CN112114369B - 一种基于柔性软连接的航空电磁搭载结构 - Google Patents

一种基于柔性软连接的航空电磁搭载结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于柔性软连接的航空电磁搭载结构，针对航空电磁领域，在对搭载瞬变电磁线圈刚度要求高而材料受限，发射磁矩与重量矛盾，为适应不同地形可以起飞和放下发射线圈三大因素下，设计了一种柔性软连接的具有机电一体化特点的航空电磁搭载结构。具体包括三匝铝合金导电直管和连接结构，n个三匝铝合金导电直管构成一个正n边形，一个三匝铝合金导电直管即为一条边，边与边之间通过连接结构相连，所述连接结构为对称结构，对称结构之间采用软连接和柔性连接两种方式，同时连接结构具有限位功能，使连接结构以三匝铝合金导电直管为轴拥有一个向外受限的旋转自由度。

Description

一种基于柔性软连接的航空电磁搭载结构
技术领域
本发明涉及航空电磁勘查技术，特别涉及于一种具有柔性软连接，机电一体化特点，并适用于直升机航空电磁探测的搭载结构。
背景技术
近50多年以来，世界经济高速发展，对资源的需求急剧增加。因此，资源勘查显得尤为重要。对于地形条件相对优良的区域，常规的地面物探方法可以解决，而对于山地，沙漠，湖泊，高原等地理条件较复杂区域实施勘查工作却推进缓慢。因此人们把目光投向于航空手段。经过过去20多年的发展，随着航空时域技术和磁学技术的迅速发展，航空瞬变电磁法(ATEM)在矿产和油气勘探、地下水和环境调查中由于显示出高效，精细的特点，而得到广泛应用。对于我国的多山地，多高原的地形条件，航空电磁探测技术亟待发展。
航空瞬变电磁法的工作原理，是由离地一定高度的飞行平台搭载的发射线圈向地下发射一次脉冲信号，当线圈中电流趋于稳定时关断电流，发射线圈中电流的瞬间变化，会在其周围产生一次场信号并被接收结构接收。当一次场信号遇到地下有异常体时，会产生感应电流。该感应电流会随着时间变化在异常体周围产生二次场，并被接收结构接收。由于二次场是无源激发，而且这个感应电流会在异常体内产生热损耗，随着时间的推移，二次场信号衰减。通过分析地下介质产生的电磁场，可以分析出地下良导体的介电常数，电导率等特性参数。
根据搭载平台的不同，航空电磁探测系统可分为固定翼飞机航空瞬变电磁系统(FTEM)和直升机机载航空瞬变电磁系统(HTEM)两类。但是固定翼飞机存在依赖机场，无用测线长等缺点，导致探测经济性低。近年来直升机供电与载重性能大幅提升，再加上可低空飞行等优点，HTEM成为国际航空瞬变电磁技术主流。而关于搭载，由于硬支架具有运动噪声大，重量大，不方便维护等缺点，HTEM系统搭载线圈软支架化趋于主流。
航空电磁探测系统勘探深度与发射线圈的发射磁矩成正相关关系，发射磁矩越大，探测系统探测深度越大。发射磁矩与发射电流峰值，发射回线面积，发射回线匝数成正比例关系。受限于飞机供电功率，应尽量避免发射电流增加。采取增加匝数会造成系统重量成倍增加。在飞机挂载能力有限的情况下，系统重量越低，结构应力越小，空气动力学性能越好。因此，在发射电流不变的条件下，增加发射回线面积，可以使发射磁矩最大化。国外采用铜线，铝线做发射回线，必然需要借助于聚氯乙烯(PVC)，聚甲醛(POM)，刚性支架等硬性材料使线圈在空中维持稳定姿态。因此会增加系统重量，降低系统飞行稳定性。基于此，研发出一款重量轻，机电一体化的航空电磁搭载结构是提升发射磁矩和发射效率的可靠途径。
发明内容
