CN110920924A - 一种无人机辅助液压弹射装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无人机辅助液压弹射装置，包括底盘、底座、发射高度调整杆、发射台等；本发明巧妙利用弹簧装置，将液压装置动态变化过程中产生的能量积蓄为巨大的弹性势能，通过将强力弹簧在恢复形变过程中产生的巨大弹力传递给所需弹射的无人机这一过程赋予无人机较快的初始速度，从而实现将无人机弹射的目标。本发明设计的相关装置具有调整方位的相关结构，能够在短时间内整至所需发射方位。在调整发射方位的同时，本系统同样能够调整液压杆结构，从而积蓄弹性势能。这样独立的模块设计能够有效减少发射等待时间间隔，提升发射效率，取得更好的经济效益。
Description
技术领域
本发明是一种液压弹射装置，主要用于无人机的辅助发射等，属于无人机设计技术领域。
背景技术
弹射器是依靠自身动力或者外部动力，给予被弹射物体施加相应初速度的装置，主要用于火箭、导弹、无人机等的发射。随着弹射技术的迅速发展，弹射装置也呈多样化发展趋势，按照发射动力分类，主要分为冷发射和热发射。
传统的高压空气弹射系统主要包括高压气源、控制阀组和弹射动力装置等。弹射动力装置通常由气动传动、制动和同步的杠杆机构等组成。通过控制信号，气瓶阀门打开，高压气体进入作动筒推动同步杠杆机构，从而驱动导弹。完成发射过程后，回收弹射机构，制动机构主要起到缓冲同步杠杆，弹射结束后解除约束的作用。传统高压空气弹射装置为筒式，如美国20世纪60年代装备的潜－地导弹：北极星A1和北极星A2,苏联70年代装备的SS-17等均采用此类发射方式。这种发射方式虽然能够较好的改善发射筒的工作环境，但同样面临尾罩分离和难以兼容异形导弹发射的问题。
电磁发射是根据磁场中“洛伦兹力”原理发展的一种新型发射技术，电磁弹射装置(EMALS)相比其他弹射装置具有体积小、结构简单、易维护及高控制精度等特点20纪40年代，美国开始研宄电磁弹射领域，并进行了感应性电磁弹射样机试验。2010年在“福特”号航母上完成舰载机弹射模拟试验，取代了以前的蒸汽弹射器，标志着电磁弹射技术开始工程化。目前，美国已经开始把电磁弹射技术的研究成果应用于航天发射平台中，大幅度降低了航天器的发射费用。
火箭弹射利用推进剂转变为高速射流，完成无人机的弹射起飞。这个过程会产生大量的光、声、热、烟雾等信号，发射装置为一次性使用，不可重复利用，成本较高。由于火箭本身的特殊性，对于弹射系统的生产、运输、保存要求较高，维护费用开支较大。而气液压弹射方式其占用的体积很小，弹射前只需要向气源预冲压力，弹射中车载电源就可以满足能源需求，这就使这种弹射方式性能好，功率要求低，不产生其他干扰信号。弹射环境对其弹射过程影响不大，易于运输和保存，保证弹射物体具有良好的机动性和灵活性。
对于电磁弹射，其技术门槛相对较高，目前只有少数大国在进行研究。电磁弹射装置是一个名副其实的“电老虎”，如何提供一个足够强大的电源安装在弹射装置上是一个令人感到棘手的难题。
随着民用弹射装置需求的不断增长，能源需求较少，机动灵活的液压弹射装置能够满足相应的使用需求。
目前在无人机弹射技术领域中，中国专利201710934256.3涉及一种无人机发射装置，包括内圆外方形发射筒、高低压发射室、剪切拉杆、前支架和后支架；内圆外方形发射筒通过螺栓与后支座固定，其中内圆外方形发射筒保证发射时内部圆柱的承压和外形尺寸，便于携行；高低压发射室是动力源，利用药盒装药高压燃烧、低压膨胀做功的原理为发射装置提供动力；剪切拉杆是给予无人机发射提供一定的预紧力，当低压药室的压力达到剪切销的剪切力后，剪切销被剪断，无人机在内圆外方形发射筒的作用下开始运动；前支架和后支架是为无人机发射提供支撑，同时后支架还起到缓冲后座力的作用。发射时受力均匀、承压较高、体积小、质量轻等优点。
