專利名稱：螺旋飛輪彈射器及其應用的制作方法
技術領域：
:本發(fā)明涉及新型飛輪和航母艦載機的新型飛輪彈射器，以及新型彈射器的其他應用。
背景技術：
:現(xiàn)有飛輪為圓盤形的結構，圓盤的中心為飛輪中軸，飛輪旋轉的動能通過中軸輸入或輸出。各種發(fā)動機上往往采用飛輪平穩(wěn)機器轉速；沖床利用飛輪儲存的動能瞬間產(chǎn)生巨大的沖力。早期戰(zhàn)列艦、重巡洋艦上的艦載機大部分采用飛輪儲能式彈射器，美國早期的航母也使用了飛輪儲能彈射器，這種彈射器當時在技術上已經(jīng)較為成熟了，后來被功率更大的液壓彈射器所取代。二戰(zhàn)后，噴氣式艦載機對彈射功率更高的要求，催生了蒸汽彈射器，目前這一技術已沿用了 50余年，一直被美國所壟斷。在40年代開發(fā)蒸汽彈射器的同時，美國曾進行過超大型的飛輪儲能彈射器和電動彈射器的開發(fā)和實驗。理論上飛輪儲能彈射器可以達到很高的功率，但因(飛輪與纜索絞盤之間的)高速離合器的技術難題得不到解決而很快被放棄?，F(xiàn)在熱門的電磁彈射器，所運用的是飛輪儲能和直線電機技術，美國目前已在新一代航母上安裝、實驗。從本質上來講，各種彈射器都包括儲能和彈射兩大部分:a.飛輪式彈射器的儲能部分是飛輪，彈射部分是纜索絞盤；b.蒸汽彈射器的儲能部分是高溫、高壓儲氣罐，彈射部分是巨大的超長氣缸；
c.電磁彈射器的儲能部分是飛輪或蓄電池，彈射部分是直線電機。上述各種彈射技術共同的難點是:彈射瞬間，巨大的能量從儲能器向彈射器爆發(fā)式地傳輸，并要求這種傳輸過程是穩(wěn)定、可控的
發(fā)明內容
:本發(fā)明的螺旋飛輪彈射器由螺旋飛輪、飛輪基座、驅動主機、掛纜裝置、牽引纜索、滑車和緩沖器所構成。上述螺旋飛輪，采用飛輪與螺旋形纜索絞盤一體化的結構，包括兩種結構形式:
1.一體化螺旋飛輪——飛輪與纜索絞盤完全融為一體，其外形為圓錐體，(圓錐角大于140度，參見附圖1)，飛輪的中軸穿過圓錐體的中心；靠近中軸的錐面過渡為錐度較小的頸部；在圓錐面上具有螺旋形的纜索槽，從錐面頸部一直延伸到飛輪的邊緣，并平滑過渡為飛輪邊緣的環(huán)形纜索槽；在螺旋形纜索槽的始端設有掛纜樁；在纜索槽的末端設有纜索尾部夾緊裝置；螺旋飛輪通過配平，實現(xiàn)動平衡。2.分體式螺旋飛輪一飛輪與螺旋形纜索絞盤各自獨立，兩者通過中軸和栓鎖機構牢固地連接為一體，在螺旋形纜索槽的始端和末端同樣設有掛纜樁和纜索尾部夾緊裝置。螺旋飛輪彈射器的關鍵，在于實現(xiàn)了儲能與彈射功能的一體化:直接通過纜索將螺旋飛輪儲存的巨大能量穩(wěn)定地傳遞給彈射起飛的艦載機。由于避免了巨大能量在儲能器與彈射器之間的轉化與劇烈傳輸，使彈射效率比蒸汽彈射器提高10倍以上，并大大簡化了控制環(huán)節(jié)和彈射系統(tǒng)的結構。螺旋形纜索槽的總長等于艦載機彈射距離的1.1 1.3倍，等于牽引纜索長度的
