一种组合式缓冲吸能结构和空投防护装置的制作方法

本申请涉及但不限于装备防护技术领域，尤指一种组合式缓冲吸能结构和空投防护装置。

背景技术：

在现代复杂地形战争条件和地质灾害环境下，空投方式以其机动性、突然性和及时性的特点，被广泛应用于物资和装备等的定点输运。以无人直升机为例，在复杂地形勘探、国界巡视、防恐和作战等方面有广泛用途；而由于地面交通条件的限制，将其及时运至指定地点成为难题。低空空投作为一种替代方法，具有不受地形限制、运输快速等特点。空投过程为了保证无人机安全性和可靠性，一般要求着陆时的触地冲击载荷在限制范围内，常需要通过减速、一种或多种缓冲设计实现抗冲击功能。一般除了配备降落伞减速外，还要控制投放的高度；运输机一般在较低飞行高度将装备投出，通过减速伞减速后以一定速度着陆；着陆过程中通常采用的缓冲技术进行缓冲降载，实现装备安全着陆。

专利cn104973333a提出了一种适用于空投的移动药房，采用双层缓冲层结构设计，可以有效保证药品在投放过程中的安全，但对着陆过载有严格限制的重型装备(如无人机、车辆等)不具有适用性。专利cn203358865u提出一种空投用气囊式缓冲装置，采用四个缓冲气囊组成正四面体构型，将目标物保护于正四面体气囊内以实现着陆保护，该设计对非规则目标物，尤其是带有锐性部位的目标物，容易导致气囊刺破漏气；此外当着陆速度较大时，容易导致目标物的弹跳翻滚。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种组合式缓冲吸能结构和空投防护装置，以解决现有装备在冲击/碰撞中的安全性与结构重量相互矛盾的难题。

本发明实施例提供一种组合式缓冲吸能结构，包括：顶部连接法兰，定压排气阀，气缸，气缸活塞，油缸，油液，弹簧，吸能材料，压块限位缸，底部连接法兰，活塞组件；所述活塞组件包括活塞支柱，固定设置于活塞支柱顶端的油缸活塞，以及固定设置于活塞支柱底端的吸能材料压块，油缸活塞上设置有用于流通油液的油孔；

其中，气缸固设于顶部连接法兰的下端面，油缸固设于气缸活塞的下端面，气缸活塞和部分油缸嵌套于气缸的腔体内，压块限位缸固设于底部连接法兰的上端面；气缸内填充有气体，油缸内填充有油液，压块限位缸内填充有吸能材料；

活塞组件顶端的油缸活塞位于油缸内，且油缸活塞与气缸活塞之间设置有弹簧，活塞组件底端的吸能材料压块位于压块限位缸内；所述活塞组件，用于通过油缸活塞压缩油缸内的油液和弹簧起到缓冲吸能作用，并通过吸能材料压块压缩吸能材料起到缓冲吸能作用；

所述气缸活塞和油缸，用于通过压缩气缸内的气体起到缓冲吸能作用；

气缸接近顶部连接法兰的位置安装有定压排气阀，用于在气缸内气体压缩至预置压强后，通过打开定压排气阀进行排气。

可选地，如上所述的组合式缓冲吸能结构中，

所述组合式缓冲吸能结构，用于在触地缓冲吸能过程，通过吸能材料压块压缩吸能材料，实现触地瞬间的大冲击缓冲，吸收冲击动能；

所述组合式缓冲吸能结构，还用于在吸能材料压缩至压实状态后，通过油缸活塞压缩油缸内油液，使油液从油孔中流动，产生阻尼耗能，并通过油缸和气缸活塞的固连结构，使得气缸活塞压缩气缸内气体，实现缓冲吸能作用。

