赵宏江， 张景忠， 沈宏海， 李存宇， 蔡志勇， 刘 凯

(1.应急管理部北方航空护林总站，黑龙江 哈尔滨 150027；2.黑龙江省森林保护研究所黑龙江省森林草原火灾及病虫害防控重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150081；3.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院航空光学成像与测量重点实验室，吉林 长春 130033)

森林火灾是一种人为扰动下的自然灾害。进入21世纪以来，伴随着全球气温变暖，森林火险严峻，森林火灾频发，对人类活动、社会发展以及生态安全产生的危害巨大。预防森林火灾发生的最佳技术方法是早发现、早预警、及时扑救，而林火监测是实现这一目标最有效的技术手段。从目前林火监测技术手段来看，因机载监测林火具有灵活性高、时效性强、辨识性好、智能化佳以及搭载平台多样等特性，使其成为世界多林国家开展林火预警监测的重要技术手段之一。我国机载监测林火技术起步虽晚，但发展较快，尤其近十多年来随着生态文明战略的实施，国家逐渐加大南北方航空护林总站及其所属航空护林站的建设力度，在全国重点林区已布设了近40个航空护林站、点(基地)；同时，由于航空工业的快速发展，也为航空护林事业提供了更多、更适用的有、无人机新机型，每年航期租用的各种机型飞机200余架，在航空护林林火监测领域正日益发挥着重要作用。

目前，我国航空护林监测林火主要通过观察员瞭望并辅助光学成像设备进行作业，因对成像稳定度的要求，以往手持光学成像设备的工作方式已逐渐被固定安装方式取代，因从事航空护林的飞机多为租用通航公司的飞机而非专用的遥感飞机，飞机种类、型号多样，搭载用于林火监测的光电设备需要设计、研发专用的安装机构才能满足林火监测需求。本文正是基于现有大多数航空护林飞机无法在舱外安装光电设备的现实，设计并研发一种可在舱内固定安装机载监测林火光电平台的升降装置，以满足航空护林监测林火的应用需求。

1 设计思路

一般情况下，航空护林每年租用的飞机通常为通用航空固定翼或旋翼飞机，由于固定翼和旋翼飞机分别采用不同的气动布局外观设计，因此多数旋翼飞机基本采用外挂架方式搭载航空遥感设备，而固定翼飞机(如运-5系列)外挂改装难度较大，只能利用其舱内腹部专用窗口(尺寸一般为300 mm×300 mm)安装固定遥感设备，但受此类飞机机腹距地面距离限制，其具体使用操作存在许多不便，如果搭载安装的遥感设备需固定探出舱外一定尺寸，与地面距离非常近，那么飞机起降时产生巨大冲力带起的飞沙就极易造成遥感设备损坏等安全隐患，而且也不利于飞行中对其进行适当维护。基于此，为了最大限度保护遥感设备，设计一种升降架，可将遥感设备安装在专用的升降装置上，起降时可将遥感设备自动收入机腹内部，飞机到达预定高度后，通过升降机构再将遥感设备自动伸出舱外开展遥感作业。

升降架的研发立足于现有从事航空护林的飞机种类以及机型，依托载机舱内喷洒、吊装窗口等现有条件，通过轻量化选材设计、电路设计及其精密加工，实现以林火监测平台平稳升、降自动控制为目的的设计目标。其具体设计要求如下：加工材质轻量化，设计紧凑化，安装便捷化；搭载平台具有电动变向上升、下降平稳运行及暂停功能；搭载平台具有上升、下降限位停止保护功能，荷载最大行程≤500 mm，行程下限以平台视窗探出机腹为准；供电电源具有机载DC 28 V和交流供电功能，运输携带及维护保管方便。

2 升降架的设计与研发

2.1 加工材料的选择

依据设计总体要求，升降架整体构架应具有质量轻、刚性强特点，便于携带安装，故升降架主体结构框架材料首选碳纤维复合材料，导向螺纹杆选用工业级不锈钢，电机选用直流驱动变速电机，轴承选用P5级精密轴承，传动皮带选用牛筋材质同步带，螺丝螺母等其他配件选用航空级标准件；控制器应具有低功耗特性，以保障机舱内其他电器设备同步供电需求，故控制器板卡制作选用低功耗器件，操控开关选用触控按钮，信号线选用耐高温屏蔽镀银线缆。