1.0 1.1 倍。彈射過程簡述:飛輪在主機的驅動下達到預定轉速后，主機與飛輪之間的離合器分離，飛輪依靠其巨大的慣性旋轉；實施彈射時，掛纜機構將牽引纜索的頭部掛接到飛輪頸部的掛纜樁上，(事先，牽引纜索的尾部鎖定于滑車的“鎖纜裝置”上，此時滑車處于彈射的起點。)由于飛輪正在持續(xù)旋轉，纜索隨即被纏繞到飛輪頸部的纜索槽中，并沿著螺旋形的纜索槽被一直收卷下去；纜索的尾部接近飛輪時，滑車的鎖纜裝置將纜索尾部釋放，滑車釋放纜索后隨即緊急剎車；被滑車牽引的艦載機此時已達到起飛速度，并脫離滑車起飛。纜索尾部釋放后被收卷到飛輪的纜索槽中，并被飛輪邊緣的夾緊裝置夾住，這樣整條牽引纜索都被纏繞在飛輪的纜索槽中，并隨著飛輪旋轉。上述滑車依靠安裝于飛輪附近的強力緩沖器來減速和剎車。在彈射開始時，牽引纜索頭部被掛接在旋轉的飛輪頸部，頸部的半徑較小，隨著飛輪的旋轉，纜索沿著螺旋形纜索槽被迅速收卷，收卷半徑P (也就是螺旋線的極徑)越來越大，纜索收卷的線速度(V= ω P)也隨之增大，這樣飛輪就通過纜索和滑車牽引著艦載機不斷加速，直至纜索卷入飛輪邊沿的環(huán)形纜索槽，收卷半徑不再增大，纜索尾部與滑車分離，滑車剎車，而艦載機在噴氣發(fā)動機的推力下繼續(xù)加速，與滑車脫離并從甲板起飛。(參見附圖4螺旋飛輪彈射過程示意圖)由此可見，螺旋飛輪彈射器由于其獨特的結構，具有儲能與彈射的雙重功能，徹底消除了現(xiàn)有彈射器的技術瓶頸一要在瞬間將巨大能量從儲能器向彈射器傳輸，并須保持穩(wěn)定可控。螺旋飛輪初始轉速的確定:在飛輪彈射過程結束的瞬間，艦載機的速度與飛輪邊沿的線速度相等，這樣就確定了在彈射過程結束時飛輪的轉速和飛輪剩余的動能E1 ;飛輪的動能E = 0.5Jco2，J為飛輪的轉動慣量，ω為飛輪轉動的角速度。由艦載機的起飛重量、彈射過程的末速度，可以算出艦載機彈射過程中所需輸入的能量:Ε2 = 0.5mv2-FS式中m:艦載機的質量V:艦載機的彈射末速度F:艦載機自身發(fā)動機的推力S:彈射距離
飛輪的初始動能Eci=EJVWE1:彈射后飛輪的剩余動能E2:艦載機彈射過程中所輸入的能量W:彈射過程中的能量損耗W = WW3W1:彈射過程中飛機的氣動阻力和飛輪的氣動阻力所產(chǎn)生的損耗。W2:纜索、滑車所增加的動能。W3:纜索、滑車和飛機輪子所產(chǎn)生的摩擦損耗。飛輪的初始動能確定后，即可計算飛輪的初始轉速:將式Etl = 0.5Jgjq2(coq為飛輪初始角速度)代入:Eq= E1+E2+W
可得:0.5Jco ω。2 = E1+E2+W由此可算出飛輪的初始角速度ω。。


:圖1.一體化螺旋飛輪的三面圖。圖2.掛纜機構示意圖。圖3.牽引纜索頭示意圖。圖4.螺旋飛輪彈射過程示意圖:a.彈射初始階段b.彈射中段狀態(tài)c.彈射末段狀態(tài)d.彈射起飛階段圖5.彈射器主體結構示意圖。圖6.纜索尾部鎖緊裝置示意圖。圖7.牽引纜索尾部控制機構示意圖。圖8.分體式螺旋飛輪的剖視圖。圖1至圖7中的標注含義:(I)螺旋飛輪(11)飛輪主軸(12)螺旋形纜索槽(121)纜索槽截面(13)輪周
(14)輪輻(15)飛輪頸部(16)掛纜樁(17)尾部鎖緊裝置(171)弧形夾鉗(172)夾鉗彈簧(18)定位標志(19)光電檢測器(2)牽引纜索(21)牽引纜索頭(211)掛纜孔(22)牽引纜索尾部(3)掛纜引導輪(31)定滑輪(32)動滑輪(33)阻尼器(4)牽引滑車(41)滑車鎖纜裝置(42)滑車導軌(43)纜索尾部引導槽(44)纜索尾部卷盤(5)飛輪基座(51)纜索壓輪(52)緩沖器(6)驅動主機(61)離合器(7)艦載機(8)飛行甲板(9)圓盤飛輪(91)螺旋形纜索絞盤(92)栓鎖機構
具體實施方式
