CN105021089B - 高初速弹丸发射装置及发射方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及兵器发射技术领域，具体公开了一种高初速弹丸发射装置，包括飞轮、轴承、基座、能源设备和控制系统，飞轮的轮缘设有装载弹丸的弹膛，飞轮能够在旋转过程中通过弹膛发射弹丸，轴承用于支承飞轮旋转，基座用于支撑轴承和飞轮，能源设备用于驱动飞轮旋转和回收飞轮旋转的动能，控制系统用于控制高初速弹丸发射装置各部分协同工作。本发明通过旋转的飞轮进行高初速弹丸发射，攻击时可以增加弹丸射程，缩短单位射程弹丸滞空时间，提高突发性、突防性，就是直接打在目标上弹丸的速度高造成的毁伤也大，防守时由于初速高，也有利于追踪拦截来袭目标，本发明结构比较简单，甚为节能。

Description

高初速弹丸发射装置及发射方法

技术领域

本发明涉及兵器发射技术领域，尤其涉及一种高初速弹丸发射装置及发射方法。

背景技术

(一)与直线加速相关的弹丸发射技术

火炮系口径在20毫米以上，依靠火药的爆发力发射弹丸的重武器，火炮技术有古老的历史，在现代亦有骄人的进步，比如一种称为火箭增程弹的炮弹的使用使射程增加了20％～30％，又如体现精确制导技术的一种称为制导炮弹(末端制导)问世。

至于如何提高炮弹弹丸初速，人们长期以来一直在不断探索，弹弹丸初速，即弹丸离开炮口瞬间的速度，是衡量火炮威力的一个重要指标，相同的炮弹在其它条件都相同的情况下，弹丸初速越高射程也越远，由于火炮都是依靠火药爆燃，气体膨胀做功，沿炮管直线推动弹丸、发射弹丸。多年来如何提高弹丸初速的探索多从改进火药着火面积，增加火药药量，提高火药的燃烧速度等着手，几乎做到极致；还有就是延长炮管，使发射火药爆燃产生的高温高压气体更有效地沿炮管直线推动弹丸前行，所谓的45倍口径革命和52倍口径革命，就是炮管的长度延长到炮的口径的45倍和52倍，如俄罗斯2S5自行加农炮，口径152毫米，炮身长达7800毫米，一般坦克炮就具有这种加农炮的弹道特性，追求高初速，早在上世纪50年代坦克炮弹丸初速已达到1450m/s，60年代达到1650m/s，70年代达到1750m/s，可是四十多年过去了，至今仍然在1800m/s上下徘徊。专家认为，传统火炮的性能已经接近极限，弹丸初速2000m/s几乎是极限了。

第二次世界大战以来导弹受到各强国重视，尤其自20世纪80年代末至今导弹技术得到很快发展。导弹依靠自身动力装置推进，将弹头(战斗部)导向目标，飞行中其自带用于修正轨道的轨道发动机如某种小型化学火箭或某种带喷口的高压储气罐式结构，可喷射工质、气体来修正轨道，至于导弹发射及其逐渐达到的飞行速度取决于导弹发动机推动导弹向前的直线加速运动。现场观察导弹点火起飞，或观看几百上千吨的火箭发射时“慢慢”升起，都可见证这种直线加速运动，从静止启动速度逐增，据测在可视范围内达到的速度约300m/s左右，持续加速飞出大气层，多级火箭、大推力火箭继续推动下逐步达到更高的速度。

是否可以探讨一种新的非直线加速的发射方式，使弹丸以更高的初速发射。

(二)体育投掷运动“旋转抛”优于“直线推”

首届奥运会男子铅球“直线推”球成绩11.22m，现代运动员运用旋转360°“旋转抛”球达到22m。至今几乎所有投掷项目都放弃“直线推”而采用“旋转抛”；尚有标枪例外，因为运动员训练时将标枪“旋转抛”出的距离太远，不利于体育场安全管控而被禁止使用。铁饼“旋转抛”时运动员转了540°。更典型的是链球，链球的重量本来与铅球相同(都是7.26kg)，但运动员用加速旋转4圈(1440°)“旋转抛”，成绩达到82m，几乎是转1圈抛铅球纪录的4倍、“直线推”铅球成绩的8倍。同一体能运动员投掷，“旋转抛”可以比“直线推”大幅提高投掷物的“初速”及其“射程”。在投掷运动启示下，本发明拟提出一种类似“旋转抛”的高初速弹丸发射装置。

(三)旋转抛射已有很多事例

如古代兵器“抛石机”，农业领域的水车，工矿机械中的铲斗抛射机、无粉尘物料抛射机、浆液珠点抛射机、多方位旋转式砂浆抛射机等，现代军事方面有若干种小型或中小型无人机旋转弹射或抛射的装置：立柱式支撑杆，无人机被抓持在摇臂或活动摆臂的一端，以小于50m/s的起飞速度抛射。与以往在较低转速中抛射物件各事例要解决的技术问题不同，本发明旨在弹丸高初速发射；若通过旋转实现高初速发射，其主要技术手段依赖于高速旋转。

