一种无人机气动辅助弹射装置的制作方法

本实用新型是一种气动弹射装置，主要用于无人机的辅助发射等，属于无人机设计技术领域。

背景技术：

弹射器是依靠自身动力或者外部动力，给予被弹射物体施加相应初速度的装置，主要用于火箭、导弹、无人机等的发射。随着弹射技术的迅速发展，弹射装置也呈多样化发展趋势，按照发射动力分类，主要分为冷发射和热发射。

冷发射是借助外动力将被弹射物弹出后，被弹射物依靠自身发动机点火持续飞行的发射方式。前苏联与法国汤姆逊-csf公司合作，首次实现了响尾蛇vt-1导弹冷弹射，并使其获得了40m/s初速度，该型导弹安装在500t级小型舰艇上，极大提高了小型舰艇的作战能力。由于冷发射避免了热发射时燃气流对发射装置的烧蚀、冲刷、导流、排焰和燃气流处理等问题，故发射热环境好，且冷发射装置结构简单，环境适应性强，装置工作寿命长，在导弹起飞重量相同的条件下，导弹的射程更大，是一种很有发展前途的发射方式。鉴于冷发射技术的诸多优势，各国均不断深入对这方面的研宄。目前，主流的冷发射方式主要包括：燃气式、燃气－蒸汽式、高压空气弹射式、液压弹射式和正在发展的电磁式等类型。

燃气式以燃气发生器为弹射动力源，依靠其迅速生成的大量高温高压燃气，通过进气管引入到发射筒的压力腔，推动导弹加速运动。燃气发生器由于体积小、增压迅速，目前得到了较为广泛的应用。然而，燃气发生器产生的高温高压燃气使得发射筒工作环境较为恶劣，弹射过载控制难度大，对隔离尾罩的要求也较高，异形导弹在发射筒内难以装填与导向，因此，燃气式弹射推广应用受到了一定限制。

燃气－蒸汽弹射装置将燃气发生器中产生的高压高速气流输送到自带的冷却器中进行充分的热交换，燃气流与冷却器中的蒸汽混合，达到了预定温度后，进入弹射装置的初容室，推动导弹滑行，使导弹以一定的速度飞出发射筒。由于燃气－蒸汽的温度相对较低，防热装置简单，而且产生的能量利用率高，结构可靠性高，但通用发射性能不足。

随着研究的深入和应用场景的不断丰富，具有民用用途的弹射装置越来越受到欢迎和重视，弹射装置也具有更多用途。

技术实现要素：

本实用新型采用的技术方案为一种气动弹射装置，底座1和底盘2通过固定底座3连接，底盘2能够绕底座1进行360°旋转；高压气泵4、通气管道5安装于固定底座3的顶部；高压气泵4用以压缩气体产生驱动力；待发射的无人机放于载物台6上，发射支架8通过连接结构7与底盘2相连接；发射高度调节杆9通过旋转杆10安装于发射高度调节杆固定盘11上，通过发射高度调节杆固定盘11的转动调节发射高度调节杆9发射初始角度。发射支架8安装在发射高度调节杆9上；集气装置12通过通气管道5与高压气泵4连接。弹射杆13与载物台6相连接。高压气室14的高压驱动气体用以驱动弹射杆13的伸缩。载物台6安装在发射支架8中间，弹射挡板15安装在发射支架8的端部，起到阻挡载物台6使弹射物体脱离弹射装置的作用。

系统整体通过底盘2固定于地面或者其他具有稳定性的部位，底座1通过旋转达到所需发射方位角。需要使用时，在载物台6上放置需要弹射出去的物体。利用发射高度调节杆11调整弹射物体的初始发射角度。当初始方位角和初始发射角度确定以后，由集气装置12收集一定量的气体至高压气泵4，通过高压气泵对弹射所需气体进行压缩，高压气体通过通气管道5传输至高压气室14，此时高压气体会推动弹射杆13向弹射挡板15运动，载物台与弹射挡板15触碰后停止运动，但载物台6上放置的弹射物体会在惯性的作用下以一定的初速度飞出。完成一次发射后，高压气室14需要冷却至环境温度，然后弹射杆13复位，为下一次弹射做准备。装置如此循环往复，发射物体。

弹射系统主题结构采用硬铝合金材质，相较于传统的钢铁材质，能够显著降低系统自重，使得系统在变换发射方向时具有更大的灵活性，节约时间的同时减少能源消耗。载物台6选取航红航天复合材料，通过增强纤维铺层设计使得材料在不同方向上都具有最优特性，且具有较大强度，能够有效延长部件使用寿命，确保系统稳定性。