:以下以一個具體實例闡述發(fā)明的實施方式。本例采用一體化的螺旋飛輪為彈射器主體，飛輪的半徑R = 3.5米飛輪的質量m = 20 X IO3千克飛輪的慣量半徑r = 2.5米飛輪的轉動慣量J = mr2 = 20 X IO3X 2.52 = 125 X IO3 (千克米 2)設定艦載機的彈射起飛速度V = 306公里/小時(85米/秒)因此，彈射過程結束時，飛輪邊沿的線速度也是85米/秒，則飛輪的角速度ω =V/R = 85/3.5 = 24.3(弧度 / 秒)1.彈射后飛輪的剩余動能E1 = 0.5J ω2 = 36.9 (兆焦)2.艦載機從飛輪吸收的能量E2:設:艦載機全重40噸，發(fā)動機平均推力12噸，彈射距離80米。E2 = 0.5mv2-FS = 135.1 (兆焦)3.彈射過程中的能量損耗W:
①設:彈射過程中，飛機和飛輪的氣動阻力損耗為I兆焦(可通過實驗測算修正。)②設:纜索重1.5噸，滑車重I噸纜索、滑車所增加的動能W2 = 0.5Λ ω2+0.5mv2 = 6兆焦(纜索增加的動能等于纜索纏繞在飛輪上，隨飛輪旋轉的動能。J1為纜索纏繞在飛輪上的轉動慣量，m為滑車質量)③纜索、滑車、飛機輪子的摩擦損耗W3:不大于I兆焦。

彈射過程總損耗W = ffi+ff^ffs = 1+6+1 = 8 (兆焦)(飛輪彈射過程中總的能量損耗，可以通過彈射模擬負載進行測試。)飛輪的初始動能E0 = E^E2+! = 36.9+135.1+8 = 180 (兆焦)求飛輪的初始轉速:Eq = 0.5J ω 02ω = (2E0/J)1/2 = 53.66 (弧度 / 秒)彈射過程中飛輪輸出的能量Equt = E2+ff = 143.1 (兆焦)通過以上實例，簡單闡述了螺旋飛輪彈射器的主要參數(shù)，根據(jù)彈射負載的要求(艦載機質量、彈射起飛速度)如何計算飛輪的初始轉速。以下具體描述新型彈射器各部分的結構及工作原理。一體化螺旋飛輪的結構:如圖1A所示:螺旋飛輪(I)總體上呈圓錐形，在圓錐面上加工出螺旋形的纜索槽
(12)，螺旋飛輪(I)的中央為飛輪主軸(11)。圖1B為螺旋飛輪(I)的剖視圖，靠近飛輪主軸(11)的圓錐面為錐度較小的飛輪頸部(15)。圖中(121)為飛輪纜索槽截面放大的視圖。圖1C為螺旋飛輪⑴的背面視圖:輻射狀的6根輻條為輪輻(14)，用于加強飛輪的整體強度和剛性；周邊的一圈為輪周(13)，用于提高飛輪的強度，并加大飛輪的慣量矩。飛輪的掛纜機構:彈射過程開始時，必須將纜索頭準確地掛接到轉動的飛輪頸部。為此，如圖2A所示:在飛輪頸部(15)的纜索槽起始端設置掛纜樁(16)，在飛輪頸部上方安裝掛纜引導輪
(3)。在飛輪主軸(11)的正下方安裝了光電檢測器(19)。牽引纜索頭(21)預先卡在掛纜引導輪(3)的邊緣，光電檢測器(19)由定位標志
(18)測出掛纜樁(16)通過飛輪正下方的時間，以及飛輪的轉速。掛纜時，由電腦控制掛纜弓丨導輪⑶適時啟動，使牽引纜索頭(21)轉到主軸(11)正上方的交匯點A時，準確掛接在飛輪頸部的掛纜樁(16)上，如圖2B所示。掛接瞬間，掛纜樁的線速度略大于牽引纜索頭的線速度。牽引纜索頭如圖3所示:牽引纜索頭(21)與纜索(2)端部牢固連接，纜索頭上設有掛纜孔(211)。牽引纜索頭(21)前半部翹起，以便于掛纜。掛纜時，掛纜樁(16)插入掛纜孔(211)，使牽引纜索頭(21)被掛在飛輪頸部，從而牽引纜索被飛輪所卷繞。