一种用于软式空中加油的自主机动锥套的制作方法

本发明一种软式空中加油自主机动锥套，主要应用于软式空中加油过程中受油机和加油机的对接操作。

背景技术：

空中加油有软式空中加油和硬式空中加油两种，软式空中加油是通过释放对接锥套，通过对接锥套的阻力伞将输油软管拉出，软管的长度固定，当对接锥套的位置相对于加油机稳定后，受油机开始向锥套逼近对接，完成加油动作；硬式加油是加油机伸出加油杆，人为操控调整加油杆的位置，使其与受油机完成对接。由于在空中加油过程中，加油机与受油机之间的气流复杂，多以不管是软式加油还是硬式加油，对接位置的不确定性很大，对于驾驶员的要求很高，据统计，空中加油对接的一次性成功率只有30％。

在软式加油过程中，不同的加油任务需要特定的加油锥套来完成，不同加油锥套的区别就在于其阻力伞结构不同，导致产生的阻力不同，如果加油机要完成两种不同环境的加油任务，就必须先降落更换加油锥套。为了解决上述问题，出现了变阻力锥套，它可以改变锥套阻力伞的形状，从而改变在不同速度下锥套所产生的阻力，但是不会改变阻力伞的对称结构，以此来适应不同加油任务的特殊需求。

软式加油的对接锥套为漏斗状，由肋板形成骨架，通过肋板支撑阻力伞，阻力伞全展开后保持自身对称结构，从而形成一种自稳定形态，在空中加油过程中无法自主抵抗复杂气流对其相对稳定位置的干扰，但是可以保持自身姿态处于一种稳定的状态。

利用传统的软式加油完成无人机空中加油的操作目前已经实现，但是困难很大，对接时间长，稳定性差，无法大范围的应用。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：本发明的目的是以软式加油为基础，设计一种可变阻力锥套，这种锥套可以改变阻力伞的结构，从而改变锥套的受力情况，在空中加油过程中，一定范围内调整对接锥套的位置，使其在遇到复杂气流时，可以调整自身位置保持稳定状态，抵抗复杂气流对锥套的位置干扰。在锥套的机动范围内，锥套可以向受油机的受油插头自主逼近，完成加油动作。

本发明的技术方案是：一种用于软式空中加油的自主机动锥套，包括整流罩、4个固定肋板、4个上支柱、4个下支柱和4个步进电机—齿轮箱组合体；所述4个固定肋板位于整流罩一侧，且沿整流罩轴线周向均匀分布；上支柱一端通过上支柱固定位连接，下支柱一端通过下支柱连接件连接，连接后上支柱和下支柱形成角度，并沿整流罩19轴线周向均匀分布，且和4个固定肋板交错分布，其中上支柱和下支柱相互不接触；步进电机—齿轮箱组合体位于整流罩的侧面上，用于带动上支柱旋转从而改变阻力伞面积，产生相应气动力。

本发明的进一步技术方案是：所述步进电机—齿轮箱组合体包括步进电机、齿轮箱和齿轮箱d字输出轴；步进电机的输出轴通过倒装的方式与齿轮箱中的输入齿轮连接，齿轮箱d字输出轴于齿轮箱的输出齿轮固定连接用来输出最终转速和扭矩，步进电机轴线与齿轮箱d字输出轴轴线相互平行。

本发明的进一步技术方案是：所述上支柱为一体成型件，一端开有通孔作为阻力伞连接点，另一端呈两端开口的圆柱状，圆柱轴线与上支柱轴线相互垂直，作为上支柱d字轴连接位。

本发明的进一步技术方案是：所述下支柱为一体成型件，一端开有通孔作为阻力伞连接点，且通孔轴线与柱体轴线相互垂直。

本发明的进一步技术方案是：所述下支柱连接件为凹形件，开口朝向整流罩外侧；凹形件底部所在平面与整流罩侧面相互垂直，其中一个侧面固连在整流罩上，另一侧面上开有通孔，作为下支柱槽，且通孔轴线与整流罩轴线存在夹角；下支柱位于下支柱槽内，过盈配合直接插入。

本发明的进一步技术方案是：所述上支柱固定位整体为圆柱面形，位于整流罩壁厚外侧，轴线长度和上支柱d字轴连接位相同，直径和d字轴连接位的直径相同

本发明的进一步技术方案是：所述齿轮箱d字输出轴与上支柱d字轴连接位连接，即过盈配合直接插入，使上支柱能够随着齿轮箱d字输出轴旋转，并将上支柱与步进电机+齿轮箱组合体同时放入电机卡槽中，此时上支柱d字轴连接位的外侧与上支柱固定位重合。

