CN116552855A - 一种基于传统迫击炮的无人机炮射系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无人机领域，具体涉及一种基于传统迫击炮的无人机炮射系统，包括：炮射无人机、低过载发射机构和无人机炮射平台；炮射无人机，包括折叠和展开两种状态，进而实现弹—机状态转换；低过载发射机构，与炮射无人机相连，组成一个整体，放入无人机炮射平台的身管中，用于为炮射无人机的发射提供动力；无人机炮射平台，以传统迫击炮的结构作为基础。与现有技术相比，本发明采用传统的迫击炮结构和射击原理为基础，设计无人机炮射平台，能显著提高无人机的发射速度，使用轻质材料的身管来减轻炮射平台的重量，使得整体的无人发射平台的重量轻、结构简单、操作简单、便携性好；设计了高低压气室结构，显著降低无人机的发射过载。
Description
技术领域
本发明涉及无人机领域，具体涉及一种基于传统迫击炮的无人机炮射系统。
背景技术
在无人机领域，能够快速部署的无人机十分重要。当前形势下，无人机的起飞速度较为缓慢，难以实现快速部署。为了实现无人机快速部署，必须提高无人机的性能，而提高无人机性能最有效的方法便是采用更高的发射速度来增加飞行距离和飞行高度。因此，进一步提升无人机的发射速度，可显著缩短其升空时间，从而进一步增强无人机的机动性。无人机的发射速度受其所采用的发射平台的影响极大，因此，选择一种能赋予无人机高初速的无人机发射平台对于提高无人机的机动性至关重要。但是目前能赋予无人机高初速的发射平台普遍存在重量大、体积大、结构复杂和操作复杂等问题，难以实现一人携带并发射无人机。因此，提出一种赋予无人机高初速且便携的无人机发射平台十分重要。
传统迫击炮无法直接行进无人机的发射,传统迫击炮的发射时，其引起的过载过大，如64式120迫击炮，在直接进行无人机发射时，过载超过5000g，超出无人机的承载能力。这样的过载会破坏无人机的传感系统以及光电系统,可能会引起传感器失灵、光学系统各元件相对位置的变化超出系统设计的允许范围引起成像质量下降、电控装置因过载而损坏等等问题。因此，攻克过载问题十分重要。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于传统迫击炮的无人机炮射系统，在满足无人机可承受过载的情况下进一步提升无人机的发射速度，可显著缩短其升空时间，从而进一步增强无人机的机动性。此便携式无人机炮射平台重量轻、结构简单、操作简单，一人即可携带并发射无人机，增强其在复杂环境下的适应性和作战能力。此无人机炮射平台同时具有结构简单、发射初速高、便携性好的优点，能够满足一人快速部署的需求。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于传统迫击炮的无人机炮射系统，包括：炮射无人机、低过载发射机构和无人机炮射平台；炮射无人机，包括折叠和展开两种状态，进而实现弹—机状态转换；低过载发射机构，与炮射无人机相连，组成一个整体，放入无人机炮射平台的身管中，用于为炮射无人机的发射提供动力；无人机炮射平台，以传统迫击炮的结构作为基础。
进一步地，低过载发射机构包括高低压气室和装药；高低压气室包括高压气室和低压气室两个部分，高压气室外壁与无人机的底部固连；低压气室为开放式，在发射时低压气室顶面与身管内壁面、炮尾镜面共同构成弹后空间，高压气室为封闭式腔体，高低压气室之间通过气孔贯通，气孔设置在高低压气室的中心轴线上，且孔面固定有气孔覆片；装药的安装在在高压室内壁中心。
进一步地，无人机炮射平台，包括炮尾、身管、炮架和座钣；座钣与炮尾连接，用于将炮膛合力传递至土壤；炮尾与身管固连，用于闭锁炮膛密闭火药气体；炮架用于支撑身管和调整发射方向。
进一步地，座钣包括座钣橡胶部分和座钣骨架部分，以浇筑的方法包裹在座钣骨架部分外部，座钣橡胶部分与炮尾球接，座钣骨架部分插入土壤。
进一步地，炮架部分包括炮箍、螺母、上梁、立杆和架腿、连接件、架脚；身管与炮箍固连，二者之间采用间隙配合加弹簧缓冲，上梁与炮箍固连，上梁与连接件铰连，立杆与连接件固连，架腿与立杆铰接，架脚与架腿通过固连。