可选地，如上所述的组合式缓冲吸能结构中，还包括：安装在顶部连接法兰上的气垫充气触发器，所述气垫充气触发器与一受控气垫相连接；

所述气垫充气触发器，用于在气缸活塞通过运动接触到顶部连接法兰上的气垫充气触发器时，触发受控气垫的充气膨胀，并使得受控气垫的上端面抬高。

可选地，如上所述的组合式缓冲吸能结构中，所述吸能材料包括：泡沫铝、蜂窝铝中至少一项。

本发明实施例还提供一种空投防护装置，包括：防护箱体，目标物，目标物锁定机构，目标物放置平台，以及至少四个如上述任一项所述的组合式缓冲吸能结构；

其中，目标物放置平台设置于防护箱体内，且目标物放置在目标物放置平台上，通过目标物锁定机构将目标物固定于防护箱体内；

所述组合式缓冲吸能结构均匀布设于防护箱体的底面与目标物放置平台之间，其底部通过底部连接法兰固定设置于防护箱体的底面，其顶部通过顶部连接法兰固定设置于目标物放置平台的底面。

可选地，如上所述的空投防护装置中，还包括：

安装于防护箱体顶部的至少四个减速伞，所述至少四个减速伞安装于防护箱体顶部的四角位置，用于在高速投放时，投放防护箱体减速下降，并使得防护箱体垂直下落和触地。

可选地，如上所述的空投防护装置中，还包括：

设置于目标物放置平台底面与组合式缓冲吸能结构顶部之间的受控气垫，则所述组合式缓冲吸能结构的顶部通过顶部连接法兰固定设置于受控气垫的底面；

所述受控气垫，用于通过气垫充气触发器的触发，充气膨胀并使得目标物放置平台抬升。

可选地，如上所述的空投防护装置中，

所述防护箱体具备展开和折叠的功能，用于保证目标物的快速安装，以及投放目标物至目的地后将目标物的取出和使用。

本发明实施例提供的组合式缓冲吸能结构和空投防护装置，其中，该组合式缓冲吸能结构采用泡沫铝-油液-空气三级缓冲吸能结构的设计理念，综合泡沫铝压缩吸能、油液阻尼缓冲、空气压缩缓冲等方式，可以实现着陆冲击动能的高效耗散，减缓冲击过载峰值，同时保证着陆过载在设计许可范围内。该组合式缓冲吸能结构仅需更换泡沫铝，就可再次使用，可有效降低吸能结构的成本。本发明实施例的空投防护装置，以上述组合式缓冲吸能结构为主体缓冲吸能手段，可以结合使用减速伞减速和受控气垫辅助作用，从而实现着陆过程冲击的高效缓冲，以进一步地保证重型目标物在相对较大空投速度条件下的着陆安全，并可防止目标物在着陆过程中出现弹跳和侧翻等情况。

附图说明

附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本申请的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。

图1为本发明实施例提供的一种组合式缓冲吸能结构的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的组合式缓冲吸能结构的工作原理示意图；

图3为本发明实施例提供的一种空投防护装置的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的空投防护装置在着陆缓冲过程中的示意图。

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明白，下文中将结合附图对本发明的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。

针对现有空投防护装备的不足，为满足大重量目标物在空投着陆过程中冲击小、不翻滚要求，本发明实施例提供一种组合式缓冲吸能结构，及采用该吸能结构的重装空投防护装置。该组合式冲击缓冲吸能结构采用三级缓冲设计方法，综合泡沫铝压缩吸能、油液阻尼缓冲、空气压缩缓冲等方式，实现着陆载荷高效减缓。该重装空投防护装置，以上述组合式缓冲吸能结构为主体，结合伞减速和气垫防护，具有缓冲效率高、着陆冲击小、着陆不易弹跳翻滚以及适应大速度着陆工况等特点。

本发明提供以下几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

图1为本发明实施例提供的一种组合式缓冲吸能结构的结构示意图。本实施例提供的组合式缓冲吸能结构可以包括：顶部连接法兰201，定压排气阀203，气缸205，气缸活塞206，油缸207，油液208，弹簧209，吸能材料213，压块限位缸214，底部连接法兰215，活塞组件。

如图1所示组合式缓冲吸能结构中，本发明实施例中的活塞组件包括活塞支柱211，固定设置于活塞支柱211顶端的油缸活塞210，以及固定设置于活塞支柱211底端的吸能材料压块212，油缸活塞210上设置有用于流通油液208的油孔。

