于亞南，張振華，許長(zhǎng)平，湯開杰

95894部隊(duì)

本文首先簡(jiǎn)述傳統(tǒng)無人機(jī)機(jī)載數(shù)據(jù)記錄儀的結(jié)構(gòu)與功能，并分析其缺點(diǎn)。針對(duì)當(dāng)前無人機(jī)在復(fù)雜環(huán)境中的飛行特點(diǎn)，提出一種返回式數(shù)據(jù)記錄儀的設(shè)計(jì)思路。

在信息、人工智能等技術(shù)支持下，無人機(jī)在多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮的作用日漸突出，其優(yōu)勢(shì)也愈加明顯，一是無人機(jī)可避免“載人”的環(huán)節(jié)，具有人員零傷亡的特點(diǎn)，人員生命安全得到很好的保證；二是無人機(jī)具有良好的經(jīng)濟(jì)性，成本低，與有人機(jī)相比，無人機(jī)的重量和能源消耗明顯減小。但是，無人機(jī)在飛行中通常由人員遠(yuǎn)程操控，并采用通信鏈路傳輸信息，一旦在空中發(fā)生故障無法正常返回，或出現(xiàn)墜毀等情況時(shí)，地面操控人員可能只掌握信號(hào)丟失時(shí)的位置信息。如果想準(zhǔn)確了解無人機(jī)墜機(jī)前的情況，須要對(duì)無人機(jī)的重要?dú)埡〖磾?shù)據(jù)記錄儀內(nèi)存儲(chǔ)的信息進(jìn)行提取和研究。如果無人機(jī)在海洋、荒漠、境外等較為特殊的區(qū)域墜毀，則須要消耗更多的人力、物力尋找數(shù)據(jù)記錄儀，尋找工作面臨很多困難。如果在極端條件下，人們也無法輕易獲取數(shù)據(jù)記錄儀，飛行事故分析工作面臨很大困擾。

因此，為提高無人機(jī)事故的研究和分析效率，本文建議對(duì)傳統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄儀加以改進(jìn)，使其具有自主返回功能。當(dāng)無人機(jī)無法正常返航時(shí)，數(shù)據(jù)記錄儀能提前與無人機(jī)分離，自主降落在指定位置。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄儀概況

數(shù)據(jù)記錄儀俗稱“黑匣子”，是無人機(jī)必備的電子記錄儀器之一，用于詳細(xì)記錄無人機(jī)的飛行高度、速度、航向、姿態(tài)等數(shù)據(jù)。無人機(jī)的多種機(jī)載儀器儀表通過對(duì)應(yīng)的傳感器與數(shù)據(jù)記錄儀相連接，便于記錄儀采集和記錄各類空中數(shù)據(jù)。地面人員利用這些數(shù)據(jù)可以計(jì)算和解讀無人機(jī)在空中的飛行狀態(tài)，進(jìn)而詳細(xì)分析無人機(jī)在空中的飛行情況。當(dāng)無人機(jī)偶發(fā)故障無法返航時(shí)，地面人員在能找到數(shù)據(jù)記錄儀的前提下，分析無人機(jī)在空中發(fā)生故障的情況。通常，數(shù)據(jù)記錄儀擁有良好的防摔性、防水性和防火性，即使無人機(jī)發(fā)生事故墜毀后，記錄儀仍能保存完好，并具有一定的信號(hào)發(fā)射功能，為搜尋工作提供準(zhǔn)確的定位信息。

傳統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄儀的缺點(diǎn)

圖1 數(shù)據(jù)記錄儀的外殼使用極厚的鋼板，采用一體化成型技術(shù)制成。

圖2 由數(shù)據(jù)記錄儀模型刨面圖可見，記錄儀內(nèi)部主要由電路板組成。

由于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄儀只具有數(shù)據(jù)記錄功能，如果無人機(jī)發(fā)生故障無法返航且墜落于特殊環(huán)境中，沒有辦法找到或?qū)ふ译y度大，以及尋找工作所引發(fā)的其他附加成本與數(shù)據(jù)記錄儀的回收成本不成正比時(shí)，人們則無法獲取記錄儀中的空中數(shù)據(jù)，記錄儀便失去作用。下文對(duì)無人機(jī)可能發(fā)生的故障情況和記錄儀尋找工作進(jìn)行分析。

