CN111099028A

CN111099028A - 一种模块化飞机应急减重安全油箱及其控制方法

Info

Publication number: CN111099028A
Application number: CN201911365177.0A
Authority: CN
Inventors: 陈国强; 申正义; 孙利; 侯雨雷; 刘维尚; 贾千秀; 陈永亮; 于金须; 陈�光; 张鹏
Original assignee: Yanshan University
Current assignee: Yanshan University
Priority date: 2019-12-26
Filing date: 2019-12-26
Publication date: 2020-05-05
Anticipated expiration: 2039-12-26
Also published as: CN111099028B

Abstract

本发明涉及一种模块化飞机应急减重安全油箱及其控制方法，包括可拼接成飞机中央油箱的多个油箱，在所述油箱两侧设置有用于油箱安全着陆进行减速的伞盒，在所述油箱底端和侧面各部设置有用于油箱平稳落地进行减缓撞击振动的气囊盒，在所述油箱顶部固定设置有用于检测被抛掷后油箱的各项参数并对伞盒和气囊盒进行控制的电控盒，当所述油箱准备抛掷时启动电控盒，直至所述油箱被安全回收期间控制并完成各项功能。本发明针对飞机迫降减重问题，设计了模块化可抛掷并且可回收的油箱，能够使得飞机快速减重并减少燃油携带量，增加迫降的安全性，且环保无污染，油箱与燃油都可回收再利用。

Description

一种模块化飞机应急减重安全油箱及其控制方法

技术领域

本发明涉及飞机油箱结构设计技术领域，尤其涉及一种模块化飞机应急减重安全油箱及其控制方法。

背景技术

飞机是20世纪初最重大的发明之一，公认由美国人莱特兄弟发明，他们在1903年12月17日进行的飞行作为“第一次重于空气的航空器进行的受控的持续动力飞行”被国际航空联合会（FAI）所认可，同年他们创办了“莱特飞机公司”。自从飞机发明以后，飞机日益成为现代文明不可缺少的工具。它深刻的改变和影响了人们的生活，开启了人们征服蓝天的历史。

飞机作为一种重要交通工具，其安全性也越来越引起人们的关注，虽然相对来说飞机是一种非常安全的交通工具，但是也存在紧急突发情况。飞机遇到紧急情况往往需要进行迫降，而由于飞机的力学特性，在迫降之前需要进行减重，否则可能引起空中起火爆炸或者迫降失败导致的爆炸。

目前对于飞机迫降减重的主要方式是放油，即人为泄漏航空燃油快速减轻飞机重量。中国专利申请号为：CN201510493832.6的发明专利公开了一种应急放油总管余油排放系统及排油方法，解决了应急放油总管余油排放问题和泄漏阀引起的油箱串联问题，但仍存在以下问题：

（1）高空排油存在严重的环保问题。飞机在高空将航空燃油向大气排放，会对高空环境和地面环境造成污染。

（2）高空排油速率过慢，且存在爆炸危险。高空排油通过排油口缓速放油，由于油温较高，放油过快或者处理不当极易引起高空爆炸，过慢的放油速率又会导致飞机不能及时迫降，增加安全隐患。

