CN109552667B - 一种可重复利用工质的气动抛射装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可重复利用工质的抛射装置及方法，装置包括托筒、电磁助推器、缓冲密封件、行程传感器、抛射腔壁、托筒拉杆、导通孔、拉杆堵头、伺服电机a、拉杆架、伺服电机b、补偿压力传感开关、压力补偿孔、储气腔壁、工质补偿腔壁、增压孔、工质气体发生器、小型增压机；利用高压工质气体的势能转化为动能，来推动托筒运动，进而对待抛射载体实现抛射动作，并结合采用电磁助推器在待抛射载体脱离托筒接触面的瞬间，启动电磁助推器，实现对待抛射载体的二次加速。本发明实现了工质气体的重复利用，通过设置电磁助推器，实现了待抛射物的二次加速，减少频繁更换外接气瓶的次数，降低发射过程的时间成本，大大提高发射系统的使用效率。

Description

一种可重复利用工质的气动抛射装置及方法

技术领域

本发明涉及一种利用双伺服电机提高工质能量利用率的抛射装置，尤其适用于发射工质不便补给、更换，需采用重复利用的使用场合，属于抛射系统的功能优化、增强技术领域。

背景技术

近年来，国内外对探月工程、深空探测的活动越来越多，对大量的小型无动力探测器抛射需求也与日俱增，同时，在空间航天器平台上一些微纳卫星的低工质发射等需求，极大的推动了空间低工质、高效率抛射器的研制进程，作为获得一定速度发射探测器、微纳卫星的有效实现手段，利用气体工质的动能抛射器在这种需求背景下迅速的发展起来。

抛射器是用来将抛射物料、重物以一定的速度抛射至一定距离以外的器械，广泛应用于工农业生产生活中，同时，也在早期战争中有所应用。

现有的可用于小型探测器抛射装置，主要为消耗工质型以及压缩弹簧蓄能型，前者是通过工质推动活塞，进而实现对待抛射载体的加速，后者是通过前期压缩状态下储存的势能转化为动能，直接作用于待抛射载体上进而实现加速。

现有技术中，传统的抛射装置存在如下问题：

1、压缩弹簧蓄能型抛射器不仅无法实现大动能的抛射能力，由于机理限制，欲实现具备一定抛射能力，会造成就会造成自身的结构、体积过大的问题，无法实现某些特定场合的应用。

对外接储气设备耐压性要求过高，传统轻气炮气室无自身的增能机制，故外接储气设备必须满足超高的压强，才能保证对气室持续的充气，完成弹丸的超高速发射，因此，对外接储气设备耐压要求极为苛刻，大大的增大了系统安全性的隐患。

2、消耗工质型抛射器，每次施行抛射后，都会消耗掉一定量的工质，并且随着工质的消耗，其所具备的抛射能力会越来越弱，尤其是无法满足某些补充、更换工质困难的应用场合，严重的制约了使用效率以及其应用范围。

3、消耗工质型抛射器，欲实现多次抛射，需要另外配备高压、大质量的工质存储设备以及压力调制设备，严重的增大了整个抛射系统的质量，显著提升了运输、使用成本，增加设备操作的安全隐患。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种可重复利用工质气体实现高次数抛射的装置及方法，实现工质气体的重复利用，克服传统工质抛射装置每次都需造成工质的损耗的缺点。

本发明的技术解决方案是：一种可重复利用工质的气动抛射装置，包括一个抛射腔、一个储气腔、动力源；所述抛射腔与储气腔固接在一起并密封，二者之间设置导气结构；所述抛射腔上设置抛射开口，待抛射载体安装在活塞式结构上且能够随着活塞式结构在抛射腔内线性运动，所述的活塞式结构与抛射腔之间形成密封空间；活塞式结构线性运动的动力为安装在储气腔内动力源；抛射前，通过动力源带动活塞式结构运动至抛射腔的下侧，通过堵头堵住所述的导气结构，使储气腔内的压力满足要求；抛射时，导气结构导通，储气腔内的气体从导气结构进入抛射腔，带动活塞式结构将待抛射载体从所述的抛射开口抛射，完成单次抛射。

