一种基于气囊的快速驱动装置及其驱动方法与流程

本发明属于动力发生装置技术领域，具体涉及一种基于气囊的快速驱动装置及其驱动方法。

背景技术：

目前，在一些场合，往往需要在瞬间产生一个较大的力，以满足某些特殊要求(要求较高的初速度)：如无人机起飞前的速度，或水下机器人遇险时的逃逸速度等。然而，目前这些瞬间力的产生大都需要功率较大的电磁线圈或复杂的液压系统，成本较高。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供基于气囊的快速驱动装置及其驱动方法。

本发明一种基于气囊的快速驱动装置，包括外壳、反应气囊、点火模块、推力模块和输料气路。所述的点火模块包括密封盖和放电电极。密封盖固定在外壳内。反应气囊的内端与密封盖固定。密封盖上开设有进料气口，且固定有放电电极。

所述的推力模块包括后固定外套、尾部喷嘴、喷嘴固定套和弹性伸缩缓冲杆。喷嘴固定套固定在外壳的尾部开口处。喷嘴固定套上设置有三个铰接座。尾部喷嘴上设置有三个球铰座。三根弹性伸缩缓冲杆的一端与三个球铰座分别构成球面副，另一端与三个铰接座分别构成转动副。后固定外套与尾部喷嘴固定。

所述的尾部喷嘴上设置中心喷口和m个调向喷口，m≥2。m个调向喷口沿中心喷口的周向均布，且均倾斜朝向远离中心喷口的一侧。中心喷口和m个调向喷口的内端均与反应气囊的内腔连通。中心喷口和m个调向喷口内均设置有通断阀。

所述的输料气路包括氧气存储罐、甲烷存储罐、第一单向阀、第二单向阀和换向阀。所述氧气存储罐的出气口与第一单向阀的进气口连接。第一单向阀的出气口接入换向阀的第一工作气口。甲烷存储罐的出气口与第二单向阀的进气口连接。第二单向阀的出气口接入换向阀的第二工作气口。换向阀的第三工作气口与密封盖上的进料气口连接。

进一步地，所述的弹性伸缩缓冲杆包括第一连接杆、第二连接杆、连接盒、第一缓冲弹簧和第二缓冲弹簧。第一连接杆的内端设置有活塞。第一连接杆上的活塞与连接盒的内腔构成滑动副。第二连接杆的内端与连接盒固定。第一缓冲弹簧套置在第一连接杆上，且两端与第一连接杆的活塞、连接盒的一端内壁分别连接。第一缓冲弹簧的两端与第一连接杆的活塞、连接盒的另一端内壁分别连接。

进一步地，所述的点火模块还包括气囊前固定环和气囊前固定套。所述密封盖的内侧壁上设置有内螺纹。气囊前固定套呈中空设置的两级阶梯轴状。气囊前固定套轴径较大的轴段内端设置有外螺纹。反应气囊的内端穿过气囊前固定套的内腔，且内端端部外翻至包裹住气囊前固定套轴径较小轴段的状态。气囊前固定环套置在气囊前固定套轴径较小的轴段上。气囊前固定环的外径与气囊前固定套轴径较大轴段的轴径相等。气囊前固定环的外侧壁设置有外螺纹。密封盖上的内螺纹与气囊前固定套、气囊前固定环上的外螺纹均螺纹连接。

进一步地，所述的推力模块还包括后固定内套和后固定环。后固定外套的内侧面设置有内螺纹。后固定内套呈中空设置的两级阶梯轴状。后固定内套轴径较大轴段的内端设置有外螺纹。反应气囊的外端穿过后固定内套的内腔，且内端端部外翻至包裹住后固定内套轴径较小轴段的状态。后固定环套置在后固定内套轴径较小的轴段上。后固定环的外径与后固定内套轴径较大轴段的轴径相等。后固定环的的外侧壁设置有外螺纹。后固定外套上的内螺纹与后固定内套、后固定环的上的外螺纹均螺纹连接。

进一步地，所述的换向阀采用三位三通换向阀。换向阀在第一个工作位下，第一工作气口与第三工作气口连通，第二工作气口截止；第二个工作位下，第一工作气口、第二工作气口及第三工作气口均截止；第三个工作位下，第二工作气口与第三工作气口连通，第一工作气口截止。

进一步地，所述的放电电极由间隔设置的正电极和负电极组成。

进一步地，所述的反应气囊呈两端均开放的筒状。所述的喷嘴固定套呈环状。所述中心喷口的直径大于调向喷口的直径。

进一步地，所述的输料气路还包括第一气压计和第二气压计。第一气压计的检测头与氧气存储罐的气压口连接。第二气压计的检测头与甲烷存储罐的气压口连接。所述氧气存储罐的出气口与第一单向阀之间设置有第一流量计。甲烷存储罐的出气口与第二单向阀之间设置有第二流量计。

