水火箭助推滑翔机的压动式滑翔机连接-分离装置
阅读说明：本技术 水火箭助推滑翔机的压动式滑翔机连接-分离装置 (Pressure type glider connecting-separating device of water rocket boosting glider ) 是由 梁昊鹏 陈德峻 赵勇 谢士娇 于 2021-08-24 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种水火箭助推滑翔机的压动式滑翔机连接-分离装置,包括连接基座、连接滑块、活塞-弹簧机构；连接基座沿竖直方向设置有与连接滑块相互适配的连接滑槽；活塞-弹簧机构包括软气路接头、气缸-活塞组件、拉簧、拉簧固定挂杆、拉簧活动挂杆、拉簧活动挂杆限位器、碳纤维插销；软气路接头连接于软气路；气缸-活塞组件由缸筒和活塞构成,拉簧固定挂杆固定设置在缸筒的外壁上部,拉簧活动挂杆连接于活塞的工作末端；拉簧挂接在拉簧固定挂杆与拉簧活动挂杆之间；拉簧活动挂杆限位器设置在缸筒的下部；碳纤维插销的上端固定于拉簧活动挂杆。本发明的装置满足可自主独立工作；可靠性强、动作触发精度高；耐潮湿且抗水压冲击的设计要求。(The invention provides a pressing type glider connecting-separating device of a water rocket boosting glider, which comprises a connecting base, a connecting slide block and a piston-spring mechanism, wherein the connecting base is provided with a connecting rod; the connecting base is provided with a connecting sliding chute matched with the connecting sliding block in the vertical direction; the piston-spring mechanism comprises a soft gas circuit joint, a cylinder-piston assembly, a tension spring fixing hanging rod, a tension spring movable hanging rod limiter and a carbon fiber bolt; the soft gas circuit joint is connected with the soft gas circuit; the cylinder-piston assembly consists of a cylinder barrel and a piston, a tension spring fixing hanging rod is fixedly arranged at the upper part of the outer wall of the cylinder barrel, and a tension spring movable hanging rod is connected to the working tail end of the piston; the tension spring is hung between the tension spring fixed hanging rod and the tension spring movable hanging rod; the tension spring movable hanging rod limiter is arranged at the lower part of the cylinder barrel; the upper end of the carbon fiber bolt is fixed on the tension spring movable hanging rod. The device of the invention can work independently; the reliability is strong, and the action triggering precision is high; and the design requirements of moisture resistance and water pressure impact resistance.)
技术领域
本发明属于动力航空技术领域，具体涉及一种水火箭助推滑翔机的压动式滑翔机连接-分离装置。