如图1所示组合式缓冲吸能结构中，气缸205固设于顶部连接法兰201的下端面，油缸207固设于气缸活塞206的下端面，气缸活塞206和部分油缸207嵌套于气缸205的腔体内，压块限位缸214固设于底部连接法兰215的上端面；气缸205内填充有气体204，油缸207内填充有油液208，压块限位缸214内填充有吸能材料213。可选地，本发明实施例中的吸能材料213可以为泡沫铝、蜂窝铝或其他吸能材料213。

如图1所示组合式缓冲吸能结构中，活塞组件顶端的油缸活塞210位于油缸207内，且油缸活塞210与气缸活塞206之间设置有弹簧209，活塞组件底端的吸能材料压块212位于压块限位缸214内；该活塞组件，用于通过油缸活塞210压缩油缸207内的油液208和弹簧209起到缓冲吸能作用，并通过吸能材料压块212压缩吸能材料213起到缓冲吸能作用。

本发明实施例中的气缸活塞206和油缸207为连接结构，用于通过压缩气缸205内的气体204起到缓冲吸能作用。

实际应用中，本发明实施例中气缸205接近顶部连接法兰201的位置安装有定压排气阀203，用于在气缸205内气体204压缩至预置压强后，通过打开定压排气阀203进行排气，以防止过载超过设计限定值。

采用本发明实施例提供的组合式缓冲吸能结构执行空降任务，在空降过程触地瞬间，组合式缓冲吸能结构起到缓冲吸能作用。如图2所示，为本发明实施例提供的组合式缓冲吸能结构的工作原理示意图。在触地缓冲吸能过程，首先通过吸能材料压块212压缩吸能材料213，实现触地瞬间的大冲击缓冲，吸收冲击动能，避免初始冲击过载过大；当吸能材料213压缩至压实状态后，通过油缸活塞210压缩油缸207内油液208，使油液208从油孔中流动，产生阻尼耗能，并通过油缸207和气缸活塞206的固连结构，使得气缸活塞206压缩气缸205内气体204，进一步实现缓冲吸能作用，降低着陆载荷。

根据上述工作原理可知，本发明实施例中的组合式缓冲吸能结构，创新性采用吸能材料、油液阻尼和空气恒压压缩三级串联缓冲吸能结构的设计，通过三种缓冲吸能方式的有效组合，实现最大限度的吸收着陆动能的同时，有效减缓着陆冲击过载，保证目标物的结构安全和过载要求。另外，由于该组合式缓冲吸能结构上端气缸壁上安装有定压排气阀，能有效防止气体压缩产生过大载荷向目标物传递。

可选地，如图1和图2所示，本发明实施例提供的组合式缓冲吸能结构，还可以包括：安装在顶部连接法兰201上的气垫充气触发器202，该气垫充气触发器202与一受控气垫相连接。

本发明实施例中的气垫充气触发器202，可以防止组合式缓冲吸能结构无法完全耗散掉着陆动能的情况下，在气缸活塞206通过运动接触到顶部连接法兰201上的气垫充气触发器202时，触发受控气垫的充气膨胀，并使得受控气垫的上端面抬高。该受控气垫通常安装在目标物平台下部，即通过受控气垫的充气膨胀使目标物平台抬升，从而进一步保护目标物，以实现缓冲和限制着陆过载。

本发明实施例提供的组合式缓冲吸能结构，可以适用于大型装备的空投防护装置，该组合式缓冲吸能结构采用泡沫铝-油液-空气三级缓冲吸能结构的设计理念，可以实现着陆冲击动能的高效耗散，减缓冲击过载峰值，同时保证着陆过载在设计许可范围内。另外，该组合式缓冲吸能结构仅需更换泡沫铝，就可再次使用，可有效降低吸能结构的成本。

基于本发明上述各实施例提供的组合式缓冲吸能结构，本发明实施例还提供一种空投防护装置，如图3所示，为本发明实施例提供的一种空投防护装置的结构示意图。本发明实施例中的空投防护装置可以包括：防护箱体1，目标物3，目标物锁定机构，目标物放置平台8，以及至少四个如上述任一实施例中的组合式缓冲吸能结构2。

