CN102152856A - 大推力倍增加速式气动航母舰载机弹射器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种大推力倍增加速式气动航母舰载机弹射器，采用多个封闭气压缸同时驱动一组钢丝绳收缩，再通过钢丝绳收缩驱动起飞跑道上滑梭滑动来推动舰载机弹射起飞，结构包括舰载机起飞跑道、滑梭、牵引钢丝绳、若干个气压缸模块组件、高压气管和归位绞车，其中，气压缸模块组件是由固定框架、气压缸、活塞、活塞连杆、滑轮架、驱动滑轮、防脱滑轮和滑块组成，气压缸的缸体固定在固定框架之中，各气压缸的头部交错相对间隔排列，气压缸的尾部通过分电控阀与高压气管连接，和现有技术相比具有结构简单，成本低廉，重量轻、动力转化率高、使用寿命长、节省能源、功率可以调整，起飞距离可以调整，能够适应各种舰载机起飞，(包括轻型飞机和无人机)的特点。

Description

大推力倍增加速式气动航母舰载机弹射器

技术领域

本发明涉及航空母舰配套设备，具体地说是一种大推力倍增加速式气动航母舰载机弹射器。

背景技术

众所周知，现在最先进的舰载机起飞方式是蒸汽弹射起飞。它能够把大型固定翼飞机(如预警机、反潜机)从航空母舰的飞行甲板上弹射出去，而滑跃式甲板就不能让如预警机、反潜机之类大型飞机起飞。航母舰载机蒸汽弹射器是美国购买英国的专利并实施用于航母，目前只有美国能够生产，美国航母舰载机蒸汽弹射器技术指标是，开口汽缸的长度是70-98米，活塞直径是475毫米，蒸汽压力约20公斤，每套售价约2000万美元。

现有技术的蒸汽弹射器存在的不足是1)结构复杂，造价高昂。一台蒸汽动力弹射器总重量近500吨，按功能可以分成7个主要系统：1.起飞系统2.蒸汽系统3.归位系统4.液压系统5.预力系统6.润滑系统7.控制系统。这些系统又可以分解为更多的小系统；2)是对材料、工艺要求很高。现在除美国外，包括英法等海军大国都不能制造，要向美国购买；3)是效率低，耗费大。一次弹射要消耗800——1000公斤蒸汽。产生这些蒸汽先要将海水淡化，再将淡化的水在锅炉里加热成高温高压蒸汽。美国的蒸汽弹射器采用双开缝气缸并行设计，高温高压蒸汽仅仅作用在两个直径为457mm的活塞上，大量高温高压蒸汽仅仅是对两根长98米直径为457mm开缝气缸的填充，而将这些蒸汽转化成活塞的弹射动力只有4-6％，而这4％的动力是在活塞前十米的形成中转化的，剩下2％的动力是活塞在剩下90米的行程中转化成惯性运动，如果以最小间隔进行弹射，需要消耗航母锅炉20％的蒸汽；4)是系统复杂必然带来操作人员多，一部弹射器需要操作人员和维新人员约120人。四部弹射器需要的操作和维修人员多达500多，占全舰编制的10％左右，维修量大，弹射400到500次就需要停飞，由随舰人员进行1-2天的检修)；5)是弹射功率大，功率不能调整，故不能弹射小型飞机(如无人机)……。6)致命的缺点是采用开缝汽缸，活塞通过开缝直接与滑梭联动，造成汽缸容易变形，开缝需要特殊金属密封条进行密封，气密性降低，蒸汽损失量大，金属密封条容易损坏直接影响弹射汽缸的使用寿命。从舰载机起飞对弹射器的要求看，特点是要求在很短的时间内，用很大的功率，暴发式的把很重的飞机以高速度弹射出去。现在最大的蒸汽弹射器的能量是95兆焦耳。它必须在1.5秒到2秒的短时间释放出来！也就说，蒸汽弹射器的功率是47.5兆瓦(47,500千瓦)到63.3兆瓦(63,333千瓦)！而做功时间只有1.5到2秒钟。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足提供一种采用多个封闭汽缸，同时驱动一组钢丝绳，再通过钢丝绳驱动起飞跑道上滑梭滑动推动舰载机弹射起飞的大推力倍增加速式气动航母舰载机弹射器。

