可伸缩的飞行器对接分离机构及其控制方法

1.本发明涉及飞行器分离对接机构及控制方法，尤其涉及一种可伸缩的飞行器对接分离机构及其控制方法。


背景技术：

2.近年来，各型单体飞行器都期望应用于军事科研以及农业民用等多个领域，但单体飞行器的作战性能和续航性能无法协调统一。因此需要一款飞行器既能拥有单体飞行器的机动性能，采用尺寸较小的机体设计来适应各型起降环境复杂的起降场所，可通过单机或编队协同作战完成飞行任务；又拥有大展弦比机翼的飞行性能，使飞行器能够获得更高的升阻比和更长的续航时间。因此可以采用编队空中聚合/分离技术，使得编队中的飞行器可以以大展弦比的聚合形式抵达任务地，在任务作战上空进行分离，以单机模式作战实现灵活的任务模式，节省整体编队能源，提高巡航效率增大航程。
3.专利cn108583877a提出一种抓取式翼尖对接/分离功能的机构系统，用于解决多架飞机在空中对接以提高巡航效率或在空中实现分离以各自完成子任务的对接分离问题。实现方式为在飞机的翼尖端肋上安装该机构，利用伸缩装置将对接点至于翼尖外侧，降低翼尖涡的干扰；伸出侧有对接杆，抓取侧有带锁机构的抓手，两飞机靠近，将对接杆伸入抓手中并完成锁定，再利用伸缩装置将两架飞机拉近，完成对接。分离过程利用伸缩装置将两架飞机推开，电磁铁解锁抓手装置，抓手将对接杆弹出，机构收回完成分离。该方法虽然对对接过程中的抓取过程进行了难度降低，但没有对抓手位置进行有效限制，不能完成抓取后两架飞行器间的定位。另外在对接过程中也无法完成整机的位置精确固定。
4.因此，亟待解决上述问题。


技术实现要素：

5.发明目的：本发明的第一目的是提供一种可伸缩的飞行器对接分离机构，可在对接过程中锁定飞行器间俯仰角，完成整机位置精确固定。
6.本发明的第二目的是提供一种可伸缩的飞行器对接分离机构的控制方法。
7.技术方案：为实现以上目的，本发明公开了一种可伸缩的飞行器对接分离机构，包括位于飞行器主机机翼翼尖中间位置处的抓取机构、位于飞行器从机机翼翼尖中间位置处的伸缩轴机构、位于飞行器从机机翼翼尖的前缘位置和后缘位置处用于锁定飞行器间俯仰角的位置锁定机构以及位于飞行器主机机翼翼尖侧面且与位置锁定机构一一对应的锁定孔；
8.编队中的两架飞行器通过抓取机构与伸缩轴机构的链接完成锁定，利用位置锁定机构插入对应的锁定孔完成飞行器间俯仰角锁定。
9.其中，抓取机构包括固定于飞行器主机机翼翼尖内的锥形套筒、与锥形套筒后端可转动连接且可开合的抓夹组件以及用于驱动抓夹组件动作的抓夹驱动组件。
10.优选的，抓夹组件包括3个以120
°
夹角间隔固定于锥形套筒后部的旋转抓手，每一
旋转抓手的前端具有可组成圆环用于抓取伸缩轴机构的弧形抓片，每一旋转抓手的后端具有轴心处可转动连接于锥形套筒后部的半齿轮。
11.再者，锥形套筒的前段为锥形筒段，后段为圆形筒段，圆形筒段的后端间隔均布开设有3个用于连接旋转抓手的定位槽，每一定位槽上设置有用于穿过半齿轮轴心处相连接的连接轴。
12.进一步，抓夹驱动组件包括3个具有限定量程的抓夹伺服电机，每一抓夹伺服电机安装于相对应的锥形套筒后部的安装板上，每一抓夹伺服电机的输出轴通过传动齿轮与相对应的半齿轮相啮合，驱动旋转抓手转动。
13.优选的，伸缩轴机构包括固定于飞行器从机机翼翼尖上的液压作动器以及与液压作动器输出端相连的液压伸缩轴，该液压伸缩轴为前端具有半球体的二级液压伸缩轴。
14.再者，位置锁定机构包括固定于飞行器从机机翼翼尖上且开设有水平滑槽的固定座、与水平滑槽相适配且可沿着固定座前后移动的滑动轴件、位于固定座后端的伺服电机以及与伺服电机输出轴相连用于驱动滑动轴件运动的连杆组件。
