专利名称：用于精确空投的气动肌肉伞带可变形降落伞的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种降落伞，尤其涉及一种气动肌肉伞带可变形降落伞。
背景技术：
降落伞主要由伞衣、引导伞、伞绳、开伞部件和伞包等组成。在空投时，降落点的位 置取决于空投出的降落伞的运行轨迹以及风速、风向等环境因素。空投受风的影响很大， 通常空投运输机的飞行高度要低于660米，否则空投的补给就会像天女散花一般散落在各 处，但飞行高度太低，又会被地面防空击落的危险。传统空投作业采用弹道式圆形伞系统，投放后，由于无可主动变形装置，无法进行 操纵。近年来精确空投系统得到了广泛的研究。精确空投系统的目标是提供迅速、准确、低 成本的空投。目前实现精确空投的方法分为两种投前精确模型预测、规划和计算(如美国 的PADS系统)，和投后主动调节位姿方式(即制导与控制空投系统，包含制导、导航、控制电 子元件以及软件，风探测器，以及机电式作动器，如美国的AGAS系统，GDS系统)。前者根据 载荷重量、环境大气测量值、风速信息和精确的空投动力学模型，计算复杂。另外由于数据 是投前获取的，与实际数据有误差，所以精度会有变化。后者，需要作动器，如电机、螺旋桨 发动机、惯性制导作动装置等，可实现远距离飞行。常见的投后主动调节装置普遍都很复杂，成本高，重量大，所需的能耗大。低成本、 高效率实现降落轨迹主动调节的研究重点集中在了可变长度伞绳和可变形伞衣两方面。美国的RAD (小型可操纵空气冲压)漏斗形降落伞，在接近预定高度时，会释放一 个大的引导伞，接着又抽出一个或多个大的传统的圆形回收伞，具有缩短空投时间的优点， 但需要多个伞。美国研究利用形状记忆合金丝来制作伞绳，利用给形状记忆合金丝加热来改变伞 绳的长度，从而来调节降落轨迹。但由于合金丝变形速度慢，此方法需用于高空空投，以便 给形状记忆合金丝加热和冷去留有足够的时间。气动肌肉是一种新型的驱动器，具有动作 快，功率/重量比高等优点，目前正在被研究用于可变长度伞绳。目前投后主动调节位姿的精确空投系统复杂，成本高，精度不高。实验得知，在 3000米高度，投放精度为100米左右，存在的缺点有采用的作动器，如电机、螺旋桨发动机等，能耗大，重量沉，成本高；采用的调节方法调节量有限，如AGAS采用气动肌肉调节伞绳长度，对伞衣进行间 接的变形调节，调节量有限；采用的调节方法复杂，如RAD需要采用多个不同的伞，操作复杂；偏重于对降落姿 态的控制，对降落速度的控制考虑较少。我国的专利检索还没有发现有相关的专利，美国的AGAS(《期刊》)介绍了利用气 动肌肉伞绳的降落伞装置，通过主动伸长或缩短伞绳，利用降落伞系留点与空投装备重心 的相对关系控制装备的下降姿态。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种低功耗、低成本、结构简单的伞带可调节 的可变形降落伞，该降落伞可实现降落速度和落点的调节。本发明解决技术问题所采取的技术方案为本发明包括可变形的伞衣、高压气囊、气动肌肉、电磁阀、电源、伞绳、挂物平台、 GPS模块、风速传感器、速度传感器、驱动器和控制单元。