趙宏江， 張景忠， 沈宏海， 李存宇， 蔡志勇， 劉 凱

(1.應急管理部北方航空護林總站，黑龍江 哈爾濱 150027；2.黑龍江省森林保護研究所黑龍江省森林草原火災及病蟲害防控重點實驗室，黑龍江 哈爾濱 150081；3.中國科學院長春光學精密機械與物理研究所中國科學院航空光學成像與測量重點實驗室，吉林 長春 130033)

森林火災是一種人為擾動下的自然災害。進入21世紀以來，伴隨著全球氣溫變暖，森林火險嚴峻，森林火災頻發(fā)，對人類活動、社會發(fā)展以及生態(tài)安全產(chǎn)生的危害巨大。預防森林火災發(fā)生的最佳技術(shù)方法是早發(fā)現(xiàn)、早預警、及時撲救，而林火監(jiān)測是實現(xiàn)這一目標最有效的技術(shù)手段。從目前林火監(jiān)測技術(shù)手段來看，因機載監(jiān)測林火具有靈活性高、時效性強、辨識性好、智能化佳以及搭載平臺多樣等特性，使其成為世界多林國家開展林火預警監(jiān)測的重要技術(shù)手段之一。我國機載監(jiān)測林火技術(shù)起步雖晚，但發(fā)展較快，尤其近十多年來隨著生態(tài)文明戰(zhàn)略的實施，國家逐漸加大南北方航空護林總站及其所屬航空護林站的建設力度，在全國重點林區(qū)已布設了近40個航空護林站、點(基地)；同時，由于航空工業(yè)的快速發(fā)展，也為航空護林事業(yè)提供了更多、更適用的有、無人機新機型，每年航期租用的各種機型飛機200余架，在航空護林林火監(jiān)測領(lǐng)域正日益發(fā)揮著重要作用。

目前，我國航空護林監(jiān)測林火主要通過觀察員瞭望并輔助光學成像設備進行作業(yè)，因?qū)Τ上穹€(wěn)定度的要求，以往手持光學成像設備的工作方式已逐漸被固定安裝方式取代，因從事航空護林的飛機多為租用通航公司的飛機而非專用的遙感飛機，飛機種類、型號多樣，搭載用于林火監(jiān)測的光電設備需要設計、研發(fā)專用的安裝機構(gòu)才能滿足林火監(jiān)測需求。本文正是基于現(xiàn)有大多數(shù)航空護林飛機無法在艙外安裝光電設備的現(xiàn)實，設計并研發(fā)一種可在艙內(nèi)固定安裝機載監(jiān)測林火光電平臺的升降裝置，以滿足航空護林監(jiān)測林火的應用需求。

1 設計思路

一般情況下，航空護林每年租用的飛機通常為通用航空固定翼或旋翼飛機，由于固定翼和旋翼飛機分別采用不同的氣動布局外觀設計，因此多數(shù)旋翼飛機基本采用外掛架方式搭載航空遙感設備，而固定翼飛機(如運-5系列)外掛改裝難度較大，只能利用其艙內(nèi)腹部專用窗口(尺寸一般為300 mm×300 mm)安裝固定遙感設備，但受此類飛機機腹距地面距離限制，其具體使用操作存在許多不便，如果搭載安裝的遙感設備需固定探出艙外一定尺寸，與地面距離非常近，那么飛機起降時產(chǎn)生巨大沖力帶起的飛沙就極易造成遙感設備損壞等安全隱患，而且也不利于飛行中對其進行適當維護?；诖耍瑸榱俗畲笙薅缺Ｗo遙感設備，設計一種升降架，可將遙感設備安裝在專用的升降裝置上，起降時可將遙感設備自動收入機腹內(nèi)部，飛機到達預定高度后，通過升降機構(gòu)再將遙感設備自動伸出艙外開展遙感作業(yè)。

升降架的研發(fā)立足于現(xiàn)有從事航空護林的飛機種類以及機型，依托載機艙內(nèi)噴灑、吊裝窗口等現(xiàn)有條件，通過輕量化選材設計、電路設計及其精密加工，實現(xiàn)以林火監(jiān)測平臺平穩(wěn)升、降自動控制為目的的設計目標。其具體設計要求如下：加工材質(zhì)輕量化，設計緊湊化，安裝便捷化；搭載平臺具有電動變向上升、下降平穩(wěn)運行及暫停功能；搭載平臺具有上升、下降限位停止保護功能，荷載最大行程≤500 mm，行程下限以平臺視窗探出機腹為準；供電電源具有機載DC 28 V和交流供電功能，運輸攜帶及維護保管方便。

