以葫芦锥加速以棘爪离合的航母弹射器及弹射方法
【专利摘要】本发明提供一种航母弹射器及其弹射方法，结构有葫芦锥、棘爪离合盘、飞轮、张力绞车、伺服电动机、推拉组件、弹射滑体。离合主轴上的棘爪离合盘以其转速超越飞轮带动的棘爪离合盘的转速时便轴向位移且与之靠合，从飞轮获取能量，并通过三级葫芦锥卷绕钢丝绳变速，实现弹射所需加速度，牵动弹射滑体弹射弹射舰载机；弹射完成其转速再度速超越，随之反向位移使棘爪离合盘脱离并停车；棘爪离合盘的位移离合时间窗口，由舰载机自加速滑行的速度和三级葫芦锥的调速及伺服电动机的驱动给定。系统沿跑道没有大型设施，特别适合没有弹射器的航母加装。
【专利说明】以葫芦锥加速以棘爪离合的航母弹射器及弹射方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种航母弹射器，特别涉及一种以葫芦锥通过棘爪从储能飞轮获取能量的航母弹射器。
【背景技术】
[0002]航空母舰上的蒸汽弹射器，其气缸、活塞、锅炉及其附属设备体积大而复杂，维护量大，且消耗淡水。而电磁弹射器的直线电机在不到2秒钟的时间所消耗能量超过120MJ，需要的瞬间大功率电能供给。其储能、大功率频率变换、漏磁防护、散热等技术水准之高，一般的技术力量难于逾越。
【发明内容】
[0003]本发明避开上述难点，直接从储能飞轮中获取能量弹射舰载机。
[0004]本发明的技术特征是，三个带有绕绳沟槽的螺旋变径卷绳筒以钢丝绳卷绕，拖动弹射滑体弹射舰载机。其弹射能量由棘爪离合盘取自于储能飞轮。
[0005]本发明主要包括以下几个部分。
[0006]1、棘爪离合盘部分:将棘爪超越离合器做成两个盘状单体，就是在圆盘表面凸起一对固定棘爪的固定棘爪离合盘，在圆盘表面装有一对可伸缩棘爪的且棘爪常态被弹簧顶出的伸缩棘爪离合盘。固定棘爪离合盘、伸缩棘爪离合盘统称棘爪离合盘。
[0007]2、葫芦锥部分:三个做成葫芦形状的含有圆锥形段的带有螺旋卷绳沟槽的卷绳筒单体，葫芦锥1、葫芦锥2和葫芦锥3 ;每个葫芦锥上有三段变径，其中葫芦锥I和葫芦锥2在各段的螺旋卷绳沟槽的长度对应相等；葫芦锥2和葫芦锥3在各段的对应螺旋卷绳沟槽圈数比等于葫芦锥2和葫芦锥3的转速比。葫芦锥1、葫芦锥2和葫芦锥3统称葫芦锥。
[0008]3、储能飞轮部分:储能飞轮有相同的且相互啮合的带齿飞轮二个，以降低单体重量和抵消陀螺效应，通过减速齿轮带动固定棘爪离合盘转动，以备输出动力。有电动机，以联轴器和飞轮相连为其补充能量。
[0009]推拉部件和离合部分:有一段直线电动机，直流激励，动子在滑动杆上移动并可通过推力轴承使离合主轴位移，从而可使固定在离合主轴轴头的伸缩棘爪离合盘与飞轮带动固定棘爪离合盘靠合；动子为固定在导磁铁上的强磁钢，按转轴对称分布，位移仅一个磁极；另有一套机械位移装置是，一个游走模块可在滑动杆上移动并被离合主轴的梯形螺纹带动，其可游走的螺纹数和葫芦锥I的绕绳圈数相同；当完成弹射时其游走被限位，继续转动的离合主轴则负向位移，使棘爪离合盘脱离；离合主轴和动力主轴以齿轮传动，其中二个齿轮可相互滑移。
[0010]6、卷绳伺服部分:有直流伺服电动机，通过齿轮驱动葫芦锥I。
[0011]7、弹射部分:有弹射滑体，钢丝绳，弹射滑体是嵌位在沿飞行跑道设置的滑槽内且和舰载机匹配的滑动模块，弹射滑体一端连接钢丝绳被葫芦锥卷绕。另一端连接钢丝绳被张力绞车牵引。[0012]8、张力部分:有张力绞车、直流张力电机，钢丝绳，直流张力电机驱动张力绞车卷绕钢丝绳牵引弹射滑体，提供张力。
[0013]所有齿轮、飞轮、葫芦锥都在轴上固定。棘爪离合盘在轴头固定。
【专利附图】
【附图说明】
[0014]附图1是本发明结构示意图。
[0015]附图2是棘爪离合盘示意图。