本发明的目的是按以下方式实现的，采用多个封闭式气压缸模块组件同时驱动一组牵引钢丝绳收缩来驱动起飞跑道上的滑梭滑动，进而推动舰载机弹射起飞。

该弹射器的结构是由舰载机起飞跑道、滑梭、牵引钢丝绳、若干个气压缸模块组件、高压气管和归位绞车等部件组成，气压缸模块组件是由固定框架、气压缸、活塞、活塞连杆、滑轮架、驱动滑轮、防脱滑轮和滑块组成，气压缸的缸体固定在固定框架之中，各气压缸的头部交错相对间隔排列，气压缸的尾部通过分电控阀与高压气管连接，高压气管的进汽口上设置有三通电控阀，气压缸中设置有活塞，活塞连接活塞连杆，活塞连杆的端部从气压缸的头部伸出与滑轮架连接，驱动滑轮和防脱滑轮通过滑轮轴固定在滑轮架之中，滑轮轴的两端设置有滑块，滑块与设置在固定框架两侧的导向滑槽滑动连接，牵引钢丝绳的一端与锚固滑轮锚固，锚固滑轮与航母船体固定，牵引钢丝绳的另一端从所有驱动滑轮和防脱滑轮之间穿过，再绕过起飞跑道终点换向滑轮与设置在舰载机起飞跑道上的滑梭的一端连接，滑梭的另一端连接归位钢丝绳的一端，归位钢丝绳的另一端绕过起飞跑道起点换向滑轮与归位绞车4连接，归位钢丝绳与舰载机起飞跑道等长；

设置在滑轮架中的驱动滑轮和防脱滑轮至少是一个，相对应连接的钢牵引钢丝绳1至少是一根，具体应根据舰载机的最大起飞重量计算选用钢丝绳的直径和根数。防脱滑轮作用是防止牵引钢丝绳1脱离驱动滑轮。

高压气管中使用的高压气体是空气或蒸汽。

舰载机弹射器弹射的工作原理如下：

设定起飞跑道的长度是L，气压缸的数量是n，活塞连杆的长度是l，n根活塞连杆同时伸出就能够缩短2n根活塞连杆长度l的钢丝绳，那么起飞跑道的长度与气压缸的配置数量计算公式如下：L＝2nl，再设定每个活塞的推力是f，活塞的推力取决于活塞的端面积和工作气体的压力，当工作气体压力和活塞的端面积恒定时，活塞的总推力取决于活塞的数量，当n个活塞共同作用在一组钢丝绳上时，活塞的总推力F＝nf，滑梭通过钢丝绳得到的总推力F＝nf，已知传统航母舰载机蒸汽弹射器活塞在98米开缝汽缸中加速时间T＝2-4秒，如果n个活塞同时驱动，那么每个气压缸中的活塞运动时间t＝2-4/n；

通过上述计算可以看出，汇总到滑梭上的速度和推力与n有关，n＞1，速度和推力都倍增，用于航母舰载机弹射器设计，在保证滑梭滑动时间和推力的情况下，通过增加气压缸的数量，能够减少气压缸直径和工作气体的压力，提高高压气体的动能转化率，进而降低设备的重量、体积、加工成本和工作气体的压力，控制工作气体的压力和气压缸的工作顺序和数量，就能够适应不同舰载机在航母上的弹射起飞；

舰载机弹射器弹射步骤如下：

1)活塞连杆全部缩进气压缸缸体内，钢丝绳减少折弯，归位绞车释放，滑梭位于起飞跑道的起飞起点，滑梭与被弹射飞机钩挂连接起飞待命；

2)起飞命令下达，三通阀打开，高压气源通过三通阀向高压气管充汽，高压气管分别向各个气压缸充气，活塞受到高压气体推动将活塞连杆推出气压缸缸体，连杆端部的驱动滑轮推动钢丝绳打弯，钢丝绳在气压缸之间呈S形排列，由于钢丝绳的S形折弯，钢丝绳在起飞跑道上的长度被缩短，因而牵引滑梭由起飞起点向起飞终点沿滑梭牵引缝快速滑动将舰载机弹射出去；滑梭滑行道起飞跑道终点，归位钢丝绳从归位绞车上释放完毕，由于归位钢丝绳与起飞跑道等长，归位钢丝绳将滑梭反向牵引，滑梭停止滑动；

3)滑梭停止滑动，归位绞车启动，三通阀的充气口关闭，排气口打开，归位钢丝绳牵引滑梭返回起飞跑道起点待命，同时牵引各个活塞连杆缩进气压缸缸体内准备下一次弹射。

设置在滑轮架中的驱动滑轮和防脱滑轮至少是一个，连接的钢丝绳至少是一根。

每个气压缸尾部通过电控阀与高压气管连接，使用的高压气体是空气或蒸汽。

本发明的优异效果是：结构简单，成本低廉，重量轻、动力转化率高、使用寿命长、节省能源、功率可以调整，起飞距离可以调整，能够适应各种舰载机起飞(包括轻型飞机和无人机)。