2.2 升降架结构设计及加工

目前，实现升降的结构类型有连杆机构、链轮机构、丝杠螺母机构或者复杂的传动机构。考虑设计此类升降装置的前提条件为结构简单、可靠性好和刚度高，通过对以上几种机构的优缺点比较，决定采用能够确保获得稳定升降的丝杠螺母机构和梯形螺纹设计的升降结构，且能够保证机构自锁。由于升降架需采用机舱内DC 28 V供电，其升降运动的动力将由直流电机通过多级减速后获得的较大驱动力提供，以实现载荷平稳的升降。升降装置的侧视、顶视设计图如图1所示。

图1 升降架侧视、顶视图1.同步带；2.同步带轮；3.上安装板；4.保护挡板；5.霍尔板；6.沉头螺钉；7.霍尔板架；8.支杆压块；9.保护支柱；10.电机齿轮；11.电机螺钉；12.电机；13.齿轮带轮键；14.从动齿轮；15.轴承外压盖；16.轴承内压环；17.轴承；18.丝母；19.升降盘；20.磁铁座；21.螺钉；22.螺母；23.磁铁架；24.磁铁；25.丝杆；26.支杆；27.螺钉；28.轴承外隔图；29.轴承；30.下安装板；31.螺钉；32.丝杆压盖；33.护边；34.沉头螺钉；35.沉头螺钉；36.圆柱头螺钉；37.沉头螺钉

升降架的结构部件如图2所示，其主要部件由上安装板、升降盘、下安装板、带轮、减振器、同步带、电机和丝杆组成。上、下安装板为丝杆等其他部件的连接支撑件，同时也是与飞机联接的固定件，升降盘为光电载荷安装固定件，带轮为电机和丝杆联动的连接件，采用专门设计的霍尔开关器件和磁铁组成的减振器为载荷运行上、下限位保护件，电机和同步带为输送动力的传动件，丝杆即是升降盘运行的导向件，又是升降架主体结构的支撑件。升降架上下安装板、升降盘、丝杆等关键部件加工均采用强度大、重量轻的航空碳纤维复合材料，利用数控机床完成加工制作，其他所需组件均采用航空标准配件。设计加工完成的升降架如图3所示。

图2 光电平台升降架结构部件1.下安装板；2.升降盘；3.上安装板；4.带轮；5.减震装置；6.同步带；7.小带轮；8.电机；9.丝杆

升降架使用时，首先通过安装在下安装板上的相配套的舱内连接件与飞机进行刚性相连，构成一体；然后将光电平台载荷安装在升降盘上；最后安装控制器并将之与舱内电源相连即可。

图3 光电平台升降架

2.3 控制器设计与制作

控制器是升降架实现载荷平稳运行的操控单元。为方便日常运行调试，设计有机载舱内DC 28 V、AC 220 V两种供电方式；考虑到升降盘需要实现升、降、停、变向等多功能操作，为避免单开关循环操控的弊端，在设计上采用双开关按钮操控；另外，控制器还需具有提供电机带动较大载荷稳定运行的安全驱动电流能力。为实现上述功能要求，基于DC-DC转换、模数转换、微处理器等微功耗芯片，采用功能模组设计方法研发出了专用控制器。控制原理框图如图4所示，升降架运行控制主要由电源、开关、控制处理、驱动、运行五个模组组成。其中，电源模组负责将输入的AC 220 V或DC 28 V转换成其他模组所需的12 V、±5 V工作电压；开关模组主要包括两路双控触发开关，负责控制升降装置升、降、停及换向操控；控制处理模组由DSP、D/A转换、检测以及锁换相处理等模块组成，承担控制信号的转换、检测、处理及输出；驱动模组主要包括功率驱动模块，为电机平稳运行提供可变驱动电流；运行模组由驱动电机、皮带、丝杆以及升降盘构成，负责维持载荷上下限位安全运行。升降架各种方式运行均由控制器通过直流电机驱动完成，具体工作如下：直流电机通过齿轮减速带动丝杆带轮转动，并由同步齿形带带动其余三根丝杆同步转动，使升降盘作上下直线运动，从而带动升降盘上的光电载荷上下运动。控制器如图5所示。

图4 升降架控制原理框图

图5 控制器

2.4 包装运输箱加工制作

由于该升降架为航空护林飞机森林防火期间开展林火监测业务所需专用装置，考虑其具体工作应用环境特点，为方便日常运输携带、维护保养以及存放，设计制作了专用运输包装箱。该包装运输箱体外面采用多层夹板外贴ABS板材，箱体结构的各边采用铝合金型材支撑，箱体每一个角用高强度的球形包角及L型铝合金边与板连接加固；箱体内衬及支撑垫选用高弹泡沫成型加工，箱体左右两侧为隐藏式拉手设计，前后安装有双张力拉扣，箱体侧面喷涂有防倒置警示标识，确保其具有质轻、防震减震、防潮、密封、易于携带、便于储存等特性。设计制作的升降架包装运输箱如图6所示。