牽引纜索(2)的抗拉強度高(達200噸以上)，重量要輕，柔韌度要好，采用凱夫拉纖維制成的纜索可達到上述要求。圖2中，動滑輪(32)和定滑輪(31)是用于將牽引纜索(2)繃緊，并起引導作用的，阻尼器(33)可發(fā)揮繃緊纜索和阻尼的作用，減輕掛纜瞬間所產(chǎn)生的沖擊力，以上機構組成掛纜緩沖器。圖2A所示為掛纜前的準備狀態(tài)；圖2B為掛纜樁(16)掛住牽引纜索頭(21)瞬間的狀態(tài)。掛纜引導輪(3)如何適時啟動才能實現(xiàn)準確掛纜呢？以下詳細說明:設牽引纜索頭(21)的旋轉半徑與掛纜樁(16)的旋轉半徑相等。彈射前，螺旋飛輪的轉速為ω i (勻速轉動)參見圖2:掛纜樁(16)從主軸(11)的正下方旋轉到正上方，所用的時間L=Ji/
CO1實現(xiàn)準確掛纜的條件有兩條:1.牽引纜索頭(21)和掛纜樁(16)同時到達交會點A。2.掛纜瞬間，掛纜樁(16)的線速度略大于牽引纜索頭(21)的線速度。設ω2為掛纜引導輪⑶的瞬時角速度。當光電檢測器檢測到定位標志(18)通過飛輪主軸正下方時(參見圖2a)掛纜引導輪(3)立即啟動，勻加速旋轉，角加速度為dco2/dt。當纜索頭(21)到達交匯點A時，所用的時間也是h (即π/ωι)則到達交匯點時ω2 = (dc^/dt)!^令:到達交匯 點時ω2 = OJco1 (為滿足準確掛纜的第二個條件)則有(dω 2/dt) = 0.9 ω i(d ω 2/dt) ( π / ω 丄)=0.9 ω j因此dco2/dt = 0.9 ω J/Ji在&期間纜索頭(21)所轉過的角度為Φ (參見圖2a)Φ = 0.5 (d ω 2/dt) = 0.5 (0.9 ω ji ) ( ji / ω ^2 = 0.45 π由此可見:在上述條件下，不論飛輪的轉速為多少，彈射啟動前，掛纜引導輪(3)保持纜索頭(21)到交匯點A的角距離為固定值(Φ = 0.45 π)，掛纜引導輪(3)啟動后的角加速度為0.9 // π ;這樣就滿足了實現(xiàn)準確掛纜的兩個條件。改變初始條件(例如改變光電檢測器(19)的位置；改變掛纜引導輪(3)的半徑等)可以得出不同的角距離Φ和角加速度，但實現(xiàn)準確掛纜的原理相同。一體化螺旋飛輪的解纜:彈射過程結束后，需將纏繞在飛輪上的纜索迅速解下，以便下一次彈射。為此，可利用剎車裝置使飛輪停下后再解纜，但剎車和解纜時間較長，延長了彈射周期。為此，設計了一種解纜裝置，可在3-5秒內完成解纜。(具體方法不在本發(fā)明方案中。)螺旋飛輪彈射器的彈射過程:圖4a所示為彈射初期階段:艦載機(7)掛接在滑車(4)后面，滑車連接著牽引纜索(2)的末端，牽引纜索頭部掛上了飛輪頸部的掛纜樁，隨著飛輪的持續(xù)轉動，纜索開始卷入飛輪上的螺旋形纜索槽。飛輪的正上方，緊挨飛輪邊緣的是纜索壓輪(51)，用于將纜索尾部壓入纜索槽中安裝的尾部鎖緊裝置。飛輪的左上方安裝了緩沖器(52)，用于滑車的緩沖、停車。圖4b所示為彈射中段狀態(tài):牽引纜索(2)已卷入螺旋形纜索槽的中段，牽引纜索末端連接的滑車(4)牽引著艦載機(7)加速前沖。圖4c所示為彈射末段狀態(tài):牽引纜索(2)已基本卷入螺旋形纜索槽中，艦載機
(7)已加速到起飛速度；滑車(4)接近飛輪(I)上方，即將釋放牽引纜索尾部(22)。
