CN112678198B - 一种光纤传导加热柔性弹射装置及其弹射系统和弹射方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光纤传导加热柔性弹射装置及其弹射系统和弹射方法，包括能量转换腔以及能够将激光传输到所述能量转换腔的光纤输出头，所述能量转换腔内注入有能够吸收激光能量由液相转换成气相的能量转换介质，所述能量转换腔连通有弹道，所述弹道方向与激光入射方向不重合，所述弹道内填装有待弹射物，所述待弹射物能够封堵所述弹道并由所述弹道的弹射出口弹出；本发明能够利用激光照射使得能量转介质在能量转换腔内由液态转换为气态，从而能够使得能量转换腔内的气压增大，进而能够将待弹射物由弹道的弹射出口弹出，完成柔性弹射运动，激光的能量几乎完全被能量转换腔内的能量转换介质所吸收，能量转化效率和能量利用效率均能够达到较高的水平。

Description

一种光纤传导加热柔性弹射装置及其弹射系统和弹射方法

技术领域

本发明涉及激光及特种用途的技术领域，特别是涉及一种光纤传导加热柔性弹射装置及其弹射系统和弹射方法。

背景技术

1g水温度升高1℃吸热4.2J，而在101kPa下，100℃时1mol H₂O的体积比0℃时1molH₂O的体积增大了约1700倍，因而，利用水的气液相变化所导致的压力变化，可以进行蒸汽弹射，目前常规的蒸汽弹射器需要配备蒸汽储罐、管线和辅助设备，体积和重量过于庞大；蒸汽弹射器工作时需消耗大量蒸汽，弹射时候的能量损耗较大；蒸汽弹射的弹射力量调节范围小，无法弹射较轻的无人机；因而使得该种蒸汽弹射机构不能灵活的广泛使用。现有技术中还有一种弹射方式为电磁弹射，电磁弹射虽体积较常规蒸汽弹射有较大改善，且弹射重量也有了较大的提高，但其耗费较大的电能，且维护成本较高。

授权公告号为CN 202244097 U的中国专利，公开了一种蒸汽弹射器，包括蒸汽动力系统、发射系统、弹射系统，蒸汽动力系统设有依次连接的蒸汽发生器、储汽罐、增压罐、蒸汽回收缸；弹射系统设有由支架支撑并与甲板固连的导轨、与导轨滑动连接的滑梭，滑梭上面设有卡具，下面设有底盘；发射系统设有两个并排的气缸，两个气缸与增压罐输出管道连接，两个气缸的排气口分别与真空泵、蒸汽回收缸、储汽罐的输出管道依次连接，气缸内装有活塞，活塞前面通过活塞杆与滑梭底盘固连，气缸后方设有复位绞盘，钢索一端与滑梭底盘固连，另一端与复位绞盘固连，导轨在滑梭凹槽内为嵌入式连接；该专利文件虽然利用了蒸汽进行弹射，但是还需要设置增压罐，而且专利文件中并没有介绍蒸汽发生器的具体工作原理，可见，其采用常规的产生蒸汽的方案，比如采用锅炉加热水，产生蒸气，蒸汽产生速度慢，如果需要较大的蒸汽量，则设备庞大、复杂。

激光因其具有高亮度、高方向性、高单色性及高相干性而被广泛应用于各行各业中，随着光纤技术的不断成熟，使得激光器能轻易胜任各种多维任意空间加工应用。但是，现有技术中通常应用了激光产生的热量进行切割、焊接金属或可熔融的材料，而没有利用激光直接加热液态水的方案。如何能够利用激光将水或其他液体进行气化增大体积以增大压强，使其能够应用到蒸汽弹射系统中是客观存在的技术问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种光纤传导加热柔性弹射装置及其弹射系统和弹射方法，以解决上述现有技术存在的问题，能够利用激光照射使得能量转介质在能量转换腔内由液态转换为气态，从而能够使得能量转换腔内的气压增大，进而能够将待弹射物弹出，完成柔性弹射运动。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