15.进一步，连杆组件包括与伺服电机输出轴相连且两端分别架设在固定座上的连接杆、穿设与连接杆上的一对第一连杆以及与第一连杆相连且对称设置连接于滑动轴件上端的第二连杆。
16.优选的，固定座的下底板为日字型板片，固定座的两侧板为l型板片，l型板片上开设有一字型的水平滑槽。
17.本发明一种可伸缩的飞行器对接分离机构的控制方法，包括如下步骤：
18.实际飞行中两架或多架飞行器编队飞行，在进行对接时两架飞行器保持并排飞行，高度、速度以及前后位置需要维持在一定范围内，保持一定距离平飞；
19.对接指令发出后，首先安装在从机机翼翼尖的伸缩轴机构中的液压作动器驱动液压伸缩轴伸出机体外；
20.同时两架飞行器缓慢接近至可聚合范围，液压伸缩轴前段的半球体将沿锥形套筒的前部进入旋转抓手的抓取范围；
21.液压伸缩轴进入旋转抓手的抓取范围，以统一指令控制三个抓夹伺服电机以相同角度转动，并通过传动轮啮合半齿轮带动旋转抓手抓取液压伸缩轴；
22.液压伸缩轴抓取成功后，伺服电机将驱动连杆组件中的第一连杆和第二连杆伸直，推动滑动轴件在固定座的水平滑槽中向外滑动，锁定飞行器间的俯仰角；最终完成两架飞行器间的对接；
23.在进行分离时，两架飞行器需保持并排飞行，高度、速度需要维持在一定范围内；
24.首先，伺服电机将驱动连杆组件中的第一连杆和第二连杆折叠，拉动滑动轴件在固定座的水平滑槽中向内滑动，解锁飞行器间的俯仰角；
25.以统一指令控制三个抓夹伺服机构以相同角度转动，并通过传动齿轮啮合半齿轮带动旋转抓手松开液压伸缩轴；
26.液压作动器驱动液压伸缩轴收回机体内部，同时两架飞行器逐步远离，最终完成飞行器间的分离。
27.有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：本发明装载于飞行器机翼翼尖处，通过对结构设计使其可完全回收进飞行器机翼内部，减小飞行器飞行过程中的废
阻，且具有重复循环使用的特性，节省能源；本发明采用伸缩轴机构与抓手机构的刚性连接，可精确对接飞行器，具有自锁定功能；本发明通过飞行器前后缘的位置锁定机构完成整机的位置精确固定；本发明能够运用在多型飞行器编队聚合与分离、飞行器空中加油、空间站对接与分离机构中，适用场景广。
附图说明
28.图1为本发明中主从机翼翼尖聚合前示意图；
29.图2为本发明中主从机翼翼尖聚合后示意剖图；
30.图3为本发明中主机机翼翼尖抓取机构抓取前外观示意图；
31.图4为本发明中主机机翼翼尖抓取机构抓取后外观示意图；
32.图5为本发明中抓取机构、伸缩轴机构和位置锁定机构的位置示意图；
33.图6为本发明中抓取机构的结构示意图；
34.图7为本发明中伸缩轴机构的结构示意图；
35.图8为本发明中位置锁定机构聚合前的示意图；
36.图9为本发明中从机机翼翼尖位置固定机构伸出前外观示意图；
37.图10为本发明中从机机翼翼尖位置固定机构伸出后外观示意图。
具体实施方式
38.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
