本發明專利技術——螺旋飛輪彈射器及其應用，涉及艦載機彈射器。傳統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式地傳輸，并要求這種傳輸過程是穩定、可控的。本發明專利技術實現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節和彈射系統的結構。本發明專利技術還可用于前線機場戰機的短距起飛以及導彈的冷發射。
【技術實現步驟摘要】
:本專利技術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。
技術介紹
:現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。各種發動機上往往采用飛輪平穩機器轉速；沖床利用飛輪儲存的動能瞬間產生巨大的沖力。早期戰列艦、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較為成熟了，后來被功率更大的液壓彈射器所取代。二戰后，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。現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式地傳輸，并要求這種傳輸過程是穩定、可控的
技術實現思路
:本專利技術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節和彈射系統的結構。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，而艦載機在噴氣發動機的推力下繼續加速，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。。附圖說明: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c.彈射末段狀態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專利技術的實施方式。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本文檔來自技高網...
【技術保護點】
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——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，前線機場戰機的短距離彈射起飛，導彈的冷發射。
【技術特征摘要】
【專利技術屬性】
技術研發人員：黃上立，
申請(專利權)人：黃上立，
類型：發明
國別省市：
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