本发明的弹射器与现有技术的蒸汽弹射器相比，美国的蒸汽弹射器好比一匹马拉着50吨重物在一条跑道上3秒内跑100米，本发明的弹射器使用10个气压缸，好比10匹马分别拉着5吨重物在10个跑道上3秒钟内分别跑10米，相比之下，本发明的10匹马在规定的时间内拉着相同的数量的重物跑了相同距离，如果每匹马的体质相同，10匹马在100米的跑道内和3秒钟的时间内在牵引重物上仍有10倍的潜力，使用10匹马，即使是马驹或瘦马，牵引力也比一匹壮马力量大，道理非常简单，也和拔河或接力赛跑一样，10个人配合，无论是速度还是力度都比一个快和高。

从加工工艺和制造成本上说，将98米长的长汽缸分成10个短汽缸，每个气压缸的长度不到5米，工艺简单了、制造难度下降了、组装和使用也方便了，再加采用封闭式汽缸，没有工作介质的损失，动力转化率将大幅度提高，使用寿命也大幅度延长，可以保守地说使用寿命将是美国舰载机蒸汽弹射器的1000倍以上，牵引舰载机的吨位至少增加两倍以上。

附图说明

图1是气压缸上下布局的航母舰载机弹射器待命状态结构示意图；

图2是气压缸上下布局航母舰载机弹射器弹射后状态的结构示意图；

图3是气压缸模块组件的俯视结构示意图；

图4是图3的左视结构示意图；

图5是图4的A-A向断面结构示意图；

图6是图4的左视结构示意图；

图7是气压缸水平布局的待命状态结构示意图；

图8是气压缸水平布局的弹射后状态结构示意图。

附图标记说明：牵引钢丝绳1、防脱滑轮2、驱动滑轮3、归位绞车4、滑梭5、起飞跑道6、起点换向滑轮7、气压缸8、高压气管9、三通电控阀10、进汽口11、锚固滑轮12、活塞连杆13、滑轮架14、固定框架15、滑块16、滑槽17、活塞18、归位钢丝绳19、终点换向滑轮20、分电控阀21。

具体实施方式

参照说明书附图对本发明的舰载机弹射器作以下详细地说明。

如附图1-8所示，本发明的大推力倍增加速式气动航母舰载机弹射器，是采用多个封闭式气压缸模块组件同时驱动一组牵引钢丝绳1收缩来驱动起飞跑道6上的滑梭5滑动，进而推动舰载机弹射起飞，该弹射器的结构是由舰载机起飞跑道6、滑梭5、牵引钢丝绳1、若干个气压缸模块组件、高压气管9和归位绞车4等部件组成，气压缸模块组件是由固定框架15、气压缸8、活塞18、活塞连杆13、滑轮架14、驱动滑轮3、防脱滑轮2和滑块16组成，气压缸8的缸体固定在固定框架15之中，各气压缸8的头部交错相对间隔排列，气压缸8的尾部通过分电控阀21与高压气管9连接，高压气管9的进汽口11上设置有三通电控阀10，气压缸8中设置有活塞18，活塞18连接活塞连杆13，活塞连杆13的端部从气压缸8的头部伸出与滑轮架14连接，驱动滑轮3和防脱滑轮2通过滑轮轴固定在滑轮架14之中，滑轮轴的两端设置有滑块16，滑块16与设置在固定框架15两侧的导向滑槽19滑动连接，牵引钢丝绳1的一端与锚固滑轮12锚固，锚固滑轮12与航母船体固定，牵引钢丝绳1的另一端从所有驱动滑轮3和防脱滑轮2之间穿过，再绕过起飞跑道6终点换向滑轮20与设置在舰载机起飞跑道6上的滑梭5的一端连接，滑梭5的另一端连接归位钢丝绳21的一端，归位钢丝绳21的另一端绕过起飞跑道6起点换向滑轮7与归位绞车4连接，归位钢丝绳21与舰载机起飞跑道6等长；

设置在滑轮架14中的驱动滑轮3和防脱滑轮2至少是一个，相对应连接的钢牵引钢丝绳1至少是一根，具体应根据舰载机的最大起飞重量计算选用钢丝绳的直径和根数。防脱滑轮2作用是防止牵引钢丝绳1脱离驱动滑轮3。

高压气管9中使用的高压气体是空气、蒸汽或液体。

通过计算机控制各个电控阀的开闭，适应不同舰载机所需起飞跑道的长度，对于轻型飞机或无人机可以选用短跑道起飞，比如，弹射器采用10根气压缸，全程跑道是100米，使用5根气压缸即可牵引50米，每根活塞连杆的长度只有5米。也就是说每一根气压缸可以牵引10米距离。选择开启不同气压缸的数量即可控制起飞跑道的长度。