39.如图1、图2、图3、图4和图5所示，本发明中一种可伸缩的飞行器对接分离机构适用于飞行器主机和行器从机的对接分离，包括抓取机构1、伸缩轴机构2、位置锁定机构3和锁定孔501，抓取机构1位于飞行器主机机翼翼尖4中间位置处，伸缩轴机构2位于飞行器从机机翼翼尖5中间位置处，2个位置锁定机构3分别位于飞行器从机机翼翼尖5的前缘位置和后缘位置处，位置锁定机构用于锁定飞行器间俯仰角，锁定孔501位于飞行器主机机翼翼尖侧面，锁定孔501与位置锁定机构3一一对应设置。编队中的两架飞行器通过抓取机构1与伸缩轴机构2的链接完成锁定，利用位置锁定机构3插入对应的锁定孔501完成飞行器间俯仰角锁定。
40.如图6所示，抓取机构1包括锥形套筒110、抓夹组件和抓夹驱动组件，抓夹组件包括旋转抓手102、弧形抓片103和半齿轮104，抓夹驱动组件包括抓夹伺服电机107、安装板108和传动齿轮109。锥形套筒101固定于飞行器主机机翼翼尖内，抓夹组件与锥形套筒后端可转动连接，抓夹组件可开合便于抓取伸缩轴机构2，抓夹驱动组件用于驱动抓夹组件动作。锥形套筒101的前段为锥形筒段，锥形筒段方便引导伸缩轴机构完成对接，后段为圆形筒段，与抓夹组件中的旋转抓手配合；圆形筒段的后端间隔均布开设有3个用于连接抓夹组件的旋转抓手102的定位槽105，每一定位槽106上设置有用于穿过半齿轮104轴心处相连接的连接轴106。3个旋转抓手102以120
°
夹角间隔固定于锥形套筒后部，每一旋转抓手102的前端具有弧形抓片103，3个弧形抓片103可组成圆环，该圆环用于抓取伸缩轴机构的液压伸缩轴的半球体，每一旋转抓手的后端具有半齿轮104，半齿轮104的轴心可转动连接于锥形套筒后部的连接轴106上。3个抓夹伺服电机107均具有限定量程，每一抓夹伺服电机107安装于相对应的锥形套筒后部的安装板108上，每一抓夹伺服电机107的输出轴通过传动齿轮
109与相对应的半齿轮104相啮合，驱动旋转抓手102转动。
41.如图7所示，伸缩轴机构2包括液压作动器201和液压伸缩轴202，液压作动器201固定于飞行器从机机翼翼尖上，液压伸缩轴202与液压作动器输出端相连，该液压伸缩轴202为前端具有半球体203的二级液压伸缩轴，液压伸缩轴以液压作动器驱动，通过液压作动器输出动力实现往复运动，具有自锁功能；半球体203以减小杆件对接时与锥形套筒101的摩擦。
42.如图8、图9和图10所示，位置锁定机构3包括水平滑槽301、固定座302、滑动轴件303、限定量程的伺服电机304和连杆组件，连杆组件包括连接杆305、第一连杆306和第二连杆307。固定座302固定于飞行器从机机翼翼尖上，固定座302的下底板为日字型板片，固定座的两侧板为l型板片，l型板片上开设有一字型的水平滑槽301。滑动轴件303与水平滑槽301相适配，滑动轴件303可沿着固定座302前后移动，滑动轴件303包括工字型的滑杆308、位于滑杆前端的锁定针309以及位于滑杆中部的竖杆310，伺服电机304位于固定座的l型板片后端，连接杆305与伺服电机输出轴相连，连接杆305的两端架设在固定座的l型板片后端，一对第一连杆306穿设于连接杆305上，第二连杆307与第一连杆306相连，2个第二连杆307对称设置连接于滑动轴件的竖杆310上端。伺服电机304启动通过第一连杆306和第二连杆307驱动滑动轴件303沿着固定座302的水平滑槽301实现往复运动。
43.本发明通过锥形套筒和旋转抓手引导并抓取液压伸缩轴，通过位置固定机构锁定机翼间的俯仰角度；在对接和分离前后都可将机构完整收缩进机体内部，使整体机构在飞行器编队飞行和单体飞行时都不附加额外的气动阻力，并可进行有效的限位对接，可以反复使用，机构简单可安装在多种固定翼及旋翼飞行器上。
44.如图1、图2、图3和图4所示，本发明一种可伸缩的飞行器对接分离机构的控制方法，包括如下步骤：