圖4d所示為彈射起飛階段:牽引纜索尾部(22)已脫離滑車(4)，被卷入螺旋飛輪的纜索槽中；滑車與艦載機(7)分離，艦載機依靠慣性和自身發(fā)動機的推力繼續(xù)加速起飛；滑車被緩沖器(52)截停。一體化螺旋飛輪彈射器的主體結構:如圖5所示，飛輪主軸(11)的兩端安裝于飛輪基座(5)上，掛纜引導輪(3)安裝于基座(5)上靠近螺旋飛輪(I)頸部的位置；驅動主機(6)也安裝于基座(5)上。在新一輪彈射準備期，驅動主機(6)與飛輪之間的離合器￠1)閉合；閉合前，主機的轉速調整到與飛輪轉速一致，(離合器閉合瞬間無功率傳輸。)閉合后，主機帶動飛輪不斷加速，直至所需的彈射速度。這一加速過程可持續(xù)10 30秒，由驅動主機的功率和所需的彈射能量決定。在彈射前，離合器分離。飛輪的彈射過程持續(xù)1.5 3秒，隨后立即進入解纜過程…如此往復循環(huán)彈射。圖5所示為飛輪垂直安裝的結構；實際上，也可根據(jù)航母結構的需要，采用水平安裝的結構。牽引纜索尾部的控制:參見圖6:在彈射過程即將結束，滑車⑷沿著滑車導軌(42)接近螺旋飛輪(I)時，滑車上的鎖纜裝置(41)釋放，為控制高速運動的纜索尾部(22)，在滑車上裝有纜索尾部卷盤(44)，纜索尾部卷繞在卷盤(44)上，當滑車鎖纜裝置(41)釋放后，卷盤(44)減緩了纜索尾部釋放時的沖擊力，纜索尾部釋放后穿過纜索尾部引導槽(43)被卷繞到螺旋飛輪(I)邊緣的纜索槽中，安裝于飛輪上方的纜索壓輪(51)將纜索尾部壓緊在纜索槽中，并被飛輪邊緣安裝的多個尾部鎖緊裝置(17)鎖緊。滑車導軌(42)安裝于飛行甲板(8)的下方。

尾部鎖緊裝置(17)順著螺旋飛輪(I)邊緣的纜索槽安裝，其截面如圖7所示:鎖緊裝置(17)由左右對稱的弧形夾鉗(171)和夾鉗彈簧(172)構成，夾鉗的唇部向外張開，便于纜索被壓入夾子口中，從而被可靠約束；弧形夾鉗(171)兩側的夾鉗彈簧(172)提供了足夠的夾緊力。尾部鎖緊裝置(17)還可采用液壓或氣動鎖緊機構。螺旋形纜索槽的曲線形狀的確定:螺旋飛輪彈射器在彈射過程中，各時刻的加速度由螺旋槽的曲線形狀決定:1.如果采用阿基米德螺旋線(極坐標方程為P = Φ+&式中P為極徑；Φ為極角，Φ = t,R0為t = 0時的極徑，在本例中為飛輪中軸的半徑)。如果飛輪總是勻速轉動，則ω為常數(shù)，纜索卷繞速度V= ω P = ω (cot+ΙΟ，說明纜索被勻加速收卷；但是，飛輪在彈射過程中將動能傳遞給了艦載機，轉速ω會降低，因此加速度會遞減，不能滿足勻加速彈射的條件。2.為保證艦載機在彈射過程中基本上是勻加速的，可采用極徑P加速擴張的螺旋線(螺旋線的間距從內到外逐漸增大)，其極坐標方程為:P = at+bt2+R。式中 a、b、R。都為常數(shù)。由于螺旋線極徑的加速擴張，也就是卷繞半徑的加速擴張，具有使牽引加速度上升的趨勢，適當選擇常數(shù)a、b就可以抵消飛輪轉速下降的影響，使艦載機接近于勻加速彈射。3.采用有限元法可以更準確地設計螺旋槽的曲線形狀:
例如:將全部彈射時間t分為m段，每段時間為At(本例中，設t = 2秒，m =1000，則At = 2毫秒)分別求出每段時間末螺旋曲線的極徑和極角，即可準確描繪出整條螺旋曲線:由艦載機的瞬時速度Vt = At(A為彈射加速度，t為彈射時間)，可得:％、\、…Vf (1≤η≤m，η為整數(shù)，以下同；Vn為tn時刻艦載機的瞬時速度) 由艦載機的動能E = 0.5mVt2可得:E1^E2,…E1/" (En為tn時刻艦載機的動能)由:Pn= P0- (En+ 彈射損耗)·
