CN105674799A - 利用压缩流体发射射弹的装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用压缩流体进行发射的发射装置(140)，包括：射弹(11)，具有两端的桶体(18)，所述射弹(11)被定位于桶体(18)内，所述两端中的第一端允许压缩流体进入桶体(18)，所述两端中的第二端允许射弹离开，和压缩流体的储蓄器(21)，其被连接到桶体(18)的两端中的第一端。根据本发明，该发射装置还包括具有第一带体的连接装置，所述第一带体能够从其中第一带体绕轴线Z缠绕在支撑上的配置过渡到其被沿着大致垂直于轴线Z的轴线X展开的配置，所述带体具有被固定到射弹(11)的端部，并且该支撑被固定于桶体(18)中。

Description

利用压缩流体发射射弹的装置

本发明涉及一种利用压缩流体发射射弹的装置。本发明主要应用于空间领域。

相当大尺寸的空间碎片的数量正在持续增大。空间碎片数量的增大导致卫星之间和/或与空间站的碰撞风险增大。一些碎片由于其尺寸和/或其在被称为危险区域、例如可用轨道的区域中的位置而被认为是很危险的。例如，可以参考可被配置在可用轨道中的废弃卫星、火箭的级。使这些碎片离开轨道变成很迫切的事情，以将它们移离可用轨道。这样，就出现了如何有效且可靠地移除这些碎片以减小空间污染的问题。事实上，需要可靠的操纵和设备来移除这些碎片，否则将发生不希望的碰撞甚至产生更多的碎片。

已经建议了很多解决办法。当然，可以参考用于抓取碎片的关节臂、巨网或机器人车辆，所有这些都意于捕获碎片并且将其返回地球或使其停在远离可用轨道的、被称为停靠轨道的轨道上。这些解决方案很昂贵并且难以实施。

另一解决方案是以鱼叉式装置叉住(harpoon)所谈论的目标物体，也就是碎片，以将其拖出危险区域。一个主要的问题是鱼叉式装置的稳定性。事实上，可被认为类似粘性介质作用的地球大气产生空气阻力。相比之下，在据说接近完美真空的空间中，在该介质中运动的物体几乎完全不受空气阻力。结果是在此物体上没有气体动力学效应。换句话说，在真空中，不可能依靠气体动力学效应将鱼叉式装置保持沿着其路径的轴线定向。一旦被发射，通常通过缆线保持的鱼叉式装置不再头朝朝向目标物体的预期方向。因此在思考意于以鱼叉式装置叉住目标物体的装置的解决方案时必须考虑与空间场相关联的附加约束条件。另外，在缆线被解绕时，鱼叉式装置和目标物体(即，碎片)之间的连接可能对鱼叉式装置的路径产生干扰。此外，缆线在其中存储时也可能发生纠缠。

本发明通过建议一种利用压缩流体发射射弹的装置而致力于解决上述问题中的所有或一些，该装置允许射弹保持沿着其瞄准线的轨迹，射弹借助于不对射弹的路径产生干扰的连接装置进行连接。

为此目的，本发明的一个主题是一种利用压缩流体发射射弹的发射装置，包括：

具有两端的桶体，所述射弹被定位于桶体内，所述两端中的第一端允许压缩流体进入桶体，所述两端中的第二端允许射弹离开，和

压缩流体的储蓄器，其被连接到桶体的两端中的第一端，

其特征在于，所述发射装置包括连接装置，所述连接装置包括第一带体，所述第一带体能够从其中第一带体绕轴线Z缠绕在支撑上的配置过渡到其被沿着大致垂直于轴线Z的轴线X展开的配置，所述带体具有被固定到射弹的端部，并且，所述支撑被固定于桶体中。