2 升降架的設計與研發(fā)

2.1 加工材料的選擇

依據(jù)設計總體要求，升降架整體構(gòu)架應具有質(zhì)量輕、剛性強特點，便于攜帶安裝，故升降架主體結(jié)構(gòu)框架材料首選碳纖維復合材料，導向螺紋桿選用工業(yè)級不銹鋼，電機選用直流驅(qū)動變速電機，軸承選用P5級精密軸承，傳動皮帶選用牛筋材質(zhì)同步帶，螺絲螺母等其他配件選用航空級標準件；控制器應具有低功耗特性，以保障機艙內(nèi)其他電器設備同步供電需求，故控制器板卡制作選用低功耗器件，操控開關(guān)選用觸控按鈕，信號線選用耐高溫屏蔽鍍銀線纜。

2.2 升降架結(jié)構(gòu)設計及加工

目前，實現(xiàn)升降的結(jié)構(gòu)類型有連桿機構(gòu)、鏈輪機構(gòu)、絲杠螺母機構(gòu)或者復雜的傳動機構(gòu)?？紤]設計此類升降裝置的前提條件為結(jié)構(gòu)簡單、可靠性好和剛度高，通過對以上幾種機構(gòu)的優(yōu)缺點比較，決定采用能夠確保獲得穩(wěn)定升降的絲杠螺母機構(gòu)和梯形螺紋設計的升降結(jié)構(gòu)，且能夠保證機構(gòu)自鎖。由于升降架需采用機艙內(nèi)DC 28 V供電，其升降運動的動力將由直流電機通過多級減速后獲得的較大驅(qū)動力提供，以實現(xiàn)載荷平穩(wěn)的升降。升降裝置的側(cè)視、頂視設計圖如圖1所示。

圖1 升降架側(cè)視、頂視圖1.同步帶；2.同步帶輪；3.上安裝板；4.保護擋板；5.霍爾板；6.沉頭螺釘；7.霍爾板架；8.支桿壓塊；9.保護支柱；10.電機齒輪；11.電機螺釘；12.電機；13.齒輪帶輪鍵；14.從動齒輪；15.軸承外壓蓋；16.軸承內(nèi)壓環(huán)；17.軸承；18.絲母；19.升降盤；20.磁鐵座；21.螺釘；22.螺母；23.磁鐵架；24.磁鐵；25.絲桿；26.支桿；27.螺釘；28.軸承外隔圖；29.軸承；30.下安裝板；31.螺釘；32.絲桿壓蓋；33.護邊；34.沉頭螺釘；35.沉頭螺釘；36.圓柱頭螺釘；37.沉頭螺釘

升降架的結(jié)構(gòu)部件如圖2所示，其主要部件由上安裝板、升降盤、下安裝板、帶輪、減振器、同步帶、電機和絲桿組成。上、下安裝板為絲桿等其他部件的連接支撐件，同時也是與飛機聯(lián)接的固定件，升降盤為光電載荷安裝固定件，帶輪為電機和絲桿聯(lián)動的連接件，采用專門設計的霍爾開關(guān)器件和磁鐵組成的減振器為載荷運行上、下限位保護件，電機和同步帶為輸送動力的傳動件，絲桿即是升降盤運行的導向件，又是升降架主體結(jié)構(gòu)的支撐件。升降架上下安裝板、升降盤、絲桿等關(guān)鍵部件加工均采用強度大、重量輕的航空碳纖維復合材料，利用數(shù)控機床完成加工制作，其他所需組件均采用航空標準配件。設計加工完成的升降架如圖3所示。

圖2 光電平臺升降架結(jié)構(gòu)部件1.下安裝板；2.升降盤；3.上安裝板；4.帶輪；5.減震裝置；6.同步帶；7.小帶輪；8.電機；9.絲桿

升降架使用時，首先通過安裝在下安裝板上的相配套的艙內(nèi)連接件與飛機進行剛性相連，構(gòu)成一體；然后將光電平臺載荷安裝在升降盤上；最后安裝控制器并將之與艙內(nèi)電源相連即可。