(四)与高速旋转相关的现有成熟技术

这些技术虽然并未直接涉及发射某种物件，但对本发明高初速弹丸发射装置技术开发可资借鉴、嫁接。

在转速、动力、轴承方面

机械转动较高转速可以参考：普通离心机<8000r/min，高速离心机8000～30000r/min，超速离心机30000～80000r/min，超高速离心机>80000r/min；高速电机(即电主轴，带动其他机械转动的动力)转速24000～80000r/min，最高可达100000r/min；而150000r/min超高速磁悬浮轴承已在生产中应用。

支承高速旋转体的轴承目前以磁悬浮轴承较先进，具有无接触、无磨损、高速度、高精度一系列优点，已成功地应用在高速电机、发动机、燃气轮机、涡轮机、水泵、风机、压缩机等300多个领域。其他类型的轴承，通过改变轴承结构，如变滑动轴承为滚动轴承、液体动压轴承、气体动压轴承等减小轴承摩擦力，也可应用于某些高速旋转机械中。

在飞轮储能、动能与电能相互转化方面

“飞轮”已被人类利用了千百年，作为储能元件现代已进入更为实用的阶段。1992年美国(AFS)开发的汽车机-电电池(EMB)核心就是200000r/min的碳纤飞轮，它的“比功率”(即爆发力)极高，可将该车在8秒钟内由静止加速至100km/h。日本曾利用飞轮“比功率”高的特性设计引发可控热核聚变的装置，该装置的飞轮直径达6.45m，高1m，重255t，它所储存的能量与挂有150个车厢的列车以100km/h的速度行驶时所具有的能量相当。

飞轮储能大小与飞轮的质量(重量)及飞轮上各点的速度有关，可表达为：

式中∑是“求和”的表示，m_i是轮上各点的质量，v_i是轮上各点的速度。进入21世纪，材料科学的进展，高强度碳纤维和玻璃纤维的出现，使飞轮的最高容许转速大大提升，增加了单位质量的动能储量；由于磁悬浮轴承的利用，及将飞轮置于真空容器之中，大幅降低了飞轮在高速旋转时轴承摩擦、空气摩擦造成的能量损失。

而电能与动能之间的转换，也因为电力电子技术的进步而变得更为容易，不论飞轮在何种转速之下，都能顺利地把旋转动能变为频率与电压稳定的电能输出；飞轮转动带动发电机发电，所发电能蓄于蓄电池组。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种高初速弹丸发射装置，所述装置能以较高的初速发射弹丸。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高初速弹丸发射装置，包括飞轮、轴承、基座、能源设备和控制系统；所述飞轮的轮缘设有装载弹丸的弹膛，所述飞轮能够在旋转过程中通过所述弹膛发射弹丸；所述轴承用于支承所述飞轮旋转；所述基座用于支撑所述轴承和飞轮；所述能源设备用于驱动所述飞轮旋转和回收所述飞轮旋转的动能；所述控制系统用于控制所述高初速弹丸发射装置各部分协同工作。

优选的，所述飞轮为圆轮状，所述飞轮的轮缘设有一圈管状的轮管，所述弹膛为多个，多个弹膛相对于所述飞轮的圆心匀称分布在所述轮管中。

优选的，所述飞轮设有从圆心向轮缘的放射状的加强筋；所述飞轮的外部设有表面光滑的外壳；所述飞轮由高强度低密度的高强复合材料制成。

优选的，所述弹膛包括膛底、弹丸卡扣机关、膛下结构和抛射窗；所述膛底与所述飞轮的轮缘相切，用于装载弹丸；所述弹丸卡扣机关用于将所述弹丸卡扣固定在所述膛底，所述弹丸卡扣机关的卡扣与解扣由所述控制系统控制；所述膛下结构包括配重块和托弹簧，弹丸发射后所述托弹簧将所述配重块弹入空置的弹膛，或者所述配重块上方容纳多发弹丸，则所述托弹簧依次将最上方的弹丸弹入空置的弹膛，依次发射，弹丸全部发射后，所述托弹簧将所述配重块弹入空置的弹膛；所述抛射窗设在所述弹膛前上方的轮管管壁上，所述抛射窗开启时弹丸可经此发射出去，所述抛射窗的开启与关闭由所述控制系统控制。

优选的，所述高初速弹丸发射装置还包括真空容器，所述飞轮设在所述真空容器中，所述真空容器设有抽真空阀、弹丸通道、进气口和导气管，所述弹丸通道的位置与所述抛射窗的位置相对应。

优选的，在所述飞轮的轮管中，相邻的两个弹膛之间设有飞轮助推器，用于助推所述飞轮旋转；所述飞轮助推器为高压气体喷射器或小型火箭发动机，其喷射方向与所述飞轮的轮缘相切；所述轮管在所述飞轮助推器的喷射方向设有后窗，所述后窗能够在所述飞轮助推器工作时开启。

