• Cehui8.com 测绘地理信息领域专业门户
  • 首页 > 测绘新闻 > 院校

    MIT研发马赫数0.8的微型火箭动力无人机

    2017-12-04 13:50:51 来源: 国防科技信息网
    聊聊
           麻省理工学院(MIT)的航空航天学院与MIT林肯实验室一直通过“海狸合作研究项目”开展创新性无人机研发。林肯实验室代表了国防部投资者,向MIT传达一些设计问题,之后MIT的学生便会努力解决这些问题。例如,MIT航空航天学院在2010-2011年开始设计和制造“山鹑”微型无人机,其可以由战斗机的曳光弹发射管发射,在空中组成蜂群,自主开展ISR任务。“山鹑”无人机翼展30厘米,重量只有290克,可以在40-60节速度下飞行20分钟。目前,战略能力办公室已经接手了该项目,并在2016年由3架F/A-18战斗机投放了由103架由这种无人机组成的蜂群。MIT航空航天学院教授汉斯曼表示:“‘山鹑’是我们的第二个项目,取得了极大成功,变成了国防部的项目。”
           “山鹑”的成功让林肯实验室再次回到航空航天学院。从美国空军得到的最新需求是研发宽不超过6.35厘米、长不超过43.18厘米、以马赫数0.8飞行2-5分钟、由战斗机空射的“萤火虫”微型无人机。这种无人机可以充当诱饵,为战斗机提供掩护。
           “萤火虫”的外形像一粒种子,机身后半部是火箭发动机,前半部安装载荷、航电和飞行控制系统。可弹出的机翼安装在机身下部,可展开的尾翼提供飞行控制。加拿大Renishaw公司通过选择性激光融化3D打印制造了“萤火虫”的钛合金机身,这也使其成为第一个3D打印火箭。“萤火虫”的前后机身分别制造,并可通过扣合形成一体。Renishaw公司工程师马克•科尔比表示,3D打印可以完美制造出机身的薄壁,切削和铸造都很难实现并且造价昂贵。虽然可折叠的钛合金机翼由机械加工制成,但使用了3D打印的钛合金弹簧。
           针对无人机的发动机,汉斯曼说道:“目前没有一架这种尺寸的飞行器可以以这种速度飞行,而且还得由战斗机投放。目前没有合适的推进系统,没有这么小的涡轮发动机,对于电动机来说飞行速度太快,而对于脉冲喷气动力来说又存在热管理问题。”
           MIT学生最后准备使用固体燃料火箭发动机。虽然无人机在飞行时只需要5-10牛的推力,但是火箭发动机必须运行足够长的时间以尽可能提高续航能力。汉斯曼对此表示:“这是前无古人的事情。”
    如果固体推进药燃烧过慢,将不能产生维持燃烧的足够大的压力。因此MIT在高氯酸铵推进药中混合了乙二酰二胺抑制剂,以控制燃烧速率。设计出“山鹑”无人机的在读博士托尼•陶表示:“我们使用抑制剂冷却火焰,并改变火焰结构以降低燃烧速率。”
           对于只能燃烧1-3秒的火箭发动机,在使用了低燃烧速率推进药后,可以驱动0.91-1.36千克的“萤火虫”飞行3分钟。汉斯曼认为,这种低燃烧速率推进药的优势是可通过改变抑制剂混合比改变燃烧速率,进而改变推力大小。
           一般来说,固体火箭发动机推进药都是从里向外燃烧的,然而“萤火虫”的推进药由后向前燃烧,燃烧产物经过石墨/陶瓷尾喷口排出。另外,大多数的固体火箭发动机都是圆柱形的,但由于“萤火虫”的曲线外形,推进药的燃烧截面在工作过程中将随着时间而改变。这也是为什么要在推进药中加入抑制剂以控制燃烧的另一个原因。
           目前,火箭发动机仅仅开展了部分燃烧试验,全尺寸发动机目前尚未完成制造。由于固体火箭不能在常压下点火,因此“萤火虫”在发动机后部的固定面上安装了激光点火器。点火器通过提高燃烧室的温度和压力,使固体推进药达到燃烧点。发动机启动后,点火器将从尾喷管被吹出发动机。
           由于火箭发动机距离电子设备非常近,无人机的热管理是又一个重大挑战。MIT最初的想法是在机鼻处设计进气道,通过导引自由来流进入冷却管道使发动机和电子设备分离。但是最新的设计采用了保温层,这样可让无人机在机鼻部分安装载荷。
           MIT的学生将在明年完成“萤火虫”项目。汉斯曼说:“在某一时刻,我们将不再负责该项目研发,我们将确定这一刻何时到来。”
           通过与林肯实验室开展“海狸”项目,MIT的学生可在与美国防部保持距离的前提下,开展与作战相关的技术研发。
           之前的项目包括为国防高级研究计划局(DARPA)实施的无人机灵活制造项目,不同尺寸和任务的无人机可以拥有相同的基础设计。使用相同的梯形模具和现有的不同长度的碳纤维,MIT制造了长航时、可背负携带的无人机,以及由3架携带收发分置载荷无人机组成的系统。
           学生也制造了为了测试天线样式的低反射率无人机。面向海军研究实验室,MIT设计了可以在海上作战的“蜻蜓”无人机。这种无人机是水上飞机,可以自主着落并在大海上充电,配装的自动复原系统使其可以自动旋转安装在机身下部的浮筒,使无人机始终保持竖直状态。
           MIT最新的“海狸”项目成果是“丛林猫头鹰”长航时无人机,其重20千克,可携带9.1千克的通信或监视载荷在4572米的高空飞行5天。空军最初的想法是使用太阳能动力,但是考虑到无人机必须于任何季节在高纬度实施灾难救援任务,无人机最终使用了5马力的小型汽油活塞发动机和长7.3米的滑翔机翼。“丛林猫头鹰”无人机于今年5月首次飞向蓝天。<测绘网 刘明月>
    返回顶部