优选的，还包括二次加速部件；该部件安装在待抛射载体与所述活塞式结构之间，用于对待抛射载体进行二次加速。

优选的，所述的二次加速部件为电磁助推器，待抛射载体底部与其相接触。

优选的，还包括工质补偿单元，该单元的输出通过一个补偿压力传感开关与设置在储气腔上的压力补偿孔连接，用于为储气腔充气，补偿压力传感开关与压力补偿孔之间密封连接。

优选的，所述的工质补偿单元包括工质补偿腔、增压机、气体发生器；所述的工质补偿腔上设置增压孔，气体发生器产生的气体经增压机增加后通过该增压孔进入工质补偿腔内；工质补偿腔的出口端通过补偿压力传感开关接入压力补偿孔。

优选的，所述的活塞式结构包括托筒拉杆、托筒以及缓冲密封件；

托筒的底面与托筒拉杆固定连接，托筒拉杆的另一端与动力源连接，缓冲密封件套在托筒的外径上并固定，缓冲密封件与抛射腔内壁之间采用过盈配合。

优选的，所述的缓冲密封件采用高密度，低回弹性类橡胶材料，该材料与托筒之间采用胶粘结合螺钉方式锁定；所述橡胶材料的密度选取范围在1.4～1.95g/cm³内，弹性模量选取范围在5.4～7.8MPa内。

优选的，所述的动力源包括两台伺服电机，两台伺服电机均固定在储气腔内壁上，其中一台伺服电机的输出动力端与活塞式结构中的托筒拉杆固定连接，二者可在该电机的动力下一起平动；另一台伺服电机的输出动力端与拉杆架固定连接，同样二者可在该电机的动力下一起平动，拉杆架上安装拉杆堵头，拉杆堵头的数量与形状与所述的导气结构的数量与形状一致。

优选的，所述的抛射腔、储气腔、工质补偿腔的腔壁均采用内层钛合金，外层碳纤维复合材料包覆制成。

优选的，所述的托筒拉杆、拉杆架采用合金结构钢或不锈钢材料，通过热轧及锻造进行加工。

优选的，储气腔内初始充入的气体为轻质气体：氢气、氦气、氮气。

优选的，所述的待抛射载体是各种小型无自主动力的探测器或者各种科研试验的微纳卫星。

一种可重复利用工质的气动抛射方法，在所述装置中的活塞式结构上待抛射载体的下方设置行程传感器；抛射通过下述方式实现：

第一阶段，初始状态时，通过控制动力源带动活塞式结构收缩至储气腔一侧，堵头堵住导气结构，将储气腔与抛射腔完全隔离成为两个独立的腔室，储气腔内充满轻质气体且到设定的预压值；

第二阶段，当接收到抛射指令后，解除动力源与活塞式结构之间的锁定，并将堵头从导气结构中拉起，此时工质气体瞬间从储气腔流进了抛射腔，并推动活塞式结构快速移动，移动位移实时通过行程传感器记录并反馈，当反馈的位移信息达到设定的上行位移最大值的瞬间，发出指令给二次加速部件，由二次加速部件再次对待抛射物进行加速动作，从而实现二次加速，并完成单次抛射任务；

在二次加速前，动力源重新带动活塞式结构收缩至储气腔一侧，并将抛射腔内的工质气体压缩回储气腔内，并将堵头重新填堵进导气结构中，完成复位。

优选的，补偿压力传感开关感知储气腔内的气体压力，当气体压力达不到所述的设定的预压值时，对气体发生器发出指令，气体发生器开始产生气体，并通过增压机进行增压后，通过补偿压力传感开关后进入储气腔，当储气腔的压力值达到所述的预压值时，补偿压力传感开关感知后自动关闭，完成充气。

优选的，所述第二阶段中的堵头从导气结构中拉起，导通气体的开启时间不超过30ms。

优选的，所述的行程传感器能够实时检测到0～600mm位置移动信息，精度为不大于0.5‰；压力传感开关的测试范围是2～40Mpa。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1、本发明实现了抛射工质重复利用，突破了单次抛射都需消耗定量工质的传统技术模式，克服了一些无法(或者极为困难)补充抛射工质的应用场合的难点，大大的延长了抛射装置的使用寿命。

2、本发明采用了钛合金与碳纤维作为抛射腔、储气腔、工质补偿腔等各腔体壁的结构材料材料，同时，机理上的优化可省去单次抛射消耗定量工质装置所需设置的高压腔，大质量的工质气瓶，明显降低了抛射装置的质量，使运载、转移、使用更为便利。

