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机载伸展臂设计与分析

摘要

近年来，无人机技术迅速发展，其在各个领域的应用备受关注，尤其是无人机群回

收方式因其独特优势近年来成为研究焦点。空基回收作为一种有效的方式，不仅可以增

强无人机的作战半径，还能提高其使用效率。本文针对国内外空基回收的现状进行深入

分析，提出一种新型机载可展开伸展臂结构总体方案，针对现存问题进行结构优化，以

实现在空中不停机情况下对无人机的抓捕回收工作。

提出了一种伸展臂结构具体解决方案，根据可展开伸展臂结构的工作环境与展开特

性需求，对伸展臂的结构特点和设计指标进行分析。设计了伸展臂的结构组成，包括驱

动选择、铰链的锁定与解锁结构设计、逐级释放结构设计等，并对各结构件进行受力分

析与承载仿真，以确保结构的稳定性与可靠性。

对可展开伸展臂结构进行了动力学分析。通过建立系统的运动学方程及分析结构的

力学形式得到伸展臂结构的刚体动力学模型，分析了模型参数变化对结构所受载荷的变

化影响；推导可展开伸展臂结构的动能、重力势能和弹性势能方程，运用拉格朗日方程

建立系统的弹性体模型。为以后建立控制器，实现在环境扰动下对无人机精确抓捕工作

提供理论基础。

建立了主机、无人机、伸展臂的风场模型，通过对数学模型求解得到飞行过程中的

数值解。分析飞行过程中主机机翼产生尾涡对无人机以及伸展臂结构的影响，求解得到

无人机与伸展臂的数值解。通过数值求解进行仿真模拟，进一步确保了结构在实际环境

中的可靠性。

建立了回收对接容差数学模型，考虑了结构在风载作用下的变形影响，分析了回收

过程中的容差性能。重点进行了对接动力学求解、容差理论推导和仿真分析。通过对结

构特征和对接运动过程几何条件的详细分析，评估了系统在回收过程中的容差性能，确

保回收过程的准确性。

本文提出一种新型伸展臂整体方案，对整体结构进行运动与载荷分析，得到动力学

模型，并对主机与无人机进行风场建模得到伸展臂结构的工作环境，最后分析由风载荷

引起的模型变形对于回收工作的影响。

关键词：空间伸展臂结构；空基回收；对接容差计算；动力学建模

机载伸展臂设计与分析

Abstract

Inrecentyears,unmannedaerialvehicle(UAV)technologyhasrapidlyadvanced,

garneringsignificantattentionforitsapplicationsacrossvariousdomains.Particularly,the

methodofUAVswarmrecoveryhasbecomearesearchfocusduetoitsuniqueadvantages.

Airbornerecovery,asaneffectivemethod,notonlyextendsthecombatradiusofUAVsbut

alsoenhancestheiroperationalefficiency.Thispaperconductsanin-depthanalysisofthe

currentstatusofairbornerecoverybothdomesticallyandinternationally.Itproposesanovel

overallschemeofairbornerecoverableextendableboomstructureforaircraft,optimizingthe

structuretoaddressexistingissues,aimingtoachievethecaptureandrecoveryofUAVsin-

flightwithoutstopping.