进一步地，计算身管1外径r2的计算公式如下：
式中，即r1为身管的口径，σpt为身管的膛内最大压力，P为低压室最大压强得到身管1实际壁厚δ：
δ＝(r2-r1)n，
其中，身管1的安全系数确定为n＝1.25。
进一步地，迫击炮座钣的正投影面积AB计算公式：
AB＝0.2365E0.35
其中，E为炮口动能；座钣的侧投影面积与正投影面积之比满足0.27-0.37；进行座钣橡胶部分和座钣骨架部分的结构设计，且本发明中座钣橡胶部分和座钣骨架部分的最大应力出现在75°射角工况下。
进一步地，所述装药为长方形装药。
进一步地，所述无人机为四旋翼无人机。
进一步地，身管使用铝合金材料，座钣橡胶部分材料选用聚氨酯橡胶，座钣骨架部分材料选用钛合金。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明采用传统的迫击炮结构和射击原理为基础，设计无人机炮射平台，能显著提高无人机的发射速度，可显著缩短无人机的升空时间，从而进一步增强无人机的机动性。
(2)本发明对无人机炮射平台进行了轻量化设计。身管采用铝合金材料，通过使用轻质材料的身管来减轻炮射平台的重量；座钣采用骨架浇筑橡胶的结构设计，座钣分为座钣骨架部分和座钣橡胶部分，通过改变座钣的结构以及材料来减轻炮射平台的重量。在满足设计强度要求的基础上，使得整体的无人发射平台的重量轻、结构简单、操作简单、便携性好，一人即可携带并发射无人机。
(3)本发明基于低过载发射原理，设计了高低压气室结构，能在保证无人机的高发射初速的前提下，显著降低无人机的发射过载。
附图说明
图1为本发明的无人机炮射平台的整体结构示意图；
图2(a)为本发明的四旋翼炮射无人机在折叠弹丸姿态下的结构示意图；(b)为四旋翼炮射无人机在展开状态下的结构示意图；
图3为本发明的低过载发射机构的整体结构示意图；
图4为本发明的长方体装药示意图；
图5为本发明的炮尾2与座钣骨架部分4连接示意图；
图6为本发明的身管1示意图；
图7(a)为本发明的炮尾2示意图、(b)为本发明的座钣骨架部分4示意图、(c)为本发明的座钣橡胶部分3示意图；
图8为本发明的弹丸的过载时间曲线；
图9为本发明的弹丸的速度时间曲线；
图10为本发明的高低压气室6的压强随时间变化曲线；
图11为本发明的弹底的压强随时间变化曲线；
图12为本发明的120mm口径无人机炮射平台在45°射角工况下的最大应力分布，(a)为座钣骨架部分最大应力分布，(b)为座钣橡胶部分的最大应力分布；
图13为本发明的120mm口径无人机炮射平台在60°射角工况下的最大应力分布，(a)为座钣骨架部分最大应力分布，(b)为座钣橡胶部分的最大应力分布；
图14为本发明的120mm口径无人机炮射平台在75°射角工况下的最大应力分布，(a)为座钣骨架部分最大应力分布，(b)为座钣橡胶部分的最大应力分布；
图15为本发明的120mm口径无人机炮射平台的身管1的最大应力分布；
图16为本发明的120mm口径无人机炮射平台的立杆10、架腿11和架脚14示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
如图1-图3所示，本发明公开了一种基于传统迫击炮的无人机炮射平台系统，包括四旋翼炮射无人机、低过载发射机构和无人机炮射平台。低过载发射机构安装在折叠后的四旋翼炮射无人机的底面，放入无人机炮射平台即可进行发射。
四旋翼炮射无人机：初始状态为四旋翼无人机的折叠状态，即弹丸状态，炮射无人机以弹丸姿态沿期望弹道飞行；飞出炮口后，在外弹道最高点附近，炮射迅速展开机翼，完成由弹丸姿态向无人机姿态的转换，使得旋翼使无人机由自由落体转变为稳定飞行；以此实现弹—机状态转换，实现炮射无人机与迫击炮发射平台兼容。本发明采用的炮射无人机为如图2所示的四旋翼无人机，螺旋桨16旋转安装在无人机的四个机臂15上，机臂15外表面为圆弧面，内表面为平面，机臂15与机体18之间铰接，扭簧17设置于机臂15和机体18之间，一端抵住机体18，另一端抵住机臂15内侧平面；锁止件16设置于机体18上。当旋翼处于折叠状态时，机臂15处于竖直状态，内表面与机体18底面垂直；当到达展开最高点时，释放机臂15，机臂15在扭簧17的扭矩作用下展开，当机臂15铰链端端面与机身接触时，完成旋翼展开。