[0016]附图3是推拉部分放大示意图。
[0017]附图4是作为实例，本发明葫芦锥绕绳沟槽轨迹示意图。
[0018]附图5是作为实例，葫芦锥I绕绳沟槽轨迹详细示意图。
[0019]附图6是作为实例，葫芦锥2绕绳沟槽轨迹详细示意图。
[0020]附图7是作为实例，葫芦锥3绕绳沟槽轨迹详细示意图。
[0021]附图8是作为实例，当开始舰载机以4m/s2的加速度滑行，本发明实例的弹射特性(忽略飞轮输出能量降速的影响)。
[0022]附图9是作为实例，当开始舰载机以8m/s2的加速度滑行，本发明实例的弹射特性(忽略飞轮输出能量降速的影响)。
[0023]附图标记:1为葫芦锥，2为葫芦锥，3为葫芦锥，4为齿轮，5为齿轮，6为轴上的梯形螺纹段，7为限位制动体，8为滑杆，9为游走模块，10为直线电机定子，11为直线电机定子线圈，12为直线电机定子磁极，13为直线电机动子磁极，14为轴上的限位卡具，15为轴承座套，16为推力轴承，17为轴承座套，18为直流伺服电机，19为轴瓦，20为伸缩棘爪离合盘，21为固定棘爪离合盘，22为齿轮，23为齿轮，24为电动机，25为钢丝绳，26为张力绞车，27为联轴器，28为直流张力电机，29为钢丝绳，30为缓冲弹簧，31为弹射滑体，32为滑槽，33为滑轮，34为钢丝绳，35为弹射主轴，36为变速主轴，37为动力主轴，38为离合主轴，41、42、43为转速检测部件，50、51、52为齿轮，55为轴瓦，60、61、62为齿轮，98、99为飞轮，SI为舰载机自加速段，S2为飞轮加速弹射段，S3为停车段，winl为棘爪离合盘靠合时间窗口，win2为棘爪离合盘脱离时间窗口。
[0024]自定义词解释:回送钢丝绳。在没有获得飞轮动力之前，葫芦锥3卷绕钢丝绳34的牵引力还无法牵引舰载机移动，只有舰载机自滑行，钢丝绳34余出，才能被葫芦锥3卷绕回收。此因舰载机自滑行使钢丝绳34余出称回送钢丝绳。
【具体实施方式】
[0025]在附图1中，葫芦锥I卷绕葫芦锥2上的钢丝绳25，使葫芦锥2和与之以齿轮传动的葫芦锥3都随之转动，葫芦锥3卷绕钢丝绳34拖拽弹射滑体31弹射舰载机；而葫芦锥I的旋转动力，在舰载机自加速段SI和停车段S3，来自于直流伺服电机18的驱动；在飞轮加速弹射段S2，以伸缩棘爪离合盘20和固定棘爪离合盘21取自于飞轮。而伸缩棘爪离合盘20和固定棘爪离合盘21的离合方法是，开始棘爪离合盘处于脱离状态，舰载机在舰载机自加速段SI自加速滑行回送钢丝绳34，使钢丝绳34得以被葫芦锥3卷绕，也使离合主轴在直流伺服电机18的驱动下得以加速转动，三个葫芦锥的变径使离合主轴38的转速超过飞轮带动的固定棘爪离合盘21的转速，进入离合时间窗口 winl，离合主轴38及其轴头的伸缩棘爪离合盘20得以由推拉部件控制正向位移，和飞轮带动的固定棘爪离合盘21靠合，在三个葫芦锥的转速调整下获取飞轮能量弹射舰载机；弹射结束，运行进入停车段S3，葫芦锥I直径变小，而葫芦锥2直径开始急剧变大并在旋转惯量作用下继续旋转，使离合主轴38在直流伺服电机的驱动下再度得以加速转动并超过飞轮带动的固定棘爪离合盘21的转速，进入离合时间窗口 win2，离合主轴上的伸缩棘爪离合盘20和飞轮带动的固定棘爪离合盘21得以由推拉部件控制脱离，随即在张力绞车26的阻尼下停车。
[0026]葫芦锥1、葫芦锥2和葫芦锥3的参数不同，既有不同的弹射加速特性。
[0027]以一个实例说明。本发明实例采纳飞轮98、99以转速60r/s转动，总储能920MJ，通过齿轮23、齿轮22减速，带动固定棘爪离合盘21以12r/s转动。葫芦锥I和伸缩棘爪离合盘20以齿轮传动，本发明实例采纳其传动比为1:1，其中齿轮61可在齿轮60上滑移。葫芦锥2和葫芦锥3以齿轮传动，本发明实例采纳其传动比为1:1。