（3）高空排油不可回收，造成严重浪费。飞机故障或者紧急情况可能在飞机飞行的各个阶段发生，如果发生在飞机刚起飞阶段就会导致绝大多数航空燃油需要排放，造成严重浪费。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供提供一种模块化飞机应急减重安全油箱及其控制方法，针对飞机迫降减重问题，设计了模块化可抛掷并且可回收的油箱，能够使得飞机快速减重并减少燃油携带量，增加迫降的安全性，且环保无污染，油箱与燃油都可回收再利用。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种模块化飞机应急减重安全油箱，包括可拼接成飞机中央油箱的多个油箱，在所述油箱两侧设置有用于油箱安全着陆进行减速的伞盒，在所述油箱底端和侧面各设置有用于油箱平稳落地进行减缓撞击振动的气囊盒，在所述油箱顶部固定设置有用于检测被抛掷后油箱的各项参数并对伞盒和气囊盒进行控制的电控盒。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述油箱包括用于盛放燃油的油箱主体和放置在所述油箱主体底部四角能够感知油液压力的压力传感器，多个油箱之间通过电磁法兰进行拼装。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述油箱主体外围固定连接有用于增加油箱主体强度的加强框，所述电磁法兰包括由磁柱、电磁盘、电源盒构成的电磁法兰公端和由磁柱能够插入的磁孔、永磁铁构成的电磁法兰母端，所述电磁法兰公端和电磁法兰母端分别位于相邻两个油箱的对应位置，所述电磁法兰公端和电磁法兰母端的前端均安装有能使电磁法兰公端和电磁法兰母端连接或分离的电磁阀。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述伞盒包括伞盒主体和与所述伞盒主体通过螺栓连接的伞盒盖，所述伞盒主体包括用来收纳阻力伞的平仓、设置于平仓下方用于收纳弹簧的弹簧仓和设置于平仓与弹簧仓之间通过推杆电机实现启闭的挡门，所述挡门左右两侧分别固定连接推杆电机，所述推杆电机带动挡门在挡门滑道内滑动，在所述平仓内部设置有用来与阻力伞绳连接的阻力伞挂环。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述气囊盒包括分布在两侧用于容纳安全气囊的气囊仓、位于两个气囊仓内侧的反应室和位于反应室前端用于接收控制信号并快速使反应室的反应物质进行反应的触发室，所述气囊仓和反应室之间设置有气体能够通过的气体输入口。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述反应室内的反应物质为NaN₃和NH₄NO₃。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述电控盒包括电控盒体和与所述电控盒体通过螺钉连接的电控盒盖，所述电控盒体内部设置有电池和电控器件，所述油箱主体的前后两侧设置有可以实时拍摄油箱主体下空画面景象的摄像头模块。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述电控器件包括主控芯片、用于播报的扬声器、实时检测油箱主体信息的传感器和将信息发送至机场指挥台同时可以接收机场指挥台的控制指令的通信模块，所述主控芯片与实时检测油箱主体信息的传感器、薄膜压力传感器、推杆电机及触发室电性连接，所述电控盒体对应扬声器的位置处开设有密集小孔。

本发明技术方案的进一步改进在于：所述传感器包括实时检测油箱主体的位置坐标的GPS模块、加速度计、姿态传感器和所处高度的气压高度传感器。

本发明技术方案的进一步改进在于：本发明还提供一种模块化飞机应急减重安全油箱的控制方法，包括以下步骤：

步骤一：根据飞机全部油箱剩余油量的具体情况，确定要抛掷油箱的数量和位置，依次关闭将要抛掷的油箱的电磁阀进而断开电磁法兰使多个油箱之间断开连接，在预估油箱着陆地点为非居民区或者非人群密集区域的坐标位置准备抛掷油箱；

步骤二：电控盒开机，各传感器通电准备，抛掷油箱后，进行电控盒检测：

1）气压高度传感器检测的高度处于开伞高度区间，所述开伞高度区间为距当地地平面3km至5km；

2）加速度计检测的加速度处于开伞加速度区间，所述开伞加速度区间为0至0.2g；

3）姿态传感器检测的油箱姿态在开伞允许姿态范围内，所述开伞允许姿态范围为油箱底部向下且与水平面夹角不高于45°；

当同时满足1）、2）和3）时，主控芯片按照既定程序控制推杆电机打开挡门，阻力伞弹出张开使油箱减速降落；

当满足条件1）而没有满足条件2）和3）时，由机场指挥台根据当前油箱各项参数决定开伞时机，并通过GPRS通信模块发出控制指令控制开伞操作；

步骤三：查询GPS模块检测的位置坐标处的实际海拔H₀，获取气压高度传感器所检测的高度H₁，则油箱距离地面的实际高度为H= H₁- H₀，如果实际高度处于打开气囊的高度区间，主控芯片按照既定程序控制气囊盒的触发室进行电打火，使气囊充气弹出，同时扬声器模块重复播报安全警告，提醒着陆区域附近的群众及时做好安全应对准备，此过程由机场指挥台通过GPRS模块传输的摄像头模块拍摄的实时画面进行监控，对气囊弹出操作可进行人为干预控制，同时在确定了油箱的估计着陆位置坐标后，机场指挥台应派出人员前往该地点进行油箱进行回收工作。

