一种无人机可控两级弹射车载控制系统的制作方法

本实用新型属于无人机弹射技术领域，尤其涉及一种无人机可控两级弹射车载控制系统。

背景技术：

凡是采用固定翼方式的飞行器都需要由飞行器利用相对空气的速度，产生动力来飞行。所以固定翼飞行器通常需要有足够的跑道，当飞行器达到某种速度而获得足够的升力来离地飞入空中。同样利用速度获得气动升力的飞行器在向地面着陆时也需要足够长度的跑道。尽管在着陆时很多飞行器采用多种方式来减低着陆速度以缩短需用跑道长度，但是产生效果尚不能取消着陆跑道。

目前飞行器的跑道可以有各种不同质量的铺设表面，对于高速或大型重型飞行器的跑道表面几乎有1-2米的钢筋混凝土铺设，长度在2000米—4000，宽度约30米左右，造价是十分昂贵的。对于轻型飞机、小型无人机尽管可以采用压实土跑道或砖压混凝土铺设，一般也是相对昂贵的。

无论采用何种质量铺设的跑道都占有巨大的土地面积和飞行空域，并且造价昂贵。但是由于飞行器的商用利润很高，巨额利润收益对于建造大型起降飞行器的跑道而言还是值得的，因此全世界有许多商用和军用机场。

对于飞行在山区、河湖、海上飞行区，尤其是军事目的飞行器，往往速度读快、重量大，因此使用范围很受跑道的限止。为此采用弹射方式让飞行器在狭小地域和空间得与使用。

飞行器弹射器最早可以追朔到二次大战早期。首先应用于小型军用侦察机在军舰的飞行甲板上采用火箭和压缩空气作为动力弹射飞机。从此以后弹射器主要用于军用飞行器。近年来，广泛应用于中小型无人机在狭小空间、复杂地貌、河湖地区、船舰上的起飞，是十分成功的。

目前常规的弹射器采用三种动力系统：

— 火箭动力弹射器

— 压缩控制弹射器

— 橡皮筋弹射器

迄今为止，我们见到的弹射器都是弹射小展弦比的固定翼无人机。为了追求高性能,无人机逐步采用大展弦比机翼，这样带来现有的弹射器都不能满足要求。

上述三种弹射器可以弹射起飞重量小于400公斤的固定翼无人机，无法直接弹射机翼展弦比(机翼展弦比也可以表述成机翼的长度的平方除以机翼面积)大于16的大翼展长航时无人机。随着对无人机飞行性能要求的提高，对于航时达到几十小时的无人机，展弦比几乎都大于18，翼载也比较大。对于小型无人机展弦比21，翼载30-40公斤，长航时达30-40小时的无人机，采用普通弹射器是十分有害的。

无论采用火箭动力，压缩空气或橡皮筋弹力,初始过载几乎都在15g以上(g为飞机的重量)，这样给予无人机结构强度设计和使用寿命都是一个非常大的挑战。弹射飞机离架速度一般在12-17米/秒。

由于上述三种弹射器的动力系统都是在初始弹射时过载很大，尤其是橡皮筋弹射器和火箭弹射器，在整个架上起点加速度从最大15-17，到离架时，火箭推力降到很低，而橡皮筋拉力降到几乎为0。也就是弹射过载从最大降到最小,因此飞机上受到的在起始弹射时很大的加速度和气动力的作用产生的力很大，超过了正常飞行所能承受的力。要做到满足弹射器的特性的无人机必定要设计成具有比正常飞行设计的结构要强很多，显然造成无人机重量的增加，对于长航食时无人机的设计是非常不利的。

再者,当机翼面积相同时，小展弦比机翼的根弦比较大，在采用相似的相对厚度的翼型时，根部厚度就比较大。因此抗弯刚度就比较大。

由于大展弦比机翼展长比小展弦比机翼展长大一倍左右，这样小展弦比机翼的机翼纵向抗弯刚度比大展弦比机翼大1倍以上。弹射时，加速度造成的机翼质量产生的弯矩M大对于大展弦比机翼至少是短机翼上的M小的4倍以上（因为大展弦比机翼质量大）。

