CN111577582B - 一种压缩空气辅助动力系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压缩空气辅助动力系统，主要包括两个储气罐(高压储气罐、低压储气罐)、控制阀门以及压力检测与阀门控制单元。弹射系统工作时，首先低压储气罐为动力气缸供气，驱动弹射活塞，由于相对低压力，能够控制被弹射体的加速度在一个合理范围内，保护被弹射装置的仪器设备；当低压储气罐压力减小到一定值后，高压储气罐开始供气，高压空气经过低压储气罐以及气缸缓冲后，其压力将降低到合理的范围内，继续驱动活塞运动，该高压储气罐将具有相对较高的储能密度，能够提升整个弹射系统储气装置的储能密度，保持弹射过程加速度的稳定性与持续性，在合理的弹射加速度条件下，提升弹射装置的弹射末了速度。

Description

一种压缩空气辅助动力系统

技术领域

本发明涉及一种压缩空气辅助动力系统，即通过集成高、低压储气罐，存储压缩空气，并驱动弹射动力活塞，进而完成弹射任务。

背景技术

弹射系统是借用外部动力源，为无人机、探空火箭、导弹等飞行器提供初始起飞或发射速度，在现代国防与民用领域具有重要的应用价值。

弹射系统在无人机起飞方面具有重要的应用价值。由于无人机在军用(情报侦察、攻击作战等)，工业应用(森林防火、地震调查等)和消费级应用(个人航拍、庆典航拍等)领域的重要作用，近些年得到了迅速的发展。目前，全球已经有包括美国、以色列、加拿大、俄罗斯等在内的32个国家研发出50多种无人机，300余种基本型号，超过50个国家装备无人机。

无人机每年有数百万次的升空任务，在发射起飞阶段被认为是最困难的阶段，而且在起飞阶段消耗的燃料(或电量)占比很高；固定翼无人机起飞需借助外力获得较高初速度，发射起飞常受到场地限制，尤其是海上无人机经常需要在大风甚至逆风条件下起飞。因此，对辅助弹射动力系统的要求很高、需求巨大。目前已有的技术包括液压弹射、电磁弹射、蒸汽弹射等，但都在技术上或经济性上存在不足，或者结构相对复杂。而压缩空气弹射动力技术以高压空气为主要动力来源，通过动力气缸等装置来带动无人机发射起飞，使其获得较高的初速度和加速度，该技术具有弹射成本低、过程中压力可调可控、爆发力强等诸多优势。对于压缩空气地面弹射技术的研究，国外(美国、芬兰等)已有比较成熟的产品，并投入应用中，美国研制了无人机弹射起飞系统，应用于扫描鹰无人机的海上起飞，芬兰、德国等国家也研制了压缩空气动力弹射器，作为无人机的弹射起飞动力。而国内虽有部分研究，但都集中在理论分析和数值计算阶段，尚未有成熟的产品和样机。因此，开展压缩空气辅助动力系统的研究对于我国无人机领域发展具有重要意义。

发明内容

针对上述技术问题，本发明旨在提供一种压缩空气辅助动力系统，通过设置相互配合的高压储气罐和低压储气罐为弹射动力气缸提供压缩空气弹射动力，一方面具有较高的压缩空气储能量与储能密度，另一方面，能够提供合理的气缸压力，控制活塞的运动加速度，继而控制被弹射物体的加速度在一个合理范围内，保护被弹射体的结构以及仪器设，双气罐的设计，其产生的推力具有稳定性和持续性。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种压缩空气辅助动力系统，至少包括一空气压缩机、一高压储气罐、一低压储气罐和一弹射动力气缸，所述弹射动力气缸中设有一末端带有动滑轮的弹射活塞，所述动滑轮上绕设有传动绳索，所述传动绳索的末端连接一弹射滑车，所述弹射滑车用以放置被弹射体，其特征在于，

所述空气压缩机的排气口通过一充气气路分别与所述高压储气罐、低压储气罐的充气口连通，且所述高压储气罐、低压储气罐的充气口处均设有一充气控制阀门；所述高压储气罐与低压储气罐之间设置一连通管路，且所述连通管路上设有一连通控制阀门；所述低压储气罐的排气口通过一供气管路与所述弹射动力气缸连通，且所述供气管路上设有一供气控制阀门；

其中，

弹射准备阶段，启动所述空气压缩机为所述高压储气罐、低压储气罐充气，关闭所述连通控制阀门、供气控制阀门，打开两所述充气控制阀门，当所述低压储气罐内的储气压力达到设定压力时，关闭其充气控制阀门，继续为所述高压储气罐充气，当其储气压力达到设定压力时，关闭其充气控制阀门，完成储气过程；