半球面状的伞衣边沿处与多根伞绳的一端连接，多根伞绳的另一端均与挂物平台 连接，伞衣内表面布置有伞带网，所述的伞带网由多根沿半球面状伞衣的经线和纬线方向 上的伞带组成，经线上的伞带有6 10根，经线上的伞带呈均勻分布，纬线上的伞带有3 8根，经线上的伞带与纬线上的伞带交接处设置有固定在伞衣上的伞带连接件，伞带连接 件将经线上的伞带和纬线上的伞带分为多段伞带段，每段伞带段上串接有调节伞带长度的 气动肌肉，该气动肌肉是一种采用不对称壁厚橡胶管结构的特殊气动肌肉，气动肌肉的气 体出入端与电磁阀的气体输出端连接，电磁阀的气体输入端与高压气囊连通；驱动器输出 端与电磁阀的驱动端连接，驱动器输入端与控制单元的信号输出端连接；用于降落伞定位 的GPS模块输出端连接至控制单元的信号输入端，测量当前风速的风速传感器和测量降落 伞降落速度的速度传感器分别与控制单元的信号输入端连接；电源为驱动器和控制单元供 H1^ ο本发明相对于现有技术具有以下有益效果本发明中的伞衣面积和形状可由气动 肌肉的调节而产生变化，从而可实时调节降落的速度和姿态；采用经向和纬向多根气动肌 肉伞带布局，调节方法多样、灵活，可适应复杂的使用环境；采用高压气体作动气动肌肉，功 率重量比大，能耗小，质量轻，成本低；采用高压气囊提供气压，动作时噪音小。采用了不对 称壁厚的气动肌肉，使得气动肌肉受气压膨胀收缩后，并不是标准的圆柱体，而是向壁厚侧 弯曲的圆柱体，可以使气动肌肉的变形与伞衣的内球曲面变形协调一致。由于本发明的伞 衣可通过改变面积来调节降落速度，所以降落伞可以高空投下低空开伞模式降落，也可以 高空投下高空开伞模式降落。
图1为本发明的结构示意图；图2为本发明伞衣的内表面上伞带网布置示意图；图3为本发明电气控制结构示意图；图4为本发明气动肌肉的截面图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明作进一步说明。如图1和图2所示，本发明主要包括可变形的伞衣2、高压气囊6、气动肌肉16、电 磁阀13、电源7、伞绳1、挂物平台14、GPS模块8、风速传感器9、速度传感器10、控制单元11 和驱动器12。半球面状的伞衣2可采用尼龙纤维材料加工，直径可为3m，边沿处与8 12根伞 绳1的一端连接，伞绳1要求结构紧凑、强度高、柔软、弹性好、伸长不勻率小，可采用空芯或有芯的编织绳。多根伞绳1的另一端均与挂物平台14连接。挂物平台14下端固定连接有 被降物品15。伞衣2内表面布置有伞带网，伞带网由多根沿半球面状伞衣2的经线和纬线 方向上的经线伞带19和纬线伞带18组成，伞带18、19通过伞线与伞衣内表面连接。伞线 可采用强度高、润滑好和捻度均勻稳定的纤维丝材料。经线上的伞带有8根，呈均勻分布， 纬线上的伞带有4根，呈均勻分布。经线上的伞带与纬线上的伞带交接处设置有固定在伞 衣2上的伞带连接件17，伞带连接件17可采用铝合金材质，伞带连接件17将经线上的伞带 和纬线上的伞带分为多段伞带段，每段伞带段上可串接有调节伞带长度的气动肌肉16，气 动肌肉16应采用具备较高的强度和较大功率重量比的不对称壁厚橡胶外管气动肌肉，为 便于气动肌肉16的受压收缩，橡胶管的壁厚不易太厚，气动肌肉16的外径可为2 3cm。 可以全部伞带段上都串接有气动肌肉16，也可以部分伞带段上串接有气动肌肉16。高压气 囊6通过3 6根气囊绳5挂在伞衣2下中心位置，且要低于伞衣2的边沿线。高压气囊 6可采用直径为0. 4m的橡胶气囊。