一种大功率轴向超强推力发动机、利用该发动机的超音速弹射器及弹射控制方法与流程

本发明涉及航空母舰的舰载机弹射装置，更具体地说，涉及一种大功率轴向超强推力发动机、利用该发动机的超音速弹射器及弹射控制方法。

背景技术：

为了响应国家号召的强军梦，我国自行建造航母在某种程度上是我国海军将来发展的一个方向。随着我国科学技术的不断发展，国产航母的加速研发，中国海军战斗力将大幅提升。然而，从世界范围来看，打造一支强有力的航母战斗群是极其挑战性的。航母上必备的弹射器、舰载机、拦阻索、大型升降机等技术均掌握在欧美乃至美国一家手里，而国外也不可能有任何国家卖给中国先进军事技术，中国海军未来建造航母需要解决弹射器的问题，如果这个问题中国海军不下大力气解决和处理好，那麽将直接影响中国海军未来航母建造的进度和中国海军蓝水舰队的成军时间。

目前国际上的航母弹射器主要分为以下几种：势能弹射器、蒸汽弹射器、电磁弹射器、火箭助推弹射器等。而上述弹射器均存在着一些不可避免的缺陷，如蒸汽弹射器，是目前大型直通式航母的主流弹射器，舰载机能够依靠蒸汽弹射器来获得一个初始加速度，从而在滑跑距离有限的条件下达到足够的起飞速度，拥有高可靠性。但是蒸汽弹射器由外围设备和弹射机及控制系统组成，外围设备包括：海水淡化设备、蓄水池、高压水泵、高压气泵、高压储气罐、导气管、气动阀门、安全阀、弹射阀、输气管道和锅炉等装置；弹射机包括：开口汽缸、活塞、密封装置、密封刀、传动臂、拖索、往复钢索、固定滑轮、导向滑轨等；控制系统有：压力传感器、温度传感器、位置传感器以及计算机系统等构成完整的弹射器系统。可见蒸汽弹射器的短板在于占地面积大、吨位重，配套设施多，建造成本高，对各个环节的操作要求高、系统繁琐、维护成本大；且蒸汽弹射器急升急降的飞行方式也是飞行员生理难以承受的。

而电磁线圈弹射器与普通大型平板型直线电机不同，它不仅有复杂的强制冷却系统，而且在每一段的功能都不相同，因此其非常消耗能源、跑道长、弹射间断时间长，形成机群慢；火箭助推弹射器在助推中会产生大量的污染物，而且成本高，用一次性的助推弹射器会让经济不强的国家畏而却步，多次重复使用必须配快速打捞艇、验伤设备，最重要的是其安全性一直受到质疑。势能弹射器缺点是需要建一个很大的坡面，运行时航母风阻力增大，隐形效果不好，更重要的是起飞频率低，影响其它设备使用，还需要配套大功率的升降机等。

经检索，现有技术中也公开了一些新结构设计的舰载机弹射装置。如中国专利申请号200910118815.9，申请日为2009年3月2日，发明创造名称为：航母弹射器；该申请案的航母弹射器包括气缸，气缸包括具有开口的气缸壳体和活塞，以及密封装置，活塞具有从气缸壳体开口处的密封装置中伸出，用于推动甲板上飞机的活塞凸起，在气缸壳体内具有前缸室和后缸室，气缸壳体的前部具有可连通前缸室和大气的放气口及用于使活塞回位的回位进气口，气缸壳体的后部具有可连通后缸室和大气的出气口，放气口、回位进气口、出气口各自均具有开关；该航母弹射器还包括与活塞连接的具有进气口的进气装置，进气装置具有与进气口连通的进气通道，活塞具有连通后缸室和进气通道的活塞气道，进气口具有开关；该申请案注入气缸中的高压气体通过活塞喷入，活塞即能向火箭或导弹那样在气体喷出时获得一个推力，还能够获得在密闭缸室内的由已喷出高压气体构成的压力，因此该申请案依靠活塞获得的力来实现舰载机的弹射，但可想而知，在该申请案完全依靠活塞获得的高压气体压力弹射舰载机的条件下，其所需消耗的能源是非常巨大的，且能否使舰载机获得起飞所需的加速度仍是一个未知数。