背景技术
水火箭助推滑翔机是一种常见的组合式动力航空模型。这一模型主要由水火箭、固定翼滑翔机以及两者间的连接-分离装置三部分组件构成，常用于中小型固定翼滑翔机模型的飞行试验、航空航天专业工程实践教学等场景，同时也是中国国际飞行器设计挑战赛的主要竞赛项目之一。
水火箭助推滑翔机的工作流程与运载火箭类似：助推上升段中，由水火箭携带滑翔机飞行升空，并在水火箭飞行轨迹的最高点将滑翔机分离；下降段中，水火箭在分离滑翔机后打开降落伞实现软着陆，滑翔机则在飞手或算法的控制下执行飞行任务，例如滑翔机飞行测试、定点定时着陆任务等。
从上述飞行流程可知，水火箭助推滑翔机的核心部件为其滑翔机连接-分离装置。这一连接-分离装置需要在水火箭助推飞行阶段稳定携带与抓持滑翔机，并在水火箭的飞行轨迹最高点附近释放滑翔机。因此，滑翔机连接-分离装置需具备①可自主独立工作；②可靠性强、动作触发精度高；③耐潮湿且抗水压冲击的特点，详细说明如下：
①可自主独立工作
滑翔机连接-分离装置需在没有飞手或遥控人员干预的前提下独立自主地在水火箭飞行轨迹的最高点附近释放滑翔机。
②可靠性强、动作触发精度高
滑翔机连接-分离装置需具备高可靠性以及良好的动作触发时间精度。一般来说，在水火箭助推滑翔机的整个飞行过程中，助推上升段时长仅3～5秒，下降段中水火箭降落时长约在8～20秒，水火箭在飞行轨迹最高点附近停留的时间短。这要求滑翔机连接-分离装置具备高可靠性以及良好的动作触发时间精度，将平均时间误差控制在1秒以内，最大时间误差控制在2秒以内。
③耐潮湿、抗水压冲击
水火箭是一种以箭内气压推动水高速定向喷射、产生反推力从而飞行的航空模型。这一航空模型以水为主要工质，因此与水火箭相关的各部组件必须在潮湿乃至有水压冲击的环境中长期正常工作。故耐潮湿、抗水压冲击将会是滑翔机连接-分离装置的必备性能。
现有技术中，滑翔机连接-分离装置的设计与制造主要包括以下两种方案：
第一种方案基于扭簧定时器实现滑翔机的连接与释放。扭簧定时器的连杆在计时状态与弹力绳相连，通过弹力绳固定住滑翔机；计时结束时连杆释放弹力绳，从而释放滑翔机。这种方案中的滑翔机连接-分离装置的缺点在于：定时器连杆与弹力绳的连接不稳定，难以同时实现上升过程的稳定携带与最高点附近的准确释放；扭簧本身存在空转行程差，每次飞行前需要依靠操纵员经验手动进行定时器设置，动作触发精度低、可重复性差；通过实际飞行测量，这类装置执行滑翔机分离动作的平均时间误差约为1秒，最大时间误差可达5秒。
第二种方案基于电子传感器与执行器实现滑翔机的携带与释放。这种方案中的滑翔机连接-分离装置虽然有着良好的动作执行精度，但其缺点在于：装置系统需包括传感器、执行器、控制板、电源等，系统笨重复杂；COTS器件一般无特殊防水处理，需要机、电、防水一体化设计，系统复杂、成本高。
因此，现有技术中的用于水火箭助推滑翔机的滑翔机连接-分离装置均难以同时满足上述①可自主独立工作；②可靠性强、动作触发精度高；③耐潮湿且抗水压冲击这三项基本设计要求。
发明内容
本发明旨在解决现有技术中存在的上述问题，提出一种水火箭助推滑翔机的压动式滑翔机连接-分离装置，该装置基于压动式原理，利用水火箭箭内气压驱动，实现滑翔机的连接和分离。
为此，本发明提供的水火箭助推滑翔机的压动式滑翔机连接-分离装置包括：连接基座、连接滑块、活塞-弹簧机构，所述连接基座固定在水火箭箭身上，所述连接滑块固定在滑翔机上，其中：
所述连接基座沿竖直方向设置有连接滑槽，所述连接滑块与所述连接滑槽相互适配；
所述活塞-弹簧机构包括软气路接头、气缸-活塞组件、拉簧、拉簧固定挂杆、拉簧活动挂杆、拉簧活动挂杆限位器、碳纤维插销，其中，所述软气路接头连接于软气路，所述软气路连接到位于水火箭箭体上的接头；所述气缸-活塞组件由缸筒和活塞构成，所述拉簧固定挂杆固定设置在所述缸筒的外壁上部，所述拉簧活动挂杆连接于所述活塞的工作末端；所述拉簧挂接在所述拉簧固定挂杆与所述拉簧活动挂杆之间；所述拉簧活动挂杆限位器设置在所述缸筒的下部，限制所述拉簧活动挂杆的行程极限，所述拉簧活动挂杆限位器的底端开有销孔；所述碳纤维插销的上端固定于所述拉簧活动挂杆，所述碳纤维插销的下端可穿过所述销孔伸出。
进一步地，在上述水火箭助推滑翔机的压动式滑翔机连接-分离装置中，所述连接基座由上圈、下圈、以及设置在所述上圈和所述下圈之间的多个竖向设置的支撑立柱构成，其中所述多个支撑立柱包括第一连接杆、相邻的第二连接杆和第三连接杆，所述活塞-弹簧机构垂直连接于所述第一连接杆，所述连接滑槽固定于所述第二连接杆和所述第三连接杆，并且所述连接滑槽的滑槽方向平行于所述第二连接杆和所述第三连接杆。
进一步地，在上述水火箭助推滑翔机的压动式滑翔机连接-分离装置中，所述软气路接头以快插方式连接于软气路。