如图3和图4所示，低过载发射机构包括高低压气室6和长方体装药13。高低压气室6包括高压气室和低压气室两个部分，高压气室外壁与无人机的底部固连；高压气室为封闭式腔体，高低压气室之间通过气孔贯通；气孔设置在高低压气室6的中心轴线上，且孔面固定有气孔覆片，长方体装药13的安装在在高压室顶部中心。发射时，长方体装药13在高压室内燃烧，压力达到气孔覆片的破膜压力之后，燃烧产生的火药气体通过气孔进入低压室，以此降低膛压以及无人机的发射过载。
如图1所示，无人机炮射平台，包括炮尾2、身管1、炮架和座钣；炮尾内设置固定击针，用于低过载机构的发射；座钣设置于炮尾2下方，用于将炮膛合力传递至土壤；炮尾2与身管1通过螺纹配合连接，用于闭锁炮膛从而达到密闭火药气体的目的；发射时低压室顶部、身管1内壁与炮尾2镜面共同构成弹后空间；炮架用于支撑身管1，能调整发射方向。
如图5和图7所示，座钣包括座钣橡胶部分3和座钣骨架部分4；座钣橡胶部分3以浇筑的方法包裹在座钣骨架部分4外部；此结构在满足发射后坐力强度要求的基础上，进而能够减轻炮射平台的重量，实现一人即可背运和发射无人机；如图7表示，座钣骨架部分4中间的驻臼内设有球窝，球窝大于半球，在驻臼顶面开有一个槽，炮尾2上的炮尾球对称削去一部分。如图3所示，炮尾球平行于槽侧壁放入后旋转90°自锁，炮尾2通过炮尾球与座钣骨架部分4中间的驻臼形成一个球铰配合连接。
炮架部分包括炮箍5、双头螺柱7、螺母8、上梁9、立杆10和架腿11、连接件12、架脚14；身管1与炮箍5固连，二者之间采用间隙配合加弹簧缓冲；上梁9带有内螺纹孔，通过双头螺柱7以及螺母8与炮箍5连接。上梁9与连接件12通过圆柱铰链连接。立杆10上部攻有外螺纹与连接件12通过螺纹连接。如图16所示，架腿11与立杆10使用铰接。架脚14与架腿11通过螺纹连接。
其中，计算身管1外径r2的计算公式如下：
式中，即r1为身管1的口径，σpt为身管的膛内最大压力，P为低压室最大压强得到身管1实际壁厚δ：δ＝(r2-r1)n，其中身管1的安全系数确定为n＝1.25。
炮口动能：
式中，v为炮口初速，无人机弹丸姿态下重m，
迫击炮座钣的正投影面积AB计算公式：
AB＝0.2365E0.35
且座钣的侧投影面积与正投影面积之比满足0.27-0.37；进行座钣橡胶部分3和座钣骨架部分4的结构设计，且本发明中座钣橡胶部分3和座钣骨架部分4的最大应力出现在75°射角工况下。
本发明的基于传统迫击炮的无人机炮射系统的工作过程如下：架设炮射平台，通过调整炮架以调整发射角度；随后将四旋翼炮射无人机与低过载发射机构所组成的一体化弹丸放入炮射平台的身管内，弹丸靠自身重力沿身管内壁下滑，直至高压气室内的火药撞击炮尾的固定击针，点燃火药；火药在高压气室内燃烧，当高压气室内气压达到气孔覆片的破膜压力之后，燃烧产生的火药气体通过气孔进入低压室，弹丸被火药气体推动前进；无人机以弹丸姿态沿期望弹道飞行，在外弹道最高点附近，迅速展开机翼，完成由弹丸姿态向无人机姿态的转换，至此整体的发射过程结束。
实施例
本发明无人机发射平台的炮管口径120mm，四旋翼炮射无人机长380mm，折叠状态下直径120mm，总质量约4kg；四旋翼炮射无人机所能承受的最大过载不得超过600g，无人机出炮口初速v＝76.33m/s
因此得到低过载发射机构中，火药的长度与宽度均为60mm，厚度为5mm，总装药量为28.8g；高低压气室6的高压室腔体的直径为110mm，长度为60mm；低压室腔体的直径为114mm，长度为30mm，高压室前部以及高低压室之间的壁厚为5mm，高低压室之前的气孔直径为1mm，破孔压力为13.448Mpa。