Pn:tn刻飛輪的動能P。:飛輪的初始動能η = 1,2,3,...m可得:ΡρΡ2、"乂…(1≤η≤m，PnStn時刻飛輪的動能)由Pn = 0.5Jcon2 可得:ω2>…ω η...( ω η為tn時刻飛輪的角速度)由pn=Vn/ωη 可得:P P 2>…P η...( P η為tn時刻螺旋線的極徑)由 θ η= ω i Δ t+ ω2 Δ t...ωηΔ t = ( ω ^ω2...ωη) Δ t (本例中 Δ t = 2 毫秒)可得θ 2、…θ η...( θ η為tn時刻螺旋線的極角)將極座標(P1, QKp2, θ2)…(Ρη，θη)...(pffl, θω)的各點用平滑曲線連接起來就得到一條完整的螺旋曲線。欲獲得更精確的曲線，可選擇更多點。上述各點的極座標的求解過程，可編制成計算機程序，很方便的完成。在彈射的初始階段，加速度應從小到大逐漸增加，以減少飛行員的不適感和對艦載機的強烈沖擊，為此螺旋線的初始段應作適當修正:開始0.2 0.3秒內，極徑P的增長應較慢，與此相適應，在初始段，螺旋形纜索槽纏繞于錐度較小的飛輪頸部。螺旋槽的末段也作適當修正，使其平滑地過渡到飛輪邊緣的環(huán)形纜索槽，這樣使彈射過程結束時，艦載機受力變化較平緩。在彈射過程中，對于各個階段的加速度，蒸汽彈射器需要通過專用軟件和復雜的執(zhí)行機構(包括多個閥門)來控制；電磁彈射器也需要通過專用軟件和電力電子器件來控制；而新型彈射器是通過螺旋形纜索槽的曲線形狀來事先設定的，彈射過程中不需要任何干預，這樣就大大簡化了彈射器的控制系統(tǒng)，并顯著提高系統(tǒng)運行的可靠性。當然，對于某一個螺旋飛輪，它的螺旋曲線形狀是固定的，只對于所需彈射能量在一定范圍內的艦載機具有勻加速彈射特性；對于所需彈射能量大于這一范圍的艦載機，飛輪的初始轉速較高，彈射過程中，飛輪的轉速下降較快，彈射加速度有一個從高到低的變化過程；對于所需彈射能量小于這一范圍的艦載機，飛輪的初始轉速較低，彈射過程中，飛輪的轉速下降較慢，彈射加速度有一個從低到高的變化過程。但這一變化是非常平穩(wěn)的，只要最大加速度不大于3g(即不大于飛行員和艦載機的最大承受能力)，就可以按預定速度完成彈射起飛。對于所需彈射能量很小的無人機來說，起飛速度較低，飛輪初始轉速較低，而彈射距離不變，所以最大加速度很低，可以順利完成彈射起飛。分體式螺旋飛輪的結構:圖8為分體式螺旋飛輪的剖視圖:圓盤飛輪(9)與螺旋形纜索絞盤(91)各自獨立，兩者通過飛輪主軸(11)和拴鎖機構(92)牢固地連接為一體；在螺旋形纜索絞盤(91)的錐面上設有螺旋形纜索槽，在螺旋形纜索槽的始端和末端同樣設有掛纜樁和纜索尾部夾緊裝置。在儲能和彈射的過程中，飛輪和纜索絞盤結合為一體，與一體化螺旋飛輪的工作模式完全相同；彈射完成后，絞盤可與飛輪脫離，便于解纜。螺旋飛輪彈射器的特點:1.彈射器輸出能量范圍寬:上述實例為5 200兆焦。2.彈射重量適應范圍廣:1 50噸。3.彈射起飛速度可調:60 360公里。4.彈射系統(tǒng)重量較輕:上述實例為120噸以下。(蒸汽彈射器總重為500噸以上)5.