弹射过程中，打开所述供气控制阀门，关闭其余控制阀门，首先仅利用所述低压储气罐为所述弹射动力气缸供气以驱动所述弹射活塞；当所述低压储气罐的供气压力低于一设定值时，打开所述连通控制阀门，所述高压储气罐内的气体经所述低压储气罐缓冲后供入所述弹射动力气缸，驱动所述弹射活塞继续加速运动，直至完成弹射；

弹射完成后，关闭所述连通控制阀门、供气控制阀门，打开两所述充气控制阀门，利用所述空气压缩机为所述高压储气罐、低压储气罐提供压缩空气，为下一次弹射做准备。

本发明的压缩空气辅助动力系统中，高、低压储气罐，分别可以存储相对高压力压缩空气与相对低压力压缩空气；阀门部件主要包括高低压储气罐充气控制阀门、供气控制阀门(弹射控制阀门)、连通控制阀门。

优选地，各所述充气控制阀门、连通控制阀门分别设有一压力检测与阀门控制单元，在储气罐充气与弹射放气时检测储气罐内的气体压力，进而根据压力值控制阀门的开闭。

进一步地，所述高压储气罐的充气控制阀门，其压力检测与阀门控制单元基于所述高压储气罐内的气体压力控制阀门的开闭；所述低压储气罐的充气控制阀门、连通控制阀门，其压力检测与阀门控制单元均基于所述低压储气罐内的气体压力控制阀门的开闭。

优选地，弹射完成后，所述高压储气罐、低压储气罐内的压力相当，均为大气压力，此时关闭所述连通控制阀门、供气控制阀门，打开两所述充气控制阀门，利用所述空气压缩机为两储气罐充气。

本发明的压缩空气辅助动力系统，其工作原理在于：

利用低压储气罐的压力驱动弹射动力气缸内的弹射活塞机构，弹射活塞驱动传动绳索，然后带动滑动车，使之达到一定的速度与加速度，将被弹射体无无人机或者其他装置弹射出去，具体地：

在弹射系统准备过程时，压缩机为两个高低压储气罐供气，当低压储气罐内的储气压力达到设定压力时，其充气阀门关闭；高压储气罐继续充气，当高压储气罐内的储气压力达到设定压力时，其充气阀关闭，完成储气过程；

当弹射系统工作时，气缸供气控制阀门开启，首先仅低压储气罐供气，驱动弹射活塞；当低压储气罐压力低于某一值时，高低压气罐联通控制阀门开启，高压储气罐内气体经过低压储气罐进入弹射动力气缸，驱动弹射活塞继续加速运动，直至完成弹射；

弹射系统工作完成后，两个储气罐内的压力均为大气压力，此时高、低压储气罐的充气控制阀门开启，气缸供气控制阀门关闭，压缩机工作提供压缩空气，为下一次弹射做准备。

本发明的压缩空气辅助动力系统中，压力测试与阀门控制单元检测高、低压储气罐内的压力，进而控制各个阀门的开启。充气时，压缩机工作，高压储气罐阀门与低压储气罐阀门处于开启状态，其他阀门处于关闭状态，当低压气罐达到某一设定压力时，压力检测与阀门执行机构作用，关闭低压储气罐阀门。压缩机为高压气罐继续充气，当压力达到某一设定值时，压力检测与阀门执行机构作用，高压储气罐阀门关闭，压缩机同时关闭，充气过程结束。

本发明的压缩空气辅助动力系统中，当执行弹射任务时，充气阀门处于关闭状态，低压储气罐排气阀门阀门迅速开启，低压储气罐内的气体通过气缸进气管进入气缸，推动活塞，进而通过动滑轮以及传动绳索带动滑车与被弹射物体运动；当低压罐内压力低于某一设定值时，压力检测与执行机构作用，开启高低压储气罐间联通阀门，高压气罐内的气体通过低压气罐，进入气缸，继续驱动活塞运动，直至完成弹射。

本发明的压缩空气辅助动力系统中，压力测试与阀门控制单元检测高、低压储气罐内的压力，进而控制各个阀门的开启。充气时，高、低压储气罐阀门处于开启状态，其他阀门处于关闭状态，当低压储气罐达到某一设定压力时，压力检测与阀门执行机构作用，然后低压储气罐充气阀门关闭。高压气罐继续充气，当压力达到某一设定值时，压力检测与阀门执行机构作用，高压储气罐充气阀门关闭，压缩机关闭，充气过程结束。