优选的，所述轴承为磁悬浮轴承，所述磁悬浮轴承的定子固定在所述基座上；所述磁悬浮轴承设有磁悬浮轴承控制系统，所述磁悬浮轴承控制系统包括控制器、传感器和功率放大器，所述传感器用于检测在弹丸发射过程中所述飞轮的转子的位移参考信号，所述控制器能够根据所述位移参考信号控制所述功率放大器，以使所述功率放大器通过控制所述磁悬浮轴承的定子的电磁铁中电流变化来维持所述飞轮的转子悬浮于规定位置。

优选的，所述轴承为滚动轴承、液体动压轴承或气体动压轴承。

优选的，所述能源设备包括动力总成、发电机、蓄电池和两个离合器；所述动力总成包括电机和变速器，所述电机用于驱动所述飞轮的旋转，所述变速器能够通过调整所述电机和飞轮的传动比来改变所述电机和飞轮的转速比和转矩比；所述发电机用于将所述飞轮旋转的动能转化为电能并向所述蓄电池充电；两个离合器分别设在所述动力总成与飞轮之间以及所述飞轮与发电机之间，用于控制所述动力总成与飞轮之间以及所述飞轮与发电机之间的连接及切离。

优选的，所述基座固定或可转动连接在地基、升降机、车辆、舰船或飞机上。

优选的，所述高初速弹丸发射装置发射弹丸；所述弹丸战斗装药，其头部为尖锐结构，其尾部设有尾翼，其设有推进装置和制导装置。

本发明还提供了一种用所述的高初速弹丸发射装置进行的高初速弹丸发射方法，包括以下步骤：

S1.发射前准备，检查确认所述能源设备与所述飞轮之间的离合器均处于断开状态，调整核准所述基座的朝向和弹丸的发射角，选定弹丸的种类和数量；

S2.开启抛射窗，通过所述飞轮的轮管管壁上的抛射窗将选定的弹丸分别装进对应的弹膛，然后关闭抛射窗；

S3.接合所述飞轮与所述能源设备的动力总成之间的离合器，控制动力总成驱动所述飞轮加速旋转；

S4.当所述飞轮旋转达到预定转速后，或者立刻准备发射弹丸，或者处于备战待命状态，即动力总成继续维持所述飞轮以预定转速旋转直至需要发射弹丸时；

S5.所述控制系统控制弹丸发射，其控制过程为：在所述弹膛旋转达到设定发射角时抛射窗开启，弹丸卡扣机关解扣，弹丸以所述飞轮轮缘的线速度为初速发射出去，抛射窗关闭，所述弹膛的膛下结构的配重块在托弹簧的作用下被弹入发射弹丸后空置的弹膛，以维持所述飞轮相对配平；

S6.同时，在弹丸发射的过程中，磁悬浮轴承控制系统的传感器检测所述飞轮的转子的位移参考信号，磁悬浮轴承控制系统的控制器对所述位移参考信号进行分析运算，并通过功率放大器控制磁悬浮轴承的定子的电磁铁中电流变化来维持所述飞轮的转子悬浮于规定位置；

S7.断开所述飞轮与所述动力总成之间的离合器后，接合所述飞轮与所述能源设备的发电机之间的离合器，所述飞轮带动发电机发电，所述飞轮的旋转动能转化为电能，发电机产生的电能充入蓄电池；

S8.当所述飞轮停止旋转后，断开所述飞轮与发电机之间的离合器，弹丸发射结束；

S9.检查所述高初速弹丸发射装置，准备下次发射。

(三)有益效果

本发明的高初速弹丸发射装置通过旋转的飞轮进行高初速弹丸发射，攻击时可以增加弹丸射程，缩短单位射程弹丸滞空时间，提高突发性、突防性，就是直接打在目标上弹丸的速度高造成的毁伤也大；防守时由于初速高，也有利于追踪拦截来袭目标。本发明的所述高初速弹丸发射装置中飞轮在磁悬浮轴承上旋转摩擦阻力几乎为零；而空气阻力本质上是物体向前运动时物体前方被压缩空气的弹力，飞轮圆形、表面光滑，在原地旋转并不压缩什么前方的空气，所以空气阻力很小，加之可置于真空容器中，空气阻力也几乎为零；电机对飞轮施与之力就可集中用于加速飞轮旋转，而不必为克服摩擦阻力、空气阻力额外做功，节省能量；同时，也因为摩擦阻力和空气阻力极微，飞轮一旦旋转起来根据角动量守恒定理，飞轮具的转动惯量维持其转速不减，这样，电机对飞轮的作用力无论大小只要大于其摩擦阻力和空气阻力，就对已经在旋转中的飞轮的转速有继续加速的作用，能量高效率地用于使飞轮的转速继续提高，达到很高的转速；弹丸发射后，飞轮剩余动能还可回收。