针对于当前国外航空发射线圈普遍采用硬支架，重量大等弊端，本发明提出了一种具有柔性软连接的，机电一体化的航空电磁搭载结构。本结构具有无支撑连接刚性支架，可小幅度转动，材质轻，强度大的特点。在不改变衡量指标下，机电一体化的连接降低了发射线圈重量，进而减少了系统重量，最终减小了飞机载重量，空气动力学性能提高，减小了飞行压力，同时达到了供电效率和系统重量的相对最优。线圈可以有一定角度的弯折，使飞机在受到小幅度扰动时，可以做相应小幅度调整，维持线圈的空中姿态，相比于硬支架具有运动噪声小和抗干扰能力强的优点。对于移动自由度与旋转自由度的配合，使线圈可以适应地面不平整的地形。
具体技术方案如下：
一种基于柔性软连接的航空电磁搭载结构,包括三匝铝合金导电直管(2)和连接结构，所述的连接结构包括铜套(3)、导线(4)、动子(5)、水平限位柱(6)、限位螺丝挡圈(7)、柔性伸缩管(8)、伸缩管外套(9)、定子(10)、定子减震套(11)、动子限位环(12)，其中，所述的铜套(3)包括铜套凹槽(3-1)和铜套贯穿孔(3-2)，铜套凹槽(3-1)用于连接导线(4)，铜套贯穿孔(3-2)用于固定连接三匝铝合金导电直管(2)和动子限位环(12)，所述的动子(5)上设有动子凹槽(5-1)、动子凹槽通孔(5-2)、动子通孔(5-3)、定子安装孔(5-4)，所述的动子限位环(12)设有三朵梅花孔(12-1)以及限位卡扣(12-2)，n个三匝铝合金导电直管(2)构成一个正n边形，一个三匝铝合金导电直管(2)即为一条边，边与边之间通过连接结构相连，所述连接结构为对称结构，对称结构之间采用软连接和柔性连接两种方式，同时连接结构具有限位功能，使连接结构以三匝铝合金导电直管(2)为轴拥有一个向外受限的旋转自由度。为了实现起吊，设置了绳子安装环(13-1)和中心绳子会聚环(14-1)，绳子安装环(13-1)位于连接结构两侧的三匝铝合金导电直管(2)上，连接结构两侧的绳子安装环(13-1)由一根绳子(13-2)连接，所述的绳子(13-2)通过中心绳子连接在中心绳子会聚环(14-1)上，中心绳子会聚环(14-1)上设有n个与n根中心绳相连接的中心绳子会聚环通孔(14-2)，n根绳子汇于中心绳子会聚环(14-1)用于实现起吊。
所述对称结构具体为：三个铜套(3)的一端分别套装在三匝铝合金导电直管(2)的每一匝导电直管的一端，定子(10)套装在装有铜套(3)的三匝铝合金导电直管(2)外侧，定子减震套(11)套装在定子(10)外侧，定子安装孔(5-4)套装在定子减震套(11)上，动子(5)以三匝铝合金导电直管(2)为轴做旋转运动，动子(5)两侧分别设有一个动子限位环(12)，且两个动子限位环(12)上的限位卡扣(12-2)限位方向相同，动子限位环(12)通过三朵梅花孔(12-1)与装有铜套(3)的三匝铝合金导电直管(2)固定连接，水平限位柱(6)贯穿动子通孔(5-3)与两个动子限位环(12)上的限位卡扣(12-2)配合使用，限制动子(5)的旋转角度，实现连接结构以三匝铝合金导电直管(2)为轴拥有一个向外受限的旋转自由度；伸缩管外套(9)一端置于动子凹槽(5-1)，通过贯穿动子凹槽通孔(5-2)的限位螺丝挡圈(7)与动子(5)固定连接。
所述两个对称结构之间的软连接指，通过导线(4)连接两个对称结构中的铜套(3)，实现两个对称结构之间铜套(3)的一对一连接。
所述铜套(3)与导线(4)之间用锡条或者锡棍相焊接。
所述三匝铝合金导电直管(2)、铜套(3)、动子限位环(12)通过通孔用紧固螺丝定位连接。