本发明提供一种光纤传导加热柔性弹射装置，包括能量转换腔以及能够将激光传输到所述能量转换腔的光纤输出头，所述能量转换腔内注入有能够吸收激光能量由液相转换成气相的能量转换介质，所述能量转换腔连通有弹道，所述弹道方向与激光入射方向不重合，所述弹道内填装有待弹射物，所述待弹射物能够封堵所述弹道并由所述弹道的弹射出口弹出。

优选地，所述能量转换腔截面为正多边形或圆形，内表面镀金或镀激光反射膜，激光在所述能量转换腔内形成漫反射。

优选地，所述弹射出口设置有弹射阀门，所述弹射阀门能够限定待弹射物的位置。

优选地，所述弹射阀门包括铰接在第一铰接点的两个第一连杆，两个所述第一连杆的另一端分别铰接有第二连杆，两个所述第二连杆的另一端分别铰接在所述弹射出口的两侧的第二铰接点，所述第一铰接点能够在两个所述第二铰接点的中垂线方向移动，使得两个所述第二连杆打开和关闭所述弹射出口。

优选地，包括设置有滑槽的转动凸轮，所述第一铰接点滑动设置在所述滑槽内，所述滑槽成螺旋线结构或渐开线结构。

优选地，待弹射物为弹头，所述弹头为柱形结构，所述柱形结构与弹道之间设置有第一密封圈。

优选地，所述能量转换腔连接有压力表，所述能量转换介质为水或乙醇。

本发明提供一种光纤传导加热柔性弹射系统，包括前文所述的弹射装置，还包括激光器，所述激光器连接有至少1个所述光纤输出头。

优选地，所述激光器通过分光机构连接所述光纤输出头，所述分光机构连接有多个所述光纤输出头，一个所述光纤输出头连接一个所述弹射装置或多个所述光纤输出头连接同一个所述弹射装置。

本发明还提供一种光纤传导加热柔性弹射装置的弹射方法，包括以下步骤：

(1)将待弹射物填装进弹道，关闭弹射阀门；

(2)将激光通过光纤输出头传输到能量转换腔内，激光在所述能量转换腔形成漫反射；

(3)所述能量转换腔内的能量转换介质吸收激光的能量后气化，增大所述能量转换腔内的压强；

(4)打开所述弹射阀门，待弹射物由弹射出口弹出。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：

(1)本发明弹射装置能够利用激光照射使得能量转介质在能量转换腔内由液态转换为气态，从而能够使得能量转换腔内的气压增大，进而能够将待弹射物由弹道的弹射出口弹出，完成柔性弹射运动；本发明将气态的转换腔体和压力的形成腔体合为一个能量转换腔进行设置，通过光纤传导能量，通过控制光纤的长度，可以根据需要将弹射装置设置在需要安装的位置，不受现有技术中蒸汽管路等装置的影响，大大降低了环境条件的限制；

(2)本发明弹射装置的能量转化效率和能量利用率远高于其他传统方式，由电能到激光的转换效率可达60％，而激光的能量几乎完全被密闭在能量转换腔中，进而被能量转换腔内的能量转换介质所吸收，能量转化效率和能量利用效率均能够达到较高的水平；

(3)本发明通过控制激光器发射激光的通断和时间长短，可以主动控制能量转换介质吸收能量的时间和总量，从而可以有效的控制能量转换腔内的压力变化情况，因此，可以灵活弹射不同重量、不同初速度要求、不同环境条件等不同类型的弹头；

(4)本发明的弹射阀门能够将转动机构的转动运动转换成连杆的摆动运动，实现对弹射阀门的开启和关闭，从而能够利用第一连杆和第二连杆实现对待弹射物的位置锁定，在能量转换腔的压力逐步增大的情况下保持对待弹射物有效的锁定状态，能够提高待弹射物的弹射的安全性和便捷性；