由于采用了上述技术方案，本发明取得的技术进步是：

（1）当飞机在空中需要紧急迫降减重时，根据飞机全部油箱剩余油量的具体情况，确定要抛掷油箱的数量和位置，依次关闭将要抛掷的油箱的电磁阀进而断开电磁法兰使多个油箱之间断开连接，在预估油箱着陆地点为非居民区或者非人群密集区域的坐标位置抛掷油箱，能够迅速减轻机身重量，使得飞机能够及时迫降，提高了飞机迫降安全性，无需向空中排放燃油，避免了排放燃油对环境造成污染。

（2）当飞机在空中需要紧急迫降减重时，抛掷油箱后，通信模块将电控盒检测到的所有信息和油箱主体内的薄膜压力传感器的信息实时发送至机场指挥台的GPRS同时可以接收机场指挥台的控制指令指令控制开伞操作，此过程由机场指挥台通过GPRS模块传输的摄像头模块拍摄的实时画面进行监控，在确定了油箱的估计着陆位置坐标后，机场指挥台应派出人员前往该地点进行油箱进行回收工作，避免浪费，降低迫降成本。

附图说明

图1为本发明提供的模块化飞机应急减重安全油箱整体结构示意图；

图2为本发明提供的油箱主体示意图；

图3为本发明提供的油箱主体内部结构示意图；

图4为本发明提供的电磁法兰公端结构示意图；

图5为本发明提供的电磁法兰母端结构示意图；

图6为本发明提供的电磁法兰公端和电磁法兰母端的装配示意图；

图7为本发明提供的伞盒示意图；

图8为本发明提供的伞盒内部结构示意图；

图9为本发明提供的气囊盒示意图；

图10为本发明提供的气囊盒内部结构示意图；

图11为本发明提供的电控盒示意图；

图12为本发明提供的电控盒内部电控器件立体图；

图13为本发明提供的电控盒内部电控器件平面图；

图14为摄像头模块；

图15为模块化飞机应急减重安全油箱控制方法流程图；

其中，1、油箱；11、油箱主体；12、加强框；13、电磁法兰；14、电磁阀；15、薄膜压力传感器；2、伞盒；21、伞盒主体；22、伞盒盖；23、弹簧；24、挡门；25、推杆电机；26、平仓；27、阻力伞挂环；28、挡门滑道；29、弹簧仓；3、气囊盒；31、气囊仓；32、气体输入口；33、触发室；34、反应室；4、电控盒；41、电控盒盖；42、电控盒体；43、主控芯片；44、GPS模块；45、加速度计；46、电池；47、姿态传感器；48、扬声器；49、气压高度传感器；410、通信模块；411、摄像头模块。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步详细说明：

如图1至图14所示，一种模块化飞机应急减重安全油箱，包括通过电磁法兰13拼接成飞机中央油箱的多个油箱1，在所述油箱1两侧设置有伞盒2，在所述油箱1从飞机上抛出达到合适高度后伞盒2可以弹出阻力伞为油箱1安全着陆进行减速，在所述油箱1底端和侧面各设置气囊盒3，在所述油箱1即将着陆时弹出安全气囊，减缓撞击振动保障油箱1落地平稳，在所述油箱1顶部固定设置有电控盒4，当所述油箱1准备抛掷时启动，检测被抛掷后油箱1的各项参数并对伞盒2和气囊盒3进行控制，直至所述油箱1被安全回收。

所述油箱1包括用于盛放燃油的油箱主体11、放置在所述油箱主体11内部四角能够感知油液压力的压力传感器15，在所述油箱主体11外围固定连接有用于增加油箱主体11强度的加强框12，多个油箱1之间通过电磁法兰13拼接，所述电磁法兰13包括由磁柱1311、电磁盘1312、电源盒1313构成的电磁法兰公端131和由磁孔1321、永磁铁1322构成的电磁法兰母端132，所述电磁法兰公端131和电磁法兰母端132分别位于相邻两个油箱1的对应位置，在所述电磁法兰公端131和电磁法兰母端132的前端均安装有电磁阀14，所述磁柱1311插入磁孔1321中，同时打开或者断开两端电磁阀14，通过所述电磁盘1312向永磁铁1322通相同或者相反电流使相邻两个油箱主体11连接或者分离，