一是無人機(jī)在海面上空飛行時(shí)突發(fā)故障，墜落于海中無法正常返航。如果數(shù)據(jù)記錄儀恰好遇到較強(qiáng)的海上電磁干擾，其輻射信號(hào)會(huì)非常不穩(wěn)定，且記錄儀可能隨著海水的運(yùn)動(dòng)被移動(dòng)位置，給數(shù)據(jù)記錄儀的打撈工作帶來極大困難。因此，尋找和打撈工作須投入大量精力，周期長(zhǎng)，找回的成功率小。

二是無人機(jī)在境外飛行時(shí)出現(xiàn)突發(fā)情況，數(shù)據(jù)記錄儀有可能落入別國(guó)領(lǐng)土，給事故調(diào)查分析增加很多困難。在外交受阻的情況下，本國(guó)相關(guān)單位更無法輕易獲取數(shù)據(jù)記錄儀中儲(chǔ)存的有關(guān)數(shù)據(jù)。

新型返回式數(shù)據(jù)記錄儀設(shè)計(jì)思路

根據(jù)上述分析情況，本文建議對(duì)數(shù)據(jù)記錄儀進(jìn)行改進(jìn)，在不影響無人機(jī)整體結(jié)構(gòu)和氣動(dòng)布局的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種具有自動(dòng)分離、自主導(dǎo)航、動(dòng)力飛行功能的可返回式數(shù)據(jù)記錄儀。

當(dāng)無人機(jī)受到嚴(yán)重?fù)p壞或發(fā)生嚴(yán)重故障而無法返航時(shí)，該型數(shù)據(jù)記錄儀能提前脫離無人機(jī)，啟用自主飛行模式并自主降落到易獲取的地區(qū)，甚至在極端條件下，亦具有一定的環(huán)境適應(yīng)能力。

自動(dòng)分離技術(shù)

新型數(shù)據(jù)記錄儀的自動(dòng)返回過程大致可以分為自動(dòng)分離、自主返回、接收三個(gè)階段。當(dāng)無人機(jī)無法正常返航時(shí)，儲(chǔ)存綜合飛行信息的記錄儀與無人機(jī)分離，成為一種獨(dú)立的飛行器安全返航。記錄儀使用一種可控觸發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)分離功能，此模塊技術(shù)稱為數(shù)據(jù)記錄儀自動(dòng)分離技術(shù)。

新型數(shù)據(jù)記錄儀底座可采用氣囊式結(jié)構(gòu)。記錄儀中的傳感器用于感知壓力、溫度等外界信號(hào)，記錄儀中的處理器將外界信號(hào)與設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)達(dá)到或超越臨界值后，記錄儀中的處理器觸發(fā)氣囊開關(guān)，為氣囊充注氣體，借助氣囊彈射作用，記錄儀獲得初始動(dòng)力，與無人機(jī)分離。當(dāng)然，飛控系統(tǒng)也可以給傳感器提供信號(hào)。當(dāng)無人機(jī)偶遇突發(fā)情況時(shí)，飛控系統(tǒng)經(jīng)過綜合判斷，必要時(shí)向傳感器發(fā)送彈射信號(hào)。

圖3 傳統(tǒng)數(shù)據(jù)記錄儀的顏色均為橘黃色，只具有數(shù)據(jù)記錄功能，無自主返回功能。

在設(shè)計(jì)新型記錄儀時(shí)，盡量不改變無人機(jī)的結(jié)構(gòu)，可以利用物質(zhì)化學(xué)反應(yīng)生成氣體的方式，為氣囊充氣。在本文氣囊充氣技術(shù)研究中，利用NaN3與KNO3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成N2，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄儀的自動(dòng)彈出功能。