根据一个实施例，所述第一带体的端部通过连接元件连接到射弹，并且连接元件是允许射弹围绕轴线X转动的机械部件。

在阅读了通过示例给出的一个实施例的描述中，本发明将得到更好地理解并且其它优势将变得显然。该描述通过所附的附图示出，图中：

图1示出了根据本发明的用于发射射弹的装置的第一实施例在平面XY中的截面示意图，和射弹在垂直于平面XY的平面YZ中的截面图，

图2a和2b示出了根据本发明的用于发射射弹的装置的第二实施例在平面XY中的截面示意图，

图3示出了根据本发明的用于发射射弹的装置的第三实施例在平面XY中的截面示意图，

图4a和4b示出了用于发射射弹和包括上述桶体的装置的第四实施例在平面XY中的截面示意图，

图5示出了用于将第一物体连接到第二物体的连接装置的第一实施例在平面XY中的截面示意图，

图6a和6b示出了连接装置的第二实施例在平面XY中的截面示意图，

图7a和7b示出了连接装置的第三实施例在平面XY中的截面示意图，

图8示出了连接装置的第四实施例在平面XY中的截面示意图，

图9示出了连接装置的第五实施例在平面XY中的截面示意图，

图10示出了包括连接装置的、根据本发明的用于发射射弹的装置的第五实施例在平面XY中的截面示意图，

图11a和11b示出了连接装置的两个实施例在平面XY中的截面示意图，

图12示出了根据本发明的、包括连接装置的、用于发射射弹的装置的第二实施例在平面XY中的截面示意图。

为清楚起见，不同图中相同的元件具有相同的参考标记。

应注意本发明关于在空间场中的使用进行描述。然而，它还应用于地球大气中，例如应用于从水中回收碎片的船只上或应用于浮在水面上的船只上或应用于在陆地上拖曳物体的船只上。

更具体地，本发明可以应用于其中第一物体被连接到第二物体的任何场景中。

图1示出了用于发射射弹11的装置10和桶体18的第一实施例在平面XY中的截面示意图，以及射弹11在垂直于平面XY的平面YZ中的截面图。射弹11沿轴线X在两端12，13之间延伸。射弹11意于被定位于具有轴线X的、大致圆筒形状的桶体18中。射弹11在其敞开到射弹11的两端中的第一端12上的中心处包括中空部分14，中空部分14意于接收压缩流体。射弹11包括多个排放孔15，排放孔15从中空部分14开始大致垂直于轴线X穿过射弹11并且具有意于与射弹11大致相切地驱逐压缩流体的大致径向出口。优选地，但不是强制性的，压缩流体可以是压缩气体。压缩流体经由中空部分14进入射弹11并且经由排放孔15与射弹11的横截面相切地离开。经由排放孔15与射弹11的横截面相切地离开的压缩流体在射弹上产生转矩，导致射弹绕自身回转。换句话说，射弹11被置于围绕轴线X的绕自身旋转中。在进入射弹11后，压缩流体导致射弹内的压力增加。此压力增加导致射弹沿着轴线X平移运动，允许射弹11被推出。同时，流体的压力和流体通过排放孔的流动导致射弹绕自身旋转。因此，射弹11的中空部分14和排放孔15允许射弹11的沿轴线X的平移运动和围绕轴线X的旋转运动。在图1的平面YZ的截面图中，射弹11包括3个排放孔。为了将射弹11置于充分旋转，至少需要两个排放孔，但同样可能具有三个或更多个排放孔。

射弹11包括头部16和本体17。射弹11的头部16从射弹11的两端中的第二端13延伸到远至所述多个排放孔15。射弹11的本体17从头部16延伸到远至射弹11的第一端12。

桶体18具有两端19，20，射弹11被定位于这两端中，桶体18的两端中的第一端19允许压缩流体进入桶体18，这两端中的第二端20允许射弹11离开。

最后，用于将射弹11置于旋转中的装置10包括压缩流体的储蓄器21，储蓄器21被连接到射弹11所处的桶体18的第一端19，以为射弹11供应压缩流体。

图2a和2b示出了用于发射射弹11的装置100的第二实施例在平面XY中的截面示意图。桶体18包括两个螺旋形连接元件23，24中的第一个23。射弹11包括这两个螺旋形连接元件23，24中的第二个24，其被固定在射弹11的中空部分14中，第一个23和第二个24螺旋形连接元件形成组合运动机构22，用于同时产生射弹11相对于桶体18的围绕轴线X的旋转和沿着轴线X的平移。组合运动机构22可以是丝杠螺母组件或，优选，包括滚珠丝杠或滚子丝杠的组件以减小这两个连接元件23，24之间的摩擦。压缩流体的压力驱动射弹11使其离开桶体18。如在前面看到的，具有大致径向出口的排放孔15允许产生射弹11的围绕轴线X的旋转运动。现在，因为希望射弹将其轨迹保持在其轴线上，该轨迹是沿着轴线X的，所以希望射弹在围绕着其轴线X的旋转过程中被充分加速以便其始终保持定向于同一方向上。两个元件中的一个23或24可比作螺杆而这两个元件中的另一个23或24可比作螺母。根据螺母和螺杆接合的线程数N，射弹11将实现围绕自身的相同数目N的自转，因此转N圈的运动，如图2a中所示，在平移方面获得自由并且能够被逐出之前，如图2b中所示。因此连接机构22允许射弹11在沿轴线X的平移运动加速之前获得围绕轴线X的更大角加速度。

应注意，在图2a和2b中，丝杠被固定到桶体18而螺母被固定在射弹11的中空部分14中。然而，这种结构完全可能颠倒过来，也就是，丝杠被固定在射弹11的中空部分14中而螺母被固定到桶体18。