进一步地，当无人机在弹射架上起始弹射时，受到三个巨大的力：向下的重力、沿着弹射方向的推动力、垂直于推动力方向的气动力。

推动力是由弹射器加给无人机的，普通弹射器起始给无人机力达15-17倍过载，假定飞机重100公斤，那么瞬时弹射力达1.5吨。整个弹射过程大约为1秒-1.5秒，飞机即离架，离架速度为12-17米/秒。

按照以上数据推理，在弹射过载为最大的0.2秒时，飞机已经达到大约5-6米/秒速度，约20-22公里/时。当过载达达10时，大约起始弹射后时，飞机速度达到10米/秒，这二种情况下飞机受到约10-15倍飞机重量的水平方向推力，而同时受到垂直于重力方向的50%重量升力，这二个力的平衡力一个是机体上的反力和重力。而无人机设计的过载在垂直方向是正3、负2，即设计上允许最大升力为重力的1.5倍；在前进方向设计过载只是飞机总阻力的1-2倍，即设计上允许纵向（纵向既是飞机前进的方向）过载为1-2倍。而即使飞机离架时达到最高速度约60-70公里/时，气动阻力才仅仅为起飞重量的40%到60%，假设飞机100公斤重，气动阻力只是40-60公斤，那麽设计上允许的沿着飞机纵向过载就是80-120公斤，而实际过载却是1200-1800公斤。所以要完成大过载弹射起飞所需纵向强度远远超出正常设计强度若干倍。这是非常大影响飞行性能的。

综上，对于大翼展，大展弦比飞机来讲，机翼在弹射时受到的最大纵向过载几乎是15-17倍，机翼上的升力大于3倍设计过载，这是非常危险的。因此，对于大展弦比机翼而言，减少起始弹射加速度是主要的工程努力方向。

技术实现要素：

本实用新型针对现有技术的不足，提出一种无人机可控两级弹射车载控制系统，目的是减少起始弹射加速度，避免在弹射过程中的起始过载过大的问题，同时又能满足足够的离架速度的要求,解决现有技术由于机翼在弹射时受到的纵向过载太大而造成的非常危险的问题。

一种无人机可控两级弹射车载控制系统，其特点是：包括弹射架、弹射车、弹射滑轨、可控两级弹射驱动机构、可控两级弹射车载控制机构、自动开架和无人机锁架机构；所述弹射架及弹射车及弹射滑轨与可控两级弹射驱动机构相连接，所述可控两级弹射驱动机构与自动开架和无人机锁架机构相连接，所述可控两级弹射车载控制机构分别通过有线网络或无线网络与弹射车、可控两级弹射驱动机构、自动开架和无人机锁架机构相连接。

所述可控两级弹射驱动机构包括大功率电动空压机、二级弹射用高低储气罐、精确控制压力阀和压力传感器、弹射气压活塞作动筒、多组双迴路动静轮钢缆组件、发电组；所述的发电组分别为大功率电动空压机、二级弹射用高低储气罐、精确控制压力阀和压力传感器、弹射气压活塞作动筒、双迴路动静轮钢缆组件供电；所述的大功率电动空压机为二级弹射用高低储气罐提供压缩空气；所述精确控制压力传感器用于采集二级弹射用高、低储气罐的气压信息并反馈给可控两级弹射车载控制机构，所述精确控制压力阀用于接收可控两级弹射车载控制机构的控制指令并向所述弹射气压活塞作动筒提供气动压力；所述弹射气压活塞作动筒驱动双迴路动静轮钢缆组件运动。

所述多组双迴路动静轮钢缆组件为采用多个双回路动静轮钢缆组件组成的组件，采用多组双迴路动静轮钢缆组件会大大缩短动滑轮运动距离。

所述弹射气压活塞作动筒为安装在动滑轮上的驱动气动作动筒，该弹射气压活塞作动筒包括分别设置在两端的口A、口B、以及设置在作动筒内的弹射气压活塞、设置在弹射气压活塞作动筒一端的钢缆组件连接端；所述口A、口B均可作为进气口或排气口，从而实现作动筒的往复运动。

