真空儲能式固定翼飛機(jī)起飛彈射器的制造方法
【專利摘要】一種真空儲能式固定翼飛機(jī)起飛彈射器，由電動卷揚(yáng)機(jī)、牽引小車、變速裝置和盤索輪、大直徑活塞、大口徑真空缸、油泵、儲油罐等順序連接而成。電動卷揚(yáng)機(jī)在變速裝置減速下拉動活塞由下止點(diǎn)緩慢升至上止點(diǎn)，使真空缸內(nèi)部達(dá)到完全真空狀態(tài)，完成儲能；活塞在大氣壓力和自身重力的推動下，通過變速裝置的加速使?fàn)恳≤噹еw機(jī)快速前行起飛，完成彈射。本實(shí)用新型具體實(shí)施例有關(guān)數(shù)據(jù)：彈射牽引距離99米、恒定凈牽引力31.4噸、儲能功率600瓩、儲能時間60秒、電源最低功率需求800瓩、彈射一架次耗電量低于20度、彈射器總重不到60噸、系統(tǒng)主體大口徑真空缸高度16米、體積465立方米。本實(shí)用新型最主要特點(diǎn)：勻加速、發(fā)熱少、能耗低、電氣化、重量輕、系統(tǒng)少。
【專利說明】真空儲能式固定翼飛機(jī)起飛彈射器
所屬【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種固定翼飛機(jī)起飛彈射器，尤其是利用真空儲能式固定翼飛機(jī)起飛彈射器。適用于在航空母艦、大型兩棲攻擊艦和島礁機(jī)場上固定翼飛機(jī)的彈射起飛。

【背景技術(shù)】
[0002]自從百年前航空母艦的誕生，在其狹小的甲板空間上起飛固定翼飛機(jī)一直是世界性的難題。各航母大國為解決這一難題，都不同程度地投入了大量的人力物力。通過持續(xù)不懈的研究探索，先后開發(fā)出各種各樣的艦載機(jī)起飛彈射器或輔助起飛裝置，如落重式、飛輪式、彈簧滑道式、火箭助推式、液壓式、氣壓式、火藥式、電動式等。但隨著艦載固定翼飛機(jī)的大型化或重型化，特別是艦載固定翼預(yù)警機(jī)和空中加油機(jī)的使用，多數(shù)彈射器或助飛裝置已在艦載機(jī)發(fā)展的不同階段遭到淘汰。目前，固定翼艦載機(jī)的起飛方式主要有三種:滑躍起飛、垂直起飛、彈射起飛。前者如我國首艘航母遼寧艦和印度航母維克拉瑪?shù)賮喬柕?。后者如美國尼米茲級核動力航母和法國戴高樂號核動力航母等。其中垂直起飛方式的助飛裝置不在艦上而是整合在飛機(jī)上，在此不作討論。眾所周知，傾斜甲板滑躍起飛是在沒有彈射器可用的情況下被迫采用的一種比較簡陋的起飛方式。其主要缺點(diǎn)是:艦載機(jī)須強(qiáng)逆風(fēng)起飛，容易受天氣干擾，且航母為制造強(qiáng)逆風(fēng)耗能極大；艦載機(jī)起飛間隔時間長，導(dǎo)致組成機(jī)群困難；艦載機(jī)不能滿油、滿彈全重起飛，造成航程短、戰(zhàn)斗效率低下；而最致命的是在現(xiàn)代戰(zhàn)爭越來越依靠體系對抗的背景下，艦載固定翼預(yù)警機(jī)和空中加油機(jī)不能以這種方式起飛，將極大地影響航空母艦戰(zhàn)斗力的發(fā)揮。蒸汽彈射器能克服前述傾斜甲板滑躍起飛的缺點(diǎn)，極大提高航空母艦戰(zhàn)斗群的體系對抗能力。但蒸汽彈射器卻有其它諸多缺點(diǎn):1.消耗淡水和能量極大。每彈射一架飛機(jī)需要消耗600?700公斤淡水，而把這些水變成高溫高壓的蒸汽，加上貯存和輸送過程散熱所消耗的能量是巨大的。淡水和燃料對航母的重要性是不言而喻的，尤其對遼寧艦這樣的常規(guī)動力航母而言就更寶貴了。2.儲存和輸送高溫高壓蒸汽的隔熱及安全問題突出。