3、本发明采用了二级加速，通过一级抛射腔提供气动抛射动力，在即将脱离托筒的瞬间，二级电磁助推器启动，显著的提升抛射的动能，同时结合可调节的储气腔压强，可以为不同类型、不同质量的各种待抛射载体完成不同距离、不同速度抛射任务，该装置的复用性好。

4、本发明具有结构简单、可靠性高、可操作性强的特点，而且拆装方便、而且便于调试、检测，大幅降低前期的经济与时间成本。

5、本发明能够充分实现一般气体抛射装置的性能优化与增强，同时为工质气体抛射技术在空天领域的应用提供了强有力的支撑，具有广阔的市场前景和应用价值。

附图说明

图1为本发明结构图；

图2为本发明抛射结构组件结构图；

图3为本发明阻、通活塞组件结构图；

图4为本发明储气腔结构图；

图5为本发明抛射腔结构图；

其中：1待抛射载体；2托筒；3电磁助推器；4缓冲密封件；5行程传感器；6抛射腔壁；7托筒拉杆；8导通孔；9拉杆堵头；10伺服电机a；11拉杆架；12伺服电机b；13补偿压力传感开关；14压力补偿孔；15储气腔壁；16工质补偿腔壁；17增压孔；18气体发生器；19小型增压机。

具体实施方式

下面结合附图说明和具体实施例对本发明作进一步描述：

如图1-5所示，一种可重复利用工质的抛射装置，包括待抛射载体1、托筒2、电磁助推器3、缓冲密封件4、行程传感器5、抛射腔壁6、托筒拉杆7、导通孔8、拉杆堵头9、伺服电机a10、拉杆架11、伺服电机b 12、补偿压力传感开关13、压力补偿孔14、储气腔壁15、工质补偿腔壁16、增压孔17、工质气体发生器18、小型增压机19；待抛射载体1的一部分及电磁助推器3、行程传感器5的全部置于托筒2的内部，待抛射载体1底部与电磁助推器3相接触，电磁助推器3及行程传感器5底部与托筒2底部固定连接，缓冲密封件4套在托筒2的外径上，并置于抛射腔的内部，托筒2最底部与托筒拉杆7固定连接，托筒拉杆7另外一侧与伺服电机a 10的输出动力端固定连接，二者可在该电机的动力下一起平动；伺服电机a 10固定连接在储气腔内壁上，拉杆堵头9与拉杆架11固定连接，拉杆架11另外一侧与伺服电机b 12的输出动力端固定连接，同样二者可在该电机的动力下一起平动；伺服电机b 12与储气腔壁15固定连接，抛射腔与储气腔之间固定密封连接，储气腔内部设有2个导通孔8及一个压力补偿孔14，压力补偿孔14的另一侧与补偿压力传感开关13密封连接，补偿压力传感开关13另一侧与工质补偿腔密封连接，工质补偿腔设有增压孔17，增压孔17另一侧与小型增压机19密封固定连接，小型增压机19的另一侧与气体发生器18密封固定连接。

在上述的一种可重复利用工质的抛射装置中，托筒2内设置有行程传感器5，可实时检测到0～600mm位置移动信息，并可将信息同步传给控制系统，行程传感器5的精度为不大于0.5‰；储气腔与工质补偿腔之间安装有补偿压力传感开关13，其由于检测储气腔内的压力是否到达预设的值，如果未达到补偿压力传感开关13启动，工质补偿腔的工质流入储气腔，当压力达到后补偿压力传感开关13自动关闭，压力传感开关13的测试范围是2～40Mpa。

抛射腔、储气腔、工质补偿腔等各腔壁均采用内层钛合金，外层碳纤维复合材料包覆技术，即可保证具有足够的机械强度，又可以降低抛射系统的质量

抛射腔与储气腔之间，在满足密封性的性能下可以选择螺栓、螺母连接以及采用焊接等方式。

在首次安装后，将抛射腔、储气腔、工质补偿腔等各腔内充入预置压强的轻质气体(如氦气)，当系统内出现工质气体微量泄漏时，气体发生器18里面的固体气体发生剂开始反应产生气体，并通过小型增压机19对所产生的气体进行增压。

