用于空中气溶胶采样探测的无动力飞行器及采样系统

技术领域

本发明涉及气溶胶采集装置，具体涉及用于空中气溶胶采样探测的无动力飞行器及采样系统。

背景技术

气溶胶是大气污染物的一种重要形态，研究中需要对空中气溶胶的浓度、粒径和组分进行监测，获取相关数据，了解其变化过程。旋翼无人机搭载气溶胶采样装置或测量装置可以进行空中气溶胶的采样和监测，公开号为CN109323893A、CN112644709A以及CN113447322A的专利中均公开了旋翼无人机载低能耗气溶胶采样装置及飞行器，但旋翼无人机的飞行速度较慢，只适合作为一般大气气溶胶监测使用。而爆炸事故或快速燃烧等场景中，产生的气溶胶运动速度快，用旋翼无人机探测的时效性难以保证，另外在不稳定的环境中，气溶胶容易受到环境风速和风向的影响，快速位移，难以收集，现有空中采样或测量装置并没有系统地提出解决方案。

为了满足快速变化的空中气溶胶的取样监测要求，需要一种速度适中、使用方便的空中气溶胶取样探测装置。现有技术(CN 109539876 A、CN 101275817A以及《便携式压缩空气弹射装置的研究》郑介，2022硕士论文)中公开了采用压缩空气的发射装置将探测装置发射到空中，但尚未见到使用无动力飞行器进行空中气溶胶取样的技术。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中采用旋翼无人机搭载气溶胶采样或测量装置，存在气溶胶在爆炸事故、快速燃烧等场景中或者受到环境风速和风向的影响时，快速位移，难以收集的不足之处，而提供用于空中气溶胶采样探测的无动力飞行器及采样系统。

为实现上述目的，本发明提供的技术解决方案如下：

一种用于空中气溶胶采样探测的无动力飞行器，其特殊之处在于：包括外壳、设置在外壳一端的进气口以及设置在外壳内部的进气道、单向活门、滤筒、流量传感器以及电源、飞行姿态记录装置和缓冲组件；外壳的内部一端设置连通进气口的收集腔，另一端设置记录腔，收集腔对应的外壳上开设有多个排气孔；所述进气道、单向活门、滤筒、流量传感器同轴依次设置在收集腔中，进气道设置在靠近进气口的一端，且内径渐变；所述滤筒的开口端朝向进气口，所述排气孔位于流量传感器远离进气口的一侧；所述单向活门包括沿外壳直径设置的活门轴以及两个半圆形门板，两个半圆形门板的直边与活门轴转动连接，单向活门关闭时，两个半圆形门板绕活门轴展开，其外周与外壳的内壁相适配，靠近进气道的一侧由进气道的内壁进行前限位，单向活门打开时，两个半圆形门板绕活门轴向远离进气道的一侧转动；所述电源、飞行姿态记录装置设置在记录腔中，电源用于对飞行姿态记录装置和流量传感器供电，飞行姿态记录装置用于测量并记录飞行器的飞行姿态数据，缓冲组件用于在飞行器降落时对其进行缓冲。

进一步地，所述单向活门还包括限位横杆，限位横杆与活门轴位于同一轴向截面，单向活门打开时，限位横杆用于对两个半圆形门板进行后限位，定义限位横杆与活门轴之间的间距为L，半圆形门板的半径为r，则0.5r＜L＜r。

进一步地，还包括设置在排气孔远离进气口一侧的导流锥，导流锥为锥形结构，底面直径与外壳内径相适配，锥面朝向进气口设置。

进一步地，所述进气道内壁沿轴向的剖面为流线型，进气道内径从进气口向内先减小后扩大。

进一步地，所述飞行姿态记录装置为陀螺仪组件；

所述缓冲组件为降落伞组件；降落伞组件设置在外壳的另一端端部，包括控制装置、爆破装置及降落伞，控制装置中预设时间程序，用于控制爆破装置工作，经爆破打开降落伞组件的后盖并牵引开伞；

所述电源还用于为降落伞组件的控制装置供电；

所述外壳的另一端沿周向设置有尾翼。

进一步地，所述飞行器的直径50mm，长度300mm，重量为500g，排气孔的孔径5-20mm，间距为孔径的2-3倍。

同时，还提供一种用于空中气溶胶采样探测的采样系统，其特殊之处在于：包括上述一种用于空中气溶胶采样探测的无动力飞行器及发射装置；所述发射装置包括高压气源、安装座以及一个或多个发射筒，发射筒设置在安装座上，尾部与高压气源连接；飞行器设置在发射筒内部且与发射筒之间设置密封装置，密封装置用于保证发射气压，密封装置包括拼接的两个半圆筒结构，随飞行器一同运动至发射筒外部后，两个半圆筒结构自动分离脱落。

