阅读说明：本技术 一种便携的单人反喷式软着陆安全保护装置及其使用方法 (Portable single reverse-spraying soft landing safety protection device and using method thereof ) 是由 马铁华 陈昌鑫 王晨斌 裴东兴 任一峰 武耀艳 焦斌 李帆 于 2020-07-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种便携的单人反喷式软着陆安全保护装置及其使用方法。采用降落伞与充气外衣、喷气装置相结合的方法,低空开伞,接近地面时候反向喷气,在较大程度上减小了着陆速度；同时,部分气体充入穿戴外衣中,减小着陆冲击力。本发明的可靠性较高,操作难度较低,无需专业培训,具有很强的推广性和可实现性；可明显降低着陆速度,以及可控的飞行姿态,降低跳伞风险；未来应用前景广阔,可大范围推广,安全环保,可用于通用航空设备,高层救援器材,安全防护装置等。(The invention discloses a portable single reverse-spraying soft landing safety protection device and a using method thereof. The method of combining the parachute with the inflatable coat and the air injection device is adopted, the parachute is opened at a low altitude, air is reversely injected when the parachute approaches the ground, and the landing speed is reduced to a greater extent; meanwhile, part of the air is filled into the wearing coat, so that the landing impact force is reduced. The invention has higher reliability, lower operation difficulty, no need of professional training and strong popularization and realizability; the landing speed and the controllable flight attitude can be obviously reduced, and the risk of parachuting is reduced; the novel high-rise rescue device has wide future application prospect, can be popularized in a large range, is safe and environment-friendly, and can be used for general aviation equipment, high-rise rescue equipment, safety protection devices and the like.)

一种便携的单人反喷式软着陆安全保护装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及一种便携的单人反喷式软着陆安全保护装置及其使用方法，属于通用航空装备和事故救援的安全保障装备领域。

背景技术

近年来，通用航空装备在医疗卫生、抢险救灾、气象探测、海洋监测、科学实验、遥感测绘、教育训练和旅游观光等领域快速发展，例如《山西省通用航空业发展规划（2018-2035年）》明确指出“随着我国经济社会发展水平的不断提高及国家对低空空域管理的不断完善，以包机业务为主的短途航空运输、电商和物联网发展带来的快递运输、高效便捷的无人机货物运输等需求不断增加，航空应急救援和医疗救护市场不断扩大，环境监察、吊装作业、空中巡查等新兴通航作业日益增多，休闲娱乐飞行、航空运动消费、低空旅游等市场前景可观”，在通用航空产业快速发展的同时，低空飞行民用航空器的人员安全显得尤为重要；另外，以高压线路巡检为代表的高空作业人员安全防护，以及高层建筑人员在事故时候紧急逃生的安全防护，都需要一种小型便携单人反喷式软着陆安全保护装置。

在常规的高空安全防护中，降落伞是常见的一种空中安全救生和稳定减速装置，它利用空气阻力原理，依靠相对于空气运动充气展开的可展式气动力减速器，主要由柔性织物制成。降落伞是空降兵作战和训练、航空航天人员的救生和训练、跳伞运动员进行训练、比赛和表演，空投物资、回收飞行器的重要设备器材。然而普通降落伞在高空时候开伞能够发挥有效减速作用；但是普通降落伞存在体积大不利于个人携带，低空时候由于着陆时间短而不能有效开伞，而且需要专业训练，在低空飞行时候难以发挥安全保障作用。

本发明是基于以下问题进行研究的：

（1）通用航空发展快速，飞行表演、低空执行任务，其特点是低空飞行、人裸露在外；带来的问题是：一方面需要保护；另一方面意味着一旦发生事故，落地的时间非常短；

（2）高层建筑逃生设施有限，本发明针对公众安全设计研发便携式、易操作、多用途软着陆装置；

（3）大型降落伞体积大，不便于个人携带；需要专业训练，不具有普适性；近地面由于落地时间短，大型降落伞来不及打开，发挥不了有效作用。

发明内容

本发明旨在提供一种便携的单人反喷式软着陆安全保护装置及其使用方法，采用降落伞与充气外衣、喷气装置相结合的方法，低空开伞，接近地面时候反向喷气，在较大程度上减小了着陆速度；同时，部分气体充入穿戴外衣中，减小着陆冲击力。

本发明提出一种小型降落伞定向配合充气外衣，与辅助减速、超临界流体喷气式的便携式软着陆安全保护装置。超临界流体是区别于气体、液体而存在的第三流体。当温度和压力达到临界点时，物质就进入了超临界状态，超临界状态下的物质出现为一种既非气体又非液体的状态，叫超临界流体。由于超临界CO₂流体无毒、无污染、不易燃烧、价格低廉、化学惰性等特点，且兼有超临界流体的特性，是喷气式降落伞的理想气体原料。