所述两个对称结构之间的柔性连接指，柔性伸缩管(8)被嵌套于两个对称结构的伸缩管外套(9)中，柔性伸缩管(8)沿着伸缩管外套(9)的内壁做旋转和平移运动。
上述内容描述了本发明的具体结构，为了对本发明进一步扩展说明，下文分别从两个方面进行了介绍：第一，如何确定发射线圈的几何结构和材料。第二，如何确定铝合金管材的内外径，本发明仅保护结构。
为了满足机电一体化线圈的要求，需要选取电导率高而且重量轻的金属作为发射线圈材料。如公式(1)所示，利用密度与电导率的比值对常用金属铜，银，铝做对比，材料选择铝最合适，但是纯铝较柔软，很难依靠自身来支撑线圈重量，在保障重量和电导率基本不变的情况下，铝合金的硬度和强度显著提高。如公式(2)所示，采用评估系数对多种铝合金进行评估。如公式(3)所示，选择6063-T5型号铝合金为最佳，但7050-T，6061-T，5052-H型号的铝合金也可作为备选方案。在相同单匝发射回线横截面积条件下，管材比棒材强度更高，因此材料确定为铝合金管材。圆形线圈容易获取较大的发射面积，但是圆形线圈存在适应地形能力差，运输维护不方便等缺点，因此具有对称性，更接近圆的正偶次多边形变为可行选择，正偶次多边形可以选择8边形，10边形，12边形，等等。
式(1)中，σ1为发射线圈材料密度，ρ为材料的电导率。
式(2)中，Cv为评估系数，其中σn和σAl分别为不同型号的铝合金和纯铝电导率。ρn和ρAl分别为不同型号的铝合金和纯铝的密度，Rmn和RmAl为不同铝合金和纯铝的抗拉强度。
Cv(Al)(1)＜Cv(5052-H)(1.89)＜Cv(6061-T)(2.15)＜Cv(7050-T)(2.43)＜Cv(6063-T5)(3.02)(3)
故经过上述过程，可以确定选择三匝铝合金导电直管，并组成正多边形结构。
当发射回线的几何结构和材料确定后，需要进一步确定铝合金管材的内外径，具体方法可参考下文：
在管材横截面积确定的情况下，根据公式(4)选取合适的rmax，rmin。
其中，s为铝合金管材的横截面积，rmax为铝合金管材的外径，rmin为铝合金管材的内径。
有益效果
一、本发明采用材质轻，硬度高的铝合金管材制作发射线圈，采用管材制作发射线圈在保障指标的前提下，发射线圈重量大大降低，而且发射线圈的抗变形能力显著增加，线圈空气动力学性能提高，极大的降低了飞机的载重负荷。
二、实现了机电一体化机构，电磁线圈由于其本身的硬度，不仅可以起到维持线圈空中形状的作用，而且其本身的电流传导作用仍然存在。相比于国外的软导线加硬外壳的结构，本发明省去了外壳托架，进一步的降低了发射线圈重量，增加了航空电磁探测系统的飞行稳定性。
三、柔性软连接设计，为了确保线圈能够在升起，降落及运行中的姿态稳定，设计了软连接方式，铜套与铜套之间采用利兹线连接，铜套与铝合金管材之间用导电膏减小接触电阻，此处通过增加定子动子，使软连接连接导线不受力，只起到导电作用。定子，动子的加入，使线圈在空中即使一处受到扰动，也不会影响到线圈整体，相对于硬支架一个小扰动可能会造成整体线圈运动的状态具有极大自抗扰能力。
四、多边形线圈顶点处定子与动子配合的移动自由度与旋转自由度的配合。当航空电磁探测系统在不平整的地形条件下开始和结束探测作业时，移动自由度与旋转自由度的配合，线圈做出相应调整，可以使线圈轻松的起飞和放下，增加了系统探测对地形的适应能力。
五、采用辐条状的绳子网结构维持了柔性线圈在空中的形状，柔性线圈的各个边通过绳子联系在了一起，增加了线圈在空中的飞行稳定性。