进一步地，所述发射装置包括多个发射筒，多个发射筒平行设置或者相互之间具有偏转角；

所述发射筒的侧面对应设置有角度计，用于调整发射筒的俯仰发射角度。

进一步地，还包括防护装置，防护装置包括固定防护板和可脱落防护板，固定防护板固定在安装座上，其上对应每个发射筒的出口开设有通孔，可脱落防护板设置在固定防护板上，用于在采样系统未使用时对发射筒出口进行防护；

所述发射筒和高压气源之间设置有电磁阀。

进一步地，所述发射筒设置为3×3发射筒阵列，外围发射筒与中央发射筒的偏转角为5～10°；发射压力0.6MPa，射程为100m。

本发明的有益效果：

1.本发明的飞行器主要用于采集快速运动的气溶胶，飞行器的进气道内径渐变，在高速飞行以及快速变化的气流中，保证进入飞行器的空气流速稳定，避免产生乱流，影响采集的气溶胶质量，同时渐变的内径也可以作为单向活门的前限位。

2.本发明的飞行器设置降落伞组件等缓冲组件，用于减小飞行器触地速度，减小对样品和数据存储器的冲击，提高样品和数据的回收概率。

3.本发明的飞行器中设置导流锥，减小气流排出阻力，使进气道进气更加流畅。

4.本发明的发射装置采用高压气源发射至指定区域，使飞行器利用飞行动力采样，无需额外的动力消耗，结构简单，耗电量低，仅需要使用微型电池供电；通过调节发射气体压力来控制飞行速度和距离，高压气源发射后飞行器运行速度高，可以适应快速运动的气溶胶采样，采样系统中飞行器速度可控性好，可以在秒量级采集空中气溶胶。

5.本发明的发射装置可以设置使用相互之间角度具有一定偏转的发射筒阵列，多发飞行器同时发射，在获取冗余样品的同时，提高了对环境风速的适应性，提高了采样的成功率，而且该装置结构简单，操作方便。

附图说明

图1是本发明实施例中飞行器的结构示意图；

图2是本发明实施例中单向活门的结构示意图；a为单向活门关闭状态，b为单向活门打开状态；

图3是本发明实施例中采样系统的结构示意图；

图4是本发明实施例中发射筒的结构示意图；

图5是本发明实施例中防护装置的结构示意图。

附图标记说明：

1-飞行器，11-进气道，12-单向活门，13-滤筒，14-流量传感器，15-排气孔，16-导流锥，17-电池，18-陀螺仪组件，19-降落伞组件，110-尾翼，111-活门轴，112-限位横杆，2-发射筒，31-密封装置，32-电磁阀；41-固定支架，42-支撑杆，43-角度计，44-高压气源，51-固定防护板，52-可脱落防护板。

具体实施方式

本发明用于空中气溶胶采样探测的无动力飞行器如图1所示，包括圆筒形的外壳、设置在外壳一端的进气口以及设置在外壳内部的进气道11、单向活门12、滤筒13、流量传感器14、导流锥16、电源、陀螺仪组件18和缓冲组件，外壳远离进气口的另一端沿周向设置有尾翼110，本实施例中，所述缓冲组件为降落伞组件19。

进气道11的一端与进气口连通，如图2所示，进气道11的内壁沿轴向的剖面为流线型，其内径从进气口向内先减小后扩大，形成渐变结构，保证进气道11的气体流动稳定，避免形成乱流；单向活门12设置在进气道11远离进气口的一端，包括沿外壳直径设置的活门轴111、限位横杆112以及两个半圆形门板，限位横杆112与活门轴111位于同一轴向截面，两个半圆形门板的直边与活门轴111转动连接，单向活门12关闭时，两个半圆形门板绕活门轴111展开，其外周与外壳的内壁相适配，靠近进气道11的一侧由进气道11的渐变结构进行前限位，单向活门12打开时，限位横杆112用于对两个半圆形门板进行后限位，避免两个半圆形门板靠近后角度不稳难以关闭，定义限位横杆112与活门轴111之间的间距为L，半圆形门板的半径为r，则0.5r＜L＜r，优选L＝0.8r。