图3示出了包括上述桶体18的、用于发射射弹11的装置110的第三实施例在平面XY中的截面示意图。桶体18包括大致径向的第一开口25。此大致径向开口25允许压缩流体在其流经射弹11之后离开桶体18。

桶体18包括头部26和本体27，桶体18的头部26从桶体18的两端中的第二端20延伸到远至开口25，桶体18的本体27从桶体18的头部26延伸到远至桶体18的两端中的第一端19。

还请注意桶体18的本体27的直径小于桶体18的头部26的直径。另外，射弹11的本体17的直径小于射弹11的头部16的直径。此外，射弹11的本体17的直径小于桶体18的本体27的直径，并且射弹11的头部16的直径小于桶体18的头部26的直径。

换句话说，桶体28的头部26的直径实质上大于射弹11的头部16的直径，并且桶体18的本体27的直径实质上大于射弹11的本体17的直径。

上述这种本体和头部之间的直径差分别构成用于射弹11的引导系统。特别是，因为与本体对应的第一直径小于与头部对应的第二直径，所以当射弹11被射出时，它在本体和头部水平处同时变自由。因此，这种结构避免了由于在桶体处的振动可能产生的对射弹11的轨迹的任何干扰。

图4a和4b示出了包括上述桶体18的、用于发射射弹11的装置120的第四实施例在平面XY中的截面示意图。桶体18包括具有两端29，30的排放导管28。桶体18包括位于桶体18的第一开口25和桶体18的两端中的第二端20之间的第二开口31。排放导管28的两端中的第一端29被连接到桶体18的第一开口25，而排放导管28的两端中的第二端30被连接到桶体18的第二开口31。具有特定压力并且具有特定流速的压缩流体在经过了射弹11之后需要从桶体18排出。如前面关于图3解释的，压缩流体可简单地通过桶体18的径向开口25排出。在该情况下，压缩流体被释放到外面(空间，大气，即其中用于将射弹置于旋转中的该装置正在使用的环境)。还可以利用压缩流体的排放来在射弹11上产生气体动力学效应，如在图4a和4b中示出的。在图4a中，射弹11处于角加速的阶段中。组合运动机构22促进射弹11的旋转加速并且最后径向开口25或多或少地面对着至少一个排放孔15。压缩流体经由该排放孔离开射弹11，在射弹11上产生力矩并且使其围绕自身旋转。然后压缩流体通过第一端29(也就是通过径向开口25)进入排放导管28并且通过第二端30(也就是第二开口31)从排放导管28重新排出。如图4b中所示，在沿着轴线X的平移运动阶段中，因为组合运动机构22的连接元件23，24是相对于彼此自由的，也就是因为射弹11已经获得了足够的角加速度，所以射弹11朝向桶体18的端部20移动。从而，排放孔15面对着排放导管28的第二端30。因此，压缩流体通过第二端30进入排放导管28并且通过位于排放导管28的第一端29水平的径向开口25重新排出排放导管28。压缩流体朝向桶体18的本体27的流动在桶体18的本体27内产生压力增加并且因此在射弹上产生沿轴线X方向上的附加力，促进射弹11沿着轴线X的平移加速。

图5示出了包括第一物体40、第二物体41的连接装置130的第一实施例在平面XY中的截面示意图。连接装置130包括第一带体42，第一带体42能够从其中第一带体42绕轴线Z缠绕在被固定到第一物体40的支撑43上的配置过渡到其被沿着大致垂直于轴线Z的轴线X展开的配置，带体42具有意于与第二物体41接触、以连接第一物体40与第二物体41的端部44。

带体很容易进行缠绕和解绕，在被缠绕的配置中占据最小的空间量，因为其被绕轴线Z缠绕并且大致位于平面XY中，从而防止带体发生纠缠。然而，还可以设想使用缆线或弹性体(spring)来代替带体，缆线或绳带像带体42一样能够从其中其被围绕着固定到第一物体40的支撑43绕轴线Z缠绕的配置过渡到其被沿着轴线X展开的配置。

图6a和6b示出了连接装置130的第二实施例在平面XY中的截面示意图。连接装置130包括第一凸缘45和第二凸缘46以及环绕着第一带体42定位的盖47，第一凸缘45和第二凸缘46被定位成大致平行于平面XY，分别位于第一带体42的每一侧上。这两个凸缘45，46允许带体42在带体42展开时不会离开缠绕器。盖47还防止带体42解绕太多。这是因为有时候必须迅速地获得一定长度的带体42使用，以与第二物体41接触或拖曳第二物体41。在这种情况下，可能必须解绕带体42，例如从两个凸缘45，46之间解绕五至二十米的带体42，而盖47允许此解绕长度被保持在支撑43四周。这些例子可在图7a和7b中看到。