圖3 光電平臺升降架

2.3 控制器設計與制作

控制器是升降架實現(xiàn)載荷平穩(wěn)運行的操控單元。為方便日常運行調(diào)試，設計有機載艙內(nèi)DC 28 V、AC 220 V兩種供電方式；考慮到升降盤需要實現(xiàn)升、降、停、變向等多功能操作，為避免單開關(guān)循環(huán)操控的弊端，在設計上采用雙開關(guān)按鈕操控；另外，控制器還需具有提供電機帶動較大載荷穩(wěn)定運行的安全驅(qū)動電流能力。為實現(xiàn)上述功能要求，基于DC-DC轉(zhuǎn)換、模數(shù)轉(zhuǎn)換、微處理器等微功耗芯片，采用功能模組設計方法研發(fā)出了專用控制器?？刂圃砜驁D如圖4所示，升降架運行控制主要由電源、開關(guān)、控制處理、驅(qū)動、運行五個模組組成。其中，電源模組負責將輸入的AC 220 V或DC 28 V轉(zhuǎn)換成其他模組所需的12 V、±5 V工作電壓；開關(guān)模組主要包括兩路雙控觸發(fā)開關(guān)，負責控制升降裝置升、降、停及換向操控；控制處理模組由DSP、D/A轉(zhuǎn)換、檢測以及鎖換相處理等模塊組成，承擔控制信號的轉(zhuǎn)換、檢測、處理及輸出；驅(qū)動模組主要包括功率驅(qū)動模塊，為電機平穩(wěn)運行提供可變驅(qū)動電流；運行模組由驅(qū)動電機、皮帶、絲桿以及升降盤構(gòu)成，負責維持載荷上下限位安全運行。升降架各種方式運行均由控制器通過直流電機驅(qū)動完成，具體工作如下：直流電機通過齒輪減速帶動絲桿帶輪轉(zhuǎn)動，并由同步齒形帶帶動其余三根絲桿同步轉(zhuǎn)動，使升降盤作上下直線運動，從而帶動升降盤上的光電載荷上下運動。控制器如圖5所示。

圖4 升降架控制原理框圖

圖5 控制器

2.4 包裝運輸箱加工制作

由于該升降架為航空護林飛機森林防火期間開展林火監(jiān)測業(yè)務所需專用裝置，考慮其具體工作應用環(huán)境特點，為方便日常運輸攜帶、維護保養(yǎng)以及存放，設計制作了專用運輸包裝箱。該包裝運輸箱體外面采用多層夾板外貼ABS板材，箱體結(jié)構(gòu)的各邊采用鋁合金型材支撐，箱體每一個角用高強度的球形包角及L型鋁合金邊與板連接加固；箱體內(nèi)襯及支撐墊選用高彈泡沫成型加工，箱體左右兩側(cè)為隱藏式拉手設計，前后安裝有雙張力拉扣，箱體側(cè)面噴涂有防倒置警示標識，確保其具有質(zhì)輕、防震減震、防潮、密封、易于攜帶、便于儲存等特性。設計制作的升降架包裝運輸箱如圖6所示。

圖6 包裝運輸箱

3 分析與討論

3.1 升降架的安全平穩(wěn)性

升降架能否在負載的情況下保持機構(gòu)平穩(wěn)運行至關(guān)重要，這其中決定性因素是升降架的強度性能。為此，在設計中采用四絲桿聯(lián)動機構(gòu)，即四根絲桿在電機帶動同步轉(zhuǎn)動時，每根絲桿既起到承力作用，又起到導向作用。這樣既增強了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，也分擔了升降盤及載荷的重量。另外，考慮到因操控不及時，升降盤上、下運行至最大行程時對升降架上、下安裝板的沖擊，采用霍爾板與磁鐵的組合方式特別設計了專用減震器，利用霍爾器件對升降盤移動產(chǎn)生的最大磁場變化量進行測定的開關(guān)特性，合理設置最大閾值，從而實現(xiàn)了自動控制升降盤極限行程限位運行，有效避免了升降架構(gòu)架及電機受到?jīng)_擊損害，提升了升降架運行安全性能。測試表明，經(jīng)過精心裝調(diào)的四根絲桿的升降機構(gòu)，運動平穩(wěn)，總體性能優(yōu)于兩根絲桿的升降機構(gòu)。