本发明的压缩空气辅助动力系统中，当执行弹射任务时，高低压储气罐两个充气阀门关闭，低压储气罐排气阀门开启，低压储气罐内的气体通过气缸进气管进入气缸，推动活塞，进而通过动滑轮以及传动绳索带动滑车与被弹射物体运动；当低压罐内压力低于某一设定值时，压力检测与执行机构作用，开启高低压储气罐联通阀门，高压气罐内的气体通过低压气罐，进入气缸，继续驱动活塞运动，直至完成弹射。

本发明的压缩空气辅助动力系统中，当高、低压储气罐内压力为大气压力时，两个充气阀们开启，低压排气阀门以及高低压联通阀门关闭，压缩机工作为两个气罐供气，为下一次弹射做准备。

同现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明的压缩空气辅助动力系统，具有高、低压储气罐存储压缩空气，弹射系统工作时，首先低压储气罐为弹射动力气缸供气，驱动弹射活塞，由于相对低压力，能够控制被弹射体的加速度在一个合理范围内，保护被弹射体的仪器设备；当低压储气罐压力减小到一定值后，高压储气罐开始供气，高压空气经过低压储气罐以及气缸缓冲后，其压力将降低到合理的范围内，继续驱动弹射活塞运动，该高压储气罐将具有相对较高的储能密度，能够提升整个弹射储气装置的储能密度，保持弹射过程加速度的稳定性与持续性，在合理的弹射加速度条件下，提升弹射装置的弹射末了速度。本发明通过设置相互配合的高、低压两个储气罐为弹射动力气缸提供压缩空气弹射动力，一方面具有较高的压缩空气储能量与储能密度；另一方面，能够提供合理的气缸压力，控制活塞的运动加速度，保护被弹射体的结构以及仪器设备。双气罐的设计，其产生的推力具有稳定性和持续性。

附图说明

图1为本发明的压缩空气辅助动力系统示意图。

图中：

1.空气压缩机，2.充气气路，3.高压储气罐充气控制阀门，4.低压储气罐充气控制阀门，5.高压储气罐压力检测与阀门执行单元，6.低压储气罐压力检测与阀门执行单元，7.高压储气罐，8.低压储气罐，9.高低压气罐连通控制阀门，10.低压储气罐压力检测与联通阀门执行单元，11.气缸供气管路，12.气缸供气控制阀门，13.弹射动力气缸，14.弹射活塞，15.动滑轮，16.传动绳索，17.弹射架，18.滑车，19.被弹射体

具体实施方式

为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的结构、技术方案作进一步的具体描述，给出本发明的一个实施例。

如图1所示，本发明的压缩空气辅助动力系统，包括一空气压缩机1、一高压储气罐7、一低压储气罐8和一弹射动力气缸13，弹射动力气缸13中设有一末端带有动滑轮15的弹射活塞14，动滑轮15上绕设有传动绳索16，传动绳索16的末端连接一弹射滑车18，弹射滑车18设置在弹射架17上，弹射滑车18用以放置被弹射体19。空气压缩机1的排气口通过一充气气路2分别与高压储气罐7、低压储气罐8的充气口连通，且高压储气罐7、低压储气罐8的充气口处均设有一充气控制阀门3、4；高压储气罐7与低压储气罐8之间设置一连通管路，且连通管路上设有一连通控制阀门9；低压储气罐8的排气口通过一供气管路11与弹射动力气缸13连通，且供气管路11上设有一供气控制阀门12。各充气控制阀门3、4、连通控制阀门9分别设有一压力检测与阀门控制单元5、6、10，在储气罐充气与弹射放气时检测储气罐内的气体压力，进而根据压力值控制阀门的开闭。

弹射准备阶段，为两储气罐7、8充气时，各充气控制阀门3、4处于开启状态，其他阀门处于关闭状态，当低压储气罐8达到某一设定压力时，压力检测与阀门控制单元6作用，然后充气控制阀门4关闭。高压储气罐7继续充气，当压力达到某一设定值时，压力检测与阀门控制单元5作用，充气控制阀门3关闭，空气压缩机1关闭，充气过程结束。

当执行弹射任务时，充气控制阀门3、4关闭，供气控制阀门12开启，低压储气罐8内的气体通过供气管路11进入弹射动力气缸13，推动弹射活塞14，进而通过动滑轮15以及传动绳索16带动滑车18与被弹射体19运动；当低压储气罐8内压力低于某一设定值时，压力检测与控制单元10作用，开启连通控制阀门9，高压储气罐7内的气体通过低压储气罐8缓冲，之后进入弹射动力气缸13，继续驱动弹射活塞14运动，直至完成弹射。