彈射效率高:不低于70%。(蒸汽彈射器的效率僅為5% )6.彈射周期:15 40秒(由艦載機所需彈射能量和主機驅動功率決定)7.新型彈射器制造工藝相對簡單，制造成本為蒸汽彈射器的1/5以下。螺旋飛輪彈射器的其他應用:新型彈射器的滑車導軌可水平安裝，也可傾斜或垂直安裝，因此既可水平彈射，也可傾斜或垂直彈射。而且由于新型彈射器的成本低，彈射能量可大可小，使其可應用于以下領域:a.無人機的彈射起飛b.前線機場中，戰(zhàn)機的短距起飛:在機場跑道遭到嚴重破壞時，艦載機可依靠彈射器在不足100米的跑道上起飛。還可以將機庫設于地下或山洞中，戰(zhàn)機從洞中彈射起飛，從而大大提高前線機場的抗打擊能力。c.導彈的冷發(fā)射:實現(xiàn)導彈的彈射起飛，可消除導彈發(fā)射初期的紅外輻射，增加導彈陣地(或軍艦)的隱蔽性，并提高導彈的射程。
權利要求
1.螺旋飛輪彈射器由螺旋飛輪、飛輪基座、驅動主機、掛纜裝置、牽引纜索、滑車、滑車導軌和緩沖器所構成，其特征在于:螺旋飛輪采用了飛輪與螺旋形纜索絞盤一體化的結構，包括以下兩種結構形式:1.一體化螺旋飛輪一飛輪與纜索絞盤完全融為一體，其外形為圓錐體，飛輪的中軸穿過圓錐體的中心；靠近中軸的錐面過渡為錐度較小的頸部；在圓錐面上具有螺旋形的纜索槽，從錐面頸部一直延伸到飛輪的邊緣，在螺旋形纜索槽的始端設有掛纜樁，末端設有纜索尾部夾緊裝置；螺旋飛輪通過配平，實現(xiàn)動平衡；2.分體式螺旋飛輪——飛輪與螺旋形纜索絞盤各自獨立，兩者通過中軸和栓鎖機構牢固地連接為一體，在螺旋形纜索槽的始端和末端同樣設有掛纜樁和纜索尾部夾緊裝置；螺旋飛輪彈射器可用于艦載機的彈射起飛，前線機場戰(zhàn)機的短距離彈射起飛，導彈的冷發(fā)射。
2.根據(jù)權利要求1所述的螺旋飛輪彈射器，其特征在于:掛纜裝置由飛輪頸部上方安裝的掛纜引導輪、飛輪主軸的正下方安裝的光電檢測器，以及掛纜緩沖器所組成；實施彈射時，牽引纜索頭(21)預先 卡在掛纜引導輪(3)的邊緣，光電檢測器(19)經(jīng)由定位標志(18)測出掛纜樁(16)通過飛輪正下方的時間，以及飛輪的轉速；掛纜時，由電腦控制掛纜引導輪(3)適時啟動，使牽引纜索頭(21)準確掛接在飛輪頸部的掛纜樁(16)上。
3.根據(jù)權利要求1所述的螺旋飛輪彈射器，其特征在于:掛纜裝置在彈射啟動前，掛纜引導輪(3)保持纜索頭(21)到交匯點A的角距離為固定值(0.45π)，當光電檢測器(19)檢測到定位標志通過時，掛纜引導輪(3)立即啟動，啟動后的角加速度為0.9ω 12/31，從而實現(xiàn)準確掛纜。
4.根據(jù)權利要求1所述的螺旋飛輪彈射器，其特征在于:實施彈射時，飛輪的預定轉速ω由下式所決定:0.5J ω2 = E^E2+! J為飛輪的慣量矩，ω為飛輪轉動的角速度 E1:彈射后飛輪的剩余動能 E2:艦載機彈射過程中從飛輪所獲取的能量 W:彈射過程中的能量損耗。
5.根據(jù)權利要求1所述的螺旋飛輪彈射器，其特征在于:滑車(4)上裝有纜索尾部卷盤(44)，牽引纜索尾部(22)卷繞在上面，在彈射過程中，滑車鎖纜裝置(41)將纜索尾部鎖緊，彈射末期鎖纜裝置(41)將纜索尾部釋放，纜索尾部卷盤(44)可減緩纜索尾部釋放的沖擊力；纜索尾部釋放后被卷入飛輪邊緣的纜索槽中，并被尾部鎖緊裝置(17)鎖緊。