所述伞盒2包括用于伞盒主体21和与所述伞盒主体21活动连接的伞盒盖22，所述伞盒主体21与伞盒盖22的连接方式可以有螺栓连接、铰接等方式，在伞盒主体21下方设置有用来安放弹簧23的弹簧仓29，在伞盒主体21上方设置有用来收纳阻力伞的平仓26，在所述平仓26内部设置有用来与阻力伞绳连接的阻力伞挂环27，在平仓26与弹簧仓29之间设置有通过推杆电机25实现启闭的挡门24，所述挡门24左右两侧分别固定连接推杆电机25，所述推杆电机25带动对应侧的挡门24在挡门滑道28内滑动，左右两块挡门24并紧时，与下方的弹簧仓29形成密闭，阻挡弹簧仓29内的弹簧23弹出，当左右两块挡门24分离并完全撤开时，弹簧23从弹簧仓29内弹出，伸长至伞仓26，并将伞仓26内的阻力伞弹出，阻力伞绳端与阻力伞挂环27连接，在阻力伞弹出并张开后，通过阻力伞挂环27连接伞盒2。

所述气囊盒3包括分布在两侧用于容纳安全气囊的气囊仓31、位于所述气囊仓31内侧的反应室34和位于反应室34前端用于接收控制信号并快速使反应室34的反应物质进行反应的触发室33，所述气囊仓31和反应室34之间设置有气体能够通过的气体输入口32，触发室33接收到控制信号后通过电打火触发反应室34内的反应物质NaN₃和NH₄NO₃进行快速反应产生大量气体N₂，反应式为：2NaN₃=2Na+3N₂↑和2NH₄NO₃=2N₂↑+O₂↑+4H₂O，产生的气体快速增加反应室34的压强，并快速增加反应室34的压强，N₂在压强作用下快速通过气体输入口32向气囊充气，使得气囊快速膨胀弹出。

所述电控盒4包括电控盒体42和与所述电控盒体42通过螺钉连接的电控盒盖41，所述电控盒体42内部设置有电池46和电控器件，所述油箱主体11的前后两侧设置有可以实时拍摄油箱主体11下空画面景象的摄像头模块411。

所述电控器件包括主控芯片43、扬声器48、实时检测油箱主体11信息的传感器和通信模块410，所述传感器包括实时检测油箱主体11位置坐标的GPS模块44、实时检测油箱主体11加速度的加速度计45、实时检测油箱主体11在空中姿态信息的姿态传感器47和实时检测油箱主体11所处高度的气压高度传感器49，所述主控芯片43和实时检测油箱主体11信息的传感器、薄膜压力传感器15、推杆电机25及触发室33电性连接，所述主控芯片43将GPS模块44、加速度计45、姿态传感器47、气压高度传感器49和薄膜压力传感器15检测到的信息进行处理，所述通信模块410将信息发送至机场指挥台的GPRS同时可以接收机场指挥台的控制指令，在所述电控盒体42对应扬声器48的位置处开设有密集小孔使声音能够顺利传出，所述扬声器48在油箱1临近着陆时进行安全警告语音播报，提醒着陆区域附近的人员及时做好安全应对准备。

如图15所示，本发明还提供一种模块化飞机应急减重安全油箱的控制方法，包括以下步骤：

步骤一：根据飞机全部油箱剩余油量的具体情况，确定要抛掷油箱1的数量和位置，依次关闭将要抛掷的油箱1的电磁阀14，油箱1停止输油，油箱主体11之间通过电磁法兰13连接，电磁法兰13进行配合时，电磁法兰公端131的磁柱1311插入电磁法兰母端132的磁孔1321，电磁盘1312通反向电源产生与永磁铁1322相同的极性，使电磁法兰13断开连接进而多个油箱1之间断开连接，在预估油箱1着陆地点为非居民区或者非人群密集区域的坐标位置准备抛掷油箱1；