图7a和7b示出了连接装置的第三实施例在平面XY中的截面示意图。连接装置130包括用于引导第一带体42的引导装置48。引导装置48可包括分别位于带体42的每一侧上的两个简单支架，用于在带体42的展开过程中引导带体42。此简单支架可以是与带体42形成接触点的滚子或横跨带体42的宽度形成纵向连接的指状部。

此外，连接装置130可包括意于切割第一带体42的切割装置49。这种切割装置可以证明是必要的，如果不再希望与第二物体接触或如果，出于安全或可操纵性原因，不再希望继续牵引。此切割装置可以是高温剪切机(pyroshear)或任何其它适当类型的剪切机。

图8示出了连接装置130的第四实施例在平面XY中的截面示意图。连接装置130可还包括具有沿着所述轴线Z的输出轴51的电机50，输出轴51被连接到支撑43并且意于卷起和展开第一带体42。

图9示出了连接装置130的第五实施例在平面XY中的截面示意图。连接装置130可包括至少一个第二带体52，第二带体52与第一带体42重叠并且能够从其中第二带体52被绕轴线Z缠绕在被固定于第一物体40的支撑43上的配置过渡到其被沿着大致垂直于轴线Z的轴线X展开的配置，带体52具有端部54，端部54意于与第三物体(未示出)接触以连接第一物体40与第三物体。带体52被与带体42重叠。类似地，第三带体53可被缠绕在支撑43上，与带体42和52重叠。此带体缠绕结构是有利地，因为其允许存在被缠绕在最小空间量内的、意于与若干物体接触的若干带体。同样，对于连接装置130来说可以包括四个或更多个带体，它们互相叠置并且允许第五或更多物体被连接到所述第一物体40。

图10示出了根据本发明的、利用压缩流体发射射弹的装置140的第五实施例在平面XY中的截面示意图，包括桶体18、压缩流体的储蓄器21，储蓄器21被连接到桶体18的两端中的第一端19。发射装置140包括如上述的连接装置130，射弹11为第二物体41。支撑43被固定到装置140。第一带体42的端部44通过连接元件55连接到第二物体，即连接到射弹11。连接元件55是允许射弹11围绕轴线X转动的机械部件。该机械部件可以是允许射弹11围绕轴线X转动的球轴承。支撑43被固定于桶体18中。有利地，支撑43被固定在桶体18的两端中的第一端19附近。换句话说，连接装置130被定位于桶体18的后部分中，压缩流体从该后部分进入。因此，来自储蓄器21的压缩流体占据桶体18的后部分。然后，压缩流体在其端部19进入桶体18，然后进入射弹11的中空部分14，通过排放孔15重新排出，以产生射弹11围绕自身的旋转运动和射弹沿着轴线X的平移运动。

图11a和11b示出了连接装置130的两个实施例在平面XY中的截面示意图。如前面解释的，连接装置130被定位于桶体18中。带体42的端部44通过连接元件55(在这些图中未示出)固定到射弹11。换句话说，第一物体40是桶体18，第二物体41是射弹11。因此，一旦射弹11不再位于桶体18中，带体42虽然被固定到射弹11但不会干绕射弹11的轨迹。而且，因为带体42和射弹之间的连接在桶体18内部，所以不可能发生流体泄漏，和压力泄漏。

图12示出了根据本发明的、包括连接装置130、用于发射射弹11的装置140的第二实施例在平面XY的截面示意图。图12的所有元件与图11b的元件完全相同。此实施例提供了带体42的端部44与射弹11的连接元件55相连接的视图，如前面关于图11a和11b所描述的。

Claims (1)

1.一种利用压缩流体进行发射的发射装置(140)，包括：

射弹(11)，

具有两端(19，20)的桶体(18)，所述射弹(11)被定位于桶体(18)内，所述两端(19，20)中的第一端(19)允许压缩流体进入桶体(18)，所述两端(19，20)中的第二端(20)允许射弹(11)离开，和

压缩流体的储蓄器(21)，其被连接到桶体(18)的两端(19，20)中的第一端(19)，

其特征在于，所述发射装置包括连接装置(130)，所述连接装置包括第一带体(42)，所述第一带体能够从其中第一带体绕轴线Z缠绕在支撑(43)上的配置过渡到其被沿着大致垂直于轴线Z的轴线X展开的配置，所述带体(42)具有被固定到射弹(11)的端部(44)，并且在于，所述支撑(43)被固定于桶体(18)中，所述第一带体(42)的端部(44)通过连接元件(55)连接到射弹(11)，并且连接元件(55)是允许射弹(11)围绕轴线X转动的机械部件。