(5)本发明弹射系统中的激光器连接有分光机构，每个分光结构可以连接有多个光纤输出头，根据实际需要，每个光纤输出头可以连接一个弹射装置，一台激光器能够带动几个甚至几十几百个弹射装置，整体效率高、占地面积小、能耗小，也可以将多个光纤输出头连接同一个弹射装置，从而能够提高弹射装置的应用的灵活性，在将多个光纤输出头连通同一个弹射装置后还能够显著的提高能量转换腔能量的转换速率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为弹射装置的整体结构示意图；

图2为图1的正视图的局部剖视图；

图3为图1的俯视图的局部剖视图；

图4为弹射阀门关闭状态示意图；

图5为弹射阀门打开状态示意图；

图6为一个光纤输出头连接一个弹射装置的弹射系统示意图；

图7为多个光纤输出头连接同一个弹射装置的弹射系统示意图；

其中，1、能量转换腔；11、弹道；12、通孔；2、弹射阀门；21、第二连杆；22、第一连杆；23、转动凸轮；24、舵机；25、固定架；26、安装座；3、底座；4、弹头；41、第一密封圈；5、安装板；6、第二密封圈；7、激光防护镜片；8、传输光纤固定座；9、光纤输出头；10、弹射装置；20、分光机构；30、激光器。

具体实施方式

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清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。

本发明的目的是提供一种光纤传导加热柔性弹射装置及其弹射系统和弹射方法，以解决现有技术存在的问题，能够利用激光照射使得能量转介质在能量转换腔内由液态转换为气态，从而能够使得能量转换腔内的气压增大，进而能够将待弹射物弹出，完成柔性弹射运动。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

本发明提供一种光纤传导加热柔性弹射装置，如图1-3所示，包括能量转换腔1以及能够将激光传输到能量转换腔1的光纤输出头9，其中，能量转换腔1应为一密闭的腔体，使得激光能够输入到能量转换腔1内，而不会被反射到外部，一方面是为了能够将激光的能量尽量的输入到能量转换腔1内而减少损失，另一方面要保证能量转换腔1可以作为一个压力腔应用，在达到一定的压力后而不损坏；至于能量转换腔1的形状，可以为圆形、多边形或其他异形结构，以使得激光能够形成漫反射，也就是说，使得激光能够在反射的过程中延长或增大激光在能量转换腔1内的传输路径，使得激光的能量更好的被吸收，当然，激光也可以不形成漫反射，只依靠激光的单一照射路径转移激光的能量，但是，会造成激光的能量被吸收的不充分或缓慢；在实际制作能量转换腔1时，可以将能量转换腔1掏空成凹槽后在凹槽外面设置底座3以形成封闭的腔体，底座3设置有安装孔还可以将其安装到安装板5上，安装板5设置有阵列分布的多个固定孔，可以通过安装孔和固定孔的配合将底座3安装到安装板5的任意位置；能量转换腔1内注入有能量转换介质，能量转换介质能够吸收激光能量由液相转换成气相，进而体积膨胀，使得能量转换腔1内的压力提升，从而能够蓄积弹性势能；能量转换介质可以为水或其他液体或者溶液，满足由液相吸收激光能量后转换为气相的条件即可，只是不同的能量转换介质转换成气态后的体积放大倍数有所不同；能量转换腔1连通有弹道11，弹道11内填装有待弹射物，待弹射物可以为单独结构，也可以与弹道11外的其他装置连接，以通过待弹射物的弹射运动带动所连接的装置的运动，而待弹射物的截面形状可以为圆形、方形或其他形状，弹道11的形状与之配合；待弹射物与弹道11之间设置密封圈、密封油脂等密封措施，弹道11的方向与激光入射的方向不重合，能够避免激光照射的光束直接照射到弹道11上产生对密封结构的损坏；待弹射物与弹道11之间可以自由滑动，但需要有固定结构将待弹射物限定在弹道11内，以满足能量转换腔1内的压力提升，并在压力达到一定程度后，解除对待弹射物的限定，从而使得待弹射物能够封堵弹道11并由弹道11的弹射出口弹出；因此，本发明的弹射装置10能够利用激光照射使得能量转介质在能量转换腔1内由液态转换为气态，从而能够使得能量转换腔1内的气压增大，进而能够将待弹射物由弹道11的弹射出口弹出，完成弹射运动。