当储气罐7、8内压力为大气压力时，充气控制阀门3、4开启，关闭其余各控制阀门，空气压缩机1工作为两个储气罐7、8充气。

本发明的压缩空气辅助动力系统，具有高、低压储气罐存储压缩空气，弹射系统工作时，首先低压储气罐为弹射动力气缸供气，驱动弹射活塞，由于相对低压力，能够控制被弹射体的加速度在一个合理范围内，保护被弹射体的仪器设备；当低压储气罐压力减小到一定值后，高压储气罐开始供气，高压空气经过低压储气罐以及气缸缓冲后，其压力将降低到合理的范围内，继续驱动弹射活塞运动，该高压储气罐将具有相对较高的储能密度，能够提升整个弹射储气装置的储能密度，保持弹射过程加速度的稳定性与持续性，在合理的弹射加速度条件下，提升弹射装置的弹射末了速度。本发明通过设置相互配合的高、低压两个储气罐为弹射动力气缸提供压缩空气弹射动力，一方面具有较高的压缩空气储能量与储能密度；另一方面，能够提供合理的气缸压力，控制活塞的运动加速度，保护被弹射体的结构以及仪器设备。双气罐的设计，其产生的推力具有稳定性和持续性。

通过上述实施例，完全有效地实现了本发明的目的。该领域的技术人员可以理解本发明包括但不限于附图和以上具体实施方式中描述的内容。虽然本发明已就目前认为最为实用且优选的实施例进行说明，但应知道，本发明并不限于所公开的实施例，任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (4)

1.一种压缩空气辅助动力系统，至少包括一空气压缩机、一高压储气罐、一低压储气罐和一弹射动力气缸，所述弹射动力气缸中设有一末端带有动滑轮的弹射活塞，所述动滑轮上绕设有传动绳索，所述传动绳索的末端连接一弹射滑车，所述弹射滑车用以放置被弹射体，其特征在于，

所述空气压缩机的排气口通过一充气气路分别与所述高压储气罐、低压储气罐的充气口连通，且所述高压储气罐、低压储气罐的充气口处均设有一充气控制阀门；所述高压储气罐与低压储气罐之间设置一连通管路，且所述连通管路上设有一连通控制阀门；所述低压储气罐的排气口通过一供气管路与所述弹射动力气缸连通，且所述供气管路上设有一供气控制阀门；

其中，

弹射准备阶段，启动所述空气压缩机为所述高压储气罐、低压储气罐充气，关闭所述连通控制阀门、供气控制阀门，打开两所述充气控制阀门，当所述低压储气罐内的储气压力达到设定压力时，关闭其充气控制阀门，继续为所述高压储气罐充气，当其储气压力达到设定压力时，关闭其充气控制阀门，完成储气过程；

弹射过程中，打开所述供气控制阀门，关闭其余控制阀门，首先仅利用所述低压储气罐为所述弹射动力气缸供气以驱动所述弹射活塞；当所述低压储气罐的供气压力低于一设定值时，打开所述连通控制阀门，所述高压储气罐内的气体经所述低压储气罐缓冲后供入所述弹射动力气缸，驱动所述弹射活塞继续加速运动，直至完成弹射；

弹射完成后，关闭所述连通控制阀门、供气控制阀门，打开两所述充气控制阀门，利用所述空气压缩机为所述高压储气罐、低压储气罐提供压缩空气，为下一次弹射做准备。

2.根据权利要求1所述的压缩空气辅助动力系统，其特征在于，各所述充气控制阀门、连通控制阀门分别设有一压力检测与阀门控制单元，在储气罐充气与弹射放气时检测储气罐内的气体压力，进而根据压力值控制阀门的开闭。

3.根据权利要求2所述的压缩空气辅助动力系统，其特征在于，所述高压储气罐的充气控制阀门，其压力检测与阀门控制单元基于所述高压储气罐内的气体压力控制阀门的开闭；所述低压储气罐的充气控制阀门、连通控制阀门，其压力检测与阀门控制单元均基于所述低压储气罐内的气体压力控制阀门的开闭。

4.根据权利要求3所述的压缩空气辅助动力系统，其特征在于，弹射完成后，所述高压储气罐、低压储气罐内的压力相当，均为大气压力，此时关闭所述连通控制阀门、供气控制阀门，打开两所述充气控制阀门，利用所述空气压缩机为两储气罐充气。

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