建模軟件對(duì)模型進(jìn)行檢查完善，將處理后的模型直接導(dǎo)入3D 打印機(jī)中進(jìn)行打印，再將打印完成的翼尖進(jìn)行后處理就可得到構(gòu)型和實(shí)物基本一致的翼尖模型。工作過程見圖。

3D 打印無人機(jī)翼尖工作過程

對(duì)于共軸雙槳式無人直升機(jī)，雖然核心部件制造工藝較為復(fù)雜，但其中一些小的易損件完全可以使用3D 打印技術(shù)完成制作，比如若機(jī)殼某部位發(fā)生損壞，可使用ABS 或PLA、光敏樹脂等材料打印出貼合機(jī)體的維修件進(jìn)行修補(bǔ)或整體替換。通過3D 打印技術(shù)的應(yīng)用，可充分發(fā)揮智能制造等新技術(shù)的優(yōu)勢，有效提高部隊(duì)或其他用戶方機(jī)務(wù)人員的創(chuàng)新制造維修能力。

3.3 堅(jiān)持兩級(jí)維修體制，注重提高基層級(jí)維修能力

當(dāng)前國內(nèi)外軍用無人機(jī)與有人機(jī)普遍采用“基層級(jí)+基地級(jí)”的兩級(jí)維修作業(yè)體制。

其中，基層級(jí)維修是指外場、部隊(duì)級(jí)的維修，主要包括作戰(zhàn)支援和現(xiàn)場維修保障、簡單的故障應(yīng)急處置和訓(xùn)練保障等；基地級(jí)維修則指后方、工廠級(jí)的維修，主要包括復(fù)雜故障的檢測、修理和定期維修等，通常在無人機(jī)達(dá)到翻修期或發(fā)生外場無法排除的故障時(shí)，返回生產(chǎn)廠商維修。

在共軸雙槳式無人直升機(jī)維修保障方面，建議在堅(jiān)持兩級(jí)維修體制的基礎(chǔ)上，注重提高基層級(jí)維修能力?；鶎蛹?jí)維修保障力量作為部隊(duì)自身的維修保障力量，除了要求能夠較好地完成裝備的日常維護(hù)保養(yǎng)和飛行機(jī)務(wù)準(zhǔn)備等任務(wù)之外，還應(yīng)能夠完成定期檢修、中小修、緊急改裝和損傷無人機(jī)的快速搶修等任務(wù)。在無人機(jī)出廠前，可通過外送機(jī)務(wù)人員到生產(chǎn)廠商進(jìn)行跟產(chǎn)跟訓(xùn)，從制造階段就開始了解和學(xué)習(xí)各零部件的構(gòu)造和功能等相關(guān)知識(shí)；無人機(jī)出廠后，機(jī)務(wù)人員繼續(xù)進(jìn)行外場跟訓(xùn)，學(xué)習(xí)培養(yǎng)飛行階段的故障應(yīng)急處置和基本維修能力；無人機(jī)裝配部隊(duì)后，再通過一階段的廠家隨行保障來培養(yǎng)機(jī)務(wù)操作手實(shí)際任務(wù)的維修保障能力，將保障與作戰(zhàn)緊密結(jié)合，并且通過不斷加大外場飛行和任務(wù)飛行的隨行保障訓(xùn)練強(qiáng)度，進(jìn)一步提高基層級(jí)完成維修保障工作的比例。

3.4 整合無人機(jī)維修信息，建立無人機(jī)技術(shù)檔案

通常情況下，無人機(jī)的維修信息較為分散，往往分布在履歷本、維修工作登記本、故障登記本、無人機(jī)質(zhì)量控制表、專項(xiàng)檢查記錄表等位置，不便于收集和集中使用，難于對(duì)裝備分系統(tǒng)的技術(shù)狀態(tài)進(jìn)行分析、評(píng)估和預(yù)測。而對(duì)整機(jī)進(jìn)行技術(shù)狀態(tài)分析，數(shù)據(jù)龐雜且難于發(fā)現(xiàn)規(guī)律，既耗時(shí)耗力又難于進(jìn)行有效分析，從而無法準(zhǔn)確把握裝備的技術(shù)狀態(tài)、故障規(guī)律和變化趨勢等，不利于裝備保障工作的開展。

針對(duì)共軸雙槳式無人機(jī)機(jī)務(wù)維護(hù)維修問題，建議圍繞無人機(jī)裝備全系統(tǒng)全壽命管理這條主線，建立無人機(jī)技術(shù)檔案。主要包括無人機(jī)裝備基本情況、維護(hù)負(fù)責(zé)人情況、技術(shù)狀態(tài)變化情況、重大事項(xiàng)記錄、加改裝工作情況、日常維護(hù)情況、故障排除情況、飛行保障中存在的問題、飛參分析情況、單機(jī)質(zhì)量評(píng)估情況等多項(xiàng)內(nèi)容，從而較為客觀、準(zhǔn)確、全面地反映無人機(jī)裝備的技術(shù)狀態(tài)，基本滿足科學(xué)開展無人機(jī)全系統(tǒng)全壽命管理的需要。

4 結(jié)論

在傳統(tǒng)的無人機(jī)機(jī)務(wù)維修保障工作中，用戶單位多依靠基地級(jí)維修或生產(chǎn)廠商伴隨保障等方式來解決故障問題，機(jī)務(wù)人員自行解決故障問題的能力偏弱。共軸雙槳式無人直升機(jī)機(jī)務(wù)維修保障雖然難度大、技術(shù)要求高，但通過一定的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)積累，并結(jié)合智能制造技術(shù)的合理運(yùn)用、維修體制和管理機(jī)制的科學(xué)建立，可以有效減小用戶單位機(jī)務(wù)人員在裝備服務(wù)保障過程中的工作量，有助于規(guī)范無人機(jī)部隊(duì)或其他用戶單位機(jī)務(wù)維修保障工作過程，建立系統(tǒng)完善的無人機(jī)裝備保障服務(wù)體系，對(duì)共軸雙槳式無人直升機(jī)的維護(hù)維修具有一定的參考價(jià)值。