滤筒13设置在单向活门12的另一侧，滤筒13的开口端朝向进气口，滤筒13靠近外壳另一端依次设置有流量传感器14和导流锥16，导流锥16为锥形结构，底面直径与外壳内径相适配，锥面朝向进气口设置，外壳位于流量传感器14和导流锥16之间的位置沿周向均匀开设有多个排气孔15，导流锥16用于促进气流从排气孔15排出，导流锥16将外壳内部分为收集腔和记录腔，进气道11、单向活门12、滤筒13、流量传感器14同轴设置在收集腔中；电源、陀螺仪组件18和降落伞组件19设置在记录腔，陀螺仪组件18用于记录飞行姿态数据并存储；降落伞组件19设置在外壳的另一端端部，包括控制装置、爆破装置及降落伞，控制装置中预设时间程序，用于控制爆破装置工作，经爆破打开降落伞组件19的后盖并牵引开伞，通常预设时间程序在飞行器1采样后控制触发；电源用于陀螺仪组件18、流量传感器14和降落伞组件19的控制装置的供电。

本发明用于空中气溶胶采样探测的采样系统包括上述飞行器1和发射装置，发射装置包括高压气源44、安装座以及一个或多个发射筒2，高压气源44设置在安装座下方，每个发射筒2通过固定支架41和支撑杆42设置在安装座上，尾部与高压气源44连接，通过电磁阀32控制高压气源44的启闭，通入压缩空气实现弹射发射，发射筒2的侧面对应设置角度计43，用于调整发射筒2的俯仰发射角。发射筒2设置有多个时，可以平行设置，也可以相互之间具有一定的偏转角，用于发射平行的多个飞行器1或相互之间角度略有偏差的多个飞行器1。飞行器1设置在发射筒2内部且与发射筒2之间设置密封装置31，保证发射气压满足要求，密封装置31包括拼接的两个半圆筒结构，随飞行器1一同运动至发射筒2外部后，两个半圆筒结构自动分离脱落，因此密封装置31采用轻质材质，且外侧壁光滑，减小飞行器1发射阻力。

采样系统还包括防护装置，防护装置对应发射筒2的出口设置，包括固定防护板51和可脱落防护板52，固定防护板51固定在安装座上，其上对应每个发射筒2的出口开设有通孔，可脱落防护板52设置在固定防护板51上，用于在采样系统未使用时对发射筒2出口进行防护，避免发生意外，在使用采样系统时再控制可脱落防护板52脱落，可脱落防护板52可以为对应多个通孔的一块挡板，也可以是分别对应多个通孔的多个挡板。

本实施例中，飞行器1直径50mm，飞行器1长度300mm，滤筒13可以使用聚丙烯纤维滤筒13或石英纤维滤筒13，直径约30mm，长度90mm，尺寸与其对应的外壳内径相适配；流量传感器14选用热式流量传感器14；沿外壳周向均匀设置多个排气孔15，孔径为10mm，相邻排气孔15的间距为20mm，沿外壳周向设置2周；飞行器1的另一端集成设置有电池17、陀螺仪组件18和降落伞组件19；降落伞组件19通过电控爆炸式开伞，降落伞组件19展开直径为0.5-1m。发射装置上设置3×3发射筒2阵列，飞行器1重量约500g，发射压力0.6MPa，不开伞射程为100m，外围发射筒2与中央发射筒2的偏转角为5～10°，优选5°。可脱落防护板52采用磁吸固定在固定防护板51远离发射筒2的一侧，如图4所示，共设置三个纵向的挡板，分别对应发射筒2阵列的3列设置，使用时控制其脱落。

飞行器1发射后，单向活门12在气流作用下打开，即可开始收集气溶胶，由于本发明用于高浓度气溶胶的收集，因此在到达指定区域前，收集的大气中的少量气溶胶对结果影响可以忽略不计，降落过程中，进气口朝下，单向活门12在重力作用下关闭。

在本实施例的飞行器1尺寸下，根据不同射程要求，综合考虑飞行器1的外壳强度、排气孔15的气流量，排气孔15的孔径可以为5-20mm，相邻间距为孔径的2-3倍，沿外壳周向可以设置2-3周，避免排气孔15孔径过大、数量过多或者间距过小降低飞行器1的结构强度。在本发明的其他实施例中，飞行器1直径、飞行器1长度、飞行器1重量、发射压力及排气孔15孔径均可以根据所需要的射程进行调整，发射筒2的数量及其排列方式也可以根据采集区域进行调整。