飞艇属于轻于空气的飞行器, 靠空气浮力升空, 通过配置的动力装置实现飞行和操控^[11]。本次采用的无人驾驶飞艇主要有艇囊、尾翼和吊舱几部分组成, 续航时间2~4 h, 飞行速度50 km/h, 相对飞行高度在50~300 m之间, 海拔飞行高度可达4 km, 技术指标见表1, 该飞行平台具有以下特点:

表1

表1

表1 飞艇主要技术指标 参数 指标 艇长/m 12.0 艇宽/m 3.9 艇高/m 4.2 气囊体积/m3 77 有效载荷/kg 13 续航时间/h 2~4 巡航速度/(m/s) 13~21 相对飞行高度/m 50~300

表1 飞艇主要技术指标

1)控制系统采用神经元自适应飞控导航系统, 具备目测遥控、超视距实时控制和预编程自主机动飞行功能, 可以根据作业要求设置飞行航线和任务指令。

2)自驾导航系统投入生产使用前进行了抗风试验, 风速小于5 m/s时满足飞艇平稳飞行, 最大抗风能力小于12 m/s。

3)通信系统使用无线电传输和控制。飞艇飞行过程中的系统方位、姿态、速度、电量等数据和搭载的任务设备数据信号经链路传至地面站, 可实现对平台和任务载荷的远程监控。

4)采用油电混合动力系统, 在电池缺电或断电的情况下汽油发动可发挥作用, 而在没油或发动机出现故障时电动机则会发挥作用。

5)艇囊主要由有聚酯材料制作, 内部充满氦气。氦气属于惰性气体, 具有很高的安全性, 同时产生大量升力, 抵消了绝大部分飞艇自重, 载重能力相对较大。

本项目采用RS-HGB-10型氦光泵航磁系统, 系统主要由微型光泵探头、信号处理机、自动补偿器和采集收录软件组成。该系统显示分辨率为0.001 nT, 静态噪声小于0.01 nT, 航磁仪测量范围为 35 000~70 000 nT, 灵敏度优于0.01 nT, 采样率可设为1~10次/s, 工作温度为0℃~50℃。此系统可实时采集地磁场总场数据、矢量磁力仪的地磁三分量数据、GPS的飞机实时位置数据等, 实时对飞机产生的磁干扰进行补偿, 并存储采集到的所有数据^[12]。

为了减少飞行平台的磁干扰, 实现高精度测量, 飞艇中除关键部件外, 其余各组件均采用无磁或弱磁材料, 使航磁测量系统在最小的电磁干扰下, 完成数据的采集工作。在飞艇的艇身腹部区域专门设计航磁测量系统固定工作平台(即固定箱), 封装了航磁主机、电源等部分。固定箱的前侧设有长3.5 m碳纤探杆, 探杆一端封装磁通门三分量传感器和航磁仪探头, 使其远离发动机的影响。飞艇吊舱、航磁固定箱、探杆均通过绳索与艇囊进行固定, 图2是集成后的艇载航磁系统^{[13, 14]}。

图2

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	图2 艇载航磁系统

通常认为飞行平台磁干扰的来源主要包括恒定磁场、感应磁场和涡流磁场3个方面。恒定磁场是由飞行平台上的铁磁性物质的剩磁引起的, 感应磁场是由飞行平台上的某些铁磁性物体受地磁场感应产生的, 涡流磁场是由构成整个飞行平台的机身、机翼、起落架等大的金属片或金属壳等切割地磁场产生的^{[15, 16, 17, 18]}。

无人飞艇航磁系统的制作材料大部分均为非磁性物质或使用复合材料代替磁性物质。首先系统内体积最大的艇囊部分是由无磁的聚酯材料组成; 尾翼与吊舱及其内部结构采用了大量无磁的碳纤维、凯夫拉等复合材料, 使得结构轻盈、强度较高; 动立杆、起落架等是采用航空铝合金材料。由于无人飞艇的艇身、尾翼等为无磁材料制作, 不存在因自身动作而切割地磁场产生的涡流磁场。综上所述, 无人飞艇飞行平台的磁干扰主要来源于发动机内部的一些零部件。为了减少这部分磁干扰, 通过碳纤维探杆使得航磁仪探头远离发动机的影响。