附图说明

图1为本发明实施例的高初速弹丸发射装置中飞轮外部的示意图；

图2为本发明实施例的高初速弹丸发射装置中飞轮内部的示意图；

图3为本发明实施例的高初速弹丸发射装置中弹膛在飞轮轮缘分布的示意图；

图4为本发明实施例的高初速弹丸发射装置中弹膛及助推器在飞轮轮缘分布的示意图；

图5为本发明实施例的高初速弹丸发射装置中弹膛结构的截面示意图；

图6为本发明实施例的高初速弹丸发射装置中磁悬浮轴承工作的原理图；

图7为本发明实施例的高初速弹丸发射装置中飞轮能量提供和回收的原理图；

图8为本发明实施例的高初速弹丸发射装置中弹丸发射的设定角、发射角的示意图；

图9为本发明实施例的高初速弹丸发射装置的截面示意图；

图10为本发明实施例的高初速弹丸发射装置在真空容器中的截面示意图。

图中，1：飞轮；2：弹丸；3：弹膛；4：磁悬浮轴承；5：动力总成；6：发电机；7：蓄电池；8：加强筋；9：轮管；10：膛底；11：抛射窗；12：卡扣机关；13：膛下结构；14：弹膛离心线；15：配重块；16：托弹簧；17：转子；18：定子；19：基座；20：轮缘；21：离合器；22：离合器；23：控制器；24：传感器；25：功率放大器；26：设定角；27：发射角；28：真空容器；29：阀门；30：弹丸通道；31：进气口；32：导气管；33：飞轮助推器；34：后窗；35：弹丸头部；36：尾翼；37：旋转方向；38：电机；39：变速器；40：切线方向；41：喷射器喷口；42：位移参考信号。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

本实施例的高初速弹丸发射装置包括飞轮1、轴承、基座19、能源设备和控制系统；飞轮1的轮缘20设有装载弹丸2的弹膛3，飞轮1能够在旋转过程中通过弹膛3发射弹丸2；所述轴承用于支承飞轮1旋转；所述基座用于支撑所述轴承和飞轮1；所述能源设备用于驱动飞轮1旋转和回收飞轮1旋转的动能；所述控制系统用于控制所述高初速弹丸发射装置各部分协同工作。

如图1-10所示，本实施例的高初速弹丸发射装置中各部分的具体结构如下：

如图1-3所示，飞轮1为圆轮状，飞轮1内部为若干根从中央转轴(或飞轮1的圆心)向周边轮缘20放射状排布的加强筋8所支撑，飞轮1外部为表面光滑的外壳所覆盖，飞轮1的轮缘20外为一圈管状的轮管9所围绕，弹膛3为多个，多个弹膛3对称地或匀称地分布在轮管9中，飞轮1的各部件采用高强度、低密度的高强复合材料构成；飞轮1的半径根据弹丸2发射初速的设计要求、飞轮1的转速、轮缘20线速度(与弹丸2发射初速相关)、发射条件及飞轮1材质等因素综合考虑选定；飞轮1在垂直平面内旋转，飞轮1通常布置在竖直平面内旋转，也可在水平平面或与水平面夹一定角度的平面内旋转。

如图5、8所示，弹膛3包括膛底10、抛射窗11、弹丸卡扣机关12和膛下结构13；膛底10为弹丸2放置待发射处，弹丸2放置在膛底10时弹头朝向飞轮1旋转方向37，膛底10在线段CD上，线段CD为膛底10的前后纵向中线称为膛底线，膛底线CD与飞轮1轮缘20相切，膛底线CD的中点A与飞轮1圆心O的连线OA称为弹膛离心线14，弹膛离心线14垂直于膛底线CD，即OA⊥CD；弹膛3前上方的轮管9管壁上开有抛射窗11，抛射窗11可以在控制系统(计算机)的控制下适时开合，抛射窗11平时及飞轮1旋转时处于闭合状态而在装弹时或发射时开启，装弹时通过抛射窗11可将弹丸2装进弹膛3，发射时弹丸2通过抛射窗11射出；弹丸卡扣机关12用于将弹丸2卡扣固定在膛底10，并在收到发射指令时解除卡扣释放弹丸2，即卡扣机关12解扣；膛下结构13位于膛底10下方，包括配重块15和托弹簧16，膛下结构13可以分为两种：用于单发弹丸的膛下结构(如图4)和用于多发弹丸的膛下结构(图中未显示，即配重块15上方容纳多发弹丸)，对于单发弹丸的情况，弹丸发射后托弹簧16将配重块15弹入空置的弹膛3，对于多发弹丸的情况，托弹簧16依次将最上方的弹丸弹入空置的弹膛3，依次发射，弹丸全部发射后，托弹簧16将配重块15弹入空置的弹膛3；配重块15略重于弹丸2，在弹丸2发射后配重块15被托弹簧16迅速弹人空置的弹膛3，以维持飞轮1旋转相对配平。

