一种无人机气动弹射器的弹射筒内壁凝结水膜检测方法与流程

本发明属于无人机气动弹射，涉及一种无人机气动弹射器的弹射筒内壁凝结水膜检测方法。

背景技术：

1、随着无人机技术的日益成熟，其在各领域的应用也愈发广泛，不论在军事还是民用领域，无人机都发挥着极其重要的作用。其中，无人机冷气（压缩空气）起飞弹射助推器由于具有结构简单、成本低廉、承载能力强和反应速度快、无红外发射热源等优势，具有较好的隐蔽性和广泛的应用前景，无人机冷气弹射装置一般通过压缩空气作为动力源，通过将压缩空气释放到弹射装置的固定弹射筒内，推动固定弹射筒内的弹射体向前运动，弹射体推动滑动内筒，使其在离开固定弹射筒前，使固定在滑动内筒上的无人机获得一定的起飞初速度从而完成起飞。

2、在外界温度比较低的情况下，无人机冷气起飞弹射助推器中的气体可能会在弹射助推器内筒壁上产生水汽。这是因为当喷出的压缩空气与外界环境温度温差较大时，主要产生原因是储气仓里的压缩空气由空气不断压缩产生，压缩时空气中的水分被存留至储气仓，储气仓打开后压缩空气中的水分随着压缩空气冲出，并附着在弹射助推器的内筒壁上凝结成水汽，形成冷凝水。这种现象通常不会对弹射器的性能产生重大影响，但如果冷气起飞弹射助推器进行多次连续弹射，水汽积聚得太多就会形成水膜，由于冷气起飞弹射助推器内的弹射体与弹射助推器内筒壁之间的间隙较小，水膜达到一定厚度时，水膜产生的表面张力对弹射体产生巨大的阻力，导致无人机弹射助力起飞的弹射力矩下降，降低无人机起飞的初速度，影响了弹射起飞方向角度的准确性，甚至可能导致无人机坠毁，对无人机应急保障下的安全起飞和适用安全性造成极大威胁。

3、而现有技术中为了避免上述情况的出现，通用的技术手段是加大额定压缩空气量来加大冷气起飞弹射助推器对无人机的弹射动力，然而，过量的压缩空气瞬间释放会对弹射器中的活塞气动单元出现剧烈的撞击，造成飞行地勤技术保障的增加，同时由于冷气起飞弹射助推器中的压缩空气在筒壁上凝结成更多的水膜，会造成更严重的表面张力对助推器的滞留现象，更易造成飞行和保养的严重事故。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种无人机气动弹射器的弹射筒内壁凝结水膜检测方法，通过超声波原理对水膜厚度的检测，可以根据水膜厚度预判水膜对弹射体增加的阻力，从而实时调节高压储气罐提供的压缩空气的气压，保证在无人机脱离弹射体前，具备足够的初速度，保证了无人机起飞条件的可靠性，降低起飞事故的概率，节约无人机飞行和保养成本。

2、本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种无人机气动弹射器的弹射筒内壁凝结水膜检测方法，包括

4、s1：超声传感器测水量参数标定；

5、s2：实际凝结水膜厚度计算；

6、s3：根据凝结水膜厚度估算凝结水膜对弹射筒壁和弹射体之间产生的阻力；

7、s4：计算压缩空气作用在弹射体后实际产生的推动力；

8、s5：通过实际所需动力来提高压缩空气的压力，连续弹射无人机产生凝结水膜时对无人机弹射所需动力的保证。

9、优选地，步骤s1包括：

10、s11：确定超声波在弹射筒的声速c1，具体步骤包括：

11、弹射筒保持干燥，通过超声波探头采集得到弹射筒上、下界面的反射信号接收时间t11和 t12，通过c1 = 2d/(t12-t11)计算得到超声波在弹射筒的声速c1，d为弹射筒的壁厚；