本发明提供了一种便携的单人反喷式软着陆安全保护装置，由穿戴系统、收纳系统、伞降系统、喷气反推系统及控制系统组成；

穿戴系统包括充气背心、启动按钮、进气道、连接锁扣、分离按钮；启动按钮位于充气背心右侧肩带，分离按钮位于充气背心左侧肩带，并由电线连接至控制系统，进气道位于充气背心背侧下部，与高压气瓶连接。连接锁扣位于充气背心与背包之间，两条锁扣平行排布，用高密度针织复合材料及铆钉连接充气背心与背包。

收纳系统包括背包、隔离板；背包作为该装置的收纳体，为便携的单人反喷式软着陆装置的外层收纳装置，是伞降系统、喷气反推系统及控制系统的集成载体；隔离板安装在背包内部，处于伞降系统和喷气反推系统中间，包裹控制系统。

伞降系统包括降落伞包、手动开伞按键，降落伞包固定在背包的上层，可用高密度针织复合材料及铆钉连接，由隔离板稳定支撑；降落伞开口竖直向上，位于背包顶部。手动开伞按键用固定螺栓安装在背包外表面左侧中央。

控制系统安装在隔离板内部，位于伞降系统和喷气反推系统中间，由传感器信号处理模块、速度传感器、激光测距传感器和加热控制模块组成，控制系统使用电线连接伞降系统以及喷气反推系统。传感器信号处理模块、速度传感器、加热控制模块由隔离板内部螺丝固定。背包外部右侧有手动喷气按键，手动喷气按键用固定螺栓安装在背包外表面右侧。激光测距传感器使用球型罩安装在背包外表面右侧，且位于手动喷气按键下部。

喷气反推系统位于背包内部底层，上方有隔离板用于隔离降落伞包和控制系统，内部包括高压气瓶、第一喷口、第二喷口，喷口内设有隔膜；喷气反推系统由电线连接至控制系统。高压气瓶横向放置，内部填充超临界CO₂作为喷射气体，高压气瓶两端有固定螺栓连接侧壁固定螺帽起到固定作用，高压气瓶下侧为双喷口竖直向下，喷管内部粘贴隔膜，并由进气道连接充气背心。

本发明高压气瓶中设有高氯酸钾加热剂，其成分包括高氯酸钾、草酸铵、水杨酸，其中高氯酸钾为氧化剂，草酸铵、水杨酸为还原剂，基于氧平衡的化学反应可参考：

9KCLO₄+2C₂H₈N₂O₄+2C₇H₆O₃→9KCL+2N₂+14H₂O+18CO₂

其加热药剂的各成分配比为：高氯酸钾：70％，草酸铵：20％，水杨酸：10％，加热药剂装填在高压气瓶内部，有很好的防潮、防静电作用。

本发明充气背心和降落伞包由纺织材料以及部分金属件及橡胶塑料件构成。结构紧凑、强度高、柔软、弹性好、伸长不匀率小。具有轻薄、柔软、有较高的弹性模量和小于伞衣织物的断裂伸长等性能。背包各部件的连接材料，要求强度高、润滑好和捻度均匀稳定，具有防火防水耐磨透气等特点，符合人体工程学，紧贴使用者身体，易于操作，便于穿卸。

本发明高压气瓶目前能达到70MPa的承压，超临界CO₂的临界压强为7MPa，完全可以满足承受压力，所携带的高压气瓶可以体积小且储气量多——可实现装置小型化、便携化，并且CO₂安全无污染；为了防止CO₂喷出吸热而冻住封口，高压气瓶内设置了发热剂，对CO₂加热，形成超临界流体。喷口处隔膜的存在可保证罐体内，在未产生高压气体之前，喷口保持封闭状态。

该装置控制系统由速度传感器、激光测距传感器以及传感器信号处理模块和加热控制模块组成，在下降过程速度传感器、激光测距传感器不断采集飞行数据，达到开伞高度后，传感器信号处理模块开启伞降系统，进行一级减速并调整降落姿态。在当进入近地面时，加热控制模块开启加热装置，在落地前双喷口竖直向下喷射超临界流体，进行二级减速以到达平稳落地的目的。

本发明所使用的速度传感器，其型号为ZLS-Px测速传感器，传感器有2个正交测量信号输出能测量水平和竖直两个方向的速度，不但能觉察被测体是否停止，而且能觉察被测体的运动方向。将传感器固定在稳定的背包内部，它是非接触的传感器，除能测量速度外，还可以识别运动方向。传感器上下左右留有一定的位置空间，不致使传感器在运动过程中与周围部件相碰，造成损坏。

