一种利用超弹记忆合金丝的模块化弓箭式无人机发射装置

1.本发明属于超弹记忆合金和固定翼无人机发射领域，具体涉及一种将传统弓箭与超弹记忆合金丝相结合以满足固定翼无人机发射的方法。


背景技术：

2.经过数十年的发展，固定翼无人机应用场景越来越广泛。一般来说，固定翼无人机弹射需要一个很大的推动力。目前固定翼无人机弹射装置大多为电磁驱动、液压驱动和气压驱动等。传统的固定翼无人机弹射器要想获得一个较大的推动力，实现高速发射，需要满足体积较大，质量较大的条件。目前现存的几种固定翼无人机驱动方式有各自的优点，但也存在不足之处。由于弹射固定翼无人机需要很大的能量，所以这也导致弹射装置很笨重，体积较大。
3.超弹记忆合金丝具有伪弹性。记忆合金有着良好的自感知性能，这是由于记忆合金电阻变化率和应变有一定关系，进而可以得到能量密度与应变的关系，最终只需要测量电阻值，无需利用其它传感器进行测量，就可以获得能量密度和能量转换率等物理量。记忆合金丝诱发的应力大、应变大，具有良好的储能特性，其储存的能量受到合金丝线径、长度以及加载量的影响。
4.在这种情况下可以利用模块化弓箭的形式，将无人机弹射器的体积进行缩小，携带方式进行简化。目前记忆合金在固定翼无人机弹射装置上的应用在驱动结构和关系上的研究仍有不足，因此可以将记忆合金搭载到模块化弓箭式固定翼无人机弹射装置上。利用记忆合金良好的储能特性，就可以通过很小的应变达到很大的弹力，实现高速发射。利用记忆合金良好的自感知特性，就可以通过测量电阻直接得出发射性能指标。因此，有必要在现有的研究基础上将记忆合金的弓箭式固定翼无人机驱动弹射装置的具体结构和精确关系进行探索，以优化固定翼无人机弹射性能，实现弹射器便捷化，从而进一步拓宽记忆合金的应用场景，使其能够在更多领域发挥价值。


