CN105314124B - 真空储能式固定翼飞机起飞弹射器 - Google Patents

Abstract

一种真空储能式固定翼飞机起飞弹射器，由电动卷扬机、牵引小车、变速装置和盘索轮、大直径活塞、大口径真空缸、油泵、储油罐等顺序连接而成。电动卷扬机在变速装置减速下拉动活塞由下止点缓慢升至上止点，使真空缸内部达到完全真空状态，完成储能；活塞在大气压力和自身重力的推动下，通过变速装置的加速使牵引小车带着飞机快速前行起飞，完成弹射。本发明具体实施例有关数据：弹射牵引距离99米、恒定净牵引力31.4吨、储能功率600瓩、储能时间60秒、电源最低功率需求800瓩、弹射一架次耗电量低于20度、弹射器总重不到130吨、系统主体大口径真空缸高度16米、体积465立方米。本发明最主要特点：匀加速、发热少、能耗低、电气化、重量轻、系统少。

Description

真空储能式固定翼飞机起飞弹射器

所属技术领域

本发明涉及一种固定翼飞机起飞弹射器，尤其是利用真空储能式固定翼飞机起飞弹射器。适用于在航空母舰、大型两栖攻击舰和岛礁机场上固定翼飞机的弹射起飞。

背景技术

自从百年前航空母舰的诞生，在其狭小的甲板空间上起飞固定翼飞机一直是世界性的难题。各航母大国为解决这一难题，都不同程度地投入了大量的人力物力。通过持续不懈的研究探索，先后开发出各种各样的舰载机起飞弹射器或辅助起飞装置，如落重式、飞轮式、弹簧滑道式、火箭助推式、液压式、气压式、火药式、电动式等。但随着舰载固定翼飞机的大型化或重型化，特别是舰载固定翼预警机和空中加油机的使用，多数弹射器或助飞装置已在舰载机发展的不同阶段遭到淘汰。目前，固定翼舰载机的起飞方式主要有三种：滑跃起飞、垂直起飞、弹射起飞。前者如我国首艘航母辽宁舰和印度航母维克拉玛蒂亚号等。后者如美国尼米兹级核动力航母和法国戴高乐号核动力航母等。其中垂直起飞方式的助飞装置不在舰上而是整合在飞机上，在此不作讨论。众所周知，倾斜甲板滑跃起飞是在没有弹射器可用的情况下被迫采用的一种比较简陋的起飞方式。其主要缺点是：舰载机须强逆风起飞，容易受天气干扰，且航母为制造强逆风耗能极大；舰载机起飞间隔时间长，导致组成机群困难；舰载机不能满油、满弹全重起飞，造成航程短、战斗效率低下；而最致命的是在现代战争越来越依靠体系对抗的背景下，舰载固定翼预警机和空中加油机不能以这种方式起飞，将极大地影响航空母舰战斗力的发挥。蒸汽弹射器能克服前述倾斜甲板滑跃起飞的缺点，极大提高航空母舰战斗群的体系对抗能力。但蒸汽弹射器却有其它诸多缺点：1.消耗淡水和能量极大。每弹射一架飞机需要消耗600～700公斤淡水，而把这些水变成高温高压的蒸汽，加上贮存和输送过程散热所消耗的能量是巨大的。淡水和燃料对航母的重要性是不言而喻的，尤其对辽宁舰这样的常规动力航母而言就更宝贵了。2.储存和输送高温高压蒸汽的隔热及安全问题突出。隔热材料的使用会占据较大的空间，且绝对隔热是不存在的，散出的热量会恶化舰员的生活环境；而高温高压蒸汽储存罐和输送管道在战时犹如不定时炸弹。3.系统复杂、维修周期短、维护保养难度大，如开口气缸缝密封橡胶条及密封润滑油在高温高压下极易变质等。4.弹射过程推力极度不均，启动段峰值过载可达6g，会对飞机结构带来突发冲击，极大缩短其使用寿命，对飞行员健康也有不利影响。5.弹射前系统需要长时间“预热”。随着隐形时代的到来，这一缺点在“遭遇”战中可能是致命的。除上述缺点外，蒸汽弹射器还有种种不足，有鉴于此，美国早于上世纪八十年代开始投入巨资研发电磁弹射器作为其替代品。目前，电磁弹射器正在装配在不久前下水的新一代福特级核动力航母首舰上。由于外界对其所知甚少，实际应用效果也有待观察，我们假定美国已在电磁弹射器的开发中克服了蒸汽弹射器的大多数缺点和不足，但其研发过程中的一些表象和本身的技术难度还是值得我们参考：1.美国在电磁弹射器上已花费近三十年时间、超过30亿美元。2.冷却问题。电磁弹射器的永磁体对温度比较敏感，退磁临界温度在摄氏100～200度座之间，弹射过程只有2～3秒，在这么短时间内把电磁感应所产生的热量带走并非易事，否则将极大缩短弹射器的寿命。3.电磁弹射器主要部件受潮极易损坏，美国到目前为止都只在陆地上进行试验，能否适用长时间海上的高盐高湿环境还是未知数，至少维护工作也不轻松。4由于电磁弹射器的磁体是开槽形的，会产生很强的电磁辐射，为防止飞机和航母本身的电磁设备受到干扰，屏蔽电磁辐射也是一项艰巨的任务。总之，电磁弹射器系统也是极其复杂的，应用还存在着许多不确定性，贸然投入巨资研发有较大的风险，而且研制周期也难于保证。另一方面，南海主权纷争近来愈演愈烈，尤其南沙群岛大部分岛礁被越南和菲律宾非法侵占，除台湾当局拥有的太平岛外，我国只控制几个礁盘。为取得南海南部制空权，填礁建机场是不错的办法，但要填成一个标准机场，工作量将是难于想象的，投资也是巨大的。而要填出一个适于弹射起飞、拦阻降落规模的机场却是可行的，也与我国目前正在南海某些礁盘进行的填海工程相吻合。