12、s12：确定超声波在凝结水膜的声速c2，具体步骤包括：

13、取已知厚度h的水膜标体，通过超声波探头采集得到水膜标体上、下界面的反射信号接收时间t21和t22，通过c2= 2h/(t22-t21)计算超声波在水膜的声速；

14、s13：确定超声传感器在弹射筒的声阻抗值z1和超声传感器在凝结水膜的声阻抗值z2，具体步骤包括：

15、根据特性阻抗计算公式z=ρc，得到弹射筒的特性阻抗值z1 =ρ1c1和凝结水膜的特性阻抗值z2=ρ2c2，ρ1为弹射筒的密度，ρ2为水的密度。

16、优选地，步骤s2包括：

17、根据凝结水膜厚度计算公式，其中，f为超声波探头的采样频率，r为超声波在弹射筒与凝结水膜界面处的反射系数，。

18、优选地，步骤s3包括：

19、s31：计算凝结水膜惯性力f1，具体步骤包括：

20、通过流体微元惯性力公式计算凝结水膜受惯性力为，其中，ρw是水的密度，α是凝结水膜流体微元的体积分数，v为水膜的速度向量，⊗是张量积符号，s为弹射体与弹射筒的有效接触面积；

21、s32：计算凝结水膜张力f2，具体步骤包括：

22、通过流体微元张力公式df=ρwαk（vα-v）计算凝结水膜受拖拽力为，其中，ρw是水的密度，α是凝结水膜流体微元的体积分数，v为水膜的速度向量，vα为压缩空气的速度向量，k 为水膜张量系数；

23、其中，凝结水膜张量系数，μα为空气的动力粘度，h是水膜的厚度，δ是水滴在空气流场中的阻力系数，，ch是凝结水膜拖拽力系数，，rew是压缩空气和凝结水膜之间的相对雷诺数，；

24、s33：计算凝结水膜对弹射体的阻力fs=丨f1丨+丨f2丨。

25、优选地，步骤s4包括：

26、s41：弹射体与弹射筒之间无凝结水膜生成时，弹射体在压缩气体作用下的主要动力为fi=（pg-p）*a-δi*mi*g；其中，pg为压缩空气压力，p为大气压力，a为压缩气体与弹射筒接触的表面积，δi为弹射体摩擦系数，mi为弹射体质量，g为重力加速度，vi为弹射体速度；

27、s42：当弹射体与弹射筒之间生成凝结水膜时，弹射体在压缩空气作用下实际产生的主要动力为fi’=（pg-p）*a-δi*mi*g-fs。

28、优选地，步骤s5包括：

29、根据公式fi’=（pg-p）*a-δi*mi*g-fs，通过对张力fs中膜厚变量h的监测，可以实时调节高压储气罐提供的压缩空气的气压。

30、本发明的工作原理及有益效果为：

31、本方法通过超声传感器测水量的参数标定，实现了对无人机气动弹射器弹射筒内凝结水膜的检测，对于提高无人机起飞成功率具有重要意义。在弹射无人机时，凝结水膜的存在会增加无人机的空气动力学阻力，导致其初速度下降，甚至无法起飞。通过检测凝结水膜厚度并根据其估算凝结水膜对弹射体的阻力，可以实时调整压缩空气的气压，保证无人机具备足够的初速度，从而提高无人机起飞成功率。

32、本方法通过实际凝结水膜厚度计算，实现了压缩空气作用在弹射体上后实际产生的动力的计算。通过计算所需动力来提高压缩空气的压力，可以保证连续弹射无人机产生凝结水膜时对无人机弹射所需动力的保证。相较于为了保证起飞初速度盲目增加不必要的压缩气体，该方法能够有效降低飞行和保养事故的发生概率。

33、本方法根据凝结水膜厚度调整所需压缩气体体积，相较于为了保证起飞初速度盲目增加不必要的压缩气体，避免了过量的压缩空气瞬间释放会对弹射器中的活塞气动单元出现剧烈的撞击造成的飞行地勤技术保障的增加，同时也能够提高无人机弹射的效率。