步骤二：电控盒4开机，各传感器通电准备，抛掷油箱1后，进行电控盒4检测：

1）气压高度传感器49检测的高度处于开伞高度区间，所述开伞高度区间为距当地地平面3km至5km；

2）加速度计45检测的加速度处于开伞加速度区间，所述开伞加速度区间为0至0.2g；

3）姿态传感器47检测的油箱1姿态在开伞允许姿态范围内，所述开伞允许姿态范围为油箱1底部向下且与水平面夹角不高于45°；

当同时满足1）、2）和3）时，主控芯片43按照既定程序控制推杆电机25打开挡门24，阻力伞弹出张开使油箱1减速降落；

当满足条件1）而没有满足条件2）和3）时，机场指挥台根据当前油箱1各项参数决定开伞时机，并通过GPRS通信模块410发出控制指令控制开伞操作；

步骤三：查询GPS模块44检测的位置坐标处的实际海拔H₀，获取气压高度传感器49所检测的高度H₁，则油箱距离地面的实际高度为H= H₁- H₀，如果实际高度处于打开气囊的高度区间，主控芯片43按照既定程序控制气囊盒3的触发室33进行电打火，使气囊充气弹出，同时扬声器48模块重复播报安全警告，提醒着陆区域附近的群众及时做好安全应对准备，此过程由机场指挥台通过GPRS模块传输的摄像头模块411拍摄的实时画面进行监控，对气囊弹出操作可进行人为干预控制，同时在确定了油箱1的估计着陆位置坐标后，扬声器48模块持续播报安全警告，机场指挥台应派出人员前往该地点进行油箱1进行回收工作。

Claims

1.一种模块化飞机应急减重安全油箱，其特征在于：包括可拼接成飞机中央油箱的多个油箱（1），在所述油箱（1）两侧设置有用于油箱（1）安全着陆进行减速的伞盒（2），在所述油箱（1）底端和侧面各设置有用于油箱（1）平稳落地进行减缓撞击振动的气囊盒（3），在所述油箱（1）顶部固定设置有用于检测被抛掷后油箱（1）的各项参数并对伞盒（2）和气囊盒（3）进行控制的电控盒（4）。

2.根据权利要求1所述的一种模块化飞机应急减重安全油箱，其特征在于：所述油箱（1）包括用于盛放燃油的油箱主体（11）和放置在所述油箱主体（11）底部四角能够感知油液压力的压力传感器（15），多个油箱（1）之间通过电磁法兰（13）进行拼装。

3.根据权利要求2所述的一种模块化飞机应急减重安全油箱，其特征在于：所述油箱主体（11）外围固定连接有用于增加油箱主体（11）强度的加强框（12），所述电磁法兰（13）包括由磁柱（1311）、电磁盘（1312）、电源盒（1313）构成的电磁法兰公端（131）和由磁柱（1311）能够插入的磁孔（1321）、永磁铁（1322）构成的电磁法兰母端（132），所述电磁法兰公端（131）和电磁法兰母端（132）分别位于相邻两个油箱（1）的对应位置，所述电磁法兰公端（131）和电磁法兰母端（132）的前端均安装有能使电磁法兰公端（131）和电磁法兰母端（132）连接或分离的电磁阀（14）。

4.根据权利要求1所述的一种模块化飞机应急减重安全油箱，其特征在于：所述伞盒（2）包括伞盒主体（21）和与所述伞盒主体（21）通过螺栓连接的伞盒盖（22），所述伞盒主体（21）包括用来收纳阻力伞的平仓（26）、设置于平仓（26）下方用于收纳弹簧（23）的弹簧仓（29）和设置于平仓（26）与弹簧仓（29）之间通过推杆电机（25）实现启闭的挡门（24），所述挡门（24）左右两侧分别固定连接推杆电机（25），所述推杆电机（25）带动对应侧的挡门（24）在挡门滑道（28）内滑动，在所述平仓（26）内部设置有用来与阻力伞绳连接的阻力伞挂环（27）。