中国专利201810535872.6公开一种无人机发射装置，其包括托架、至少一个定位于托架的发射单元及压力控制系统。每一个发射单元包括充气装置、储气装置、多个发射筒、充气控制装置及多个控制阀。储气装置与充气装置连接，每一个发射筒与储气装置连接，充气控制装置连接于充气装置与储气装置之间，每一个控制阀分别连接于一个发射筒与储气装置之间。压力控制系统定位于托架，与每一个储气装置连接。该无人机发射装置能够在短时间内完成多架无人机的发射，达到空天布局的需求，在最短的时间内覆盖一定的区域，完成覆盖区域内的侦查等多种任务，能满足未来智能化战争对无人机的使用需求。
中国专利201711466301.3公开了一种小型无人机发射车，包括发射平台、支撑柱和发射底座，发射底座的底部设有两个车轮，支撑柱垂直固定连接在发射底座上表面，发射底座上设有液压站，发射平台的长度方向沿左右方向设置，发射平台的后侧底部铰接在支撑柱上端，发射平台的右侧底部与发射底座之间设有升降油缸，发射平台上设有发射推动装置，发射底座上设有驱动装置，液压站分别通过油管与升降油缸、驱动装置和发射推动装置相连接。
发明内容
本发明采用的技术方案为一种液压弹射装置，底盘2通过销轴安装在底座1 上，底盘2上设有两个并列布置的连接孔a3；发射高度调整杆6用以调整发射高度的作用，发射高度调整杆固定底盘4用以固定发射高度调整杆6，发射高度调整杆6能够绕发射高度调整杆固定底盘4进行翻转。调整杆凹槽5设置在底盘 2上并能够与发射高度调整杆6进行配合，用于调整发射高度调整杆6的翻转角度调整发射台7的初始高度。发射台7的底部设有连接孔d16，发射高度调整杆 6的端部与连接孔d16连接。
发射台7上安装有载物台9、弹簧套杆10、压缩弹簧11、缸筒12和中空活塞杆13，载物台9用于承载需要进行辅助弹射的无人机。连接插件8设置在发射台7的底部并与底盘2上的连接孔a3相连接。发射台7能够绕连接孔a3实现翻转，发射高度调整杆6用以支撑调节发射台7的发射角度。中空活塞杆13为缸筒12的伸缩杆，压缩弹簧11套于弹簧套杆10上，中空活塞杆13与弹簧套杆 10之间为滑动配合，中空活塞杆13能够推动压缩弹簧11进行压缩，弹簧套杆 10的端部固定在载物台9的底部。
连接孔b14、连接孔c15设置在载物台9的底部中间，连接孔b14、连接孔 c15用于将载物台9与铰链结构18相连接。铰链结构18的顶部设有连接孔e19，连接杆a20与连接孔e19相铰接；铰链结构18的底部设有连接杆c22；锁扣结构 17设置在载物台9的顶部中间位置，锁扣结构17用于控制载物台9的弹出。
铰链结构18用于在载物台9飞出后控制其运动状态至静止。连接孔e19起到铰链间的连接作用。连接杆a20安装于连接孔e19中，使得铰链结构18得以活动。连接杆b21安装于第一连接孔f14和第二连接孔f15上，第一连接孔f14 和第二连接孔f15并列布置，进而将铰链结构18与载物台9进行连接。连接杆 c22安装于第一连接孔g23、第二连接孔g24中，第一连接孔g23、第二连接孔 g24并列布置，使得铰链结构18与发射台7相连接。
将底座1固定于地面等具有较强稳定性的物体上，通过旋转底盘2达到所需发射初始方位。然后调整发射高度调整杆6在调整杆凹槽5中的位置，获得所需的初始发射高度。将所需发射物体放置于载物台9上，发射准备工作到此就绪。 13中空活塞杆向前运动，将压缩弹簧11压缩，使得压缩弹簧11产生弹性形变的同时累积大量弹性势能。当中空活塞杆13运动至所需的位置时，停止向前运动。此时打开锁扣结构17，释放承载有发射物体的载物台，铰链结构18此时开始发生形变，当其达到最大形变量时，载物台9停止向前运动，所载的无人机在惯性作用下向外继续以载物台9赋予的初速度飞出，完成辅助发射。
此后铰链结构18复位，与之连接的载物台9也恢复至原位，锁扣结构17 上锁。中空活塞杆13复位，恢复至初始位置。上述复位动作完成后，系统整体恢复初始状态，可以开展下一次发射任务。
如此周而复始，不断循环，系统可以连续不断将物体发射出去。
弹射系统主题结构采用硬铝合金材质，相较于传统的钢铁材质，能够显著降低系统自重，使得系统在变换发射方向时具有更大的灵活性，节约时间的同时减少能源消耗。载物台9选取航红航天复合材料，通过增强纤维铺层设计使得材料在不同方向上都具有最优特性，且具有较大强度，能够有效延长部件使用寿命，确保系统稳定性。