发明内容

为了克服蒸汽弹射器的各种缺点，避开研发电磁弹射器的不确定性和风险，本发明提供一种固定翼飞机起飞弹射器，该弹射器以真空储能为弹射动力，不仅能用于航空母舰固定翼飞机包括大型无人机的起飞，而且适用于大型两栖攻击舰和岛礁微型机场固定翼飞机的起飞。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：采用与以往任何弹射器不同的储能方式，以大口径直立式圆柱形真空缸作为贮存能量的载体，以电动卷扬机作为贮能的手段。其基本构造是：带有离合器和刹车功能的大型电动卷扬机、连着滑块的牵引小车、大小盘索轮和大小齿轮组成的变速装置、大直径活塞、大口径直立式真空缸、油泵、储油罐等。各部分装置通过滑轮滑索和管道依次连接。其中大口径直立式真空缸为上端开口下端封闭的圆柱形，缸底封闭端采用球冠的抗压设计，球冠最低点有一导管依次与电磁阀、油泵、储油罐相连，可将油导入真空缸中。大直径活塞外形上是与真空缸相匹配的圆柱形，内部仍按抗压设计为球冠形。圆柱形四周表面分为上中下三个部分，下部装有活塞环，上部为稳定环，中部除支撑稳定环的支柱外是空的，这部分空间与真空缸壁组成油槽。油槽底部有油面平衡孔，使油槽各部分油面保持平衡。活塞球冠顶部有一单向阀或电磁阀用于排气和溢油，溢出的油流入周边的油槽，起润滑和密封作用，单向阀直径的大小取决于油流入缸底的速度。大直径活塞通过钢索连接固定于真空缸正上方的小盘索轮的一边上。小盘索轮、大齿轮、小齿轮和大盘索轮组成变速装置，可整体被灵活安装在恰当的位置，只需用一滑轮吊装于真空缸正上方并用钢索与小盘索轮连接即可。为保证弹射牵引力保持恒定，大小盘索轮的宽度以钢索不叠层为准。当小盘索轮被强力转动，钢索被盘在小盘索轮上，使活塞从下止点开始上升，直至达到上止点。此时，真空缸内部处于完全真空状态，大直径活塞受到大气巨大的向下压力，加上活塞自身的重力，已经积累了巨大能量，可以用来弹射飞机起飞。首次进行弹射操作时，牵引小车处于牵引终点，活塞处于下止点。首先打开电磁阀、开动油泵，润滑油注入真空缸底部，气体通过装于活塞圆顶的单向阀或电磁阀排出，继续注油，使之溢满活塞上面的油槽，在油面平衡孔的作用下各油槽注油高度一致，关闭电磁阀和油泵。起动电动卷扬机，待电动机运转稳定，离合器闭合，系统进入储能运行：卷扬机拉动牵引小车开始回位，驱动大盘索轮放索、转动，经变速器减速后带动小盘索轮转动、盘索，进而拉动活塞缓慢上升，直至达到上止点、牵引小车回到弹射起点由位持器抓牢，离合器脱开，储能运行结束。将飞机就位，前轮弹射连杆卡入牵引小车上的滑块卡口，飞机发动机开足加力，释放位持器，活塞的下行拉力驱动小盘索轮放索、转动，经变速器加速后带动大盘索轮转动、盘索，拉动牵引小车及飞机快速前行，直至飞机起飞。由于变速器的作用，活塞的下行速度并没有很快，接近下止点时，活塞周边率先刺入真空缸底部油层，逼迫油液向中间和球冠顶部涌动，直至油液从单向阀溢入油槽，活塞也受到油液的阻力慢慢停下。而牵引小车由于重量很轻，动能不大，利用卷扬机上的刹车装置即可使其停下，也可采取其它简易办法。因弹射过程极其短暂，卷扬机的电动机在弹射间隔期间保持运行，可在活塞刹车后马上闭合离合器进入下一个弹射循环。