本发明所使用的激光测距传感器，型号为DIMETIX FLS-CH30激光测距传感器，其测量距离可达500米，典型精度高达1.5毫米。其自带的内部加热器可使传感器在-40℃以内的低温环境中正常工作。坚固的铝合金外壳，使防护等级达到IP65，可在各种复杂现场及户外使用。工作原理：采用相位比较原理进行测量。激光传感器发射不同频率的可见激光束，接收从被测物返回的散射激光，将接收到的激光信号与参考信号进行比较，用微处理器计算出相应相位偏移所对应的物体间距离，可以达到毫米级测量精度。

本发明提供了上述便携的单人反喷式软着陆安全保护装置的使用方法，包括以下步骤：

（1）使用前确认各模块正常；高压气瓶密封，适温适压；

（2）根据降落伞穿戴方法，穿戴完毕并启动装置；

（3）速度传感器和激光测距传感器提供测量数据，安全装置控制电路低空降落伞自动开伞（若辅助伞无法自动打开，可手动控制开伞）。辅助降落伞打开，调整人员飞行姿态；

（4）激光测距传感器收集下降数据，近地点1米处，传感器反馈信号，传感器信号处理模块对加热控制模块进行通讯，加热控制模块发出点火指令，命令点燃加热剂；

（5）加热剂启动，气体膨胀冲破隔膜，2~3s内迅速完成反喷；（若反喷气未自动工作，可手动按下喷气按钮，立即打开喷气隔膜开始反喷）。着陆前速度再次降低，缓慢安全着陆。气体迅速通过进气道，充入充气背心内保护着陆人员安全（可根据实际情况选择分离背心）。

本发明针对公众安全问题，设计研发出便携式、易操作、多用途的软着陆装置；本发明的有益效果：

（1）与普通降落伞相比，本发明的可靠性较高，操作难度较低，无需专业培训，具有很强的推广性和可实现性；

（2）可明显降低着陆速度，以及可控的飞行姿态，减少跳伞人员操作难度，降低跳伞风险；

（3）充气背心的使用，可使着陆时冲击力大幅度减弱，最大程度上保障人员安全；

（4）本发明的推广应用，避免了因伞降系统的缺陷而导致的人员伤亡，提高了伞降效率和人员战斗力；未来应用前景广阔，可大范围推广，安全环保，可用于通用航空设备，高层救援器材，安全防护装置等。

（5）本发明降落伞小型化、便携化，易于穿戴，操作简单；能够智能识别飞行人员状态、快速反应；具有快速充气外衣保护人员安全；反作用力保证低速着陆。

附图说明

图1 便携单人反喷式软着陆安全保护装置三维立体图（背面）；

图2 便携单人反喷式软着陆安全保护装置三维立体图（正面）；

图3 收纳装置内部二维剖视图；

图4 穿戴系统背面立体图；

图5 便携单人反喷式软着陆安全保护装置二维侧视图。

图中：1-手动开伞按键，2-固定螺帽，3-固定螺栓，4-第一喷口，5-第二喷口，6-高压气瓶，7-激光测距传感器，8-加热控制模块，9-手动喷气按键，10-隔离板，11-降落伞包，12-背包，13-降落伞开口，14-传感器信号处理模块，15-速度传感器，16-加热剂，17-充气背心，18-启动按钮，19-进气道，20-连接锁扣，21-分离按钮。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

如图1~5所示，一种便携的单人反喷式软着陆安全保护装置，由穿戴系统、收纳系统、伞降系统、喷气反推系统及控制系统组成。

穿戴系统包括充气背心17、启动按钮18、进气道19、连接锁扣20、分离按钮21；启动按钮18位于充气背心17右侧肩带，分离按钮21位于充气背心17左侧肩带，并由电线连接至控制系统，进气道位于充气背心17背侧下部，与高压气瓶6连接。连接锁扣20位于充气背心17与背包12之间，两条锁扣平行排布，用高密度针织复合材料及铆钉连接充气背心17与背包12（以图5为基准）。

收纳系统包括背包12、隔离板10；背包12作为该装置的收纳体，为便携的单人反喷式软着陆装置的外层收纳装置，是伞降系统、喷气反推系统及控制系统的集成载体；隔离板10安装在背包12内部，处于伞降系统和喷气反推系统中间，包裹控制系统。

伞降系统包括降落伞包11、手动开伞按键1，降落伞包11固定在背包12的上层，可用高密度针织复合材料及铆钉连接，由隔离板10稳定支撑；降落伞开口13竖直向上，位于背包12顶部。手动开伞按键1用固定螺栓3安装在背包12外表面左侧中央（以图3为基准）。

控制系统安装在隔离板10内部，位于伞降系统和喷气反推系统中间，由传感器信号处理模块14、速度传感器15、激光测距传感器7和加热控制模块8组成，控制系统使用电线连接伞降系统以及喷气反推系统。传感器信号处理模块14、速度传感器15、加热控制模块8由隔离板10内部螺丝固定。背包12外部右侧有手动喷气按键9，手动喷气按键9用固定螺栓3安装在背包12外表面右侧。激光测距传感器7使用球型罩安装在背包12外表面右侧（以图3为基准），且位于手动喷气按键9下部。