关于牵引速度的控制，为了避免大功率将轻型飞机或无人机损坏，可以通过在高压气体管道上分段设置限流阀加以限制，流体限流是常规技术。

还可以采用分批分段限流，即前20-30米对2-3根气压缸采用低流速充气，中间对2-3根采用中速充气，后2-4根等到飞机加速度提高以后，再全速充气共同用力将舰载机加速弹射出去。这样可有效避免舰载机初速度过快造成飞行员短时昏厥，发生飞行事故，具体情况根据不同机种分别对待，通过实际测试制定弹射程序和使用规则。

实施例：

本发明的大推力倍增加速式气动航母舰载机弹射器弹射步骤如下：

1)活塞连杆全部缩进气压缸缸体内，钢丝绳减少折弯，归位绞车释放，滑梭位于起飞跑道的起飞起点，滑梭与被弹射飞机钩挂连接起飞待命；

2)起飞命令下达，三通阀打开，高压气源通过三通阀向高压气管充汽，高压气管分别向各个气压缸充气，活塞受到高压气体推动将活塞连杆推出气压缸缸体，连杆端部的驱动滑轮推动钢丝绳打弯，钢丝绳在气压缸之间呈S形排列，由于钢

丝绳的S形折弯，钢丝绳在起飞跑道上的长度被缩短，因而牵引滑梭由起飞起点向起飞终点沿滑梭牵引缝快速滑动将舰载机弹射出去；滑梭滑行道起飞跑道终点，归位钢丝绳从归位绞车上释放完毕，由于归位钢丝绳与起飞跑道等长，归位钢丝绳将滑梭反向牵引，滑梭停止滑动；

3)滑梭停止滑动，归位绞车启动，三通阀的充气口关闭，排气口打开，归位钢丝绳牵引滑梭返回起飞跑道起点待命，同时牵引各个活塞连杆缩进气压缸缸体内准备下一次弹射。

我们国家在2011年开始初步规划建造6个航母战斗群，每个航母上最少需要一条弹射跑道，大型的航母则需要2-4个，本发明的弹射器和现有技术的比较，具有非常显著的优势，完全有必要和有可能在中国的所有航母上使用。

据说我国的前期航母由于没有舰载机弹射器，为了应急仍采用俄罗斯的滑跃起飞方式，仅仅用于滑跃式起飞的陆地训练基地就建造了3个，凸显我国建造航母的迫切性，但是，采用滑跃式起飞航母就要购买俄罗斯的苏33舰载机，滑跃式起飞的缺点是降低舰载机的有效载荷，苏33舰载机的陆地起飞满载复合是33吨，采用滑跃式起飞，飞机载荷只有26吨，减少7吨载荷就意味着作战性能降低，滞空时间减少，巡航半径减少。另外没有舰载机弹射器就不能舰载反潜机和预警机，没有舰载反潜机和预警机，航母的作战功能就比美国的带蒸汽弹射器的航母少了三分之二。

还听说中国军方正在花重金仿制美国的蒸汽弹射器，本人认为，连美国人自己都认为已经使用了近100多年的舰载机蒸汽弹射器仍存在有许多不可克服的致命的缺陷，中国人还要去仿制，实在是太小看中国人的创造力。

美国舰载机弹射器的致命缺点是，1)采用98米长的开缝汽缸，加工工艺复杂、成本昂贵，需要特殊的密封条对开缝密封，安全性和气密性不能保证，工作压力不能提高，压力过大，开缝汽缸就要变形造成漏气量增大，能源浪费大；2)最主要的是使用寿命短，200-400次就需要检修1-2天，2000-5000次就需要大修2-3个月，3)占用操作和维修人员120多人。上述制造加工的高难度也是俄罗斯放弃蒸汽弹射而选用笨拙的滑跃式起飞的主要原因。

尽管本发明的弹射器可能在短时间不能被中国军方认可，但是还是希望航母设计者能够有超前的意识在航母上设计上弹射起飞跑道，早晚会安装使用中国人自己设计的舰载机弹射器，只是希望这种等待不要过久。

通过附图可以看出，每个气压缸模块组件由于体积小，长度短，可以竖向排列或水平排列在起飞跑道的下方，根本占用不了多少空间，储气罐可以放在船底，高压气源可以使用蒸汽锅炉，也可使用空压机或大功率液压泵，布局非常灵活方便。