45.实际飞行中两架或多架飞行器编队飞行，在进行对接时两架飞行器保持并排飞行，高度、速度以及前后位置需要维持在一定范围内，保持一定距离平飞；
46.对接指令发出后，首先安装在从机机翼翼尖的伸缩轴机构中的液压作动器驱动液压伸缩轴伸出机体外；
47.同时两架飞行器缓慢接近至可聚合范围，液压伸缩轴前段的半球体将沿锥形套筒的前部进入旋转抓手的抓取范围；
48.液压伸缩轴进入旋转抓手的抓取范围，以统一指令控制三个抓夹伺服电机以相同角度转动，并通过传动轮啮合半齿轮带动旋转抓手抓取液压伸缩轴；
49.液压伸缩轴抓取成功后，伺服电机将驱动连杆组件中的第一连杆和第二连杆伸直，推动滑动轴件在固定座的水平滑槽中向外滑动，锁定飞行器间的俯仰角；最终完成两架飞行器间的对接；
50.在进行分离时，两架飞行器需保持并排飞行，高度、速度需要维持在一定范围内；
51.首先，伺服电机将驱动连杆组件中的第一连杆和第二连杆折叠，拉动滑动轴件在固定座的水平滑槽中向内滑动，解锁飞行器间的俯仰角；
52.以统一指令控制三个抓夹伺服机构以相同角度转动，并通过传动齿轮啮合半齿轮带动旋转抓手松开液压伸缩轴；
53.液压作动器驱动液压伸缩轴收回机体内部，同时两架飞行器逐步远离，最终完成
飞行器间的分离。
54.本发明的抓取机构中的旋转抓手与伸缩轴机构中的液压伸缩轴形成刚性连接，飞行器抓取完成后通过位置固定机构将飞行器对接位置限定，保证了飞行器飞行过程中聚合以及分离的精确性。本发明装载于飞行器机翼翼尖处，通过对结构设计使其可完全回收进飞行器机翼内部，减小飞行器飞行过程中的废阻，且具有重复循环使用的特性，节省能源；机构尺寸较小，安装简单，具有良好的适应性，可装配多种机型，能够较为简单的实现飞行器空中对接。本发明通过飞行器编队中的聚合/分离，保证单体飞行器的机动性能，提高巡航性能，解决现有的单体飞行器在执行作战任务时续航性能不足的问题。

技术特征：
1.一种可伸缩的飞行器对接分离机构，其特征在于：包括位于飞行器主机机翼翼尖(4)中间位置处的抓取机构(1)、位于飞行器从机机翼翼尖(5)中间位置处的伸缩轴机构(2)、位于飞行器从机机翼翼尖(5)的前缘位置和后缘位置处用于锁定飞行器间俯仰角的位置锁定机构(3)以及位于飞行器主机机翼翼尖侧面且与位置锁定机构一一对应的锁定孔(501)；编队中的两架飞行器通过抓取机构(1)与伸缩轴机构(2)的链接完成锁定，利用位置锁定机构(3)插入对应的锁定孔(501)完成飞行器间俯仰角锁定。2.根据权利要求1所述的可伸缩的飞行器对接分离机构，其特征在于：所述抓取机构(1)包括固定于飞行器主机机翼翼尖内的锥形套筒(101)、与锥形套筒后端可转动连接且可开合的抓夹组件以及用于驱动抓夹组件动作的抓夹驱动组件。3.根据权利要求2所述的可伸缩的飞行器对接分离机构，其特征在于：所述抓夹组件包括3个以120
°
夹角间隔固定于锥形套筒后部的旋转抓手(102)，每一旋转抓手的前端具有可组成圆环用于抓取伸缩轴机构的弧形抓片(103)，每一旋转抓手的后端具有轴心处可转动连接于锥形套筒后部的半齿轮(104)。4.根据权利要求3所述的可伸缩的飞行器对接分离机构，其特征在于：所述锥形套筒(101)的前段为锥形筒段，后段为圆形筒段，圆形筒段的后端间隔均布开设有3个用于连接旋转抓手的定位槽(105)，每一定位槽上设置有用于穿过半齿轮轴心处相连接的连接轴(106)。5.