本发明的有益效果很多，较突出特点有以下几方面：

1.弹射过程牵引力不变，飞机完全匀加速起飞，对飞机结构的应力将大大减小，可最大限度地提高机体使用寿命。这在作战飞机价格日益昂贵的今天显得尤为宝贵。

2.活塞运行速度慢，无噪音，发热、磨损微乎其微，机油可长期使用不变质。没有热变形问题，对制造材料要求低。除电动卷扬机会有些发热外，可完全避免陷入发热—降温—再发热—再降温的恶性循环中。根据能量守恒定律，本发明将是最节能的弹射系统。

3.使用电力作为弹射动力来源，使系统各部分的控制变得异常简单，完全符合舰艇电气化的总体趋势。既不用再为复杂的蒸汽管道迷宫所困扰，也不再为灼热的蒸汽泄漏和四处污溅、难于清洁的润滑油所烦恼。

4.电动储能功率低，能耗少，系统运行无需事先预热，随时可投入高强度弹射作业。

5.虽然大口径真空缸体积较大，但重量很轻。体积问题可利用滑轮滑索易于改变传递方向和传递距离的特点，充分利用空间，灵活安装位置，做到基本不占用机库甲板面积，大幅减轻高过舰船重心的重量，对航母的行驶稳定性有积极意义。

6.结构简单，一目了然；系统很少，可靠性极高；没有高精尖设备，加工制造容易，造价也将极其低廉；还有维修维护工作量小、节省舰员人数、减轻劳动强度等有益效果。

附图说明

图1是本发明真空储能式固定翼飞机起飞弹射器各部分连接关系图。

图2是大直径活塞立体图。

图3是图2的A---A剖面图。

图中1.电动卷扬机，2.牵引小车，3.大盘索轮，4.小齿轮，5.大齿轮6.小盘索轮7.大直径活塞，8.大口径真空缸，9.导油管，10.电磁阀，11.油泵，12.储油罐，13.活塞稳定环，14.稳定环支撑柱，15.活塞环，16.活塞油槽，17.单向阀，18.油面平衡孔。

具体实施方式

首先对实施例的有关数据进行计算。为计算方便，大气压取值1kg/cm^2，换算后即每平方米所受压力为10吨；重力加速度g取值10m/s；通过配重使活塞重量为9吨，并假定其重力正好抵消弹射时系统的摩擦等阻力；真空缸口径为6米，活塞有效行程为11米。那么活塞受压面积为3.14x3^2=28.26平方米，所受大气压力为28.26x10=282.6吨，可用于弹射净总功282600x11=3108600公斤米，也即真空储存净能量为3108600x10=31.086兆焦。经过小盘索轮到大盘索轮的9倍加速后，牵引飞机的净拉力为282.6/9=31.4吨，而牵引距离为11x9=99米，这一距离可以通过提升真空缸的油面高度来缩减，以适应较轻飞机的弹射。而岛礁机场可能碰上强顺风的情况，应配备活塞有效行程更大的真空缸来增加弹射距离。

有关储能的计算：设定储能时间为一分钟即60秒，那么，卷扬机应具备的拉力为31.4吨加1吨源自活塞的重力再加1吨阻力，储能总功为33400x99=3306600公斤米，也可由活塞所受大气向下压力282.6吨加9吨活塞重力加9吨阻力算出储能总功为300600x11=3306600公斤米，也即33066千焦，储能功率为33066/60=551.1瓩，考虑一定的冗余量，卷扬机应选配输出功率为600瓩的电动机。如果按90秒钟弹射一架飞机计算，电动机功率因数取0.8，耗电量为600/0.8 x 90/3600=18.75度。请注意了：弹射一架重型战斗机耗电量竟少于20度！！！

有关真空缸数据的计算：真空缸口径为6米，壁厚取4厘米，外径为6.08米，高度为16米，那么真空缸的体积为3.14x3.04^2 x16=464.3立方米，如以304不锈钢作为制造材料，取其密度8g/cm^3即每立方米8吨，那么真空缸的重量为3.14x(3.04^2—3^2)x16x8=97.1吨，加上大直径活塞9吨，电动卷扬机10吨，油泵（储油罐为共用）、滑轮滑索、牵引小车、变速轮、还有图中没有标示的分段加工连接部和两条活塞导轨若干吨，总重不到130吨（重量不是精确计算，在这里多10吨少10吨并没有多少意义）。又是一个不可思议的惊喜！美国为其当代最为高科技的电磁弹射器制定的预期指标为重量225吨、体积425立方米，本发明简直可瞬间使其成为废铁！