隔熱材料的使用會占據(jù)較大的空間，且絕對隔熱是不存在的，散出的熱量會惡化艦員的生活環(huán)境；而高溫高壓蒸汽儲存罐和輸送管道在戰(zhàn)時猶如不定時炸彈。3.系統(tǒng)復(fù)雜、維修周期短、維護(hù)保養(yǎng)難度大，如開口氣缸縫密封橡膠條及密封潤滑油在高溫高壓下極易變質(zhì)等。4.彈射過程推力極度不均，啟動段峰值過載可達(dá)6g，會對飛機(jī)結(jié)構(gòu)帶來突發(fā)沖擊，極大縮短其使用壽命，對飛行員健康也有不利影響。5.彈射前系統(tǒng)需要長時間“預(yù)熱”。隨著隱形時代的到來，這一缺點(diǎn)在“遭遇”戰(zhàn)中可能是致命的。除上述缺點(diǎn)外，蒸汽彈射器還有種種不足，有鑒于此，美國早于上世紀(jì)八十年代開始投入巨資研發(fā)電磁彈射器作為其替代品。目前，電磁彈射器正在裝配在不久前下水的新一代福特級核動力航母首艦上。由于外界對其所知甚少，實(shí)際應(yīng)用效果也有待觀察，我們假定美國已在電磁彈射器的開發(fā)中克服了蒸汽彈射器的大多數(shù)缺點(diǎn)和不足，但其研發(fā)過程中的一些表象和本身的技術(shù)難度還是值得我們參考:1.美國在電磁彈射器上已花費(fèi)近三十年時間、超過30億美元。2.冷卻問題。電磁彈射器的永磁體對溫度比較敏感，退磁臨界溫度在攝氏100?200度座之間，彈射過程只有2?3秒，在這么短時間內(nèi)把電磁感應(yīng)所產(chǎn)生的熱量帶走并非易事，否則將極大縮短彈射器的壽命。3.電磁彈射器主要部件受潮極易損壞，美國到目前為止都只在陸地上進(jìn)行試驗(yàn)，能否適用長時間海上的高鹽高濕環(huán)境還是未知數(shù)，至少維護(hù)工作也不輕松。4由于電磁彈射器的磁體是開槽形的，會產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁輻射，為防止飛機(jī)和航母本身的電磁設(shè)備受到干擾，屏蔽電磁輻射也是一項艱巨的任務(wù)?？傊?，電磁彈射器系統(tǒng)也是極其復(fù)雜的，應(yīng)用還存在著許多不確定性，貿(mào)然投入巨資研發(fā)有較大的風(fēng)險，而且研制周期也難于保證。另一方面，南海主權(quán)紛爭近來愈演愈烈，尤其南沙群島大部分島礁被越南和菲律賓非法侵占，除臺灣當(dāng)局擁有的太平島外，我國只控制幾個礁盤。為取得南海南部制空權(quán)，填礁建機(jī)場是不錯的辦法，但要填成一個標(biāo)準(zhǔn)機(jī)場，工作量將是難于想象的，投資也是巨大的。而要填出一個適于彈射起飛、攔阻降落規(guī)模的機(jī)場卻是可行的，也與我國目前正在南海某些礁盤進(jìn)行的填海工程相吻合。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了克服蒸汽彈射器的各種缺點(diǎn)，避開研發(fā)電磁彈射器的不確定性和風(fēng)險，本發(fā)明提供一種固定翼飛機(jī)起飛彈射器，該彈射器以真空儲能為彈射動力，不僅能用于航空母艦固定翼飛機(jī)包括大型無人機(jī)的起飛，而且適用于大型兩棲攻擊艦和島礁微型機(jī)場固定翼飛機(jī)的起飛。