氮?dú)馍傻幕瘜W(xué)反應(yīng)方程式：

通過配平得到:

由此看出，NaN3與KNO3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，生成高含量的N2，符合實(shí)用需求。

自主返回技術(shù)

自主返回技術(shù)模塊主要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)記錄儀的自主返回功能。該技術(shù)模塊分為兩種，一是氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)模塊；二是返回路徑最優(yōu)算法設(shè)計(jì)模塊。

圖4 數(shù)據(jù)記錄儀與無人機(jī)、地面控制中心的關(guān)系。

（1）氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)模塊

為節(jié)省動(dòng)力并獲得較小體積的數(shù)據(jù)記錄儀，可以選用滑翔式飛行模式，采用滑翔機(jī)的氣動(dòng)布局設(shè)計(jì)。

（2）返回路徑最優(yōu)算法設(shè)計(jì)模塊

數(shù)據(jù)記錄儀的自主返回對(duì)導(dǎo)航精度要求并不高，允許一定誤差存在。在數(shù)據(jù)記錄儀上容易實(shí)現(xiàn)北斗、GPS等衛(wèi)星信號(hào)接收機(jī)的安裝。技術(shù)難點(diǎn)是，須要設(shè)計(jì)一套路徑最優(yōu)選擇算法，使數(shù)據(jù)記錄儀無論在什么位置，都能根據(jù)當(dāng)時(shí)的條件，自主計(jì)算出最優(yōu)路徑并返回。

能源與動(dòng)力技術(shù)

滑翔機(jī)通常不安裝動(dòng)力設(shè)備，如果無人機(jī)事故發(fā)生地相對(duì)較遠(yuǎn)時(shí)，記錄儀僅采用滑翔方式將無法實(shí)現(xiàn)返回。因此，在記錄儀返回途中，可以選擇滑翔與動(dòng)力飛行相結(jié)合的方式，事先在處理器中設(shè)定好啟用動(dòng)力的時(shí)機(jī)，剩余時(shí)段采用滑翔方式返回。

建議盡可能減少記錄儀的動(dòng)力飛行。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，太陽(yáng)能和風(fēng)能發(fā)電已經(jīng)成為較便捷和實(shí)用的供電方式。然而，數(shù)據(jù)記錄儀的尺寸較小，加裝過多的發(fā)電模塊反而適得其反。因此，可以選擇核電池作為能源。

更準(zhǔn)確地說，核電池是核熱電池，又稱同位素溫差發(fā)電機(jī)，足以滿足未來數(shù)據(jù)記錄儀的動(dòng)力需求。其基本原理是利用溫差發(fā)電，只要有熱源就能產(chǎn)生溫差，通過熱電偶、半導(dǎo)體等熱電轉(zhuǎn)換器發(fā)電。發(fā)熱源有多種選擇，而核電池利用放射性同位素衰變產(chǎn)生熱量。由于放射性同位素衰變是自發(fā)行為，不依賴任何外部條件。在沒有陽(yáng)光和惡劣天氣條件下，甚至在-100 ～-200℃環(huán)境中，作為發(fā)熱源的放射性同位素都能正常工作，為數(shù)據(jù)記錄儀提供必要的發(fā)電能源。核電池發(fā)熱部件最理想的原料是钚238，钚238輻射出的阿爾法粒子很容易被屏蔽，一張紙就能擋住，對(duì)人類生命來講非常安全。因此，钚238曾用做心臟起搏器。另外，钚238衰變產(chǎn)生的熱量比較大，但發(fā)熱功率并不恒定。钚238的半衰期是86.4年，其價(jià)格比較昂貴，須要在專用核反應(yīng)堆內(nèi)用中子轟擊镎237才能獲得。

如果相關(guān)單位能研制出新型返回式數(shù)據(jù)記錄儀，將對(duì)無人機(jī)空中數(shù)據(jù)分析提供較大支撐，大幅提高數(shù)據(jù)記錄儀的回收效率，滿足未來多種領(lǐng)域需求。