在发动机关闭时, 改变探头与吊舱之间的距离, 分别为2.7、3、3.5、4、4.5 m, 每个距离点采样读数2 min左右, 试验曲线见图3。根据试验结果分别对不同距离位置时的磁场值变化进行了统计, 结果见表2。探头与吊舱之间距离为2.7 m时, 磁场值变化范围为39.8 nT, 由图3可见曲线跳动较为剧烈。当两者之间距离大于3 m时, 磁场值的变化范围与静态噪声迅速变小, 曲线形态表现较为平稳, 变化范围在2.2~4.1 nT之间。因此, 距离大于3 m即可使得吊舱内磁性物质对探头测量数据的影响最小。

图3

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	图3 发动机未工作时探头与吊舱之间距离变化对探头的影响曲线

表2

表2

表2 发动机关闭时探头与吊舱之间距离变化对探头的影响 距离/m 时间范围/s 变化范围/nT 2.7 120~240 39.8 3 300~420 2.2 3.5 490~600 4.1 4 660~780 2.6 4.5 850~970 3.8

表2 发动机关闭时探头与吊舱之间距离变化对探头的影响

当发动机开始工作时, 在2.7 m处最初的1 min内磁场值变化范围较大; 发动机稳定工作时(60~130 s), 磁场值变化范围为9.6 nT左右。改变探头与吊舱之间的距离为4.5 m时(采样时间为150~270 s), 磁场值变化范围为2.1 nT左右(图4)。

图4

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	图4 发动机工作时探头与吊舱之间距离变化对探头的影响曲线

结合试验结果, 最终确定探头与吊舱之间的距离为3.5 m。在此距离上通过安装吊舱(包含发动机), 将前后磁场值大小对比, 测试飞艇吊舱对次探头测量数据的影响。未安装吊舱时, 磁场值为49 479.3 nT; 安装吊舱, 发动机未工作时, 磁场值为49 482.2、49 480.9、49 481.2 nT, 吊舱对探头影响约为1.6~2.9 nT; 发动机工作, 探头位置固定, 测得的磁场值为49 481.6 nT, 与发动机未发动时磁场值水平基本一致。由此可知无论发动机工作与否, 吊舱整体对探头的影响很小, 约为3 nT。

由于飞艇飞行动作与有人驾驶飞机或直升机的飞行动作有很大差别, 在空中进行补偿动作时不易操作。在经过多番讨论分析与试验后, 采用在地面人为做动作, 控制其飞行姿态。

补偿试验工作选择在磁梯度小、平稳磁场区域, 同时进行日变观测。试验过程中以探头位置为中心点, 保持探头位置不动。采用无磁物质如木架制作补偿专用支架来固定和架设吊舱部分, 支架具有一定活动空间, 可满足各项动作要求且可围绕探头做旋转。根据需要补偿的磁干扰类型分成两步进行。首先求取方向差, 即探头位置固定, 360° 旋转艇身或吊舱, 同时记录磁场值和日变磁场值; 然后求取机动磁干扰大小, 探头位置固定, 旋转艇身或吊舱, 依次在0° 、90° 、180° 、270° 4个方向进行机动动作。每个方向分别进行3次摇摆动作, 动作幅度一般为± 6° 左右。做完试验后求出补偿系数, 并重复上述动作进行验证。

根据补偿结果(图5)可知, 飞艇系统实测的方向差磁干扰补偿前360° 方向差为3 nT, 补偿后的飞艇方向差为1.2 nT。由于无人飞艇系统整体产生的磁干扰较小, 且飞艇在空中飞行时动作变化幅度较小, 由不同动作引起的磁干扰均小于1 nT。因此, 在进行机动动作补偿时, 可通过近似摇摆动作的峰峰值来评价补偿结果。图6为3个周期的摇摆动作补偿前后曲线, 由此可得补偿前摇摆机动磁干扰最大为0.228 nT, 补偿后摇摆机动动作干扰最大为 0.086 nT。

图5

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	图5 方向差补偿前后曲线

图6

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	图6 摇摆动作磁干扰补偿前后曲线

补偿结果主要通过品质因子FOM(figure of merit)来进行评价, 即通过4个方向上进行摇摆、俯仰、偏航的动作求得的12个峰峰值的总和。根据飞艇磁性分析和实测数据分析, 无人飞艇磁干扰补偿前的FOM最大为2.74 nT, 补偿后的FOM最大为 1.03 nT, 改善比为2.66。

综上所述, 无人飞艇系统除少数零部件外均为无磁材料, 同时通过探杆使得探头远离干扰源, 尽量了消除飞行平台本身的磁干扰, 且实测磁干扰很小, 大约在3 nT左右。因此, 认为本套系统在不补偿的情况下也满足一定比例尺的工作要求。