[0028]本发明实例采纳图4标注的葫芦锥1、葫芦锥2和葫芦锥3的参数，并修正其飞轮加速弹射段S2的圆锥形段:葫芦锥1、葫芦锥2在此段修正步距，使其转动卷绳时不脱槽；葫芦锥2在此段修正直径，使在本段被钢绳拉转时以匀加速转动；葫芦锥3在此段修正直径，使在本段以匀加速转动时卷绕钢丝绳拖拽弹射滑体的加速度恒定。修正后数据在附图
5、附图6和附图7中标注。
[0029]本发明实例采纳舰载机自滑行加速度可达4m/s2。舰载机自重30吨。
[0030]本发明实例为便于分析及说明，忽略飞轮输出能量降速的影响。
[0031]系统归零。如图1。弹射滑体31和舰载机匹配且处于始发点；直流伺服电机18通电使葫芦锥I处于卷绕态势拉紧钢丝绳25,使葫芦锥2受力处于转动态势,驱动葫芦锥3处于卷绕态势拉紧钢丝绳34，直流张力电机28低电流通电使张力绞车26提供低张力拉紧钢丝绳29 ;游走模块9负向退至极点；直线电机定子线圈11通电使离合主轴38负向移位到被限定。此时伸缩棘爪离合盘20和固定棘爪离合盘21脱离。
[0032]在第O秒，已通电直流伺服电机18的动力还无法驱动葫芦锥1、葫芦锥2和葫芦锥3拉动舰载机，但从第O秒后，系统启动进入舰载机自加速段SI，舰载机在始发点以4m/s2的加速度滑行回送钢丝绳34，已通电直流伺服电机18即得以驱动离合主轴38及伸缩棘爪离合盘20转动，转向如其箭头，并以5倍于葫芦锥2的转速，卷绕葫芦锥2上的的钢丝绳25，使葫芦锥3也因此卷绕回收钢丝绳34。随着舰载机的滑行加速，伸缩棘爪离合盘20的转速加大，当滑行到第1.135秒，伸缩棘爪离合盘20转速增到12r/s，并进而超越固定棘爪离合盘21的转速，进入离合时间窗口 winl。此时令直线电机电流倒向，推动离合主轴38正向位移，使伸缩棘爪离合盘20和固定棘爪离合盘21靠合。此时伸缩棘爪离合盘20的转速继续增加超越固定棘爪离合盘21的转速，因此棘爪没有啮合，伸缩棘爪离合盘20和固定棘爪离合盘21分别自行旋转。到第2.37秒，伸缩棘爪离合盘20的转速达到最大值约25r/s，这时弹射主轴35、变速主轴36已转6圈。到第2.569秒，因葫芦锥2直径由3米过渡到1.46米，葫芦锥1、葫芦锥2的转速关系发生变化，使伸缩棘爪离合盘20的转速下降到13.25r/
S。至此弹射主轴35、变速主轴36已转7圈，舰载机滑行13.2米，速度为10.27m/s，葫芦锥1，葫芦锥2，葫芦锥3在舰载机自加速段SI运行结束。
[0033]从第2.569秒开始，系统进入飞轮加速弹射段S2，葫芦锥1、葫芦锥2、葫芦锥3的直径开始变化，葫芦锥3的转速开始下降，伸缩棘爪离合盘20的转速继续下降。到2.592秒，下降到12r/s，伸缩棘爪离合盘20的棘爪和固定棘爪离合盘21的棘爪啮合，伸缩棘爪离合盘20和21的转速吻接。有转速继续下降态势的伸缩棘爪离合盘20被固定棘爪离合盘21强行拖转，使葫芦锥I以12r/s的转速卷绕钢丝绳25，使葫芦锥2驱动葫芦锥3 —起匀加速转动，葫芦锥3卷绕钢丝绳34拖拽弹射滑体31，其速度自动与舰载机自滑行速度吻接，舰载机由自加速滑行回送钢丝绳34变为被钢丝绳34牵引拉拽，并在三级葫芦锥的调速下，以54.68m/s2开始加速弹射舰载机。也等同从第2.5726秒开始，在飞轮动力驱动下，钢丝绳34以初速度9.3m/s,加速度为54.68m/s2,牵引拉拽舰载机，到2.592秒速度达约10.36m/s，与舰载机在此时的自滑行速度吻接，随即开始由飞轮输出动力。
[0034]到2.592秒，离合时间窗口 winl关闭，历时1.457秒。
[0035]到2.592秒，即令直流张力电机28加大电流使张力绞车26加大张力，为停车做准备。