如图6、9、10所示，所述轴承为磁悬浮轴承4，用以支承飞轮1的转子17，保持飞轮1高速旋转无接触、无磨损；磁悬浮轴承4维持转子17高精度定位的性能，可在飞轮1高速旋转及弹丸2发射过程中使飞轮1的转子17维持其稳定悬浮位置不变；磁悬浮轴承4定子18及其本体非转动部分，固定在基座19上，通过基座19的支撑和磁悬浮轴承4的支承，飞轮1旋转于某一垂直平面内，必要时也可旋转于水平平面或与水平面夹一定角度的平面内；磁悬浮轴承4，必要时可用某些通过结构改造如变滑动轴承为滚动轴承、液体动压轴承、气体动压轴承等摩擦力减小的轴承代替。

如图7所示，所述能源设备为飞轮1旋转提供能量和回收飞轮1旋转动能，其包括动力总成5、离合器21、离合器22、发电机6和蓄电池7；动力总成5包括电机38和变速器39等，用以驱动飞轮1高速旋转，其中电机38为具有较高功率的高速电机，变速器39可调整电机38对飞轮1的传动比使飞轮1在旋转起步阶段转速低于电机的转速，因此得到较大的转矩甚至可大于电机38转矩的若干倍，到飞轮1高速旋转时所需转矩甚小而转速极高甚至可高于高速电机38转速的若干倍；发电机6用以将高速旋转的飞轮1的动能转化为电能，并向蓄电池7充电；离合器21位于飞轮1与动力总成5之间，离合器22位于飞轮1与发电机6之间，相当于两个“动力开关”用以控制飞轮1与动力总成5或发电机6之间的连接或切离；接合飞轮1与动力总成5的离合器21，动力总成5驱动飞轮1加速旋转，当达到高速旋转时可进入发射程序，或者继续维持高速旋转处于某种战备值班待发射状态(由于飞轮1圆形、表面光滑，原地旋转空气阻力甚微，且磁悬浮轴承4摩擦阻力几无，维持飞轮1高速旋转时电机38能耗不高)，待目标出现再进入发射程序；弹丸2发射后，断开飞轮1与动力总成5的离合器21，电机38停止为飞轮1提供能量，飞轮1以其转动惯量高角速度继续旋转时，接合飞轮1与发电机6的离合器22，飞轮1带动发电机6，将飞轮1的动能通过发电机6转化为电能，并向蓄电池7充电；其中，如果某些飞轮1动能不必回收，则发电机6和蓄电池7可不配备。

如图6、8、10所示，所述控制系统为电子计算机控制系统，其主要包括磁悬浮轴承控制系统和弹丸发射控制系统；所述磁悬浮轴承控制系统设在磁悬浮轴承4上，其包括控制器23、传感器24和功率放大器25等，控制器23在飞轮1高速旋转和弹丸2发射过程中可适时对传感器24检测到的飞轮1的转子17位移参考信号42适度运算,通过功率放大器25控制磁悬浮轴承4的定子18电磁铁中电流变化维持飞轮1的转子17悬浮于规定的位置；所述弹丸发射控制系统包括对抛射窗11开合、卡扣机关12解扣及膛下结构13动作的控制，通过设定角发射指令执行；设定角26指弹膛离心线(OA)14与通过飞轮1圆心O的水平线的夹角(如图8所示∠BOA)，其中B为膛底线CD的延长线与通过飞轮1圆心O的水平线的交点，而弹丸2实际上的发射角27相当于∠OBA，它通常与设定角26(∠BOA)互为余角，设定角26在某个角度范围内比如0°～90°内选择时相应的发射角27亦在90°～0°范围中选定(相当于炮兵术语中火炮的一个高低射界范围0°～90°)；当设定角发射指令下达，只有弹膛3旋转达到这个选定的设定角26时才执行的发射指令，具体地说，发射指令在程序设计上与弹膛3旋转到这一设定角26相关，而发射指令下达时已经旋转超过这个设定角26或尚未达到这个设定角26的弹膛3均不接受该指令，只有在当时恰好到达这一角度或随后旋转到达这一角度的弹膛3接受指令并发射弹丸2；发射角27对于远程目标可大些，因为环绕地球的大气层由里向外逐渐稀薄，空气阻力主要发生在地上10～12千米以内的对流层，发射角27大则有利于弹丸2及早迅速达到并飞行在空气阻力小(甚至无)的高度，射程则较远，而对于较近的水平目标发射角27可小些，因为弹丸2初速高，有些空气阻力也不足以影响击中目标；发射指令可为单发发射或多发发射的指令，弹膛3接受指令发射弹丸2即抛射窗11开启、卡扣机关12解扣，弹丸2被释放而沿通过释放点与飞轮1轮缘20相切的切线方向40以瞬时具有的线速度为初速发射；可以理解，即使其线速度达到第一宇宙速度，也只是电子运行速度的几万分之一，电子计算机系统可精确控制抛射窗11开合、膛下结构13动作，配合卡扣机关11解扣，进行弹丸2发射。