电源7、GPS模块8、风速传感器9、速度传感器10、控制 单元11、驱动器12和电磁阀13集中安装在高压气囊6下方。如图1和图3所示，气动肌肉16的气体出入端通过气管接头4与输气管3 —头连 接；每个气动肌肉16都可以单独连接一根输气管3，独立动作；也可以多根气动肌肉16串 联在一起，由一根输气管3提供高压气体，多根气动肌肉16同时动作；连接气动肌肉16的 输气管3紧贴伞衣2的内表面分布，集中汇集到伞衣2顶点后向下垂下来与电磁阀13的气 体输出端连接；电磁阀13的气体输入端通过输气管3与高压气囊6连通；由于高压气体是 空气，输气管3可采用直径为0. 6cm的普通柔性耐压气管，气管接头4采用常用的快速对接 气动接头；驱动器12输出端与电磁阀13的驱动端连接，驱动器12输入端与控制单元11的 信号输出端连接；用于降落伞定位的GPS模块8输出端连接至控制单元11的信号输入端， 测量当前风速的风速传感器9和测量降落伞降落速度的速度传感器10分别与控制单元11 的信号输入端连接；电源7为控制单元11和驱动器12供电，可采用锂离子可充电电池，能 量密度大，可重复使用，容量5AH即可。电磁阀13采用两位三通阀，可实现气动肌肉与高压 气囊的接通充气、与外界大气的接通排气以及密封保压三种状态。如图4所示，本发明中的气动肌肉采用不对称壁厚橡胶层，贴近伞衣内表面侧的 气动肌肉橡胶壁较薄，另一侧的橡胶壁较厚。普通的气动肌肉受压后会产生直线伸缩运动， 与伞衣内曲面之间会产生较大的间隙，在气流下会产生较大的噪声，并影响伞衣的稳定性。 由于本发明采用了不对称壁厚的气动肌肉，使得气动肌肉受气压膨胀收缩后，并不是标准 的圆柱体，而是向壁厚侧弯曲的圆柱体，可以使气动肌肉的变形与伞衣的内球曲面变形协 调一致。纬线方向的气动肌肉伞带的变形主要用于调节下降速度；经线方向的气动肌肉伞 带的变形主要用于调节下降方向；经线和纬线方向分布的气动肌肉伞带的协调变形会使得 伞衣做出类似于水母的变形动作。本发明的使用方法如下使用前，将高压气囊6充好高压空气。将输气管3与电磁 阀13和气动肌肉16连接好，确保无漏气发生。将携带被降物品15的降落伞从高空空投出 去后，伞衣2在风力作用以及高压气囊6及其下安装的控制单元11等部分的重力作用下， 展开成圆球状态。调节伞衣2下降速度和姿态的步骤1、通过给纬线上分布的气动肌肉16施加相同的高压气体，导致纬线伞带段长度缩短，可引起伞衣2的受风阻力面积变小，降落速度加快。气动肌肉16收缩越大，伞衣2受 风阻力面积越小，下降速度越快。2、通过给纬线上分布的气动肌肉16施加不同的高压气体，导致纬线伞带段长度 不同程度的缩短，可引起伞衣2的对称度变化，即不再保持圆球形，从而可调节降落伞的下 降姿态。变形后，降落伞将向气动肌肉16收缩一侧伞衣2的反方向运动。3、通过给经线上分布的气动肌肉16施加相同的高压气体，导致经线伞带段长度 均衡缩短，可引起伞衣2的受风阻力面积变小，降落速度加快。气动肌肉16收缩越大，伞衣 2受风阻力面积越小，下降速度越快；4、通过给径向上分布的气动肌肉16施加不同的高压气体，导致径向伞带段长度 不同程度的缩短，可引起伞衣2的对称度变化，即不再保持圆球形，从而可调节降落伞的下 降姿态。变形后，降落伞将向气动肌肉16收缩一侧伞衣2的反方向运动；5、同时调节纬线和经线分布的气动肌肉伞带18、19上的气动肌肉16，并采用不同 的调节气压，则可实现更丰富的伞衣2变形，从而更灵活地调节降落伞的下降速度和落点 位置。