图6 包装运输箱

3 分析与讨论

3.1 升降架的安全平稳性

升降架能否在负载的情况下保持机构平稳运行至关重要，这其中决定性因素是升降架的强度性能。为此，在设计中采用四丝杆联动机构，即四根丝杆在电机带动同步转动时，每根丝杆既起到承力作用，又起到导向作用。这样既增强了结构稳定性，也分担了升降盘及载荷的重量。另外，考虑到因操控不及时，升降盘上、下运行至最大行程时对升降架上、下安装板的冲击，采用霍尔板与磁铁的组合方式特别设计了专用减震器，利用霍尔器件对升降盘移动产生的最大磁场变化量进行测定的开关特性，合理设置最大阈值，从而实现了自动控制升降盘极限行程限位运行，有效避免了升降架构架及电机受到冲击损害，提升了升降架运行安全性能。测试表明，经过精心装调的四根丝杆的升降机构，运动平稳，总体性能优于两根丝杆的升降机构。

3.2 升降盘的结构刚性

由于光电平台是直接安装在升降盘上，因此升降盘的刚度也是至关重要的。为此，利用建立的升降机构升降盘数学模型对其进行有限元分析，从图7中可以看出升降盘在受力时变形情况，其最大变形量发生在两丝杆中间位置，变形量为0.003 2 mm，变形量很小，因此可以满足荷载设备对升降机构的指标要求。因为该分析模型忽略了实体中的一些加强措施，所以实际结构的刚度要高于分析结果。

3.3 升降架的技术特性

通过升降架实际搭载30 kg光电平台载荷运行测试，如图8所示，升降、停、换向启动操控灵活、运行平稳顺畅，上下限位自动控制保护灵敏，运行峰值电流符合飞机舱内安全供电限制，最大行程可确保光电平台视窗探测视场无遮挡。升降架主要技术特性指标如下：升降行程≤600 mm；升降时间≤60 s；功耗DC 28 V，平均工作电流≤4 A；自重≤5 kg；载荷重量≤55 kg；外观尺寸(长×宽×高)480 mm×480 mm×592.5 mm。

图7 升降盘有限元分析模型计算结果

图8 升降架综合测试

3.4 升降架的适用性

光电平台升降架的研制，除考虑其应具备基本功能外，还应考虑其机载安全适用性条件。本升降架的设计研发是在对现有可搭载光电平台的航空护林飞机的机腹距地面高度、舱内工作窗口布局及尺寸、舱内电源安全供电限制以及外设安装规范等多方面因素进行充分调研的基础上，采取如下措施来提高升降架的适用性：其一，机载电器设备通常采用机舱照明电源DC 28 V供电，其可提供工作电流≤7 A，因升降架电控部分采用低功耗组件进行设计的，其最大工作电流限制在4 A以下，同时考虑现有光电平台的最大工作电流一般不超过3 A，即使升降架和光电平台同时工作，也可保证载荷设备的总功耗在舱内电源安全工作范围之内；其二，原则上，飞机起飞、降落期间升降架不工作，只有飞行期间进行运行操作，但考虑到通航飞机工作窗口处机腹距地面距离一般在700～800 mm，为保证安全对升降架最大行程进行了限定设计，这样既可保证光电平台视窗探出机腹正常工作，又可保障平台距地面的安全高度；其三，从设计上，重点考虑在携带方便的前提下其结构尺寸尽量大些，借助安装在升降盘上的不同孔径的专用连接板来满足搭载不同规格尺寸的光电平台使用需求；其四，在使用安装上，可根据不同机型舱内原有的固定孔位通过设计专用的连接件先将升降架固定，再将之与舱内固定孔位固联方式进行安装，最大限度满足通航飞机对搭载安装外部设备的适航检测要求。

4 结论

着眼于航空护林飞机安全搭载光电平台监测林火的业务需求，结合通航飞机的外设安装技术规范，采用精密机械设计的理念研发出了专门的光电平台自动升降架。该升降架采用独特的四丝杆联动结构设计方法，选用轻质、低功耗材料，虽自重较轻，却因受力分布均匀，其荷载能力较自重多出了10倍；采用载机DC 28 V供电，平均工作电流小于4 A，用霍尔磁控开关设计方式有效避免了载荷极限运行行程时对升降架的冲撞，其电动升、降、停运行操控响应灵敏，运行平稳；同时，设计的专用包装箱为其运输携带、日常保养维护提供了安全保障；综合测试表明，该升降架可满足航空护林飞机舱内安装搭载光电平台以便安全、高效开展林火监测工作。