所述弹射气压活塞作动筒采用两级弹射的方案，该两级弹射方案包括采用运动滑车机载开启空低压供气转换方案:该运动滑车包括滑轨，安装在滑轨上与滑轨滑动连接的弹射车、分别设置在靠近滑轨一个端头两侧的高压储气罐、低压储气罐、设置在滑轨上A点的压力转换开关；所述的压力转换开关用于弹射车从B点到达A点时，关断低压压缩空气供气，打开高压压缩空气开关，向驱动作动筒供气，继续推进弹射车以较高加速度运动，直至无人机弹射起飞。

所述的自动开架机构包括弹射车滑轨、安装在弹射车滑轨上的、由驱动钢缆组件带动的、可以前后运动的滑车；固装在滑车上、随着滑车前后运动的飞机托架；固装在滑车一个端头上的开架顶杆，固装在开架顶杆上方的开架锁块、所述开架锁块被固定在无人机上的挂钩套接；所述开架顶杆为可前后伸缩杆、与开架顶杆相向安装在滑轨一端的硬质弹性体，该硬质弹性体用于抗击开架顶杆的冲击。

所述的无人机锁架机构包括滑轨端部的硬质弹性体、滑动连接在滑轨上的弹射滑车、固装在弹射滑车的一端并与硬质弹性体相向运动的开架顶杆、固装在开架顶杆上方的开架锁块、固定在无人机上的挂钩、以及安装在开架顶杆后半截上的开架顶杆恢复弹簧、固装在弹射车的后端部和滑轨另一端之间的锁架机构恢复弹簧；当开架顶杆向前运动撞击上滑轨端部的硬质弹性体端时，开架顶杆恢复弹簧被压缩，开架顶杆相对滑轨向后运动，开架锁块也同时相对滑轨向后运动，因此固定无人机的挂钩从开架锁块端头脱开，此时无人机和离开弹射架的滑车飞向空中。

本实用新型的优点效果

1、本实用新型克服了长期以来本领域的技术偏见，即：为使得飞机在离架时能够达到足够的离架速度，必须弹射过载从最大降到最小的偏见。通过采用弹射架、弹射车、弹射滑轨、可控两级弹射驱动机构、可控两级弹射车载控制机构、自动开架和无人机锁架机构，实现了对于大展弦比机翼而言，减少起始弹射加速度，从而最大限度地避免了在弹射过程中的起始过载过大的问题，又同时满足足够的离架速度。

附图说明

图1为本实用新型无人机可控两级弹射系统结构图；

图2为本实用新型可控两级弹射驱动机构示意图；

图3为本实用新型双回路动静轮钢缆组件示意图；

图4为本实用新型弹射气压活动作动筒示意图；

图5为本实用新型驱动气动作动筒安装在动滑轮示意图；

图6为本实用新型两级弹射的连接方式;

图7为本实用新型开架机构示意图；

图8为本实用新型锁架机构 示意图；

图9为现有技术飞机弹射过载曲线示意图；

图10为本实用新型两级弹射过载曲线示意图。

图中,1-1: 静止固定轮1;1-2: 静止固定轮2; 1-3:动滑轮;2:弹射气动活动作动筒;2-1:高压气体进气口;2-2:排气口;2-3：弹射气压活塞；2-4：钢缆组件连接端；3-1:滑轨;3-2:弹射车;3-3:弹射车位置B;3-4:弹射车位置A;3-5:高压储气罐;3-6:低压储气罐;4-1:硬质弹性体;4-2:开架顶杆; 4-2-1:开架顶杆恢复弹簧; 4-3:开架锁块; 4-4：固定在无人机上的挂钩；4-5:锁架机构恢复弹簧; 4-6:飞机托架;4-7：钢缆。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型内容作出进一步解释。

一、实用新型原理概述：

1、飞机弹射起始过载过大原因是起始弹射瞬间的加速度过大、加速度和过载系数成正比。起始弹射瞬间加速度过大有两方面原因，其一，要使飞机在离架时产生足够的离架速度，就必须在弹射过程中采用足够的加速度才能产生足够的离架速度，该加速度称之为“弹射加速度”；其二，目前常规的三种动力系统，都是在初始弹射时过载很大，也就是起点加速度为最大，尤其是橡皮筋弹射器和火箭弹射器，由于起点加速度为最大，过载达到15-17倍的飞机重力，到离架时，火箭推力降到很低，而橡皮筋拉力降到几乎为0。也就是弹射过载从最大降到最小。因此飞机上受到的在起始弹射时很大的加速度和气动力的作用产生的力很大，超过了正常飞行所能承受的力。