如图9所示，基座19与其下方的地基(图中未显示)活动连接或永久固定；基座19的朝向与飞轮1旋转抛射弹丸2的朝向相关，基座19的朝向可以在东西南北360°(相当于炮兵术语中火炮的方向射界360°)的范围内根据实际需要选定，基座19的朝向的定位可以是临时的或长期的；基座19朝向的定位结合设定角发射指令中设定角26和发射角27弹丸2的发射方向即被确定；基座19亦可固定在某种升降机上，平时置于发射井底，战时升至井上；基座19还可以安装在车、船或飞机上，车载、舰载或机载发射；动力总成5、发电机6等可安装在基座上，近旁设施上，或车、船、机上。

如图10所示，飞轮1可置于真空容器28之中，以更进一步减少飞轮1在高速旋转时与空气的摩擦；真空容器28一侧设有阀门29作抽真空用；真空容器28器壁与弹丸2发射的飞行轨迹相重合部位设有弹丸通道30，真空容器28下方设有进气口31和导气管32，弹丸2发射前一瞬间，在电子计算机弹丸发射系统控制下进气口31首先开启，大气经进气口31沿导气管32顺飞轮1旋转方向37冲进真空容器28，随即几乎在弹丸2发射的同时弹丸通道30自动敞开供弹丸2穿过；弹丸2发射后进气口31和弹丸通道30闭合，再经阀门29将真空容器28抽成真空；此外，置于真空容器28之中的飞轮1的某些结构必要时可略作更改，比如封闭的轮管20可以敞开以便放置将被发射的弹丸2或有效载荷，空气都不存在了，空气阻力不是主要问题。

如图3、4所示，相邻的弹膛3之间间隔区段轮管9空置，或在间隔区段轮管9中装置飞轮助推器33；飞轮助推器33为高压气体喷射器，高压气体从喷射器喷口41喷出的方向与飞轮1旋转方向37相反在以喷口41为切点的飞轮1轮缘20的切线上；与高压气体喷射方向对应的轮管9管壁开有后窗34，后窗34通常闭合，只在助推器33工作时才同步开启；在某些飞轮1周围环境空旷安全的情况下，助推器33也可为小型火箭发动机；助推器33在所述弹丸发射系统控制下在弹丸2发射前适时启动工作，助推飞轮1达到更高转速，以进一步提高弹丸2发射初速。

如图5所示，弹丸2的结构、功能类似于炮弹弹丸或导弹弹头(战斗部装药)；弹丸2头部35尖锐以利于减少空中飞行时的空气阻力，弹丸2可有尾翼36以稳定飞行方向，弹丸2可类似火箭增程弹自带火箭发动机以附加推力、增加射程，弹丸2可类似制导炮弹携制导装置，在飞行的末端精确制导，与高初速弹丸发射装置相应的制导系统相匹配；弹丸2毁伤目标的能源可同于炮弹或导弹战斗装药，可装备有控制、突防装置；除上述外，高初速弹丸发射装置还可根据需要发射某些其他有效载荷。

根据本实施例所述的高初速弹丸发射装置，可以实现一种高初速弹丸发射方法，所述发射方法包括以下步骤：

S1.发射前准备：检查确认飞轮1与动力总成5和发电机6之间的离合器21和离合器22均处于断开状态，调整核准基座19朝向和设定角发射指令符合发射预案，选择确定将要发射的弹丸2的种类、数量；

S2.开启抛射窗11，通过抛射窗11将发射预案确定的弹丸2品种和数量分别装进相关的弹膛3，然后关闭抛射窗11；

S3.接合飞轮1与动力总成5之间的离合器21，动力总成5驱动飞轮1加速旋转到预定的转速；

S4.飞轮1旋转达到预定转速后，或者立刻下达设定角发射指令，或者处于战备值班、待命状态，即动力总成5继续维持飞轮1高速旋转一段时间，待目标出现下达设定角发射指令；

S5.设定角发射指令下达的当时或随后旋转到达设定角26(即相应的反射角27)的弹膛3在所述弹丸发射控制系统控制下执行发射指令：抛射窗11开启，卡扣机关12解扣，弹丸2以飞轮1轮缘20线速度为初速发射出去，弹丸2发射后所述托弹簧16将所述配重块15弹入空置的弹膛3；对于多发弹丸的情况，所述托弹簧16依次将最上方的弹丸2弹入空置的弹膛3，依次发射，弹丸2全部发射后，所述托弹簧16将所述配重块15弹入空置的弹膛3；抛射窗11关闭；

S6.在弹丸2发射过程中，电子计算机磁悬浮轴承4控制系统的控制器23适时对传感器24检测到的飞轮1的转子17位移参考信号42适度运算,通过功率放大器25控制磁悬浮轴承定子18电磁铁中电流变化维持飞轮1的转子17悬浮于规定的位置；