本发明与现有技术相比，具有以下技术优势：
1.液压装置难以实现能量蓄集，而弹射过程需要作用力在短时间内作用于被弹射物体上，因此利用液压实现对物体的弹射具有很大的技术难度和挑战。本发明巧妙利用弹簧装置，将液压装置动态变化过程中产生的能量积蓄为巨大的弹性势能，通过将强力弹簧在恢复形变过程中产生的巨大弹力传递给所需弹射的无人机这一过程赋予无人机较快的初始速度，从而实现将无人机弹射的目标。
2.液压装置结构简单、轻便、安装维护简单。压力等级低、故使用安全。且对于液压装置而言，不用像火药发射一样产生化学反应，故而不污染环境，成本低廉。
3.现有弹射装置往往仅能够实现单一方位的弹射，一旦需要调整初始发射方位，则很难实现。本发明设计的相关装置具有调整方位的相关结构，能够在短时间内整至所需发射方位。
4.在调整发射方位的同时，本系统同样能够调整液压杆结构，从而积蓄弹性势能。这样独立的模块设计能够有效减少发射等待时间间隔，提升发射效率，取得更好的经济效益。
附图说明
图1为一种无人机辅助液压弹射装置整体结构图。
图2为一种无人机辅助液压弹射装置分模块结构图。
图3为一种无人机辅助液压弹射装置的结构示意图一。
图4为一种无人机辅助液压弹射装置的结构示意图二。
图5为锁扣结构的示意图。
图6为发射高度调整杆的示意图。
图7为发射台上的各个结构示意图。
图8为开锁扣结构的示意图。
图9为本发明的运动示意图。
图10为第一、二连接孔g的示意图。
图11为载物台与水平面夹角的示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明主要用于无人机的液压辅助发射，可以通过本装置给予无人机以一定的初始速度，当系统所赋予的初速度大于无人机起飞的最低时速要求后，无人机离开弹射装置，完成起飞动作。
装置在初始化结束后，将底座1固定于地面等具有较强稳定性的物体上，通过旋转底盘2达到所需发射初始方位。然后调整发射高度调整杆6在调整杆凹槽 5中的位置，获得所需的初始发射高度。将所需发射无人机放置于载物台9上，发射准备工作到此就绪。13中空活塞杆向前运动，将压缩弹簧11压缩，使得压缩弹簧11产生弹性形变的同时累积大量弹性势能。当中空活塞杆13运动至所需的位置时，停止向前运动。此时打开锁扣结构17，释放承载有无人机的载物台，铰链结构18此时开始发生形变，当其达到最大形变量时，载物台9停止向前运动，所载的无人机在惯性作用下向外继续以载物台9赋予的初速度飞出，完成辅助发射。
此后铰链结构18复位，与之连接的载物台9也恢复至原位，锁扣结构17 上锁。中空活塞杆13复位，恢复至初始位置。上述复位动作完成后，系统整体恢复初始状态，可以开展下一次发射任务。如此周而复始，不断循环，系统可以连续不断将无人机发射出去。
为验证本发明设计的可行性，设计了相关实验，下表为相关变量名称及其所代表的物理含义：
| 变量名称 | 物理含义 |
| v<sub>0</sub> | 无人机离开装置的初始速度 |
| m<sub>机</sub> | 无人机质量 |
| k | 本发明装置弹簧劲度系数 |
| l<sub>max</sub> | 本发明装置弹簧最大压缩量 |
| μ | 载物台摩擦系数 |
| g | 重力常量 |
| s | 无人机在载物台上的运动距离 |
| θ | 载物台与水平面夹角 |
| v<sub>0</sub>真实 | 无人机离开载物台的真实初速度 |
在相关实验中，本发明所设计装置k＝8×103N/m，lmax＝20cm，μ＝0.2， s＝20cm。其中，某型号无人机重量为m机＝10kg，重力常量取g＝10N/kg，忽略起飞时的瞬时空气阻力及其他系统内部能量损耗，且能效转化比为85％。
当载物台与水平面夹角θ＝60°时，由能量守恒定律可得：
将上述已知量带入上式可得，v0≈7.26m/s。
可以发现，在理论上，初始弹射速度能够满足实际需求。