本发明实施例中的防护箱体1用于盛放目标物3，该防护箱体1具备展开和折叠的功能，用于保证目标物3的快速安装，以及投放目标物3至目的地后将目标物3的取出和使用。另外，本发明实施例中防护箱体1内盛放的目标物3以无人机为例，但不限于无人机，图3所示实施例以目标物锁定机构包括起落架锁定机构5和尾旋锁定机构6为例予以示出。

如图3所示空投防护装置中，目标物3平稳放置平台设置于防护箱体1内，且目标物3放置在目标物放置平台8上，通过目标物锁定机构(图3中的起落架锁定机构5和尾旋锁定机构6)将目标物3固定于防护箱体1内，以防止目标物3在运输和投放过程中的晃动。

本发明实施例的空投防护装置以组合式缓冲吸能结构2为主要吸能结构，这些组合式缓冲吸能结构2均匀布设于防护箱体1的底面与目标物放置平台8之间，其底部通过底部连接法兰215固定设置于防护箱体1的底面，其顶部通过顶部连接法兰201固定设置于目标物放置平台8的底面。

可选地，本发明实施例中的空投防护装置，还可以包括：

安装于防护箱体1顶部的至少四个减速伞4，这至少四个减速伞4安装于防护箱体1顶部的四角位置，以实现在高速投放时，投放防护箱体1减速下降，并使得防护箱体1垂直下落和触地。

在实际应用中，减速伞4的数量通常不少于四个，也可安装更多减速伞4，安装于防护箱体1顶部四角处。如果采用直升机悬挂方式运送目标物3，并在较低高度投放时，可以不安装减速伞4。

可选地，本发明实施例中的空投防护装置，还可以包括：

设置于目标物放置平台8底面与组合式缓冲吸能结构2顶部之间的受控气垫7，在该结构中，组合式缓冲吸能结构2的顶部通过顶部连接法兰201固定设置于受控气垫7的底面。

本发明实施例中的受控气垫7，用于通过气垫充气触发器202的触发，充气膨胀并使得目标物放置平台8抬升。

本发明实施例提供的空投防护装置，在投放高度过高或目标物3过重，着陆速度过大导致组合式缓冲吸能结构2无法完全缓冲吸能时，可触发受控气垫7充气实现再次缓冲，以进一步保护目标物3的结构安全。可以看出，该空投防护装置，以上述实施例中的组合式缓冲吸能结构2作用为主要吸能结构，辅以减速伞4减速和受控气垫7的缓冲作用，能最大限度保证目标物3的着陆安全。

本发明实施例提供的空投防护装置，以上述实施例提供的组合式缓冲吸能结构2为主体缓冲吸能手段，另外，可以结合使用减速伞4减速和受控气垫7辅助作用，从而实现着陆过程冲击的高效缓冲，以进一步地保证重型目标物3在相对较大空投速度条件下的着陆安全，并可防止目标物3在着陆过程中出现弹跳和侧翻等情况。

本发明实施例提供的重装空投防护装置，具有广泛适用性，可应用于无人机、火炮、车辆等重型装备的空中投放。该重装投放防护装置以组合式缓冲吸能结构的缓冲吸能作用为主，辅以减速伞减速和受控气垫的缓冲作用，能保证重型装备着陆冲击过载在设计要求范围内。其中，组合式缓冲吸能结构，采用吸能材料、油液阻尼和空气压缩三级缓冲吸能结构的设计，能高效吸收冲击动能，减缓冲击过载峰值，保证目标物的结构安全和过载要求。该空投防护装置，仅需更换泡沫铝，就可再次使用，可有效降低整个装置成本。