2、本实用新型将“弹射加速度”分摊在整个弹射过程中，而不是集中在弹射起始点上。如图10所示，分为两个弹射阶段，低压弹射阶段、高压弹射阶段，在低压弹射阶段的加速度较慢，在高压弹射阶段加速度较快，并且加速度总的趋势是逐步上升的趋势。本实用新型可控加速度产生的效果如图10所示，虽然飞机离架时的过载仅为8左右，但同样能产生出足够的离架速度。其原理是：本实用新型的图10离架时刻点的加速度与图9弹射起始点的加速度相比，现有技术的图9从0秒到2秒弹射过程是减速过程，而本实用新型的图10从0秒到2秒弹射过程是加速过程，图9是减速过程的原因:由于该技术方案在飞机弹射过程中没有采用程序控制的方法，当弹射过程中遇到与加速度相反的空气阻力,空气阻力使得加速度越来越慢;虽然本实用新型图10的飞机在0秒到2秒的弹射过程同样遇到空气阻力,但由于采用程序控制的气压作动筒、气压作动筒以较大流量压力克服了空气阻力,按设定的速度推动滑车向前运动，使得加速度在整个弹射过程中始终保持逐步加快的趋势,直到飞机弹射起飞。虽然本实用新型图9在飞机离架时刻点的过载系数仅为8，该过载系数只是现有技术图9弹射起始点过载系数17的一半，但由于本实用新型图10采用可控加速度，因此在到达飞机离架时刻点时能够达到足够的离架速度。从另一个角度解释实用新型原理，从图9和图10可以明显看到，二条弹射过载曲线是不相同的，但是设计这二条曲线和X、Y轴的覆盖面积是相同的。它们的面积代表了弹射能的总量，所以尽管二个弹射过载不同，但无人机得到的弹射能是基本相同的。只有满足这个情况，无人机才有足够离架速度。总之，设计本实用新型二级弹射曲线必需放弃原有的弹射理念。

3、本实用新型的弹射架采用高压气体为弹射动力，由压缩空气储气瓶为动力来源，由压缩空气气体驱动气压作动筒，拉动和飞机固定滑架的钢绳回路，牵引无人机弹射起飞。和普通弹射器不同之处是采用高压和低压储气瓶二个储气罐。

二、基于以上实用新型原理，本实用新型设计了一种无人机可控两级弹射车载控制系统：

如图1所示，一种无人机可控两级弹射车载控制系统，其特点在于：包括弹射架、弹射车、弹射滑轨、可控两级弹射驱动机构、可控两级弹射车载控制机构、自动开架和无人机锁架机构、；所述弹射架及弹射车及弹射滑轨与可控两级弹射驱动机构相连接，所述可控两级弹射驱动机构与自动开架和无人机锁架机构相连接，所述可控两级弹射车载控制机构分别通过有线网络或无线网络与弹射车、可控两级弹射驱动机构、自动开架和无人机锁架机构相连接。

进一步说明：所述弹射车也可以安装在一部小型卡车上或拖车上，所有附件和本身都是用固定方式安装。

如图2所示，所述可控两级弹射驱动机构包括大功率电动空压机、二级弹射用高低储气罐、精确控制压力阀和压力传感器、弹射气压活塞作动筒、双迴路动静轮钢缆组件、发电组；所述的发电组分别为大功率电动空压机、二级弹射用高低储气罐、精确控制压力阀和压力传感器、弹射气压活塞作动筒、双迴路动静轮钢缆组件供电；所述的大功率电动空压机为二级弹射用高低储气罐提供压缩空气；所述精确控制压力传感器用于采集二级弹射用高、低储气罐的气压信息并反馈给可控两级弹射车载控制机构，所述精确控制压力阀用于接收可控两级弹射车载控制机构的控制指令并向所述弹射气压活塞作动筒提供气动压力；所述弹射气压活塞作动筒驱动双迴路动静轮钢缆组件运动。