如图2所示，在将光纤输出头9与能量转换腔1连接时，还可以在二者之间设置有激光防护镜片7，激光防护镜片7能够透射激光，而且能够承受气相状态的能量转换介质的压力，防止传入到光纤输出头9对其造成损坏；为保证密封性，还可以在激光防护镜片7的一面或两面设置第二密封圈6，第二密封圈6能够进一步的保证能量转换腔1的密封性，避免与光纤输出头9连通，造成光纤输出头9的损坏；另外，光纤输出头9可以通过传输光纤固定座8与能量转换腔1螺纹连接，传输光纤固定座8的另一端通过螺钉或螺栓连接在能量转换腔1的外壁上。

如图2-3所示，能量转换腔1截面为正多边形或圆形，例如可以是三角形、正方形、五边形、六边形等等，每个面之间都存在一定的夹角，并且在内表面镀金或镀激光反射膜，当激光照射到一个面后，会被反射到另一个面，如此循环反射形成漫反射，在反射的过程中，激光的能量不断的被能量转换腔1内的能量转换介质吸收，从而将能量转移到能量转换介质，能量转换介质在吸收激光的能量后由液相转换成气相提高能量转换腔1内的压力；需要说明的是，激光入射方向与所对应的反射面的夹角可以小于90°也可以大于90°，以能够形成漫反射，并能够避免激光被直接反射到激光输出头而造成破坏；本发明提供了能量转换腔1的一具体实施例，参考图3，能量转换腔1的截面为五边形，激光由五边形的一边的方向正对顶角方向发射，此时，激光能够同时照射到顶角的两个边上(可以调整入射激光使其具有一定的发散性)，而两个边同时对照射的激光进行反射，能够提高激光的反射效率，进而提高能量转换介质吸收激光能量的效率。

如图2所示，弹道11的弹射出口位置设置有弹射阀门2，弹射阀门2可以为铰接连接的端盖，即当关闭端盖时能够限定待弹射物的位置，在打开端盖时能够解除对待弹射物的限定，使其能够在能量转换腔1的压力作用下弹射出；另外，弹射阀门2还可以为勾爪的结构形式，在需要限定待弹射物时，勾住待弹射物保持固定，在需要解除限定时，将勾爪放开，将待弹射物弹出；弹射阀门2还可以是与待弹射物移动方向垂直的挡板结构，通过挡板的平行移动实现对待弹射物的限定与否；总之，弹射阀门2能够限定待弹射物的位置，以能够保证正常待弹射物的正常弹射。

如图4-5所示，本发明给出了弹射阀门2的一优选的实施例结构，包括铰接在第一铰接点的两个第一连杆22，第一铰接点可以采用第一圆柱销的结构形式，将第一圆柱销设置在弹道11弹射出口的外壁上的第一滑槽内，以通过第一滑槽限定第一圆柱销只能在第一滑槽的长度方向移动，另外，在第一圆柱销的另一端还设置有另一个第一滑槽，该第一滑槽设置在安装座26上，安装座26与弹道11的外壁固定连接；两个第一连杆22的另一端分别铰接有第二连杆21，该铰接位置可以采用第二圆柱销的结构形式，并且两个第二圆柱销设置在弹道11弹射出口的外壁上的两个第二滑槽内，以限定第二圆柱销的移动位置，同时，在安装座26上还设置有对应的第二滑槽；两个第二连杆21的另一端分别铰接在弹射出口的两侧的第二铰接点，第二铰接点只能转动而不能滑动，分别与安装座26和弹道11弹射出口的外壁连接；通过第一圆柱销、第一滑槽以及第二圆柱销和第二滑槽的设置，能够使得第一铰接点在两个第二铰接点的中垂线方向移动，使得两个第二连杆21能够打开和关闭弹射出口；第一铰接点为动力输出点，其动力源可以采用伸缩缸，通过伸缩缸的平移来推动第一连杆22进而带动第二连杆21运动，也可以采用凸轮结构，通过凸轮推动第一铰接点的位置移动。