身管1的壁厚δ为4mm，身管1的长度参考64式120mm迫击炮选取为1536mm，身管1使用铝合金材料，座钣橡胶部分3材料选用聚氨酯橡胶，座钣骨架部分4材料选用钛合金。
对设计定的对低过载发射机构进行流体仿真，得到仿真结果如下：
如图8所示，无人机以弹丸的折叠姿态在身管内运动期间，当t＝0.0563s时(高低压室之间的破孔覆片破裂开始计时)，弹丸达到最大过载5400.85m/s2；如图9所示，弹丸在身管内运动期间，当t＝0.02845s时(高低压室之间的破孔覆片破裂开始计时)，弹丸出炮口，其初速为76.33m/s；如图10所示，弹丸在身管内运动期间，高压室平均压强的最大值与破孔压强相等，即13.448MPa，低压室平均压强的最大值为1.224Mpa；如图11所示，弹底压强最大值为6.545MPa，满足设计要求。
由图仿真图12-14所示，本发明中座钣橡胶部分3和座钣骨架部分4的最大应力出现在75°射角工况下。
如图15所示，身管1的最大应力出现在身管开始没有炮架包裹的地方,最大应力小于身管1材料的屈服强度，因此身管强度符合要求。
Claims (10)
1.一种基于传统迫击炮的无人机炮射系统，其特征在于，包括：炮射无人机、低过载发射机构和无人机炮射平台；
炮射无人机，分为折叠和展开两种状态，进而实现弹—机状态转换；
低过载发射机构，与炮射无人机相连，组成一个整体，放入无人机炮射平台的身管中，用于为炮射无人机的发射提供动力；
无人机炮射平台，以传统迫击炮的结构作为基础。
2.根据权利要求1所述的基于传统迫击炮的无人机炮射系统，其特征在于，低过载发射机构包括高低压气室和装药；高低压气室包括高压气室和低压气室两个部分，高压气室外壁与无人机的底部固连；低压气室为开放式，在发射时低压气室顶面与身管内壁面、炮尾镜面共同构成弹后空间，高压气室为封闭式腔体，高低压气室之间通过气孔贯通，气孔设置在高低压气室的中心轴线上，且孔面固定有气孔覆片；
装药的安装在在高压室内壁中心。
3.根据权利要求1所述的基于传统迫击炮的无人机炮射系统，其特征在于，无人机炮射平台，包括炮尾、身管、炮架和座钣；炮尾内设置固定击针，用于低过载机构的发射；座钣与炮尾连接，用于将炮膛合力传递至土壤；炮尾与身管固连，用于闭锁炮膛密闭火药气体；炮架用于支撑身管和调整发射方向。
4.根据权利要求3所述的基于传统迫击炮的无人机炮射系统，其特征在于，座钣包括座钣橡胶部分和座钣骨架部分，以浇筑的方法包裹在座钣骨架部分外部，座钣橡胶部分与炮尾球接，座钣骨架部分插入土壤。
5.根据权利要求3所述的基于传统迫击炮的无人机炮射系统，其特征在于，炮架部分包括炮箍、螺母、上梁、立杆和架腿、连接件、架脚；身管与炮箍固连，二者之间采用间隙配合加弹簧缓冲，上梁与炮箍固连，上梁与连接件铰连，立杆与连接件固连，架腿与立杆铰接，架脚与架腿通过固连。
6.根据权利要求5所述的基于传统迫击炮的无人机炮射系统，其特征在于，计算身管1外径r2的计算公式如下：
式中，即r1为身管1的口径，σpt为身管的膛内最大压力，P为低压室最大压强得到身管实际壁厚δ：
δ＝(r2-r1)n，
其中，身管1的安全系数确定为n＝1.25。
7.根据权利要求5所述的基于传统迫击炮的无人机炮射系统，其特征在于，迫击炮座钣的正投影面积AB计算公式：
AB＝0.2365E0.35
其中，E为炮口动能；座钣的侧投影面积与正投影面积之比满足0.27-0.37；进行座钣橡胶部分和座钣骨架部分的结构设计，且本发明中座钣橡胶部分和座钣骨架部分的最大应力出现在75°射角工况下。
8.根据权利要求2所述的基于传统迫击炮的无人机炮射系统，其特征在于，所述装药为长方形装药。
9.根据权利要求2所述的基于传统迫击炮的无人机炮射系统，其特征在于，所述无人机为四旋翼无人机。
10.根据权利要求2所述的基于传统迫击炮的无人机炮射系统，其特征在于，身管使用铝合金材料，座钣橡胶部分材料选用聚氨酯橡胶，座钣骨架部分材料选用钛合金。
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