[0004]本發(fā)明為解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:采用與以往任何彈射器不同的儲能方式，以大口徑直立式圓柱形真空缸作為貯存能量的載體，以電動卷揚(yáng)機(jī)作為貯能的手段。其基本構(gòu)造是:帶有離合器和剎車功能的大型電動卷揚(yáng)機(jī)、連著滑塊的牽引小車、大小盤索輪和大小齒輪組成的變速裝置、大直徑活塞、大口徑直立式真空缸、油泵、儲油罐等。各部分裝置通過滑輪滑索和管道依次連接。其中大口徑直立式真空缸為上端開口下端封閉的圓柱形，缸底封閉端采用球冠的抗壓設(shè)計，球冠最低點(diǎn)有一導(dǎo)管依次與電磁閥、油泵、儲油罐相連，可將油導(dǎo)入真空缸中。大直徑活塞外形上是與真空缸相匹配的圓柱形，內(nèi)部仍按抗壓設(shè)計為球冠形。圓柱形四周表面分為上中下三個部分，下部裝有活塞環(huán)，上部為穩(wěn)定環(huán)，中部除支撐穩(wěn)定環(huán)的支柱外是空的，這部分空間與真空缸壁組成油槽。而油槽被穩(wěn)定環(huán)支撐柱和活塞加強(qiáng)樑分割成相同的若干部分，活塞加強(qiáng)樑近油槽底部有油面平衡孔，使油槽各部分油面保持平衡?；钊蚬陧敳坑幸粏蜗蜷y或電磁閥用于排氣和溢油，溢出的油流入周邊的油槽，起潤滑和密封作用，單向閥直徑的大小取決于油流入缸底的速度。大直徑活塞通過鋼索連接固定于真空缸正上方的小盤索輪的一邊上。小盤索輪、大齒輪、小齒輪和大盤索輪組成變速裝置，可整體被靈活安裝在恰當(dāng)?shù)奈恢?，只需用一滑輪吊裝于真空缸正上方并用鋼索與小盤索輪連接即可。為保證彈射牽引力保持恒定，大小盤索輪的寬度以鋼索不疊層為準(zhǔn)。當(dāng)小盤索輪被強(qiáng)力轉(zhuǎn)動，鋼索被盤在小盤索輪上，使活塞從下止點(diǎn)開始上升，直至達(dá)到上止點(diǎn)。此時，真空缸內(nèi)部處于完全真空狀態(tài)，大直徑活塞受到大氣巨大的向下壓力，加上活塞自身的重力，已經(jīng)積累了巨大能量，可以用來彈射飛機(jī)起飛。首次進(jìn)行彈射操作時，牽引小車處于牽引終點(diǎn)，活塞處于下止點(diǎn)。首先打開電磁閥、開動油泵，潤滑油注入真空缸底部，氣體通過裝于活塞圓頂?shù)膯蜗蜷y或電磁閥排出，繼續(xù)注油，使之溢滿活塞上面的油槽，在油面平衡孔的作用下各油槽注油高度一致，關(guān)閉電磁閥和油泵。起動電動卷揚(yáng)機(jī)，待電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，離合器閉合，系統(tǒng)進(jìn)入儲能運(yùn)行:卷揚(yáng)機(jī)拉動牽引小車開始回位，驅(qū)動大盤索輪放索、轉(zhuǎn)動，經(jīng)變速器減速后帶動小盤索輪轉(zhuǎn)動、盤索，進(jìn)而拉動活塞緩慢上升，直至達(dá)到上止點(diǎn)、牽引小車回到彈射起點(diǎn)由位持器抓牢，離合器脫開，儲能運(yùn)行結(jié)束。將飛機(jī)就位，前輪彈射連桿卡入牽引小車上的滑塊卡口，飛機(jī)發(fā)動機(jī)開足加力，釋放位持器，活塞的下行拉力驅(qū)動小盤索輪放索、轉(zhuǎn)動，經(jīng)變速器加速后帶動大盤索輪轉(zhuǎn)動、盤索，拉動牽引小車及飛機(jī)快速前行，直至飛機(jī)起飛。由于變速器的作用，活塞的下行速度并沒有很快，接近下止點(diǎn)時，活塞周邊率先刺入真空缸底部油層，逼迫油液向中間和球冠頂部涌動，直至油液從單向閥溢入油槽，活塞也受到油液的阻力慢慢停下。而牽引小車由于重量很輕，動能不大，利用卷揚(yáng)機(jī)上的剎車裝置即可使其停下，也可采取其它簡易辦法。因彈射過程極其短暫，卷揚(yáng)機(jī)的電動機(jī)在彈射間隔期間保持運(yùn)行，可在活塞剎車后馬上閉合離合器進(jìn)入下一個彈射循環(huán)。
[0005]本發(fā)明的有益效果很多，較突出特點(diǎn)有以下幾方面:
[0006]1.彈射過程牽引力不變，飛機(jī)完全勻加速起飛，對飛機(jī)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力將大大減小，可最大限度地提高機(jī)體使用壽命。這在作戰(zhàn)飛機(jī)價格日益昂貴的今天顯得尤為寶貴。
[0007]2.活塞運(yùn)行速度慢，無噪音，發(fā)熱、磨損微乎其微，機(jī)油可長期使用不變質(zhì)。沒有熱變形問題，對制造材料要求低。除電動卷揚(yáng)機(jī)會有些發(fā)熱外，可完全避免陷入發(fā)熱一降溫一再發(fā)熱一再降溫的惡性循環(huán)中。根據(jù)能量守恒定律，本發(fā)明將是最節(jié)能的彈射系統(tǒng)。
[0008]3.使用電力作為彈射動力來源，使系統(tǒng)各部分的控制變得異常簡單，完全符合艦艇電氣化的總體趨勢。既不用再為復(fù)雜的蒸汽管道迷宮所困擾，也不再為灼熱的蒸汽泄漏和四處污濺、難于清潔的潤滑油所煩惱。
[0009]4.電動儲能功率低，能耗少，系統(tǒng)運(yùn)行無需事先預(yù)熱，隨時可投入高強(qiáng)度彈射作業(yè)。
[0010]5.雖然大口徑真空缸體積較大，但重量很輕。體積問題可利用滑輪滑索易于改變傳遞方向和傳遞距離的特點(diǎn)，充分利用空間，靈活安裝位置，做到基本不占用機(jī)庫甲板面積，大幅減輕高過艦船重心的重量，對航母的行駛穩(wěn)定性有積極意義。
[0011]6.結(jié)構(gòu)簡單，一目了然；系統(tǒng)很少，可靠性極高；沒有高精尖設(shè)備，加工制造容易，造價也將極其低廉；還有維修維護(hù)工作量小、節(jié)省艦員人數(shù)、減輕勞動強(qiáng)度等有益效果。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明真空儲能式固定翼飛機(jī)起飛彈射器各部分連接關(guān)系圖。
[0013]圖2是大直徑活塞立體圖。
[0014]圖3是圖2的AA剖面圖。
[0015]圖中1.電動卷揚(yáng)機(jī)，2.牽引小車，3.大盤索輪，4.小齒輪，5.大齒輪6.小盤索輪7.大直徑活塞，8.大口徑真空缸，9.導(dǎo)油管，10.電磁閥，11.油泵，12.儲油罐，13.活塞穩(wěn)定環(huán)，14.穩(wěn)定環(huán)支撐柱，15.活塞環(huán)，16.活塞油槽，17.單向閥，18.油面平衡孔。

【具體實(shí)施方式】
[0016]首先對實(shí)施例的有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行計算。為計算方便，大氣壓取值lkg/Cm~2，換算后即每平方米所受壓力為10噸；重力加速度g取值10m/S ;通過配重使活塞重量為9噸，并假定其重力正好抵消彈射時系統(tǒng)的摩擦等阻力；真空缸口徑為6米，活塞有效行程為11米。那么活塞受壓面積為3.14x3~2=28.26平方米，所受大氣壓力為28.26x10=282.6噸，可用于彈射凈總功282600x11=3108600公斤米，也即真空儲存凈能量為3108600x10=31.086兆焦。經(jīng)過小盤索輪到大盤索輪的9倍加速后，牽引飛機(jī)的凈拉力為282.6/9=31.4噸，而牽引距離為11x9=99米，這一距離可以通過提升真空缸的油面高度來縮減，以適應(yīng)較輕飛機(jī)的彈射。而島礁機(jī)場可能碰上強(qiáng)順風(fēng)的情況，應(yīng)配備活塞有效行程更大的真空缸來增加彈射距離。