如果使用液压传动，每个液压缸配制一台或多台液压泵，可以克服液体比气体流动慢的弊端。气压缸模块组件的加工是成熟的技术，可采用传统气动元件加工技术制作，其他均为通用铆焊技术。至于飞行跑道、滑梭等等，都是美国公开的技术，牵引绞车、电控阀、限流阀均为通用机电产品和公知技术。

本发明人非常自信，中国的国产飞机一定能满负荷在中国的航母上使用本发明的舰载机弹射器弹射起飞。

除说明书所述的技术特征外，均为本专业技术人员的已知技术。

Claims (3)

1.大推力倍增加速式气动航母舰载机弹射器，其特征在于，采用多个封闭气压缸同时驱动一组钢丝绳收缩，再通过钢丝绳收缩驱动起飞跑道上滑梭滑动来推动舰载机弹射起飞，结构包括舰载机起飞跑道、滑梭、牵引钢丝绳、若干个气压缸模块组件、高压气管和归位绞车，其中，气压缸模块组件是由固定框架、气压缸、活塞、活塞连杆、滑轮架、驱动滑轮、防脱滑轮和滑块组成，气压缸的缸体固定在固定框架之中，各气压缸的头部交错相对间隔排列，气压缸的尾部通过分电控阀与高压气管连接，高压气管的进汽口上设置有三通电控阀，气压缸中设置有活塞，活塞连接活塞连杆，活塞连杆的端部从气压缸的头部伸出与滑轮架连接，驱动滑轮和防脱滑轮通过滑轮轴固定在滑轮架之中，滑轮轴的两端设置有滑块，滑块与设置在固定框架两侧的导向滑槽滑动连接，牵引钢丝绳的一端与锚固滑轮锚固，锚固滑轮与航母船体固定，牵引钢丝绳的另一端从所有驱动滑轮和防脱滑轮之间穿过，再绕过起飞跑道终点换向滑轮与设置在舰载机起飞跑道上的滑梭的一端连接，滑梭的另一端连接归位钢丝绳的一端，归位钢丝绳的另一端绕过起飞跑道起点换向滑轮与归位绞车4连接，归位钢丝绳与舰载机起飞跑道等长；

舰载机弹射器弹射的工作原理如下：

设定起飞跑道的长度是L，气压缸的数量是n，活塞连杆的长度是l，n根活塞连杆同时伸出就能够缩短2n根活塞连杆长度l的钢丝绳，那么起飞跑道的长度与气压缸的配置数量计算公式如下：L＝2nl，再设定每个活塞的推力是f，活塞的推力取决于活塞的端面积和工作气体的压力，当工作气体压力和活塞的端面积恒定时，活塞的总推力取决于活塞的数量，当n个活塞共同作用在一组钢丝绳上时，活塞的总推力F＝nf，滑梭通过钢丝绳得到的总推力F＝nf，已知传统航母舰载机蒸汽弹射器活塞在98米开缝汽缸中加速时间T＝2-4秒，如果n个活塞同时驱动，那么每个气压缸中的活塞运动时间t＝2-4/n；

舰载机弹射器弹射步骤如下：

1)活塞连杆全部缩进气压缸缸体内，钢丝绳减少折弯，归位绞车释放，滑梭位于起飞跑道的起飞起点，滑梭与被弹射飞机钩挂连接起飞待命；

2)起飞命令下达，三通阀打开，高压气源通过三通阀向高压气管充汽，高压气管分别向各个气压缸充气，活塞受到高压气体推动将活塞连杆推出气压缸缸体，连杆端部的驱动滑轮推动钢丝绳打弯，钢丝绳在气压缸之间呈S形排列，由于钢丝绳的S形折弯，钢丝绳在起飞跑道上的长度被缩短，因而牵引滑梭由起飞起点向起飞终点沿滑梭牵引缝快速滑动将舰载机弹射出去；滑梭滑行道起飞跑道终点，归位钢丝绳从归位绞车上释放完毕，由于归位钢丝绳与起飞跑道等长，归位钢丝绳将滑梭反向牵引，滑梭停止滑动；

3)滑梭停止滑动，归位绞车启动，三通阀的充气口关闭，排气口打开，归位钢丝绳牵引滑梭返回起飞跑道起点待命，同时牵引各个活塞连杆缩进气压缸缸体内准备下一次弹射。

2.根据权利要求1所述的航母舰载机弹射器，其特征在于设置在滑轮架中的驱动滑轮和防脱滑轮至少是一个，连接的钢丝绳至少是一根。

3.根据权利要求1所述的航母舰载机弹射器，其特征在于，高压气体是空气、蒸汽或液体。

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