技术实现要素：

5.为了解决现有的发射性能问题，将超弹记忆合金丝搭载到弓箭上，再利用扳机式结构对弓箭进行发射。在导轨上固定两个平行轨道，利用精度较高的导轨限制飞机的滑行轨迹，达到良好的发射效果与更加简单的发射方式。
6.本发明的上述目的是通过以下技术方案实现的：
7.一种模块化弓箭装置，包括弓箭整体结构、固定端结构和连接组件。所述连接组件利用超弹记忆合金丝实现。所述固定端结构包括六角螺栓、六角螺母和端部特殊节段。所述弓箭整体结构，包括弓箭中间节段、一般节段和端部特殊节段。所述一般节段分为三层，上下层互为共轭轮廓。所述中间节段上设置两六角螺母孔。所述端部特殊节段处理方式为一般节段伸长切角后开六角螺母孔。
8.一种基于枪械结构的发射装置，包括扳机结构、拉伸结构和推动结构。所述扳机结
构包括弹簧、弹簧挡板、延长板、旋转结构、扣动扳手、上下板固定结构和上下板。所述拉伸结构连接在滑块上，拉伸效果由滑块在轨道上滑行实现。所述推动结构包括推动片。
9.一种飞机滑行装置，包括滑道，滑块和导轨结构。
10.所述模块化弓箭整体结构2、模块化滑道1和模块化导轨8由超弹记忆合金丝3进行串接。串接后将导轨8穿过中字形结构10，将弓箭整体结构2和模块化导轨6进行连接。将缓冲装置的金属外框9与弓箭结构2相连接，再将缓冲橡胶6安装进金属外框9中。将l形固定结构7与模块化导轨8相连接，再将模块化滑道1连接在l形固定结构7上。利用螺纹孔将推动结构4与滑块11相连接，再利用螺纹将发射结构5与导轨8相连接。
11.所述发射结构中，将弹簧f1安装到旋转结构f5上，再将旋转结构f5与扳机f6一并安装到下板上。最后利用上下板固定结构f3、f7和f8将上下板进行连接。
12.本发明的优势在于：
13.1、模块化弓箭便于运输、携带和安放，这相对于普通的固定翼无人机弹射器来说是很大的优势。与传统电磁、液压、气压弹射方式相比，基于超弹记忆合金丝的固定翼无人机弹射更加轻盈便捷。
14.2、模块化弓箭可以通过改变节段数目改变弓箭长度，调节弓箭的力学性能，不同的弓箭长度能够达到不同的发射效果。除此之外，弓箭不同的安装位置能够改变超弹记忆合金丝的拉伸程度，因此发射性能还可以通过改变安装位置来调节。
15.3、超弹记忆合金丝具有良好的自感知特性和物理性质，它的力学关系稳定、简单，能量密度、电阻变化率和应变物理量之间都有比较良好的线性关系。这样的线性性质使得控制固定翼无人机发射时的发射速度等物理量相对容易，无需外加其他传感器进行测量就可以得到所需的能量密度等物理量，通过改变超弹记忆合金丝的长度和直径就能达到改变合金丝能量密度的效果。
16.4、弓箭通过超弹记忆合金丝相连，记忆合金丝的能量密度比普通材料的能量密度更高，储能性能比普通合金丝更好。因此，记忆合金丝释放后推动力很强，能够比普通合金丝获得更大的能量。
17.5、超弹记忆合金丝的释放后通过导轨对飞机进行推动，将导轨与滑道进行结合，导轨精度比普通滑道精度更高，因此发射时导向性能好。弓箭与导轨相连接的部分设计出一种“中”字形安装方式，超弹记忆合金丝释放方式新颖，不同于传统手持式释放方式，简洁化程度更高。
附图说明
18.图1：整体结构装配示意图
19.图2：总体结构设计示意图
20.图3：端部装配示意图
21.图4：导轨结构示意图
22.图5：“中”字形结构示意图
23.图6：拉伸结构示意图
24.图7：发射结构示意图
25.图8：滑道结构示意图
26.图中：1为模块化滑道，2为模块化弓箭，3为超弹记忆合金丝，4为拉伸结构，5为发射结构，6为缓冲结构，7为“l”形固定结构，8为模块化导轨，9为缓冲装置的金属外框，10为“中”字形固定结构，11为滑块，12为固定翼无人机模型，b1为变截面孔，b2六角螺母槽，b3为垫片，c1螺栓杆的孔，c2为六角螺母，c3为螺栓，p1为端部节段顶层结构，p2为端部节段中间层结构，p3端部节段底层结构，p4为顶层上的共轭轮廓，g1为滑块上的螺纹孔，g3为导轨上的沉头孔，z1为螺纹孔，z2为通孔，z3为螺纹孔，z4为导轨槽，l1为推动片，l2为通孔，l3为卡钩，l4为卡槽，l5为螺纹孔，f1为弹簧，f2为弹簧挡板，f4为延长板，f5为旋转结构，f6为扣动扳手，f3，f7和f8为上下板固定结构，f9为上板，f10为通孔，s1与s2为滑道节段。