5.根据权利要求1所述的一种模块化飞机应急减重安全油箱，其特征在于：所述气囊盒（3）包括分布在两侧用于容纳安全气囊的气囊仓（31）、位于两个气囊仓（31）内侧的反应室（34）和位于反应室（34）前端用于接收控制信号并快速使反应室（34）的反应物质进行反应的触发室（33），所述气囊仓（31）和反应室（34）之间设置有气体能够通过的气体输入口（32）。

6.根据权利要求5所述的一种模块化飞机应急减重安全油箱，其特征在于：所述反应室（34）内的反应物质为NaN₃和NH₄NO₃。

7.根据权利要求1所述的一种模块化飞机应急减重安全油箱，其特征在于：所述电控盒（4）包括电控盒体（42）和与所述电控盒体（42）通过螺钉连接的电控盒盖（41），所述电控盒体（42）内部设置有电池（46）和电控器件，所述油箱主体（11）的前后两侧设置有可以实时拍摄油箱主体（11）下空画面景象的摄像头模块（411）。

8.根据权利要求7所述的一种模块化飞机应急减重安全油箱，其特征在于：所述电控器件包括主控芯片（43）、用于播报的扬声器（48）、实时检测油箱主体（11）信息的传感器和将信息发送至机场指挥台同时可以接收机场指挥台的控制指令的通信模块（410），所述主控芯片（43）和实时检测油箱主体（11）信息的传感器、薄膜压力传感器（15）、推杆电机（25）及触发室（33）电性连接，所述电控盒体（42）对应扬声器（48）的位置处开设有密集小孔。

9.根据权利要求8所述的一种模块化飞机应急减重安全油箱，其特征在于：所述传感器包括实时检测油箱主体（11）的位置坐标的GPS模块（44）、加速度计（45）、姿态传感器（47）和所处高度的气压高度传感器（49）。

10.根据权利要求1所述的一种模块化飞机应急减重安全油箱的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：根据飞机全部油箱剩余油量的具体情况，确定要抛掷油箱（1）的数量和位置，依次关闭将要抛掷的油箱（1）的电磁阀(14)进而断开电磁法兰(13)使多个油箱（1）之间断开连接，在预估油箱（1）着陆地点为非居民区或者非人群密集区域的坐标位置准备抛掷油箱（1）；

步骤二：电控盒（4）开机，各传感器通电准备，抛掷油箱（1）后，进行电控盒（4）检测：

1）气压高度传感器（49）检测的高度处于开伞高度区间，所述开伞高度区间为距当地地平面3km至5km；

2）加速度计(45)检测的加速度处于开伞加速度区间，所述开伞加速度区间为0至0.2g；

3）姿态传感器(47)检测的油箱（1）姿态在开伞允许姿态范围内，所述开伞允许姿态范围为油箱（1）底部向下且与水平面夹角不高于45°；

当同时满足1）、2）和3）时，主控芯片(43)按照既定程序控制推杆电机(25)打开挡门(24)，阻力伞弹出张开使油箱（1）减速降落；

当满足条件1）而没有满足条件2）和3）时，由机场指挥台根据当前油箱（1）各项参数决定开伞时机，并通过GPRS通信模块(410)发出控制指令控制开伞操作；

步骤三：查询GPS模块(44)检测的位置坐标处的实际海拔H₀，获取气压高度传感器(49)所检测的高度H₁，则油箱距离地面的实际高度为H= H₁- H₀，如果实际高度处于打开气囊的高度区间，主控芯片(43)按照既定程序控制气囊盒(3)的触发室(33)进行电打火，使气囊充气弹出，同时扬声器(48)模块重复播报安全警告，提醒着陆区域附近的群众及时做好安全应对准备，此过程由机场指挥台通过GPRS模块传输的摄像头模块(411)拍摄的实时画面进行监控，对气囊弹出操作可进行人为干预控制，同时在确定了油箱（1）的估计着陆位置坐标后，机场指挥台应派出人员前往该地点进行油箱（1）进行回收工作。