进一步地，本发明一种基于气囊的快速驱动装置还包括控制器。控制器的m+1个通断控制接口与m+1个通断阀的控制接口分别连接，换向控制接口与换向阀的控制接口连接，两个流量信号输入接口与第一流量计、第二流量计的信号输出接口分别连接，两个气压信号输入接口与第一气压计、第二气压计的信号输出接口分别连接，点火控制接口与放电电极通过继电器连接。控制器采用单片机。

该基于气囊的快速驱动装置的驱动方法具体如下：

步骤一、工作人员发出快速驱动指令后，进入步骤二。

步骤二、换向阀运动，使得氧气存储罐、甲烷存储罐先后与反应气囊连通，将氧气和甲烷分别充入反应气囊。

步骤三、中心喷口对应的通断阀开启；若需要转向，则与转向方向相反处的调向喷口对应的通断阀开启。放电电极产生电弧，点燃反应气囊内的甲烷，甲烷燃烧产生热量，反应气囊发生膨胀，且反应气囊内的气压升高，反应气囊内气体从中心喷口及被开启的调向喷口喷出，驱动外壳加速移动。若没有调向喷口被开启，则气体仅从中心喷口喷出。

本发明具有的有益效果是：

1、本发明通过在反应气囊中的通入可反应气体后，通过电极放电，使之剧烈反应，并迅速膨胀，进而能够迅速在喷口向外传递一个较大的反推力。本发明能够应用在载人或无人的飞行器起飞前的加速或遇险时的快速逃逸等场合，能够起到辅助飞行器短距离起飞和应急避险的效果。

2、本发明通过切换开启的喷嘴，能够改变反推力的方向，从而提高了快速加速的可控性。

3、本发明对气囊封口进行设计，减小了系统的成本，且增强了系统的可靠性。

附图说明

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明拆去外壳后的爆炸图；

图3是本发明中推力模块的正面示意图；

图4是图3中a-a截面的剖视图；

图5是本发明中反应气囊、中心喷口、三个调向喷口和四个通断阀的组合气路图；

图6是反应气囊与中心喷口、三个调向喷口的连接气路图；

图7是本发明中输料气路的气路图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1和2所示，一种基于气囊的快速驱动装置，包括外壳111、反应气囊106、点火模块、推力模块、输料气路和控制器。反应气囊106呈两端均开放的筒状。点火模块包括密封盖101、气囊前固定环102、气囊前固定套103和放电电极104。密封盖101与外壳111内腔的内端固定。密封盖101的内侧壁上设置有内螺纹。气囊前固定套103呈中空设置的两级阶梯轴状。气囊前固定套103轴径较大的轴段内端设置有外螺纹。反应气囊106的内端穿过气囊前固定套103的内腔，且内端端部外翻至包裹住气囊前固定套103轴径较小轴段的状态。气囊前固定环102套置在气囊前固定套103轴径较小的轴段上，从而压住反应气囊106的内端端部，实现反应气囊106内端的固定。气囊前固定环102的外径与气囊前固定套103轴径较大轴段的轴径相等。气囊前固定环102的外侧壁设置有外螺纹。

密封盖101上的内螺纹与气囊前固定套103、气囊前固定环102上的外螺纹均螺纹连接。密封盖101上开设有进料气口105，且固定有放电电极104。放电电极104由间隔设置的正电极和负电极组成。当正电极、负电极被输入电压后，将会产生电火花，从而实现点火。

如图1、2、3和4所示，推力模块包括后固定内套107、后固定环108、后固定外套109、尾部喷嘴110、喷嘴固定套112和弹性伸缩缓冲杆113。喷嘴固定套112固定在外壳111的尾部开口处。喷嘴固定套112呈环状。

如图1、4和5所示，弹性伸缩缓冲杆113包括第一连接杆301、第二连接杆302、连接盒303、第一缓冲弹簧304和第二缓冲弹簧305。第一连接杆301的内端设置有活塞。第一连接杆301上的活塞与连接盒303的内腔构成滑动副。第二连接杆302的内端与连接盒303固定。第一缓冲弹簧304套置在第一连接杆301上，且两端与第一连接杆301的活塞、连接盒303的一端内壁分别连接。第一缓冲弹簧304的两端与第一连接杆301的活塞、连接盒303的另一端内壁分别连接。当弹性伸缩缓冲杆113受到轴向拉压力时第一缓冲弹簧304和第一缓冲弹簧305发生变形，从而使得第一连接杆301与第二连接杆302发生相对滑移。