在实验室环境下进行模拟实验，最终得到m机＝10kg的无人机弹出时瞬时速度为v0真实＝6.84m/s。
Claims (4)
1.一种无人机辅助液压弹射装置，其特征在于：底盘通过销轴安装在底座上，底盘上设有两个并列布置的连接孔a；发射高度调整杆用以调整发射高度，发射高度调整杆固定底盘用以固定发射高度调整杆，发射高度调整杆能够绕发射高度调整杆固定底盘进行翻转；调整杆凹槽设置在底盘上并能够与发射高度调整杆进行配合，用于调整发射高度调整杆的翻转角度调整发射台的初始高度；发射台的底部设有连接孔d，发射高度调整杆的端部与连接孔d连接；
发射台上安装有载物台、弹簧套杆、压缩弹簧、缸筒和中空活塞杆，载物台用于承载需要进行辅助弹射的无人机；连接插件设置在发射台的底部并与底盘上的连接孔a相连接；发射台能够绕连接孔a实现翻转，发射高度调整杆用以支撑调节发射台的发射角度；中空活塞杆为缸筒的伸缩杆，压缩弹簧套于弹簧套杆上，中空活塞杆与弹簧套杆之间为滑动配合，中空活塞杆能够推动压缩弹簧进行压缩，弹簧套杆的端部固定在载物台的底部；
连接孔b、连接孔c设置在载物台的底部中间，连接孔b、连接孔c用于将载物台与铰链结构相连接；铰链结构的顶部设有连接孔e，连接杆a与连接孔e相铰接；铰链结构的底部设有连接杆c；锁扣结构设置在载物台的顶部中间位置，锁扣结构用于控制载物台的弹出；
铰链结构用于在载物台飞出后控制其运动状态至静止；连接孔e起到铰链间的连接作用；连接杆a安装于连接孔e中，使得铰链结构得以活动；连接杆b安装于第一连接孔f和第二连接孔f上，第一连接孔f和第二连接孔f并列布置，进而将铰链结构与载物台进行连接；连接杆c安装于第一连接孔g、第二连接孔g中，第一连接孔g、第二连接孔g并列布置，使得铰链结构与发射台相连接。
2.根据权利要求1所述的一种无人机辅助液压弹射装置，其特征在于：将底座固定于地面等具有较强稳定性的物体上，通过旋转底盘达到所需发射初始方位；然后调整发射高度调整杆在调整杆凹槽中的位置，获得所需的初始发射高度；将所需发射物体放置于载物台上，发射准备工作到此就绪；中空活塞杆向前运动，将压缩弹簧压缩，使得压缩弹簧产生弹性形变的同时累积大量弹性势能；当中空活塞杆运动至所需的位置时，停止向前运动；此时打开锁扣结构，释放承载有发射物体的载物台，铰链结构此时开始发生形变，当其达到最大形变量时，载物台停止向前运动，所载的无人机在惯性作用下向外继续以载物台赋予的初速度飞出，完成辅助发射。
3.根据权利要求2所述的一种无人机辅助液压弹射装置，其特征在于：铰链结构复位，与之连接的载物台也恢复至原位，锁扣结构上锁。
4.根据权利要求2所述的一种无人机辅助液压弹射装置，其特征在于：中空活塞杆复位，恢复至初始位置；复位动作完成后，系统整体恢复初始状态，开展下一次发射任务。
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| 秦贞超等: "基于AMESIM的无人机起飞弹射液压系统的建模与仿真", 液压气动与密封, no. 09, 15 September 2010 (2010-09-15), pages 16 - 18 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111912726A (zh) * | 2020-06-29 | 2020-11-10 | 西安交通大学 | 一种颗粒流发射装置 |
| CN111912726B (zh) * | 2020-06-29 | 2021-05-28 | 西安交通大学 | 一种颗粒流发射装置 |
| CN112880961A (zh) * | 2021-02-26 | 2021-06-01 | 北京方正数码有限公司 | 一种旋转弹射平台及旋转弹射系统 |
| CN113607316A (zh) * | 2021-07-29 | 2021-11-05 | 桂林电子科技大学 | 一种运动生物力学弹射装置 |
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