[0017]有關(guān)儲能的計算:設(shè)定儲能時間為一分鐘即60秒，那么，卷揚(yáng)機(jī)應(yīng)具備的拉力為31.4噸加I噸源自活塞的重力再加I噸阻力，儲能總功為33400x99=3306600公斤米，也可由活塞所受大氣向下壓力282.6噸加9噸活塞重力加9噸阻力算出儲能總功為300600x11=3306600公斤米，也即33066千焦，儲能功率為33066/60=551.1瓧，考慮一定的冗余量，卷揚(yáng)機(jī)應(yīng)選配輸出功率為600瓧的電動機(jī)。如果按90秒鐘彈射一架飛機(jī)計算，電動機(jī)功率因數(shù)取0.8，耗電量為600/0.8 X 90/3600=18.75度。請注意了:彈射一架重型戰(zhàn)斗機(jī)耗電量竟少于20度！ ！ ！
[0018]有關(guān)真空缸數(shù)據(jù)的計算:真空缸口徑為6米，壁厚取4厘米，外徑為6.08米，高度為16米，那么真空缸的體積為3.14x3.04~2 xl6=464.3立方米，如以304不銹鋼作為制造材料，取其密度8g/cnT3即每立方米8噸，那么真空缸的重量為3.14x(3.04~2 — 3~2)xl6x8=30.9噸，加上大直徑活塞9噸，電動卷揚(yáng)機(jī)10噸，油泵(儲油罐為共用)、滑輪滑索、牽引小車、變速輪、還有圖中沒有標(biāo)示的分段加工連接部和兩條活塞導(dǎo)軌若干噸，總重不過大50多噸不到60噸(重量不是精確計算，在這里多10噸少10噸并沒有多少意義)。又是一個不可思議的驚喜！美國為其當(dāng)代最為高科技的電磁彈射器制定的預(yù)期指標(biāo)為重量225噸、體積425立方米，本發(fā)明簡直可瞬間使其成為廢鐵！
[0019]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明。
[0020]在圖1中，電動卷揚(yáng)機(jī)(I)、牽引小車(2)、大盤索輪(3)、小齒輪(4)、大齒輪(5)、小盤索輪(6)、大直徑活塞(7)、大口徑真空缸(8)、導(dǎo)油管(9)、電磁閥(10)，油泵(11)，儲油罐(12)依次連接。進(jìn)行彈射操作時，使?fàn)恳≤?2)處于牽引終點(diǎn)，活塞(7)處于下止點(diǎn)。打開電磁閥(10)，開動油泵(11)，機(jī)油經(jīng)導(dǎo)油管(9)注入真空缸(8)底部，氣體通過裝于活塞(7)圓頂?shù)膯蜗蜷y(17)排出，繼續(xù)注油，使之溢滿活塞(7)上面的油槽(16)，各油槽注油高度通過油面平衡孔(18)的自由流動達(dá)成一致，關(guān)閉電磁閥(10)和油泵(11)。起動電動卷揚(yáng)機(jī)(I )，待電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定，離合器閉合，系統(tǒng)進(jìn)入儲能運(yùn)行:卷揚(yáng)機(jī)(I)拉動牽引小車(2 )開始回位，驅(qū)動大盤索輪(3 )放索、轉(zhuǎn)動，經(jīng)小齒輪(4 )、大齒輪(5 )減速后帶動小盤索輪(6 )轉(zhuǎn)動、盤索,拉動活塞(7 )緩慢上升,直至達(dá)到上止點(diǎn)、牽引小車(2 )回到彈射起點(diǎn)由位持器抓牢，離合器脫開，儲能運(yùn)行結(jié)束。將飛機(jī)就位，前輪彈射連桿卡入牽引小車(2)上的滑塊卡口，飛機(jī)發(fā)動機(jī)開足加力，釋放位持器，活塞(7)在大氣壓力和自身重量的作用下驅(qū)動小盤索輪(6)放索、轉(zhuǎn)動，經(jīng)大齒輪(5)、小齒輪(4)加速后帶動大盤索輪(3)轉(zhuǎn)動、盤索，拉動牽引小車(2)及飛機(jī)快速前行，直至飛機(jī)起飛。