[0036]从第2.5725秒开始，加速1.75秒，到第4.32秒，舰载机的速度达105m/s(忽略飞轮输出能量降速的影响)，总滑行距离112米。
[0037]由于在飞轮加速段输出能量使其转速下降，影响本例使弹射速度最终下降8%。
[0038]第4.32秒，舰载机起飞。
[0039]第4.32秒，游走模块9和限位制动体7靠合。葫芦锥1、葫芦锥2和葫芦锥3在飞轮加速弹射段S2运行结束。
[0040]从第4.32秒，运行开始进入停车段S3，随之有以下a、b、C、d、e情况并发。
[0041]a、葫芦锥2在旋转惯量作用下继续转动。葫芦锥1、直径变小和葫芦锥2直径变大使葫芦锥I在直流伺服电机18驱动下加速。
[0042]b、张力绞车26的张力阻尼使葫芦锥2和葫芦锥3转速下降，控制直流张力电机28的电流使这一转速以匀减速转动并在11圈后为零。
[0043]C、虽然葫芦锥2转速下降，但由于其直径的变大足以使伸缩棘爪离合盘20的转速超越固定棘爪离合盘21的转速，棘爪脱离啮合，进入离合时间窗口 win2，并持续0.74秒。
[0044]d、在第4.32秒，令直线电机定子线圈11断电。
[0045]e、由于游走模块9和限位制动体7靠合，离合主轴38随转动负向位移使棘爪离合盘脱离。
[0046]f、弹射滑体31速度急剧下降。
[0047]到第5.24秒，葫芦锥1、葫芦锥2和葫芦锥3转速下降到零。弹射滑体31速度为零，弹射滑体31总共滑行距离约136.6米。葫芦锥1、葫芦锥2和葫芦锥3在停车段S3运行结束。
[0048]本发明实例的弹射特性(忽略飞轮输出能量降速的影响)如附图8。
[0049]如开始舰载机以8m/s2的加速度滑行，则本发明实例的弹射特性(忽略飞轮输出能量降速的影响)如附图9。
[0050]调控直流张力电机28电流拉回弹射滑体31使系统归零。准备下一次弹射。
[0051]本系统效率高，沿跑道没有大型设备，适合没有弹射器的航母加装。
[0052]本发明结构简单，一般的工业水平即可建造。
【权利要求】
1.一种以葫芦锥加速以棘爪离合的航母弹射器，其特征在于葫芦锥。
2.根据权利要求1所述的葫芦锥，其特征在于，三个做成葫芦形状的含有圆锥形段的带有螺旋卷绳沟槽的卷绳筒单体:葫芦锥(I)、葫芦锥(2)和葫芦锥(3);每个葫芦锥上有三段变径，其中葫芦锥(I)和葫芦锥(2)在各段的螺旋卷绳沟槽的长度对应相等；葫芦锥2和葫芦锥3在各段的对应螺旋卷绳沟槽圈数比等于葫芦锥(2)和葫芦锥(3)的转速比。
3.一种以葫芦锥加速以棘爪离合的航母弹射器的弹射方法，其特征在于，葫芦锥的旋转动力，在舰载机自加速段(SI)和停车段(S3)，来自于直流伺服电机的驱动，在飞轮加速弹射段(2)，取自于飞轮。
4.一种以葫芦锥加速以棘爪离合的航母弹射器的弹射方法，其特征在于以棘爪离合盘获取飞轮能量。
5.根据权利要求4所述的以棘爪离合盘获取飞轮能量，其特征在于，利用舰载机自加速滑行回送钢丝绳，并在直流伺服电机驱动下和三个葫芦锥的转速调整下使离合主轴上的伸缩棘爪离合盘(20)的转速超过飞轮带动的固定棘爪离合盘(21)的转速，得以由推拉部件控制使之靠合，在三个葫芦锥的转速调整下获取飞轮能量；弹射结束，葫芦锥(3)、葫芦锥(2)在旋转惯量作用下继续旋转，加之直流伺服电机的驱动使动力主轴带动离合主轴加速转动，并在三个葫芦锥的转速调整下使离合主轴上的伸缩棘爪离合盘(20)的转速超过飞轮带动的固定棘爪离合盘(21)的转速，得以由推拉部件控制使之脱离。
【文档编号】B64F1/06GK103910068SQ201310001627
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2013年1月5日 优先权日:2013年1月5日
【发明者】杨 一, 杨军 申请人:杨军