喷嘴固定套112的内侧壁设置有沿喷嘴固定套112中心轴线的周向均布的三个铰接座308。尾部喷嘴110的外边缘上设置沿尾部喷嘴110中心轴线周向均布的三个球铰座309。三根弹性伸缩缓冲杆113的一端(第一连接杆301的外端)与三个球铰座309分别构成球面副，另一端与三个铰接座308分别构成转动副。

后固定外套109与尾部喷嘴110的内侧面通过焊接或螺纹固定。后固定外套109的内侧面设置有内螺纹。后固定内套107呈中空设置的两级阶梯轴状。后固定内套107轴径较大轴段的内端设置有外螺纹。反应气囊106的外端穿过后固定内套107的内腔，且内端端部外翻至包裹住后固定内套107轴径较小轴段的状态。后固定环108套置在后固定内套107轴径较小的轴段上，从而压住反应气囊106的外端端部，实现反应气囊106外端的固定。后固定环108的外径与后固定内套107轴径较大轴段的轴径相等。后固定环108的的外侧壁设置有外螺纹。后固定外套109上的内螺纹与后固定内套107、后固定环108的上的外螺纹均螺纹连接。

如图1、3、4和6所示，尾部喷嘴110上设置中心喷口306和三个调向喷口307。中心喷口306的中心轴线与尾部喷嘴110的中心轴线重合。三个调向喷口307沿中心喷口306的周向均布，且均倾斜朝向远离中心喷口306的一侧。中心喷口306的直径大于三个调向喷口307的直径。中心喷口306和三个调向喷口307的内端均与反应气囊106的内腔连通。中心喷口306和三个调向喷口307内均设置有隔断反应气囊106与外界环境的通断阀401。

如图7所示，输料气路包括氧气存储罐201、甲烷存储罐202、第一流量计203、第二流量计204、第一单向阀205、第二单向阀206、换向阀207、第一气压计208、第二气压计209、甲烷充气接头211和氧气充气接头212。

氧气存储罐201的进气口处设置有氧气充气接头212，出气口接入第一流量计203的进气口。第一流量计203的出气口接入第一单向阀205的进气口。第一单向阀205的出气口接入换向阀207的第一工作气口。甲烷存储罐202的进气口211处设置有甲烷充气接头211，出气口接入第二流量计204的进气口。第二流量计204的出气口接入第二单向阀206的进气口。第二单向阀206的出气口接入换向阀207的第二工作气口。换向阀207的第三工作气口与密封盖101上的进料气口105连接，从而接入反应气囊106。第一气压计208的检测头与氧气存储罐201的气压口连接。第二气压计209的检测头与甲烷存储罐202的气压口连接。换向阀207采用三位三通换向阀。换向阀207在第一个工作位下，第一工作气口与第三工作气口连通，第二工作气口截止；第二个工作位下，第一工作气口、第二工作气口及第三工作气口均截止；第三个工作位下，第二工作气口与第三工作气口连通，第一工作气口截止。

控制器的四个通断控制接口与四个通断阀401的控制接口分别连接，换向控制接口与换向阀的控制接口连接，两个流量信号输入接口与第一流量计203、第二流量计204的信号输出接口分别连接，两个气压信号输入接口与第一气压计208、第二气压计209的信号输出接口分别连接，点火控制接口与放电电极104通过继电器连接。控制器采用单片机。

该基于气囊的快速驱动装置的驱动方法具体如下：

步骤一、控制器通过第一气压计208、第二气压计209检测氧气存储罐201、甲烷存储罐202内的气压。若氧气存储罐201、甲烷存储罐202内的气压低于预设值，则发出警报信息。若氧气存储罐201、甲烷存储罐202内的气压高于预设值，且工作人员发出快速驱动指令，则进入步骤二；否则，持续重复步骤一。

步骤二、控制器控制换向阀207运动，使得氧气存储罐201、甲烷存储罐202先后与反应气囊106连通，将氧气和甲烷分别充入反应气囊106。通过第一流量计203、第二流量计204分别检测氧气和甲烷的流量，从而控制甲烷和氧气的充入量。这一过程中，四个通断阀401均闭合。充气完成后，换向阀207切换至第二工作位。

步骤三、中心喷口306对应的通断阀开启；若被驱动的飞行器或潜艇需要转向，则与转向方向相反处的调向喷口307对应的通断阀开启。控制器控制放电电极104产生电弧，点燃反应气囊106内的甲烷，甲烷燃烧产生大量的热量，反应气囊106发生膨胀，且反应气囊106内的气压升高，反应气囊106内的高温气体从中心喷口306及被开启的调向喷口307喷出，驱动外壳快速加速移动。若没有调向喷口307被开启，则高温气体仅从中心喷口306喷出。

步骤四、加速完成且反应气囊106恢复到初始大小后，各开启的通断关闭，进入步骤一。