附图说明
图1、以12边形为例的航空电磁搭载结构俯视图；
图2、三匝铝合金导电直管排列图；
图3、铜套示意图；
图4、铜套与导线组成的软连接立体图；
图5、动子立体图；
图6、水平限位柱立体图；
图7、限位螺丝挡圈立体图；
图8、柔性伸缩管立体图；
图9、伸缩管外套立体图；
图10、动子、水平限位柱、限位螺丝挡圈、柔性伸缩管、伸缩管外套装配立体图；
图11、定子立体图；
图12、定子减震套示意图；
图13、动子限位环立体图；
图14、定子、定子减震套、动子限位环装配立体图；
图15、绳子与绳子安装环示意图；
图16、绳子与中心绳子会聚环安装示意图；
其中，三匝铝合金导电直管(2)、单匝金属导电管(2-1)，铜套(3)，铜套凹槽(3-1)，铜套贯穿孔(3-2)，导线(4)，动子(5)，动子凹槽(5-1)，动子凹槽通孔(5-2)，动子通孔(5-3)，定子安装孔(5-4)，水平限位柱(6)，限位螺丝挡圈(7)，限位螺丝挡圈螺栓(7-1)，限位螺丝挡圈螺身(7-2)，柔性伸缩管(8)，伸缩管外套(9)，定子(10)，定子减震套(11)，动子限位环(12)，三朵梅花孔(12-1)，限位卡扣(12-2)，绳子与绳子安装环(13)，绳子安装环(13-1)，绳子(13-2)，绳子与中心绳子会聚环(14)，中心绳子会聚环(14-1)，中心绳子会聚环通孔(14-2)。
具体实施方案
在选定为正12边形下，本实施例从装配角度具体描述如何组装发射线圈。
一种基于柔性软连接的航空电磁搭载结构，由12边形构成。每个边由三匝铝合金导电直管组成。搭载结构包含12个角，每个角除了有三匝铝合金导电直管衔接以外，还包括铜套，导线，动子，水平限位柱，限位螺丝挡圈，柔性伸缩管，伸缩管外套，定子，定子减震套，动子限位环，绳子安装环，绳子12个部分。另外搭载结构中心有个中心绳子会聚环。其中。铜套、导线构成软连接。所述铜套设有通孔，凹糟；铝合金金属管设有通孔；动子、水平限位柱、限位螺丝挡圈、柔性伸缩管、伸缩管外套，组成装配体。定子、定子减震套、动子限位环，组成装配体。绳子安装在绳子安装环上。每个角两侧绳子完成三角状连接后，从12个三角形顶点引出12根绳子，将12个绳头安装在中心绳子会聚环上，线圈辐条网络完成，线圈安装完成。
具体组装方式：在安装之前，第一步：所有铝合金导电直管套上热缩管。第二步：制作12个软连接结构，用锡条或锡棍高温加热后灌入铜套凹槽，使两侧铜套与导线相连接，每个角需要三套软连接结构，12个角共36套软连接，完成后，同样套上热缩管。准备工作完成后，开始正式安装。第一步：12边形搭载线圈每边包含三匝铝合金导电直管，先将12组三匝铝合金导电直管成正12边形摆放。第二步：在每个角处，从角的顶点出发，向组成角的两侧方向依次套入绳子安装环，左侧动子限位环，定子、定子减震套、动子，右侧动子限位环、水平限位柱，另一侧完成同样操作。第三步：左侧限位螺丝挡圈通过动子凹槽通孔与伸缩管外套相连接。右侧完成同样操作。最后将柔性伸缩管装入两个伸缩管外套中，其中，柔性伸缩管可以在两侧伸缩管外套内做受限平移运动和旋转运动。第四步：将三套铜套与导线组成的软连接分别装入对应的两侧三匝铝合金导直管中，将铜套通孔，动子限位环通孔，铝合金导电直管通孔对齐后，安装紧固螺丝，使铝合金导电直管与铜套，动子限位环紧密连接，右侧完成同样操作，其中，铜套与铝合金导电直管接触部分涂有导电脂或者导电膏，增强导电性，减小接触电阻。第五步：两侧绳子安装环系根绳子，成三角状。在三角状绳子顶点处引出一根中心绳。第六步：按照上述步骤，完成搭载结构12个角的安装。第七步：找到搭载线圈中心，在中心放上中心绳子会聚环，将12根中心绳的另一端安装在对应角度的中心绳子会聚环的通孔上。整个航空电磁搭载结构完成。其中，动子拥有一个以三匝铝合金导电直管为轴的旋转自由度，但被动子限位环和水平限位柱限位后，成为一个受限自由度。