喷气反推系统位于背包12内部底层（以图3为基准），上方有隔离板10用于隔离降落伞包11和控制系统，内部包括高压气瓶6、第一喷口4、第二喷口5，喷口内设有隔膜，喷气反推系统由电线连接至控制系统。高压气瓶6横向放置，内部填充超临界CO₂作为喷射气体，高压气瓶6两端有固定螺栓3连接侧壁固定螺帽2起到固定作用，高压气瓶6下侧为双喷口竖直向下，喷管内部粘贴隔膜，并由进气道19连接充气背心17。

本发明高压气瓶6中设有加热剂16，其成分包括高氯酸钾、草酸铵、水杨酸，其中高氯酸钾为氧化剂，草酸铵、水杨酸为还原剂，基于氧平衡的化学反应可参考：

9KCLO₄+2C₂H₈N₂O₄+2C₇H₆O₃→9KCL+2N₂+14H₂O+18CO₂

其加热药剂的各成分配比为：高氯酸钾：70％，草酸铵：20％，水杨酸：10％，加热药剂装填在高压气瓶6内部，有很好的防潮、防静电作用。

本发明充气背心17和降落伞包11由纺织材料以及部分金属件及橡胶塑料件构成。结构紧凑、强度高、柔软、弹性好、伸长不匀率小。具有轻薄、柔软、有较高的弹性模量和小于伞衣织物的断裂伸长等性能。背包12各部件的连接材料为高密度针织复合材料，要求强度高、润滑好和捻度均匀稳定，具有防火防水耐磨透气等特点，符合人体工程学，紧贴使用者身体，易于操作，便于穿卸。

本发明高压气瓶目前能达到70MPa的承压，超临界CO₂的临界压强为7MPa，完全可以满足承受压力，所携带的高压气瓶可以体积小且储气量多——可实现装置小型化、便携化，并且CO₂安全无污染；为了防止CO₂喷出吸热而冻住封口，储气瓶内设置了发热剂，对CO₂加热，形成超临界流体。喷口处隔膜的存在可保证罐体内，在未产生高压气体之前，喷口保持封闭状态。

该装置控制系统由速度传感器15、激光测距传感器7以及传感器信号处理模块14和加热控制模块8组成，在下降过程速度传感器15、激光测距传感器7不断采集飞行数据，达到开伞高度后，传感器信号处理模块14开启伞降系统，进行一级减速并调整降落姿态。在当进入近地面时，加热控制模块8开启加热装置，在落地前双喷口竖直向下喷射超临界流体，进行二级减速以到达平稳落地的目的。

本发明所使用的速度传感器15，其型号为ZLS-Px测速传感器，传感器有2个正交测量信号输出能测量水平和竖直两个方向的速度，不但能觉察被测体是否停止，而且能觉察被测体的运动方向。将传感器固定在稳定的背包内部，它是非接触的传感器，除能测量速度外，还可以识别运动方向。传感器上下左右留有一定的位置空间，不致使传感器在运动过程中与周围部件相碰，造成损坏。

本发明所使用的激光测距传感器7，型号为DIMETIX FLS-CH30激光测距传感器，其测量距离可达500米，典型精度高达1.5毫米。其自带的内部加热器可使传感器在-40℃以内的极端低温环境中正常工作。坚固的铝合金外壳，使防护等级达到IP65，可在各种复杂现场及户外使用。工作原理：采用相位比较原理进行测量。激光传感器发射不同频率的可见激光束，接收从被测物返回的散射激光，将接收到的激光信号与参考信号进行比较，用微处理器计算出相应相位偏移所对应的物体间距离，可以达到毫米级测量精度。

本发明提供了上述便携的单人反喷式软着陆安全保护装置的使用方法，包括以下步骤：

（1）使用前确认各模块正常；高压气瓶密封，适温适压；

（2）根据降落伞穿戴方法，穿戴完毕并启动装置；

（3）速度传感器和激光测距传感器提供测量数据，低空降落伞自动开伞（若辅助伞无法自动打开，可手动控制开伞）。辅助降落伞打开，调整人员飞行姿态；

（4）激光测距传感器收集下降数据，近地点1米处，传感器反馈信号，传感器信号处理模块对加热器控制模块进行通讯，加热器控制模块发出点火指令，命令点燃加热剂；

（5）加热剂启动，气体膨胀冲破隔膜，2~3s内迅速完成反喷；（若反喷气未自动工作，可手动按下喷气按钮，立即打开喷气隔膜开始反喷）。着陆前速度再次降低，缓慢安全着陆。气体迅速通过进气道，充入充气背心内保护着陆人员安全（可根据实际情况选择分离背心）。