根据权利要求3所述的可伸缩的飞行器对接分离机构，其特征在于：所述抓夹驱动组件包括3个具有限定量程的抓夹伺服电机(107)，每一抓夹伺服电机安装于相对应的锥形套筒后部的安装板(108)上，每一抓夹伺服电机(107)的输出轴通过传动齿轮(109)与相对应的半齿轮(104)相啮合，驱动旋转抓手(102)转动。6.根据权利要求1所述的可伸缩的飞行器对接分离机构，其特征在于：所述伸缩轴机构(2)包括固定于飞行器从机机翼翼尖上的液压作动器(201)以及与液压作动器输出端相连的液压伸缩轴(202)，该液压伸缩轴(202)为前端具有半球体(203)的二级液压伸缩轴。7.根据权利要求1所述的可伸缩的飞行器对接分离机构，其特征在于：所述位置锁定机构(3)包括固定于飞行器从机机翼翼尖上且开设有水平滑槽(301)的固定座(302)、与水平滑槽相适配且可沿着固定座前后移动的滑动轴件(303)、位于固定座后端的伺服电机(304)以及与伺服电机输出轴相连用于驱动滑动轴件运动的连杆组件。8.根据权利要求7所述的可伸缩的飞行器对接分离机构，其特征在于：所述连杆组件包括与伺服电机输出轴相连且两端分别架设在固定座上的连接杆(305)、穿设与连接杆上的一对第一连杆(306)以及与第一连杆相连且对称设置连接于滑动轴件上端的第二连杆(307)。9.根据权利要求7所述的可伸缩的飞行器对接分离机构，其特征在于：所述固定座(302)的下底板为日字型板片，固定座的两侧板为l型板片，l型板片上开设有一字型的水平滑槽(301)。10.一种基于权利要求1至9任一所述的可伸缩的飞行器对接分离机构的控制方法，其特征在于，包括如下步骤：实际飞行中两架或多架飞行器编队飞行，在进行对接时两架飞行器保持并排飞行，高度、速度以及前后位置需要维持在一定范围内，保持一定距离平飞；
对接指令发出后，首先安装在从机机翼翼尖的伸缩轴机构中的液压作动器驱动液压伸缩轴伸出机体外；同时两架飞行器缓慢接近至可聚合范围，液压伸缩轴前段的半球体将沿锥形套筒的前部进入旋转抓手的抓取范围；液压伸缩轴进入旋转抓手的抓取范围，以统一指令控制三个抓夹伺服电机以相同角度转动，并通过传动轮啮合半齿轮带动旋转抓手抓取液压伸缩轴；液压伸缩轴抓取成功后，伺服电机将驱动连杆组件中的第一连杆和第二连杆伸直，推动滑动轴件在固定座的水平滑槽中向外滑动，锁定飞行器间的俯仰角；最终完成两架飞行器间的对接；在进行分离时，两架飞行器需保持并排飞行，高度、速度需要维持在一定范围内；首先，伺服电机将驱动连杆组件中的第一连杆和第二连杆折叠，拉动滑动轴件在固定座的水平滑槽中向内滑动，解锁飞行器间的俯仰角；以统一指令控制三个抓夹伺服机构以相同角度转动，并通过传动齿轮啮合半齿轮带动旋转抓手松开液压伸缩轴；液压作动器驱动液压伸缩轴收回机体内部，同时两架飞行器逐步远离，最终完成飞行器间的分离。

技术总结
本发明公开了一种可伸缩的飞行器对接分离机构及其控制方法包括位于飞行器主机机翼翼尖中间位置处的抓取机构、位于飞行器从机机翼翼尖中间位置处的伸缩轴机构、位于飞行器从机机翼翼尖的前缘位置和后缘位置处用于锁定飞行器间俯仰角的位置锁定机构以及位于飞行器主机机翼翼尖侧面且与位置锁定机构一一对应的锁定孔；编队中的两架飞行器通过抓取机构与伸缩轴机构的链接完成锁定，利用位置锁定机构插入对应的锁定孔完成飞行器间俯仰角锁定。本发明可在对接过程中锁定飞行器间俯仰角，完成整机位置精确固定。成整机位置精确固定。成整机位置精确固定。


技术研发人员：姚灵珑 史志伟 张伟麟 郭鹏宇 王天舒
受保护的技术使用者：南京航空航天大学
技术研发日：2023.03.03
技术公布日：2023/5/25