进一步地，在上述水火箭助推滑翔机的压动式滑翔机连接-分离装置中，所述连接滑槽的侧壁上设置有第一主定位孔和第一副定位孔，所述连接滑块上相应设置有第二主定位孔和第二副定位孔，所述碳纤维插销与所述第一主定位孔和所述第二主定位孔相互适配。
进一步地，在上述水火箭助推滑翔机的压动式滑翔机连接-分离装置中，所述水火箭助推滑翔机的压动式滑翔机连接-分离装置还配设有副定位插销，所述副定位插销与所述第一副定位孔和所述第二副定位孔相互适配。
进一步地，在上述水火箭助推滑翔机的压动式滑翔机连接-分离装置中，所述软气路是Festo软气路。
本发明的水火箭助推滑翔机的压动式滑翔机连接-分离装置的主要技术效果包括：完全满足①可自主独立工作；②可靠性强、动作触发精度高；③耐潮湿且抗水压冲击这三项基本设计要求；而且，由于连接基座上的连接滑槽沿垂直方向布置、活塞-弹簧机构则沿水平方向布置，由此将活塞-弹簧机构中活塞的主运动方向与滑翔机连接-分离装置的主承力方向相互垂直，二者互无干涉，可以同时实现上升飞行阶段中对滑翔机的稳定抓取与近顶点处的快速释放。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
图1是本发明的水火箭助推滑翔机的压动式滑翔机连接-分离装置的结构示意图；
图2(a)和图2(b)是本发明的水火箭助推滑翔机的压动式滑翔机连接-分离装置中的活塞-弹簧机构的结构示意图，其中图2(a)示出碳纤维插销缩回的状态，该状态对应于滑翔机的分离状态，图2(b)示出碳纤维插销弹出的状态，该状态对应于滑翔机的连接状态；
图3(a)和图3(b)是本发明的水火箭助推滑翔机的压动式滑翔机连接-分离装置中的连接滑槽和连接滑块的结构示意图。
附图标记说明：
1-连接基座、11-连接滑槽、111-第一主定位孔、112-第一副定位孔、12-上圈、13-下圈、14-支撑立柱、141-第一连接杆、142-第二连接杆、143-第三连接杆；
2-连接滑块、21-第二主定位孔、22-第二副定位孔22；
3-活塞-弹簧机构、31-软气路接头、32-气缸-活塞组件、321-缸筒、322-活塞、33-拉簧、34-拉簧固定挂杆、35-拉簧活动挂杆、36-拉簧活动挂杆限位器、361-销孔、37-碳纤维插销。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明的水火箭助推滑翔机的压动式滑翔机连接-分离装置包括：连接基座1、连接滑块2、活塞-弹簧机构3，连接基座1可以通过已知的任何方式固定在水火箭(图中未示出)箭身上，连接滑块2可以通过已知的任何方式固定在滑翔机(图中未示出)上，例如焊接、螺栓连接、销连接等。
连接基座1沿竖直方向设置有连接滑槽11，连接滑块2与连接滑槽11相互适配，由此连接滑块2能够沿竖直方向滑入和滑出连接滑槽11。当连接滑块2连接于连接基座1上时，实现水火箭与滑翔机的并联式稳定连接，当连接滑块2脱离连接基座1时，实现滑翔机从水火箭的分离。
作为一种具体实施方式，连接基座1可以是由上圈12、下圈13、以及设置在上圈12和下圈13之间的多个竖向设置的支撑立柱14构成的结构，水火箭套装在上圈12和下圈13内并通过螺栓等紧固。其中，多个支撑立柱14包括第一连接杆141、相邻的第二连接杆142和第三连接杆143，活塞-弹簧机构3垂直连接于第一连接杆141，连接滑槽11固定于第二连接杆142和第三连接杆143并且连接滑槽11的滑槽方向平行于第二连接杆142和第三连接杆143。由此，相对于连接基座1而言，连接滑槽11沿垂直方向布置，活塞-弹簧机构3沿水平方向布置。
活塞-弹簧机构3是本发明的水火箭助推滑翔机的压动式滑翔机连接-分离装置的核心组件，其基于压动原理实现滑翔机的连接携带与分离释放功能。详细地，如图2(a)和图2(b)所示，活塞-弹簧机构3包括软气路接头31、气缸-活塞组件32、拉簧33、拉簧固定挂杆34、拉簧活动挂杆35、拉簧活动挂杆限位器36、碳纤维插销37。软气路接头31以快插方式连接于软气路，软气路则连接到位于水火箭箭体上的接头，水火箭箭内气压通过软气路接头31作用于活塞-弹簧机构3。气缸-活塞组件32由缸筒321和活塞322构成。拉簧固定挂杆34固定设置在气缸-活塞组件32的缸筒321的外壁上部，拉簧活动挂杆35连接于活塞322的工作末端。拉簧33挂接在拉簧固定挂杆34与拉簧活动挂杆35之间。拉簧活动挂杆限位器36设置在气缸-活塞组件32的缸筒321的下部，并在其底端开有销孔361，碳纤维插销37的上端固定于拉簧活动挂杆35，下端可穿过销孔361伸出，拉簧活动挂杆限位器36限制拉簧活动挂杆35的行程极限。