本发明的进一步技术方案是：所述固定肋板整体为三角片状，其中一边为弧形且圆心位于固定肋板外侧，和弧形边相对的顶端与整流罩侧面固连，弧形边的两端点上设有阻力伞连接点。

本发明的进一步技术方案是：所述固定肋板弧形边的上端点与下支柱的阻力伞连接点通过系绳将阻力伞内环连接，固定肋板弧形边的下端点与上支柱的阻力伞连接点通过系绳将阻力伞外环连接。

发明效果

本发明的技术效果在于：本发明通过对空中加油锥套的改造，利用高速下的空气动力学原理，通过改变伞面形态，从而改变锥套的受力情况，使其在气动力的作用下产生一定范围内的可控运动，增加了锥套的在不同环境下的适用性；使锥套能够抵抗复杂气流的干扰，保持其加油过程中一直稳定在理想位置，增加了空中加油成功率；并且能够实现锥套在一定范围内的机动，实现锥套4向受油机5自主机动完成对接的加油方式，为空中加油提供了一种更安全的加油方式。本发明首先在空中加油过程中，可以抵抗大气紊流、阵风、加油机尾流以及对接过程中的受油机头波等复杂的流场环境，使其相对位置保持稳定，提高对接成功率，减小风险发生的概率。也可以在受控状态下，改变自身形态，向合作目标进行逼近对接，减小受油机在设计制造过程中的复杂程度。同时还可以完成不同任务环境中的空中加油任务，针对不同的任务进行不同的形态变化，避免不断更换锥套所带来的困扰。本发明中，可控锥套的结构简单，功能强，适应性好，响应速度快，有利于锥套与受油插头的对接。

附图说明

图1传统软式加油示意图

图2整流罩与肋板、支柱连接端

图3倒装电机示意图

图4上支柱

图5下支柱

图6初始状态与变夹角状态比较图

图7整体装配图

图8传统软式加油锥套

其中:1加油机2吊舱3、输油软管4、锥套5、受油机6、肋板7、电机卡槽8、下支柱槽9、上支柱固定位10、步进电机11、齿轮箱12、齿轮箱d字输出轴13、上支柱d字轴连接位14、阻力伞连接点15、上支柱16、下支柱、17、初始阻力伞18、变形后阻力伞19、整流罩20、步进电机+齿轮箱组合体21、弧形边上端点22、弧形边下端点

具体实施方式

参见图1—图8，本发明的设计思路是，通过改变阻力伞形状，使其在空中加油速度下，空气对阻力伞的作用力发生相应的改变，整个过程都是可控的，锥套能够根据周边空气流场的变化，针对性的调整自己的形态，抵抗复杂气流对其所产生的位置干扰。或者在可控状态下完成机动范围内的锥套自主逼近对接。

为了能够改变阻力伞的对称稳定形状，将锥套对应的结构进行设计，改变原来肋板支撑伞面的结构，将伞面分为4个可控部分。原有的伞面与肋板连接方式为伞面连接在肋板的上下两侧，环形的肋板一侧与锥套的整流罩连接，另一侧与伞面连接，在这种固定方式的基础上，更换肋板，在本发明中，伞面通过8个固定机构固定，其中4个控制装置为可控制执行器，分别用来控制4部分伞面，另外4个固定机构还是采用原先的连接方式，用来支撑伞面的基本形状。4个可控执行器结构由两个支柱构成，通过改变上下支柱之间的夹角完成对阻力伞形态的控制，其中下支柱一端与锥套整流罩固定，另一断用来固定三面，通过控制上支柱的旋转来改变上下支柱之间角度，使夹角可以在0-40度之间变化，对上下支柱之间的伞面进行压缩伸展，改变阻力伞形态，改变锥套的受力情况，产生新的受力平衡，到达新的平衡位置，实现对锥套位置的控制。上支柱通过电机进行驱动，由于电机扭力可能不足，所以采用电机加减速箱的组合来减小电机转速并增大扭力，考虑整流罩直径问题，电机的尺寸受到限制，再设计过程中，将电机和齿轮箱组合设计为180度倒装折叠式组合，即将电机输出轴和齿轮箱输出轴进行反向设计。并在整流罩中设计电机槽位，固定电机位置，从而固定上支柱位置。最后注意上、下支柱在固定伞面的位置需要同4个固定肋板固定在面的位置在同一圆环平面内，保证阻力伞的初始状态为自稳定的对称状态

4个执行器的分布为对称分布，可以实现一定范围内任意受力情况的改变，最终使锥套能够到达机动范围内的任意位置，也可以抵抗各种不同复杂气流对锥套本体的干扰，实现锥套在对接过程中的稳定，挺高对接成功率。