如图3所示，为本实用新型双回路动静轮钢缆组件，包括1-1：静止固定轮1、1-2：静止固定轮2;、1-3:动滑轮；该组件是利用丝缆动静滑轮回路的双距离原理而设计的组件。采用动、静滑动原理，可以节约主动驱动作动筒运动距离未达到最终牵引距所需长度，原理如下：

当动滑轮从位置1运动到位置2，运动距离为L，那么产生钢缆L运动长度。而原牵引钩端从原始位置A运动到位置B，此时A-B长度是2L。

如图4所示，为本实用新型的弹射气压活动作动筒示意图: 该弹射气压活塞作动筒2包括分别设置在两端的口A2-1、口B2-2、以及设置在作动筒内的弹射气压活塞2-3、设置在弹射气压活塞作动筒一端的钢缆组件连接端2-4；所述口A、口B均可作为进气口或排气口，从而实现作动筒的往复运动。

如图5所示，本实用新型所述弹射气压活塞作动筒为安装在动滑轮上的驱动气动作动筒，所述安装在动滑轮上的弹射气压活塞作动筒沿着图5双回路动静轮钢缆组件的位置1、位置2两点连线方向做上下往复运动，具体为：

当从口A压力进气、口B排气时，由于弹射气压活塞作动筒的上端与动滑轮1-3连接，此时，动滑轮1-3沿着口A的进气方向向下运动，当从下方的口B进气、从口A排气时，动滑轮1-3沿着口B的进气方向向上运动。

所述多组双迴路动静轮钢缆组件为采用如图3所示的多个双回路动静轮钢缆组件组成的组件。在弹射架所要求牵引长度一定的情况下，本实用新型采用多组双迴路动静轮钢缆组件不仅会大大缩短动滑轮运动距离，还缩短了沉重、昂贵的驱动作动筒的尺度和减少了重量。

如图6所示，所述弹射气压活塞作动筒采用两级弹射的方案，该两级弹射方案包括采用运动滑车机载开启空低压供气转换方案:该运动滑车包括滑轨3-1，安装在滑轨3-1上与滑轨滑动连接的弹射车3-2、分别设置在靠近滑轨一个端头两侧的高压储气罐3-5、低压储气罐3-6、设置在滑轨上A点的压力转换开关3-4；所述的压力转换开关3-4用于弹射车从B点到达A点时，关断低压压缩空气供气，打开高压压缩空气开关，向驱动作动筒供气，继续推进弹射车以较高加速度运动，直至无人机弹射起飞。

如图7、图8所示为本实用新型开架机构示意图。所述的自动开架机构包括弹射车滑轨3-1、安装在弹射车滑轨上的、由驱动钢缆组件带动的、可以前后运动的滑车3-2、固装在滑车3-2上、随着滑车前后运动的飞机托架4-6、固装在滑车一个端头上的开架顶杆4-2，固装在开架顶杆4-2上方的开架锁块4-3、所述开架锁块4-3被固定在无人机上的挂钩4-4套接；所述开架顶杆4-2为可前后伸缩杆、与开架顶杆4-2相向安装在滑轨一端的硬质弹性体4-1，该硬质弹性体用于抗击开架顶杆的冲击。

如图9所示为本实用新型锁架机构示意图。所述的无人机锁架机构包括滑轨端部的硬质弹性体4-1、滑动连接在滑轨上的弹射滑车3-2、固装在弹射滑车的一端并与硬质弹性体4-1相向运动的开架顶杆4-2、安装在开架顶杆4-2后半截上的开架顶杆恢复弹簧4-2-1、固装在开架顶杆4-2上方的开架锁块4-3、固定在无人机上的挂钩4-4、、固装在弹射车3-2的后端部和滑轨3-1另一端之间的锁架机构恢复弹簧4-5。

当开架顶杆4-2向前运动撞击上滑轨端部的硬质弹性体4-1端时，开架顶杆恢复弹簧4-2-1被压缩，开架顶杆4-2相对于弹射车3-2向后运动，开架锁块4-3也同时相对于弹射车3-2向后运动，因此固定无人机的挂钩4-4从开架锁块4-3端头脱开，此时无人机和离开弹射架的滑车飞向空中。

需要强调的是，本实用新型所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本实用新型包括并不限于具体实施方式中所述的实施例。