此時，活塞(7)周邊刺入真空缸(8)底部油層，逼迫油液向中間和球冠頂部涌動，直至油液從單向閥(17)溢入油槽(16)，活塞(7)也受到油液的阻力而停下。與此同時，卷揚(yáng)機(jī)(I)上的剎車裝置啟動使?fàn)恳≤?2)停下。卷揚(yáng)機(jī)(I)的電動機(jī)在彈射間隔期間保持運(yùn)行，可在活塞(7)剎車后馬上閉合離合器進(jìn)入下一個彈射循環(huán)。
【權(quán)利要求】
1.一種真空儲能式固定翼飛機(jī)起飛彈射器，采用與以往任何彈射器不同的真空儲能方式，由帶有離合器和剎車功能的電動卷揚(yáng)機(jī)、連著滑塊的牽引小車、大小盤索輪和大小齒輪組成的變速裝置、大直徑活塞、大口徑直立式真空缸、油泵、儲油罐等組成，各部分通過滑輪滑索或?qū)Ч茼樞蜻B接；其中大口徑直立式真空缸為上端開口下端封閉的圓柱形，缸底封閉端采用球冠的抗壓設(shè)計，球冠最低點(diǎn)有一導(dǎo)管依次與電磁閥、油泵、儲油罐相連；大直徑活塞外形上是與大口徑真空缸相匹配的圓柱形，而內(nèi)部按抗壓設(shè)計為球冠形，圓柱形四周表面分為上中下三個部分，下部裝有活塞環(huán)，上部為穩(wěn)定環(huán)，中部除支撐穩(wěn)定環(huán)的支柱外是空的，這部分空間與真空缸壁組成油槽。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真空儲能式固定翼飛機(jī)起飛彈射器，其特征是:大直徑活塞上的油槽被穩(wěn)定環(huán)支撐柱和活塞加強(qiáng)樑分割成相同的若干部分，活塞加強(qiáng)樑近油槽底部有油面平衡孔，活塞球冠頂部有一單向閥或電磁閥用于排氣和溢油，溢出的油流入周邊的油槽，起潤滑和密封作用。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的真空儲能式固定翼飛機(jī)起飛彈射器，其特征是:變速裝置由小盤索輪、大齒輪、小齒輪和大盤索輪組成，可整體被靈活安裝在恰當(dāng)?shù)奈恢茫笾睆交钊ㄟ^鋼索連接固定于小盤索輪的一邊上，為保證彈射牽引力保持恒定，大小盤索輪的寬度以鋼索不疊層為準(zhǔn)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的真空儲能式固定翼飛機(jī)起飛彈射器，其特征是:當(dāng)小盤索輪被強(qiáng)力轉(zhuǎn)動，鋼索被盤在小盤索輪上，使活塞從下止點(diǎn)開始上升，直至達(dá)到上止點(diǎn)，此時,大口徑真空缸內(nèi)部處于完全真空狀態(tài)，大直徑活塞受到大氣巨大的向下壓力，加上活塞自身的重力，已經(jīng)積累了巨大能量，可以用來彈射飛機(jī)起飛。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的真空儲能式固定翼飛機(jī)起飛彈射器，其特征是:由于變速裝置的作用，在彈射過程中大直徑活塞的下行速度并沒有很快，接近下止點(diǎn)時，活塞周邊率先刺入大直徑真空缸底部油層，逼迫油液向中間和球冠頂部涌動，直至油液從單向閥溢入油槽，活塞也受到油液的阻力慢慢停下。
【文檔編號】B64F1/06GK204264463SQ201420432116
【公開日】2015年4月15日 申請日期:2014年8月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月2日
【發(fā)明者】王振川 申請人:王振川