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

在图1中，电动卷扬机（1）、牵引小车（2）、大盘索轮（3）、小齿轮（4）、大齿轮（5）、小盘索轮（6）、大直径活塞（7）、大口径真空缸（8）、导油管（9）、电磁阀（10），油泵（11），储油罐（12）依次连接。进行弹射操作时，使牵引小车（2）处于牵引终点，活塞（7）处于下止点。打开电磁阀（10），开动油泵（11），机油经导油管（9）注入真空缸（8）底部，气体通过装于活塞（7）圆顶的单向阀（17）排出，继续注油，使之溢满活塞（7）上面的油槽（16），各油槽注油高度通过油面平衡孔（18）的自由流动达成一致，关闭电磁阀（10）和油泵（11）。起动电动卷扬机（1），待电动机运转稳定，离合器闭合，系统进入储能运行：卷扬机（1）拉动牵引小车（2）开始回位，驱动大盘索轮（3）放索、转动，经小齿轮（4）、大齿轮（5）减速后带动小盘索轮（6）转动、盘索，拉动活塞（7）缓慢上升，直至达到上止点、牵引小车（2）回到弹射起点由位持器抓牢，离合器脱开，储能运行结束。将飞机就位，前轮弹射连杆卡入牵引小车（2）上的滑块卡口，飞机发动机开足加力，释放位持器，活塞（7）在大气压力和自身重量的作用下驱动小盘索轮（6）放索、转动，经大齿轮（5）、小齿轮（4）加速后带动大盘索轮（3）转动、盘索，拉动牵引小车（2）及飞机快速前行，直至飞机起飞。此时，活塞（7）周边刺入真空缸（8）底部油层，逼迫油液向中间和球冠顶部涌动，直至油液从单向阀（17）溢入油槽（16），活塞（7）也受到油液的阻力而停下。与此同时，卷扬机（1）上的刹车装置启动使牵引小车（2）停下。卷扬机（1）的电动机在弹射间隔期间保持运行，可在活塞（7）刹车后马上闭合离合器进入下一个弹射循环。

Claims (5)

1.一种真空储能式固定翼飞机起飞弹射器，采用与以往任何弹射器不同的真空储能方式，由带有离合器和刹车功能的电动卷扬机、连着滑块的牵引小车、大盘索轮和小盘索轮以及大齿轮和小齿轮组成的变速装置、大直径活塞、大口径直立式真空缸、油泵、储油罐组成；其中电动卷扬机、牵引小车、变速装置和大直径活塞之间通过滑轮滑索顺序连接，而大口径直立式真空缸、油泵和储油罐之间则通过导管顺序连接；大口径直立式真空缸为上端开口下端封闭的圆柱形，缸底封闭端采用球冠的抗压设计，球冠最低点有一导管依次与电磁阀、油泵、储油罐相连；大直径活塞外形上是与大口径直立式真空缸相匹配的圆柱形，而内部按抗压设计为球冠形，圆柱形四周表面分为上中下三个部分，下部装有活塞环，上部为稳定环，中部除支撑稳定环的支柱外是空的，这部分空间与大口径直立式真空缸壁组成油槽。

2.根据权利要求1所述的真空储能式固定翼飞机起飞弹射器，其特征是:油槽底部有油面平衡孔，使油槽各部分油面保持平衡，大直径活塞球冠顶部有一单向阀或电磁阀用于排气和溢油，溢出的油流入周边的油槽，起润滑和密封作用。

3.根据权利要求1所述的真空储能式固定翼飞机起飞弹射器，其特征是:变速装置由小盘索轮、大齿轮、小齿轮和大盘索轮组成，可整体被灵活安装在恰当的位置，大直径活塞通过钢索连接固定于小盘索轮的一边上，为保证弹射牵引力保持恒定，大小盘索轮的宽度以钢索不叠层为准。

4.根据权利要求1或3所述的真空储能式固定翼飞机起飞弹射器，其特征是:当小盘索轮被强力转动，钢索被盘在小盘索轮上，使大直径活塞从下止点开始上升，直至达到上止点，此时,大口径直立式真空缸内部处于完全真空状态，大直径活塞受到大气巨大的向下压力，加上大直径活塞自身的重力，已经积累了巨大能量，可以用来弹射飞机起飞。

5.根据权利要求1或3所述的真空储能式固定翼飞机起飞弹射器，其特征是:由于变速装置的作用，在弹射过程中大直径活塞的下行速度并没有很快，接近下止点时，大直径活塞周边率先刺入大口径直立式真空缸底部油层，逼迫油液向中间和球冠顶部涌动，直至油液从单向阀溢入油槽，大直径活塞也受到油液的阻力慢慢停下。