具体实施方式
27.将弓箭分解成若干个形状和大小相同的节段进行设计，其中节段包括上、中、下三层。相邻节段之间形成共轭轮廓，上下翻转装配，依次相互啮合装配成弓箭的形状。
28.参考附图1-3，建立8个弓箭一般节段、2个端部节段和1个弓箭中间节段的模型。其中每个节段都包括与端部节段类似的三层p1、p2和p3，其中上层p1和下层p3通过结构p4进行相互啮合。中间层p2设置通孔方便记忆合金丝的穿入，中间节段的下层p3预留两个螺母孔。将所述节段上下翻转，通过超弹记忆合金丝进行装配，整体结构关于中间节段轴对称。
29.参考附图3，端部节段预先设置好螺母孔b2和合金丝变截面孔b1，在孔b2中内嵌两个m3螺母。螺母孔b2处放置和另外一侧相同的固定结构。将超弹记忆合金丝从右侧端部节段的外侧穿入，将各个节段进行串联后，从左侧端部节段的内侧穿出，绕回到右侧。固定方式为，记忆合金丝先从端部节段侧面的变截面孔b1穿出，再通过螺栓的预留孔c1穿出，穿出后再将其在螺栓杆c3上缠绕几圈，然后将超弹记忆合金丝用相同的两个垫片b3夹住，上方再用一个螺母c2进行拧紧，达到固定的功能。
30.参考附图4、5、8，建立模块化导轨模型，导轨整体设计为模块化结构，与弓箭类似利用超弹合金丝进行串接。参考滑道结构，建立出一对与共轭轮廓s1与s2类似的结构，以保证导轨的直线度。利用“中”字形固定结构将导轨与弓箭整体结构相连接。其中，“中”字形结构翻转，侧面开孔z4，使导轨从中间穿过。利用z3将弓箭中间节段预留的螺母孔与此结构相连接。三个相同的孔z1与导轨下端相连接，由此实现将导轨与弓箭结构相连接。
31.参考附图4-7，建立弓箭的拉伸结构的模型，将拉伸结构利用螺栓和安装在与所述的导轨相配合的滑块结构上，利用滑块结构上设置的螺纹孔g3和拉伸结构设置的螺纹孔l5将二者相连接。其中，孔l2的设置是为了使螺丝刀能顺利进入螺纹孔l5进行安装。所述拉伸结构中，需建立推动片l1，以推动飞机滑动；建立卡钩l3，使其在拉伸到预设位置时能被发射装置中的旋转结构f5卡紧；建立卡槽l4，将超弹记忆合金丝安装到卡槽内进行加载。所述拉伸结构中，加载装置采用电磁铁加载装置。
32.参考附图6、7，建立发射结构模型，发射结构包括弹簧f1、弹簧挡板f2、延长板f4、旋转结构f5、扣动扳手f6，上下板固定结构f3、f7和f8。将上述导轨模型与发射结构通过延长板f4及f4上预设孔相连接。f8与上板的孔f10相连接，上下板固定结构f3与f7与之相同。当旋转结构f5卡紧卡钩l3后，按下扣动扳手f6，将会引起旋转结构f5绕着固定结构f3旋转，由此将拉伸结构释放。旋转结构f5旋转后，挤压弹簧f1，弹簧上端被弹簧挡板f2限制运动，由此旋转结构f5将复位至原状。
33.参考附图2、8，建立模块化飞机滑道结构1，滑道也设计成模块化，与弓箭类似，利用超弹记忆合金丝进行串接。为保证串接后滑道能够尽量保持一条直线，进行模块化结构设计，建立出一对共轭轮廓s1与s2，以保证其直线度。建立两个“l”形固定结构7，滑道通过“l”形固定结构与导轨相连接。建立缓冲结构，其中包括金属外框9和缓冲装置6。缓冲装置6可以利用橡胶材料3d打印实现，拉伸结构4可通过钢材数控机床加工实现，其余如发射结构、拉伸结构、弓箭整体结构、滑道等可通过树脂材料3d打印实现。
34.参考附图1，结构连接完毕后，利用电磁铁吸引拉伸结构4进行加载，使搭载了超弹记忆合金丝的滑块沿着轨道滑动，以拉伸超弹记忆合金丝。超弹记忆合金丝达到预设的限位处时，通过已经建立的发射结构5进行发射，固定翼无人机12沿着预设滑道1滑动，到达缓冲装置6处时，滑块停止运动，固定翼无人机12受到冲击力被弹射出去，由此达到利用超弹记忆合金丝弹射固定翼无人机的效果。利用超弹记忆合金丝的自感知特性，通过测量超弹记忆合金丝的电阻值，可以得到发射时的能量密度，进而改变发射性能。
35.上述实例说明本发明专利的技术构思及结构特点，目的在于使在本领域进行研究工作的科研人员和工程技术人员了解本发明专利，并且能够据此实现该产品。