进一步的，动力源可以采用旋转结构，例如采用舵机24，舵机24通过固定架25安装到能量转换腔1的外壁上，舵机24的输出端连接有转动凸轮23，第一铰接点除了在第一滑槽内滑动外，还滑动设置在转动凸轮23的滑槽内，滑槽成螺旋线结构或渐开线结构，以能够在舵机24的输出端旋转时使得第一铰接点靠近或远离舵机24的输出端；通过控制舵机24可以控制待弹射物的弹射时机，并能够实现多个待弹射物弹射的时序性设定。

如图2所示，待弹射物为弹头4，弹头4为柱形结构，并且可以将弹头4的头部设置成圆弧面结构，弹道11相应的也为圆形腔体，弹头4与弹道11之间可以自由滑动，存在微小的间隙，弹头4能够在弹道11的作用下进行导向，从而弹头4在弹道11内滑动时获得一定的初速度和加速度，该初速度和加速度的方向与弹道11的方向相同，在弹头11滑出后能够按照预定的轨迹运行；在柱形结构的弹头4的外壁与弹道11的内壁之间设置有第一密封圈41，第一密封圈41能够将弹头4和弹道11之间存在的间隙进行封堵密封，在能量转换腔1内的能量转换介质由液相转换为气相的过程中不会发生泄漏，以更好的在能量转换腔1内积聚能量，需要说明的是，第一密封圈41可以具有耐磨性，也可以在间隙内设置有润滑油以降低对第一密封圈41的磨损，进而使得弹头4能够重复应用。

能量转换腔1连接有压力表，压力表可以实时监测能量转换腔1内的压力变化，通过监测压力变化，使得压力大小与待弹射物的重量大小进行匹配，从而能够弹射不同重量的待弹射物，并满足所需要的弹射距离、弹射初速度等要求；能量转换介质可以为水或乙醇，其中，水的材料易得，1g水温度升高1℃吸热4.2J，而在101kPa下，100℃时1mol H₂O的体积比0℃时1mol H₂O的体积增大了约1700倍，因而，利用水的气液相变化所导致的压力变化，可以进行蒸汽弹射；乙醇的易挥发性使其在气液相转换时，能够达到更快的转换效率。

本发明提供一种光纤传导加热柔性弹射系统，如图6-7所示，包括弹射装置10，还包括激光器30，激光器30连接有至少1个光纤输出头9，其中，激光器30为现有设备，常用的有各种型号，其能够发射一定波长的激光，激光蕴含有较高的能量，通过光纤输出头9将激光导入到弹射装置10的能量转换腔1内，以能够利用激光的能量。

在弹射系统中，激光器30可以通过分光机构20连接光纤输出头9，分光机构20利用了光学的反射和投射原理，能够将一束激光分为几束激光后导出，分光机构20连接有多个光纤输出头9，每一束分离出来的光束传导至一个光纤输出头9，如图6所示，一个光纤输出头9可以连接一个弹射装置10，一台激光器30能够带动几个甚至几十几百个弹射装置10，整体效率高、占地面积小、能耗小；如图7所示，也可以将多个光纤输出头9连接同一个弹射装置10，从而能够提高弹射装置10应用的灵活性，在将多个光纤输出头9连通同一个弹射装置10后还能够显著的提高能量转换腔1能量的转换速率。

本发明还提供一种光纤传导加热柔性弹射装置的弹射方法，包括以下步骤：

(1)向能量转换腔1内注入能量转换介质，然后，将待弹射物填装进弹道11内，由于待弹射物需要与弹道11形成密封结构，在填装待弹射物时，能量转换腔1和弹道11内的原有空气被压缩，会造成待弹射物的填装困难，在与弹道11(或能量转换腔1)连通位置设置有通孔12，通孔12用于在填装待弹射物时排气；在待弹射物填装完毕后将通孔12封闭，封闭时可以采用带有密封垫的螺钉或螺栓与通孔12螺纹连接，然后，关闭弹射阀门2，形成对待弹射物的限位和阻挡；需要说明的是，通孔12可以设置1个也可以设置两个或多个，并且在其中一个通孔12上连接压力表，可以实时监测能量转换腔1内的压力变化；