Claims (3)

1.一种基于柔性软连接的航空电磁搭载结构,其特征在于：包括三匝铝合金导电直管(2)和连接结构，所述的连接结构包括铜套(3)、导线(4)、动子(5)、水平限位柱(6)、限位螺丝挡圈(7)、柔性伸缩管(8)、伸缩管外套(9)、定子(10)、定子减震套(11)、动子限位环(12)，其中，所述的动子(5)上设有动子凹槽(5-1)、动子凹槽通孔(5-2)、动子通孔(5-3)、定子安装孔(5-4)，所述的动子限位环(12)设有三朵梅花孔(12-1)以及限位卡扣(12-2)，n个三匝铝合金导电直管(2)构成一个正n边形，一个三匝铝合金导电直管(2)即为一条边，边与边之间通过连接结构相连，所述连接结构为对称结构，对称结构之间采用软连接和柔性连接两种方式，同时连接结构具有限位功能，使连接结构以三匝铝合金导电直管(2)为轴拥有一个向外受限的旋转自由度；
进一步设置绳子安装环(13-1)和中心绳子会聚环(14-1)，绳子安装环(13-1)位于连接结构两侧的三匝铝合金导电直管(2)上，连接结构两侧的绳子安装环(13-1)由一根绳子(13-2)连接，所述的绳子(13-2)通过中心绳子连接在中心绳子会聚环(14-1)上，中心绳子会聚环(14-1)上设有n个与n根中心绳相连接的中心绳子会聚环通孔(14-2)，n根绳子汇于中心绳子会聚环(14-1)用于实现起吊；
所述对称结构具体为：三个铜套(3)的一端分别套装在三匝铝合金导电直管(2)的每一匝导电直管的一端，定子(10)套装在装有铜套(3)的三匝铝合金导电直管(2)外侧，定子减震套(11)套装在定子(10)外侧，定子安装孔(5-4)套装在定子减震套(11)上，动子(5)以三匝铝合金导电直管(2)为轴做旋转运动，动子(5)两侧分别设有一个动子限位环(12)，且两个动子限位环(12)上的限位卡扣(12-2)限位方向相同，动子限位环(12)通过三朵梅花孔(12-1)与装有铜套(3)的三匝铝合金导电直管(2)固定连接，水平限位柱(6)贯穿动子通孔(5-3)与两个动子限位环(12)上的限位卡扣(12-2)配合使用，限制动子(5)的旋转角度，实现连接结构以三匝铝合金导电直管(2)为轴拥有一个向外受限的旋转自由度；伸缩管外套(9)一端置于动子凹槽(5-1)，通过贯穿动子凹槽通孔(5-2)的限位螺丝挡圈(7)与动子(5)固定连接；
所述软连接指，通过导线(4)连接两个对称结构中的铜套(3)，实现两个对称结构之间铜套(3)的一对一连接；
所述柔性连接指，柔性伸缩管(8)被嵌套于两个对称结构的伸缩管外套(9)中，柔性伸缩管(8)沿着伸缩管外套(9)的内壁做旋转和平移运动。
2.根据权利要求1所述的一种基于柔性软连接的航空电磁搭载结构，其特征在于：所述铜套(3)与导线(4)之间用锡条或者锡棍相焊接。
3.根据权利要求1所述的一种基于柔性软连接的航空电磁搭载结构，其特征在于：所述三匝铝合金导电直管(2)、铜套(3)、动子限位环(12)通过通孔用紧固螺丝定位连接。
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