技术特征：
1.一种利用超弹记忆合金丝的模块化弓箭式无人机发射装置，其特征在于：由滑道(1)、弓箭整体结构(2)、记忆合金丝(3)、拉伸结构(4)、发射结构(5)、缓冲结构(6、9)、“l”形结构(7)、导轨结构(8、11)、“中”字形结构(10)、固定翼无人机(12)组成；所述模块化弓箭整体结构(2)、模块化滑道(1)和模块化导轨(8)由超弹记忆合金丝(3)进行串接；串接后将导轨(8)穿过“中”字形结构(10)，弓箭整体结构(2)固定在模块化导轨(6)的上侧；缓冲装置的金属外框(9)与弓箭结构(2)内侧焊接，将缓冲橡胶(6)安装进金属外框(9)中；“l”形固定结构(7)与模块化导轨(8)上进行固定，再将模块化滑道(1)连接在“l”形固定结构(7)上；滑块上的螺纹孔用于连接推动结构(4)与滑块(11)，再利用导轨与发射结构(5)上的通孔将发射结构(5)与导轨(8)相连接；所述发射结构中，将弹簧(f1)安装到旋转结构(f5)上，把旋转结构(f5)与扳机(f6)一并安装到下板上；利用上下板固定结构(f3、f7和f8)将上下板进行连接，最后将固定翼无人机(12)安装在滑道(1)上。2.根据权利要求1所述的一种利用超弹记忆合金丝的模块化弓箭式无人机发射装置，其特征在于：弓箭通过超弹记忆合金丝将模块化弓箭进行串联，连接后，固定结构部分在端部节段螺母孔b2内嵌两个六角螺母，合金丝通过变截面孔b1穿出后，再从螺栓的孔c1中穿出，在螺栓杆上缠绕几圈后，用垫片b3压紧合金丝，然后旋紧六角螺母c2与螺栓c3；模块化弓箭2、导轨8与滑道利用超弹记忆合金丝3进行串接，通过调节弓箭的节段数目可以对记忆合金丝3的长度进行调节，相应的可以通过改变节段数目改变滑道1和导轨8的长度。3.根据权利要求1所述的一种利用超弹记忆合金丝的模块化弓箭式无人机发射装置，其特征在于：弓箭与导轨之间的连接固定结构中，导轨g4从槽z4内穿过，“中”字形固定结构10通过三个相同的孔z1与导轨相连接，另外一端通过孔z3与弓箭中间节段相连接；“中”字形固定结构10与缓冲装置的金属外框9部分进行焊接，缓冲装置6放进金属外框9中，达到缓冲效果；发射结构中将导轨g4与发射结构通过延长板f4及f4上预设孔相连接；f8与上板的孔f10相连接，f3与f7与之相同；当旋转结构f5卡紧附图5中卡钩l3后，按下扣动扳手f6，将会引起旋转结构f5绕着固定结构f3旋转，由此将拉伸结构释放；旋转结构f5旋转后，挤压弹簧f1，弹簧上端被弹簧挡板f2限制运动，由此旋转结构f5将复位至原状。

技术总结
本发明专利公开了一种利用超弹记忆合金丝的模块化弓箭式固定翼无人机发射装置，其主要由滑道、弓箭整体结构、记忆合金丝、拉伸结构、发射结构、缓冲结构、“L”形结构、导轨结构、“中”字形结构组成。结合模块化弓箭形式，通过改变拉伸的距离，改变超弹记忆合金丝的形变量，利用记忆合金的电阻自感知的特性，改变弹射时的能量密度，以控制固定翼无人机的发射性能。装置安装完毕后，沿导轨移动拉伸结构到预设位置处，利用发射结构释放超弹记忆合金丝，固定翼无人机沿着滑道进行滑动，直至下方滑块撞击到缓冲装置，无人机受到冲击力被发射。该发明专利对记忆合金丝和固定翼无人机弹射装置的应用具有先进的指导意义与实用价值。置的应用具有先进的指导意义与实用价值。置的应用具有先进的指导意义与实用价值。


技术研发人员：裴永臣 刘思佳 隋文超 邹强
受保护的技术使用者：吉林大学
技术研发日：2022.11.16
技术公布日：2023/5/16