(2)打开激光器30，激光器30发射激光，激光通过传导光纤和光纤输出头9传输到能量转换腔1内，激光在能量转换腔1内进行漫反射，以能够将激光的能量传导至能量转换介质，激光的能量几乎完全被密闭在能量转换腔1中，进而被能量转换腔1内的能量转换介质所吸收，能量转化效率和能量利用效率均能够达到较高的水平；

(3)能量转换腔1内的能量转换介质吸收激光的能量后气化，由液态转为气态，体积膨胀，能够显著的增大能量转换腔1内的压力，此时，可以通过压力表监测压力的变化，在达到一定压力后，关闭激光器30，停止激光的输出；通过控制激光器30发射激光的通断和时间长短，可以主动控制能量转换介质吸收能量的时间和总量，从而可以有效的控制能量转换腔1内的压力变化情况，因此，可以灵活弹射不同重量、不同初速度要求、不同环境条件等不同类型的弹头4；

(4)打开弹射阀门2，待弹射物在气态的能量转换介质的压力作用下，使得弹射物由弹道11的弹射出口弹出。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种光纤传导加热柔性弹射装置，其特征在于：包括能量转换腔以及能够将激光传输到所述能量转换腔的光纤输出头，所述能量转换腔内注入有能够吸收激光能量由液相转换成气相的能量转换介质，所述能量转换腔连通有弹道，所述弹道方向与激光入射方向不重合，所述弹道内填装有待弹射物，所述待弹射物能够封堵所述弹道并由所述弹道的弹射出口弹出；所述弹射出口设置有弹射阀门，所述弹射阀门能够限定待弹射物的位置；所述弹射阀门包括铰接在第一铰接点的两个第一连杆，两个所述第一连杆的另一端分别铰接有第二连杆，两个所述第二连杆的另一端分别铰接在所述弹射出口的两侧的第二铰接点，所述第一铰接点能够在两个所述第二铰接点的中垂线方向移动，使得两个所述第二连杆打开和关闭所述弹射出口。

2.根据权利要求1所述的光纤传导加热柔性弹射装置，其特征在于：所述能量转换腔截面为正多边形或圆形，内表面镀金或镀激光反射膜，激光在所述能量转换腔内形成漫反射。

3.根据权利要求1所述的光纤传导加热柔性弹射装置，其特征在于：包括设置有滑槽的转动凸轮，所述第一铰接点滑动设置在所述滑槽内，所述滑槽成螺旋线结构或渐开线结构。

4.根据权利要求1-3任一项所述的光纤传导加热柔性弹射装置，其特征在于：待弹射物为弹头，所述弹头为柱形结构，所述柱形结构与弹道之间设置有第一密封圈。

5.根据权利要求4所述的光纤传导加热柔性弹射装置，其特征在于：所述能量转换腔连接有压力表，所述能量转换介质为水或乙醇。

6.一种光纤传导加热柔性弹射系统，其特征在于：包括如权利要求1-5任一项所述的弹射装置，还包括激光器，所述激光器连接有至少1个所述光纤输出头。

7.根据权利要求6所述的光纤传导加热柔性弹射系统，其特征在于：所述激光器通过分光机构连接所述光纤输出头，所述分光机构连接有多个所述光纤输出头，一个所述光纤输出头连接一个所述弹射装置或多个所述光纤输出头连接同一个所述弹射装置。

8.一种光纤传导加热柔性弹射装置的弹射方法，其特征在于：应用如权利要求1-5任一项所述的光纤传导加热柔性弹射装置，包括以下步骤：

(1)将待弹射物填装进弹道，关闭弹射阀门；

(2)将激光通过光纤输出头传输到能量转换腔内，激光在所述能量转换腔形成漫反射；

(3)所述能量转换腔内的能量转换介质吸收激光的能量后气化，增大所述能量转换腔内的压强；

(4)打开所述弹射阀门，待弹射物由弹射出口弹出。

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