由于4个执行器对称分布的结构设计，使得锥套可以实现一定范围内任意受力情况的改变，最终使锥套能够到达机动范围内的任意位置，也可以使锥套能够抵抗各种不同复杂气流对锥套本体的干扰，实现锥套在对接过程中的稳定，挺高对接成功率。

本发明是在传统软式加油的基础上进行改造，所以采用软式加油的加油方式不变，图一所示为传统软式加油的加油方式，加油机1和受油机5进入编队后，加油机1通过吊舱2释放锥套4和软管3，在软管3阻力伞的作用下，加油机1稳定巡航时，锥套4会稳定在一个平衡位置，此时受油机5开始向锥套4逼近，完成对接。传统软式加油所使用的锥套如图8所示，由肋板6、阻力伞面17和整流罩19组成。

本发明对传统软式加油的锥套进行了改造，改造后的锥套包括四个固定肋板6、四个电机卡槽7、四个步进电机+齿轮箱组合体20、四个下支柱槽8、四个上支柱固定位9、四个上支柱15、四个下支柱16、整流罩19。整体装配图如图7所示，其中，四个固定肋板6沿整流罩19轴线周向均匀分布，四个上支柱固定位9与四个下支柱槽8同样沿整流罩19轴线周向均匀分布，周向角度与固定肋板6相差45度，其中上支柱固定位9位于整流罩19壁厚外侧，下支柱槽8位于整流罩19壁厚外侧为圆柱形，四个下支柱槽8轴线与整流罩19轴线夹角均为20度，四个固定肋板6下边线与整流罩19轴线夹角同样均为20度，四个电机卡槽7同样沿整流罩19轴线周向均匀分布并与下支柱槽8保持相同的周向角度，位于下支柱槽8内侧，(更靠近整流罩轴线的位置)，其形状根据步进电机+减速箱组合体20确定。如图4所示，上支柱15包括上支柱d字轴链接位13、上支柱15与阻力伞连接点14，其中d字轴连接位13位于上支柱的下端，其尺寸大小和形状与步进电机+减速箱组合体20的输出轴保持一致。如图5所示，下支柱16的直径与下支柱槽8相同。阻力伞连接点14分布于上支柱15外侧、下支柱16外侧和固定肋板6远端的上下顶点，用来连接阻力伞。

改造后的锥套中，步进电机+齿轮箱组合体20由步进电机10、齿轮箱11和齿轮箱d字输出轴12组成，其中步进电机10的输出轴通过倒装的方式与齿轮箱的输入齿轮连接，出轮箱11通过改变齿轮减速比来减小输出转速并增大输出扭矩，最终齿轮箱d字输出轴12于齿轮箱11的输出齿轮固定连接用来输出最终转速和扭矩。齿轮箱d字输出轴12与上支柱d字轴连接位13连接，使上支柱15能够随着齿轮箱d字输出轴12旋转。并将上支柱15与步进电机+齿轮箱组合体20同时放入电机卡槽7中，此时上支柱d字轴连接位13的外侧与上支柱固定位9重合。将下支柱16沿下支柱槽8的轴线方向固定值下支柱槽8中，使下支柱16的轴线方向与整流罩19轴线方向夹角为20度。而上支柱15轴线方向与整流罩19轴线方向夹角需要通过步进电机+减速箱组合体20的旋转来确定，并通过步进电机将其变化范围限制在20度到40度之间，阻力伞17内环通过固定肋板6外侧下顶点与下支柱16外侧的阻力伞连接点14通过系绳连接，阻力伞17外环通过固定肋板6外侧上顶点与上支柱15外侧的阻力伞连接点14通过系绳连接。图6所示为初始阻力伞17与变夹角后的阻力伞18的比较图。

加油机1和受油机5进入编队后，加油机1通过吊舱2释放锥套4和软管3，在软管3阻力伞的作用下，加油机1稳定巡航时，锥套4会稳定在一个平衡位置，当阻力伞面17形态不需要发生变化时，保持步进电机10处于卡死状态，当遇到复杂气流干扰时，阻力伞17形态发生小幅度改变，为锥套4提供抵抗干扰的力，保持锥套4自身的相对位置不发生改变，增强稳定性；当需要锥套4向受油机5自主机动对接时，首先判断锥套4与受油机5的相对位置，给出相应的指令，电机10转动带动上支柱15绕齿轮箱d字输出轴12旋转，大幅度改变阻力伞17的形态，改变大气对阻力伞17的作用力方向和大小，实现机动对接；当需要使锥套4执行不同环境的加油任务时，上支柱15可以同时改变相同的夹角，使阻力伞17的受力面积减小并保持阻力伞17对称的自稳定形态。