托筒拉杆7及拉杆架11采用合金结构钢或不锈钢材料，通过热轧及锻造进行加工。

拉杆堵头9导通气体开启时间不超过30ms。

缓冲密封件4采用高密度，低回弹性类橡胶材料，该材料与托筒之间采用胶粘结合螺钉锁定，缓冲密封件与抛射腔内壁之间采用过盈配合。密度选取范围在1.4～1.95g/cm³内，弹性模量选取范围在5.4～7.8MPa内。

储气腔内初始充入的气体为轻质气体，例如氢气、氦气、氮气等。

待抛射载体1可以是各种小型无自主动力的探测器以及各种科研试验的微纳卫星。

本装置储气腔的初充压强一般为10Mpa(容积为1.5L)，而实际应用中可以根据待抛射载体1的质量以及所要求的抛射速度进行确定，然后通过补偿压力传感开关13进行调节充放动作，通过地面试验测试一般在进行23次抛射动作后需要对储气腔的压力进行补偿，抛射腔壁6、储气腔壁15、工质补偿腔壁16采用钛合金基体结合外层碳纤维缠绕结构一般用于航天领域的超高压气体储存装置。

实际使用时：

第一阶段，初始状态时，通过控制伺服电机a 10带动托筒拉杆7与托筒2一同收缩至储气腔一侧，并将伺服电机a 10，此时托筒拉杆7的上侧“T”型顶部与储气腔壁相接触，且通过控制伺服电机b 12将拉杆堵头9镶嵌在储气腔壁的导通孔8内部，将储气腔与抛射腔完全隔离成为两个独立的腔室，储气腔内充满高压轻质气体(达到设定的预压值)，然后处于待控制系统给出抛射指令的状态。

第二阶段，当接收到控制系统的抛射指令后，首先将伺服电机a 10的锁定解除，通过控制伺服电机b 12，将拉杆堵头9从导通孔8中拉起，此时工质气体瞬间从储气腔流进了抛射腔，并推动托筒拉杆7与托筒2一同快速移动，移动位移实时通过行程传感器5记录并向控制系统反馈，当托筒2达到上行位移最大的瞬间时，控制系统发出指令给电磁助推器3，电磁助推器3启动，再次对待抛射物1进行加速动作，从而实现二次加速，并完成单次抛射任务。

第三阶段，进行二次加速前，同样控制伺服电机a 10带动托筒拉杆7与托筒2一同收缩至储气腔一侧，并将抛射腔内的工质气体压缩回储气腔内，锁紧伺服电机a 10，然后控制伺服电机b 12将拉杆堵头9填堵进导通孔8中，重复上述步骤即可实现再次抛射过程。

第四阶段，当进行多次抛射后，整个系统的工质气体会出现微量的泄露(虽然，各活动连接处已经做出密封防泄漏处理，但在如真空环境下，动连接几乎无法实现完全无泄漏的)，甚至是达不到抛射的预压值，此时，通过补偿压力传感开关13感知并反馈给控制系统，控制系统对气体发生器18给出指令，气体发生器18开始产生气体，并通过小型增压机19进行增压后，通过补偿压力传感开关13后进入储气腔，当储气腔的压力值达到预压值，补偿压力传感开关13感知后自动关闭，充气过程终止，可继续进行抛射任务。

本发明的工作原理是：

利用高压工质气体的势能转化为动能，来推动托筒运动，进而对待抛射载体实现抛射动作，并结合采用电磁助推器在待抛射载体脱离托筒接触面的瞬间，启动电磁助推器，实现对待抛射载体的二次加速。

全抛射系统尽管实现了工质重复利用，但不可避免在多次使用的过程中，会出现微量泄漏，则不能到达抛射的预压值，此时，可通过气体发生器产生气体，然后小型增压机对其进行增压，通过补偿压力传感开关的反馈与控制对储气腔的压力进行补偿，从而可实现高数次重复发射。

本发明说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知技术。

Claims (15)