以下通过一个具体实施例对本发明实施例提供的组合式缓冲吸能结构和空投防护装置的实施方式进行详细说明。

实施例：

如图3和图4所示，为本发明实施例提供的空投防护装置用于无人机空投过程的实施例，图3为本发明实施例提供的空投防护装置在空中投放过程中的示意图，图4为本发明实施例提供的空投防护装置在着陆缓冲过程中的示意图。通过锁定机构将无人机固定于目标物平台上，减速伞安装于防护箱体四角，组合式缓冲吸能结构安装于防护箱体的底部，组合式缓冲吸能结构的顶板与目标物平台中间放置收起状态的受控气垫。组合式缓冲吸能结构采用泡沫铝-油液-空气三级缓冲吸能结构，可以实现着陆冲击动能的高效耗散，同时保证着陆过载在设计许可范围内；设计空投防护装置以上述组合式缓冲吸能结构为主体缓冲吸能手段，同时结合减速伞减速(非必须)和受控气垫辅助作用，可以保证重型目标物在相对较大空投速度条件下的着陆安全，并可防止目标物在着陆过程中出现弹跳和侧翻等情况。

当装有无人机的空投防护装置从运输机或直升机抛下后，顶部四个减速伞在空气作用下自主打开，实现目标物和保护箱体的减速。在重力和减速伞阻力作用下，防护装置正向垂直下落。

当空投防护装置底部以一定速度接触地面的瞬间，组合式缓冲吸能结构开始工作，通过三级缓冲吸能机制实现高效缓冲吸能。

根据设计，泡沫铝首先出现压缩变形，防止触地瞬间较大冲击载荷向上传递，实现冲击载荷以较低水平均匀向上传递，以限制目标物承受的过载。

泡沫铝压缩过程分为三个阶段，分别为弹性阶段、平台阶段和密实阶段，初步分析时，缓冲吸能主要应用第二个阶段，也即平台段。压缩载荷ff可表述为：

式中，ef为弹性阶段的弹性模量，af为泡沫铝截面积，sf为压缩行程，lf为泡沫铝高度，σf，s为平台应力，εf，s为屈服应变，εf，f为密实应变。

当泡沫铝达到压实状态后，油缸和气缸联合工作，以实现进一步缓冲吸能。油缸活塞与油缸相对运动，挤压油缸内油液从过油孔中流过，流动阻尼耗散冲击动能，实现冲击缓冲。由于油液阻尼在较低相对速度时能起到较好缓冲耗能作用，在较高相对速度时阻尼大无法起到能量耗散作用。需通过下部泡沫铝缓冲，对目标物和防护箱体减速后，才会激发油缸相对运动，实现缓冲和耗能。根据伯努利方程，经推导可得出压缩过程为低速条件下(低速条件一般指油缸活塞的运动速度小于10m/s)的油液阻尼力fh可表述为：

式中：ρh为油液密度；ah为主油缸有效压油面积；ad为正、反行程时主油孔有效过流面积；分别为正、反行程时主油孔流量系数；ahl为回油缸有效压油面积；分别为正、反行程时回油孔有效过流面积；分别为正、反行程时回油孔流量系数。

在油液阻尼作用同时，油缸和气缸活塞相连，推动气缸内气体压缩，实现缓冲卸载。气缸靠近顶部位置安装有定压排气阀，定压排气阀的排气压强为设定压强，以防止气体压缩后，超出限定传递载荷。

对于该组合式缓冲吸能结构，根据理想气体状态方程，可得出空气弹簧力fa表达为：

式中：va0为空气缸初始容积；γ为空气缸压缩多变指数；pa0为气缸初始空气体积，patm为标准大气压，sa为气缸行程，ps为定压排气阀排气压强。

油缸中的油液阻尼和气缸中的气体缓冲共同作用，进一步耗散着陆冲击动能，减缓着陆冲击载荷向目标物传递。

如果因为投放高度过高，或者目标物重量过大，组合式缓冲吸能结构无法完全吸收着陆动能。气缸活塞会压缩至顶部，并触碰气垫充气触发器，触发气垫充气膨胀，实现目标物的再次缓冲，进一步保护目标物安全。

通过组合式缓冲吸能结构的三级缓冲吸能作用，辅以减速伞和气垫的缓冲作用，可以有效降低冲击载荷，限制着陆过载在设计范围内，保证目标物着陆过程中的结构安全和电气系统安全。

以上所示的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包括在本发明的保护范围之内。

虽然本发明所揭露的实施方式如上，但所述的内容仅为便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭露的精神和范围的前提下，可以在实施的形式及细节上进行任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。