本实用新型与现有技术相比，具有以下技术优势：

1.对于气动装置而言，其优势为能够在一定时间内通过气缸对空气进行压缩，然后通过短时间内释放气缸所储藏的压缩气体产生强大的推力。本实用新型巧妙利用气动装置，将气缸压缩气体产生的巨大能量，巧妙转化为无人机的初始动能，从而使得无人机获得起飞阶段的初速度，达到使无人机发射的目的。

2.气动装置结构简单、轻便、安装维护简单。压力等级低、故使用安全。工作介质是取之不尽的空气，空气本身属于免费资源，且对于气动装置而言，排气处理简单，不污染环境，成本低。

3.对于气动装置而言，输出力以及工作速度的调节非常容易。气缸的动作速度一般为50～500mm/s，比液压和电气方式的动作速度快。与此同时，气动装置可靠性高，使用寿命长。电器元件的有效动作次数约为百万次，而smc的一般电磁阀的寿命大于3000万次，小型阀超过2亿次。

4.气动装置利用空气的压缩性，可贮存能量，实现集中供气；同时可以实现短时间释放能量，以获得间歇运动中的高速响应；可实现缓冲，即对冲击负载和过负载有较强的适应能力。上述优势在一定条件下，可使气动装置有自保持能力。再者，全气动控制具有防火、防爆、防潮的能力。与液压方式相比，气动方式可在高温场合使用。同时由于空气流动损失小，压缩空气可集中供应，远距离输送，达到灵活使用的目的。

5.现有弹射装置往往仅能够实现单一方位的弹射，一旦需要调整初始发射方位，则很难实现。本实用新型设计的相关装置具有调整方位的相关结构，能够在短时间内调整至所需发射方位。

6.在调整发射方位的同时，本系统中气缸模块亦可独立进行压缩空气的工作，从而为无人机弹射积蓄相应的动能。这样独立的模块设计能够有效减少发射等待时间间隔，提升发射效率，取得更好的经济效益。

附图说明

图1为一种无人机辅助液压弹射装置整体结构图。

图2为一种无人机辅助液压弹射装置分模块结构图。

图3为载物台与发射支架的结构示意图。

图4为发射高度调节杆的结构示意图。

图5为集气装置的结构示意图。

图6为载物台与水平面夹角的结构示意图。

具体实施方式

系统整体通过底盘2固定于地面或者其他具有稳定性的部位，底座1通过旋转达到所需发射方位角。需要使用时，在载物台6上放置需要弹射出去的物体。利用发射高度调节杆11调整弹射物体的初始发射角度。当初始方位角和初始发射角度确定以后，由集气装置12收集一定量的气体至高压气泵4，通过高压气泵对弹射所需气体进行压缩，高压气体通过通气管道5传输至高压气室14，此时高压气体会推动弹射杆13向弹射挡板15运动，载物台与弹射挡板15触碰后停止运动，但载物台6上放置的弹射物体会在惯性的作用下以一定的初速度飞出。完成一次发射后，高压气室14需要冷却至环境温度，然后弹射杆13复位，为下一次弹射做准备。装置如此循环往复，发射物体。

为验证本实用新型设计的可行性，设计了相关实验，下表为相关变量名称及其所代表的物理含义：

在相关实验中，本实用新型所设计装置，选取一台单缸四冲程柴油机，其气缸内径为r＝90mm，活塞冲程是l＝10mm，做功冲程中气缸内气体的平均压强是p＝70n/cm²，飞轮的转速为n＝2000r/min，圆周率π取3.14。

活塞的面积：

p＝70n/cm²＝7×10⁵pa

燃气对活塞的平均压力：

f＝ps＝7×10⁵pa×6.3585×10^-3m²＝4450.95n

一个做功冲程中燃气对活塞做的功：

w＝fl＝4450.95n×0.0m＝44.5095j

曲轴每转两圈对外做功一次，所以1min转动2000周，要做功1000次，

w总＝w×1000＝44.5095j×1000＝44509.5j

每次发射任务重，气缸做功时间为t＝1s，载物平台摩擦系数为μ＝0.2，无人机在载物平台上的运动距离为s＝20cm。其中，某型号无人机重量为m机＝10kg，重力常量取g＝10n/kg，忽略起飞时的瞬时空气阻力及其他系统内部能量损耗，且能效转化比为80％。

当载物台与水平面夹角θ＝60°时，则由能量守恒定律可得：

将上述已知量带入上式可得，v0≈10.88m/s。

可以发现，在理论上，初始弹射速度能够满足实际需求。

在实验室环境下进行模拟实验，最终得到m机＝10kg的无人机弹出时瞬时速度为v0真实＝9.42m/s。