1.一种可重复利用工质的气动抛射装置，其特征在于：包括一个抛射腔、一个储气腔、动力源；所述抛射腔与储气腔固接在一起并密封，二者之间设置导气结构；所述抛射腔上设置抛射开口，待抛射载体安装在活塞式结构上且能够随着活塞式结构在抛射腔内线性运动，所述的活塞式结构与抛射腔之间形成密封空间；活塞式结构线性运动的动力为安装在储气腔内动力源；抛射前，通过动力源带动活塞式结构运动至抛射腔的下侧，通过堵头堵住所述的导气结构，使储气腔内的压力满足要求；抛射时，导气结构导通，储气腔内的气体从导气结构进入抛射腔，带动活塞式结构将待抛射载体从所述的抛射开口抛射，完成单次抛射；所述的活塞式结构包括托筒拉杆、托筒以及缓冲密封件；托筒的底面与托筒拉杆固定连接，托筒拉杆的另一端与动力源连接，缓冲密封件套在托筒的外径上并固定，缓冲密封件与抛射腔内壁之间采用过盈配合。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：还包括二次加速部件；该部件安装在待抛射载体与所述活塞式结构之间，用于对待抛射载体进行二次加速。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述的二次加速部件为电磁助推器，待抛射载体底部与其相接触。

4.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于：还包括工质补偿单元，该单元的输出通过一个补偿压力传感开关与设置在储气腔上的压力补偿孔连接，用于为储气腔充气，补偿压力传感开关与压力补偿孔之间密封连接。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于：所述的工质补偿单元包括工质补偿腔、增压机、气体发生器；所述的工质补偿腔上设置增压孔，气体发生器产生的气体经增压机增压后通过该增压孔进入工质补偿腔内；工质补偿腔的出口端通过补偿压力传感开关接入压力补偿孔。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的缓冲密封件采用高密度，低回弹性类橡胶材料，该材料与托筒之间采用胶粘结合螺钉方式锁定；所述橡胶材料的密度选取范围在1.4~1.95g/cm³内，弹性模量选取范围在5.4~7.8MPa内。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的动力源包括两台伺服电机，两台伺服电机均固定在储气腔内壁上，其中一台伺服电机的输出动力端与活塞式结构中的托筒拉杆固定连接，二者可在该电机的动力下一起平动；另一台伺服电机的输出动力端与拉杆架固定连接，同样二者可在该电机的动力下一起平动，拉杆架上安装拉杆堵头，拉杆堵头的数量与形状与所述的导气结构的数量与形状一致。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于：所述的抛射腔、储气腔、工质补偿腔的腔壁均采用内层钛合金，外层碳纤维复合材料包覆制成。

9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于：所述的托筒拉杆、拉杆架采用合金结构钢或不锈钢材料，通过热轧及锻造进行加工。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：储气腔内初始充入的气体为轻质气体：氢气、氦气或氮气。

11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述的待抛射载体是各种小型无自主动力的探测器或者各种科研试验的微纳卫星。

12.一种可重复利用工质的气动抛射方法，其特征在于：在权利要求5所述装置中的活塞式结构上待抛射载体的下方设置行程传感器；抛射通过下述方式实现：

第一阶段，初始状态时，通过控制动力源带动活塞式结构收缩至储气腔一侧，堵头堵住导气结构，将储气腔与抛射腔完全隔离成为两个独立的腔室，储气腔内充满轻质气体且到设定的预压值；

第二阶段，当接收到抛射指令后，解除动力源与活塞式结构之间的锁定，并将堵头从导气结构中拉起，此时工质气体瞬间从储气腔流进了抛射腔，并推动活塞式结构快速移动，移动位移实时通过行程传感器记录并反馈，当反馈的位移信息达到设定的上行位移最大值的瞬间，发出指令给二次加速部件，由二次加速部件再次对待抛射物进行加速动作，从而实现二次加速，并完成单次抛射任务；

在二次加速前，动力源重新带动活塞式结构收缩至储气腔一侧，并将抛射腔内的工质气体压缩回储气腔内，并将堵头重新填堵进导气结构中，完成复位。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：补偿压力传感开关感知储气腔内的气体压力，当气体压力达不到所述的设定的预压值时，对气体发生器发出指令，气体发生器开始产生气体，并通过增压机进行增压后，通过补偿压力传感开关后进入储气腔，当储气腔的压力值达到所述的设定的预压值时，补偿压力传感开关感知后自动关闭，完成充气。

14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：所述第二阶段中的堵头从导气结构中拉起，导通气体的开启时间不超过30ms。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于：所述的行程传感器能够实时检测到0~600mm位置移动信息，精度为不大于0.5‰；补偿压力传感开关的测试范围是2~40Mpa。

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