通过活塞-弹簧机构3的上述结构，气缸-活塞组件32与拉簧33复合工作，水火箭箭内气压为常压时，活塞322处于行程始端，碳纤维插销37回缩在拉簧活动挂杆限位器36内，具体如图2(a)所示；随着水火箭箭内气压增大，活塞322受压差推动而产生向下位移，推动拉簧活动挂杆35向下运动并牵引拉簧33伸长，并当活塞322处于行程末端时，拉簧活动挂杆35最终达到拉簧活动挂杆限位器36限制的行程极限，碳纤维插销37弹出，具体如图2(b)所示；当水火箭箭内气压再次减小时，拉簧活动挂杆35在拉簧33的回复力作用下向上运动，直至活塞322回复到行程始端，碳纤维插销37回缩在拉簧活动挂杆限位器36内，具体如图2(a)所示。
如图3(a)和图3(b)所示，连接滑槽11的侧壁上设置有第一主定位孔111和第一副定位孔112，连接滑块2上相应设置有第二主定位孔21和第二副定位孔22。碳纤维插销37与第一主定位孔111和第二主定位孔21相互适配。
作为一种具体实施方式，本发明的水火箭助推滑翔机的压动式滑翔机连接-分离装置还可以配设有副定位插销，副定位插销与第一副定位孔112和第二副定位孔22相互适配，用于水火箭发射准备前滑翔机的预固定，并可在水火箭发射准备完成后快速解锁，由此可以提高整个发射准备流程的效率。
优选地，软气路接头31所连接的软气路可以是费斯托(Festo)软气路，通过Festo软气路与快插接头实现与水火箭箭体间的模块化连接。
本发明的水火箭助推滑翔机的压动式滑翔机连接-分离装置的工作过程为：
(1)水火箭助推滑翔机使用前，将连接基座固定在水火箭箭身上，将连接滑块固定在滑翔机上；
(2)水火箭发射准备前，首先将连接滑块沿竖直方向滑入连接滑槽内，然后将副定位插销依次插入连接滑槽的第一副定位孔和连接滑块的第二副定位孔，实现滑翔机的预定位；
(3)水火箭发射准备过程中，水火箭箭内气压逐渐加大，如图2(b)所示，活塞-弹簧机构的活塞在由通过软气路接头传递的水火箭箭内气压的作用下向下运动，拉簧活动挂杆随着活塞的运动而向下运动，并牵引拉簧伸长，直至活塞处于行程末端，拉簧活动挂杆到达由拉簧活动挂杆限位器限制的行程极限，此时固定于拉簧活动挂杆的碳纤维插销从拉簧活动挂杆限位器弹出并插入连接滑槽的第一主定位孔和连接滑块的第二主定位孔内，实现滑翔机与水火箭的并联固定，随后撤去副定位插销；
(4)水火箭向上飞行的过程中，水火箭箭内气压逐渐降低，并在箭内气压达到常压时接近飞行最高点，如图2(a)所示，拉簧活动挂杆在拉簧的回复力作用下向上运动，带动活塞也向上运动并回复至行程始端，由此，固定于拉簧活动挂杆的碳纤维插销从连接滑槽的第一主定位孔和连接滑块的第二主定位孔中撤出并回缩在拉簧活动挂杆限位器内，使得固定有滑翔机的连接滑块因自重而沿竖直方向滑出连接滑槽，由此，滑翔机与水火箭分离。
根据对本发明的水火箭助推滑翔机的压动式滑翔机连接-分离装置的试验飞行测试，本发明的压动式滑翔机连接-分离装置的工作性能完全满足以下三项设计要求：
①可自主独立工作
本发明的压动式滑翔机连接-分离装置基于压动式原理，利用水火箭箭内气压驱动，实现滑翔机的连接和分离，与水火箭的压力驱动飞行原理相一致，在飞行过程中无需外界遥控指令即可在水火箭飞行轨迹最高点附近释放滑翔机，满足“可自主独立工作”的设计要求。
②可靠性强、动作触发精度高
经过试验飞行验证，在本发明的压动式滑翔机连接-分离装置安装良好的情况下，均可在飞行轨迹的近最高点成功释放滑翔机。飞行试验过程中，利用Osmo Action相机对飞行过程进行高速摄影录像并进行分析，得到本发明的压动式滑翔机连接-分离装置执行分离动作的平均时间误差约为0.40秒，最大时间误差约为0.69秒，满足“可靠性高、动作触发精度高”的设计要求。
③耐潮湿且抗水压冲击
基于压动式原理设计的本发明的压动式滑翔机连接-分离装置的包括软气路、活塞-弹簧机构在内的重要部组件均可在潮湿、水压冲击环境下工作，实际飞行试验进一步验证了满足“耐潮湿、抗水压冲击”的设计要求。
综上所述，本发明的水火箭助推滑翔机的压动式滑翔机连接-分离装置完全满足①可自主独立工作；②可靠性强、动作触发精度高；③耐潮湿且抗水压冲击这三项基本设计要求。此外，本发明的水火箭助推滑翔机的压动式滑翔机连接-分离装置中，连接基座上的连接滑槽沿垂直方向布置，活塞-弹簧机构则沿水平方向布置，这一设计方式，将活塞-弹簧机构中活塞的主运动方向与滑翔机连接-分离装置的主承力方向相互垂直，二者互无干涉，可以同时实现上升飞行阶段中对滑翔机的稳定抓取与近顶点处的快速释放。
需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。此外，本文中“前”、“后”、“左”、“右”、“上”、“下”均以附图中表示的放置状态为参照。
最后应说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
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