S7.断开飞轮1与动力总成5的离合器21，飞轮1不再被电机38驱动但仍然拥有较大的转动惯量，转速甚高；接合飞轮1与发电机6的离合器22，飞轮1带动发电机6转动、发电，飞轮1旋转动能转化为电能，电能充人蓄电池7；

S8.随着飞轮1旋转动能不断转化为电能飞轮1转速逐渐减慢，到飞轮1所具有的动能全部转化为电能充人蓄电池7，飞轮1转动停止，断开飞轮1与发电机6的离合器22；

S9.检查、休整高初速弹丸发射装置，准备下一次发射；

其中，位于发射井底的基座19连同高初速弹丸发射装置在S1准备发射阶段升至井上，位于车、船之上的车载或舰载发射装置在S1准备发射阶段根据车、船情况做相应准备；

其中，在相邻的弹膛3之间间隔区段轮管9中装置飞轮助推器33的案例，在步骤S4飞轮1旋转在预定转速后在步骤S5设定角发射指令下达前一刻，在所述弹丸发射控制系统的控制下后窗34开启，助推器33发动，助推飞轮1达到更高转速，以进一步提高弹丸2发射初速，随即下达设定角发射指令，并在弹丸2发射后助推器33停止工作、后窗34关闭；

其中，具有真空容器28的高初速弹丸发射装置，在步骤S5弹丸2发射前一瞬间，在电子计算机弹丸发射系统控制下进气口31开启，大气沿导气管32顺飞轮1旋转方向37冲进真空容器28，弹丸通道30自动敞开，弹丸2经此发射后进气口31和弹丸通道30闭合，再经阀门29将真空容器28抽成真空；

其中，对于某些飞轮1动能不必回收、并未配备发电机6和蓄电池组7的案例，在步骤S7断开飞轮1与动力总成5的离合器21后等待飞轮1转动减速、停止，直接转入步骤S9。

本发明的高初速弹丸发射装置通过旋转的飞轮进行高初速弹丸发射，攻击时可以增加弹丸射程，缩短单位射程弹丸滞空时间，提高突发性、突防性，就是直接打在目标上弹丸的速度高造成的毁伤也大；防守时由于初速高，也有利于追踪拦截来袭目标。本发明的所述高初速弹丸发射装置中飞轮在磁悬浮轴承上旋转摩擦阻力几乎为零；而空气阻力本质上是物体向前运动时物体前方被压缩空气的弹力，飞轮圆形、表面光滑，在原地旋转并不压缩什么前方的空气，所以空气阻力很小，加之可置于真空容器中，空气阻力也几乎为零；电机对飞轮施与之力就可集中用于加速飞轮旋转，而不必为克服摩擦阻力、空气阻力额外做功，节省能量；同时，也因为摩擦阻力和空气阻力极微，飞轮一旦旋转起来根据角动量守恒定理，飞轮具的转动惯量维持其转速不减，这样，电机对飞轮的作用力无论大小只要大于其摩擦阻力和空气阻力，就对已经在旋转中的飞轮的转速有继续加速的作用，能量高效率地用于使飞轮的转速继续提高，达到很高的转速；弹丸发射后，飞轮剩余动能还可回收。

本发明的实施例是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显而易见的。选择和描述实施例是为了更好说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (10)

1.一种高初速弹丸发射装置，其特征在于，包括飞轮、轴承、基座、能源设备和控制系统；所述飞轮的轮缘设有装载弹丸的弹膛，所述飞轮能够在旋转过程中通过所述弹膛发射弹丸；所述轴承用于支承所述飞轮旋转；所述基座用于支撑所述轴承和飞轮；所述能源设备用于驱动所述飞轮旋转和回收所述飞轮旋转的动能；所述控制系统用于控制所述高初速弹丸发射装置各部分协同工作；

所述飞轮为圆轮状，所述飞轮的轮缘设有一圈管状的轮管，所述弹膛为多个，多个弹膛相对于所述飞轮的圆心匀称分布在所述轮管中；

在所述飞轮的轮管中，相邻的两个弹膛之间设有飞轮助推器，用于助推所述飞轮旋转；所述飞轮助推器为高压气体喷射器或小型火箭发动机，其喷射方向与所述飞轮的轮缘相切；所述轮管在所述飞轮助推器的喷射方向设有后窗，所述后窗能够在所述飞轮助推器工作时开启。

2.根据权利要求1所述的高初速弹丸发射装置，其特征在于，所述飞轮设有从圆心向轮缘的放射状的加强筋；所述飞轮的外部设有表面光滑的外壳；所述飞轮由高强度低密度的高强复合材料制成。