GPS模块8将降落伞的位置、风速传感器9将当前风速、速度传感器10将当前下降 速度都输入给控制单元11，控制单元11根据位置信息判断偏离降落点的误差程度，并对速 度信号和风速信号进行分解得到外界风速，而后根据设定的调节方法来对气动肌肉16进 行充放气调节。下降速度太慢时，可通过给气动肌肉16加压收缩来加快下降速度；可通过 给非迎风面侧的气动肌肉16加压收缩来补偿风对降落伞的偏航。输出的调节信号首先给 驱动器12。驱动器12将调解信号放大后驱动电磁阀13做出充放气的动作。当高压气体被充入气动肌肉16内后，气动肌肉会在压力作用下膨胀变形，直径变 粗，长度变短。由于本发明设计了不同壁厚的气动肌肉16，当膨胀时，薄壁侧膨胀量大于厚 壁侧，从而使得气动肌肉16在缩短的同时，向壁厚侧弯曲变形，可以促进气动肌肉伞带与 伞衣内表面的良好接触。使用后，伞衣2和伞绳1打包缠绕在高压气囊6上，缩小体积。本发明通过细化伞衣2的纬线和经线的伞带段，给每个伞带段串接气动肌肉16可 增强变形的调节能力。由于气动肌肉中腔是气体，所以不会导致伞衣的重量有大的增加。
权利要求
1.用于精确空投的气动肌肉伞带可变形降落伞，包括可变形的伞衣、高压气囊、气动肌 肉、电磁阀、电源、伞绳、挂物平台、GPS模块、风速传感器、速度传感器、驱动器和控制单元， 其特征在于半球面状的伞衣边沿处与多根伞绳的一端连接，多根伞绳的另一端均与挂物平台连 接，伞衣内表面布置有伞带网，所述的伞带网由多根沿半球面状伞衣的经线和纬线方向上 的伞带组成，经线上的伞带有6 10根，经线上的伞带呈均勻分布，纬线上的伞带有3 8 根，经线上的伞带与纬线上的伞带交接处设置有固定在伞衣上的伞带连接件，伞带连接件 将经线上的伞带和纬线上的伞带分为多段伞带段，每段伞带段上串接有调节伞带长度的气 动肌肉，气动肌肉的气体出入端与电磁阀的气体输出端连接，电磁阀的气体输入端与高压 气囊连通；驱动器输出端与电磁阀的驱动端连接，驱动器输入端与控制单元的信号输出端 连接；用于降落伞定位的GPS模块输出端连接至控制单元的信号输入端，测量当前风速的 风速传感器和测量降落伞降落速度的速度传感器分别与控制单元的信号输入端连接；电源 为驱动器和控制单元供电。
2.根据权利要求1所述的可变形降落伞，其特征在于所述的气动肌肉的橡胶层壁厚 不对称，气动肌肉贴近伞衣内表面侧的为薄橡胶壁，远离伞衣内表面侧的为厚橡胶壁。
3.根据权利要求1所述的可变形降落伞，其特征在于所述的伞绳为编织绳。
全文摘要
本发明涉及一种用于精确空投的气动肌肉伞带可变形降落伞。现有空投降落伞精确空投系统复杂，成本高、精度低。本发明中的伞衣内表面布置有伞带网，伞带网由多根伞带组成，伞带交接处设置有固定在伞衣上的伞带连接件，伞带连接件将伞带分为多段伞带段，每段伞带段上串接有调节伞带长度的不对称壁厚结构气动肌肉，气动肌肉的气体输入由控制单元控制；定位的GPS模块、风速传感器、降落速度的速度传感器分别与控制单元连接。本发明结构简单、调节方便，可实时调节降落的速度和姿态。
文档编号B64D17/02GK102069911SQ20101059074
公开日2011年5月25日 申请日期2010年12月7日 优先权日2010年12月7日
发明者王斌锐, 谢原, 金英连 申请人:中国计量学院