6.根據(jù)權利要求1所述的螺旋飛輪彈射器，其特征在于:飛輪的主軸(11)的兩端安裝于飛輪基座(5)上，掛纜引導輪(3)安裝于基座(5)上靠近飛輪(I)頸部的位置；驅動主機(6)也安裝于基座(5)上；在新一輪彈射準備期，驅動主機(6)與飛輪之間的離合器(61)閉合；閉合前，主機的轉速 調整到與飛輪轉速一致；閉合后，主機驅動飛輪不斷加速，直至所需的彈射速度；在彈射前，離合器分離。
7.根據(jù)權利要求1所述的螺旋飛輪彈射器，其特征在于:螺旋形纜索槽的曲線形狀可采用有限元法準確地設計:將全部彈射時間t分為m段，每段時間為At，分別求出每段時間末螺旋曲線的極徑和極角，即可準確描繪出整條螺旋曲線: 由艦載機的瞬時速度Vt = At (A為彈射加速度，t為彈射時間)，可得:VpV2、…V1/-(I彡η彡m，η為整數(shù)，以下同；Vn為tn時刻艦載機的瞬時速度)由艦載機的動能E = 0.5mVt2可得: EpE2、…E1/" (En為tn時刻艦載機的動能) 由:tn刻飛輪的動能 Pn =飛輪的初始動能-(tn時刻艦載機吸收的動能+彈射損耗) 可得H -Pn- (PnS、時刻飛輪的動能)由 Pn = 0.5J ω n2 可得: ω 、ω2、…ωη...0nStn時刻飛輪的角速度) 由P η = νη/ωη可得: P 1> P 2>…P η...( P η為tn時刻螺旋線的極徑)由 θη= ω I Δ t+co2 Δ t...ωηΔ t = (Q1+ ω 2...ωη) Δ t 可得:9:、θ 2>…θ η...( θ η為tn時刻螺旋線的極角) 將極座標(P1, 0:), (ρ2, θ2)…(ρη，θη)…的各點用平滑曲線連接起來就得到一條完整的螺旋曲線； 按上述曲線設計的螺旋形纜索槽可實現(xiàn)勻加速彈射。
8.根據(jù)權利要求1所述的螺旋飛輪彈射器，其特征在于:滑車導軌可水平安裝，也可傾斜或垂直安裝，因此既可水平彈射，也可傾斜或垂直彈射；除彈射艦載機彈射以外，還可應用于以下領域: a.無人機的彈射起飛； b.前線機場中，戰(zhàn)機的短距起飛: c.導彈的冷發(fā)射: 導彈采用彈射起飛，可消除導彈發(fā)射初期的紅外輻射，增加導彈陣地(或軍艦)的隱蔽性，并提高導彈的射程。
全文摘要
本發(fā)明——螺旋飛輪彈射器及其應用，涉及艦載機彈射器。傳統(tǒng)的艦載機彈射器分為儲能和彈射兩大部分，技術難點在于彈射瞬間，巨大的能量從儲能器向彈射器爆發(fā)式地傳輸，并要求這種傳輸過程是穩(wěn)定、可控的。本發(fā)明實現(xiàn)了儲能與彈射功能的一體化，直接通過纜索將螺旋飛輪儲存的巨大能量穩(wěn)定地傳遞給彈射起飛的艦載機；由于避免了巨大能量在儲能器與彈射器之間的轉化與劇烈傳輸，使彈射效率比蒸汽彈射器提高10倍以上；既可彈射重型艦載機，也可彈射無人機；彈射器總重比蒸汽彈射器降低2/3以上；并大大簡化了控制環(huán)節(jié)和彈射系統(tǒng)的結構。本發(fā)明還可用于前線機場戰(zhàn)機的短距起飛以及導彈的冷發(fā)射。
文檔編號B64F1/06GK103121509SQ201210597740
公開日2013年5月29日 申請日期2012年12月23日 優(yōu)先權日2012年12月23日
發(fā)明者黃上立 申請人:黃上立