3.根据权利要求1所述的高初速弹丸发射装置，其特征在于，所述弹膛包括膛底、弹丸卡扣机关、膛下结构和抛射窗；所述膛底与所述飞轮的轮缘相切，用于装载弹丸；所述弹丸卡扣机关用于将所述弹丸卡扣固定在所述膛底，所述弹丸卡扣机关的卡扣与解扣由所述控制系统控制；所述膛下结构包括配重块和托弹簧，弹丸发射后所述托弹簧将所述配重块弹入空置的弹膛，或者所述配重块上方容纳多发弹丸，则所述托弹簧依次将最上方的弹丸弹入空置的弹膛，依次发射，弹丸全部发射后，所述托弹簧将所述配重块弹入空置的弹膛；所述抛射窗设在所述弹膛前上方的轮管管壁上，所述抛射窗开启时弹丸可经此发射出去，所述抛射窗的开启与关闭由所述控制系统控制。

4.根据权利要求3所述的高初速弹丸发射装置，其特征在于，所述高初速弹丸发射装置还包括真空容器，所述飞轮设在所述真空容器中，所述真空容器设有抽真空阀、弹丸通道、进气口和导气管，所述弹丸通道的位置与所述抛射窗的位置相对应。

5.根据权利要求1所述的高初速弹丸发射装置，其特征在于，所述轴承为磁悬浮轴承，所述磁悬浮轴承的定子固定在所述基座上；所述磁悬浮轴承设有磁悬浮轴承控制系统，所述磁悬浮轴承控制系统包括控制器、传感器和功率放大器，所述传感器用于检测在弹丸发射过程中所述飞轮的转子的位移参考信号，所述控制器能够根据所述位移参考信号控制所述功率放大器，以使所述功率放大器通过控制所述磁悬浮轴承的定子的电磁铁中电流变化来维持所述飞轮的转子悬浮于规定位置。

6.根据权利要求1所述的高初速弹丸发射装置，其特征在于，所述轴承为滚动轴承、液体动压轴承或气体动压轴承。

7.根据权利要求1所述的高初速弹丸发射装置，其特征在于，所述能源设备包括动力总成、发电机、蓄电池和两个离合器；所述动力总成包括电机和变速器，所述电机用于驱动所述飞轮的旋转，所述变速器能够通过调整所述电机和飞轮的传动比来改变所述电机和飞轮的转速比和转矩比；所述发电机用于将所述飞轮旋转的动能转化为电能并向所述蓄电池充电；两个离合器分别设在所述动力总成与飞轮之间以及所述飞轮与发电机之间，用于控制所述动力总成与飞轮之间以及所述飞轮与发电机之间的连接及切离。

8.根据权利要求1所述的高初速弹丸发射装置，其特征在于，所述基座固定或可转动连接在地基、升降机、车辆、舰船或飞机上。

9.根据权利要求1所述的高初速弹丸发射装置，其特征在于，所述高初速弹丸发射装置发射弹丸；所述弹丸战斗装药，其头部为尖锐结构，其尾部设有尾翼，其设有推进装置和制导装置。

10.一种用如权利要求1-9任一项所述的高初速弹丸发射装置进行的高初速弹丸发射方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.发射前准备，检查确认所述能源设备与所述飞轮之间的离合器均处于断开状态，调整核准所述基座的朝向和弹丸的发射角，选定弹丸的种类和数量；

S2.开启抛射窗，通过所述飞轮的轮管管壁上的抛射窗将选定的弹丸分别装进对应的弹膛，然后关闭抛射窗；

S3.接合所述飞轮与所述能源设备的动力总成之间的离合器，控制动力总成驱动所述飞轮加速旋转；

S4.当所述飞轮旋转达到预定转速后，或者立刻准备发射弹丸，或者处于备战待命状态，即动力总成继续维持所述飞轮以预定转速旋转直至需要发射弹丸时；

S5.所述控制系统控制弹丸发射，其控制过程为：在所述弹膛旋转达到设定发射角时抛射窗开启，弹丸卡扣机关解扣，弹丸以所述飞轮轮缘的线速度为初速发射出去，抛射窗关闭，所述弹膛的膛下结构的配重块在托弹簧的作用下被弹入发射弹丸后空置的弹膛，以维持所述飞轮相对配平；

S6.同时，在弹丸发射的过程中，磁悬浮轴承控制系统的传感器检测所述飞轮的转子的位移参考信号，磁悬浮轴承控制系统的控制器对所述位移参考信号进行分析运算，并通过功率放大器控制磁悬浮轴承的定子的电磁铁中电流变化来维持所述飞轮的转子悬浮于规定位置；

S7.断开所述飞轮与所述动力总成之间的离合器后，接合所述飞轮与所述能源设备的发电机之间的离合器，所述飞轮带动发电机发电，所述飞轮的旋转动能转化为电能，发电机产生的电能充入蓄电池；

S8.当所述飞轮停止旋转后，断开所述飞轮与发电机之间的离合器，弹丸发射结束；

S9.检查所述高初速弹丸发射装置，准备下次发射。