3.2 升降盤的結(jié)構(gòu)剛性

由于光電平臺是直接安裝在升降盤上，因此升降盤的剛度也是至關(guān)重要的。為此，利用建立的升降機構(gòu)升降盤數(shù)學模型對其進行有限元分析，從圖7中可以看出升降盤在受力時變形情況，其最大變形量發(fā)生在兩絲桿中間位置，變形量為0.003 2 mm，變形量很小，因此可以滿足荷載設備對升降機構(gòu)的指標要求。因為該分析模型忽略了實體中的一些加強措施，所以實際結(jié)構(gòu)的剛度要高于分析結(jié)果。

3.3 升降架的技術(shù)特性

通過升降架實際搭載30 kg光電平臺載荷運行測試，如圖8所示，升降、停、換向啟動操控靈活、運行平穩(wěn)順暢，上下限位自動控制保護靈敏，運行峰值電流符合飛機艙內(nèi)安全供電限制，最大行程可確保光電平臺視窗探測視場無遮擋。升降架主要技術(shù)特性指標如下：升降行程≤600 mm；升降時間≤60 s；功耗DC 28 V，平均工作電流≤4 A；自重≤5 kg；載荷重量≤55 kg；外觀尺寸(長×寬×高)480 mm×480 mm×592.5 mm。

圖7 升降盤有限元分析模型計算結(jié)果

圖8 升降架綜合測試

3.4 升降架的適用性

光電平臺升降架的研制，除考慮其應具備基本功能外，還應考慮其機載安全適用性條件。本升降架的設計研發(fā)是在對現(xiàn)有可搭載光電平臺的航空護林飛機的機腹距地面高度、艙內(nèi)工作窗口布局及尺寸、艙內(nèi)電源安全供電限制以及外設安裝規(guī)范等多方面因素進行充分調(diào)研的基礎上，采取如下措施來提高升降架的適用性：其一，機載電器設備通常采用機艙照明電源DC 28 V供電，其可提供工作電流≤7 A，因升降架電控部分采用低功耗組件進行設計的，其最大工作電流限制在4 A以下，同時考慮現(xiàn)有光電平臺的最大工作電流一般不超過3 A，即使升降架和光電平臺同時工作，也可保證載荷設備的總功耗在艙內(nèi)電源安全工作范圍之內(nèi)；其二，原則上，飛機起飛、降落期間升降架不工作，只有飛行期間進行運行操作，但考慮到通航飛機工作窗口處機腹距地面距離一般在700～800 mm，為保證安全對升降架最大行程進行了限定設計，這樣既可保證光電平臺視窗探出機腹正常工作，又可保障平臺距地面的安全高度；其三，從設計上，重點考慮在攜帶方便的前提下其結(jié)構(gòu)尺寸盡量大些，借助安裝在升降盤上的不同孔徑的專用連接板來滿足搭載不同規(guī)格尺寸的光電平臺使用需求；其四，在使用安裝上，可根據(jù)不同機型艙內(nèi)原有的固定孔位通過設計專用的連接件先將升降架固定，再將之與艙內(nèi)固定孔位固聯(lián)方式進行安裝，最大限度滿足通航飛機對搭載安裝外部設備的適航檢測要求。

4 結(jié)論

著眼于航空護林飛機安全搭載光電平臺監(jiān)測林火的業(yè)務需求，結(jié)合通航飛機的外設安裝技術(shù)規(guī)范，采用精密機械設計的理念研發(fā)出了專門的光電平臺自動升降架。該升降架采用獨特的四絲桿聯(lián)動結(jié)構(gòu)設計方法，選用輕質(zhì)、低功耗材料，雖自重較輕，卻因受力分布均勻，其荷載能力較自重多出了10倍；采用載機DC 28 V供電，平均工作電流小于4 A，用霍爾磁控開關(guān)設計方式有效避免了載荷極限運行行程時對升降架的沖撞，其電動升、降、停運行操控響應靈敏，運行平穩(wěn)；同時，設計的專用包裝箱為其運輸攜帶、日常保養(yǎng)維護提供了安全保障；綜合測試表明，該升降架可滿足航空護林飛機艙內(nèi)安裝搭載光電平臺以便安全、高效開展林火監(jiān)測工作。