又如中国专利号ZL201310005736.3，专利名称为：主动磁悬浮电磁弹射器；中国专利号ZL201110407283.8，专利名称为：弹射返回联动式大功率航母舰载机弹射器；中国专利号ZL201010286055.5，专利名称为：前拉后推式航母舰载机弹射器及其弹射方法等专利均公开了新型结构的舰载机弹射装置，但上述方案均存在或结构复杂、制造成本高；或操作繁琐、形成战斗机群慢等各种问题；更重要的是，上述申请案均没有考虑舰载机起飞方向的灵活调节问题，而在海上作战中，舰载机如能根据实际情况从不同方向起飞，对超前形成作战群，打击敌方战机无疑是非常有帮助的。

技术实现要素：

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有弹射器弹射成本高、效率低、不能快速形成战斗机群，且舰载机起飞方向不能得到灵活调节的不足，提供了一种大功率轴向超强推力发动机、利用该发动机的超音速弹射器及弹射控制方法；本发明提供的弹射器占地面积小、弹射方向灵活可调节，在航母上同时设置多组弹射器的情况下，可同步弹射在空中超前形成战斗机群，应用本发明提供的弹射器能够很好的展现中国海军的威力。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种大功率轴向超强推力发动机，包括供气系统和气缸，所述的供气系统包括一压力容器，该压力容器的一端与气缸相连，压力容器的另一端设置有进气阀、点火系统和油嘴，在压力容器上还设置有回程减压端盖，供气系统喷出的气体轴向推动气缸内部的活塞杆运动。

更进一步地，所述的活塞杆的端部设置有台阶，在气缸上设置有制动器，该制动器抵靠于活塞杆的台阶处，限制活塞杆运动；所述气缸侧壁上还开设有排气孔，该排气孔沿气缸的圆周等间隔设置多个。

本发明的一种利用大功率轴向超强推力发动机的超音速弹射器，包括发动机和主体弹射架，所述的气缸贯穿主体弹射架，供气系统喷出的气体轴向推动气缸内部的活塞杆运动，所述气缸的外围设置滚球套管轨道，该滚球套管轨道包括外套筒、传动滚球和内套筒，传动滚球置于外套筒和内套筒之间；活塞杆推动滚球套管轨道运动，用于承载舰载机的顶板铺设于滚球套管轨道上。

更进一步地，所述滚球套管轨道沿气缸轴向铺设有3条，所述活塞杆的端部台阶处连接有一三角板，三角板呈倒三角设置，该3条滚球套管轨道分别设置于三角板的3个顶角处，并与三角板固连。

更进一步地，所述的滚球套管轨道沿气缸轴向分段设置，多段滚球套管轨道之间相互连接。

更进一步地，所述主体弹射架沿气缸轴向设置3根内管和2根托管，其中3根内管分别套设于内套筒中，2根托管设置于三角板中部位置的两侧，所述5根管道远离压力容器的一端插入第二定位板中，靠近压力容器的一端插入第一定位板中。

更进一步地，所述的托管沿其长度方向设置有至少2个调节油缸，该调节油缸能够托举托管在竖直方向旋转。

更进一步地，所述第一定位板的两侧连接有耳板，该耳板通过销轴与调节板相连，所述的调节板固定于地面或航母甲板或转向升降平台上。

更进一步地，所述转向升降平台包括支撑架、回转支承、圆盘转台、驱动电机、旋转制动件和支撑油缸；所述的支撑油缸托举支撑架在竖直方向移动，支撑架支撑回转支承，回转支承受驱动电机驱动，回转支承带动上部圆盘转台旋转；所述的旋转制动件作用于回转支承上轨道，该旋转制动件以圆形排列，等间隔设置有4～12个；旋转制动件包括制动油缸、球头、制动片，球头通过活塞与制动油缸相连，球头外部套装制动片，制动片与回转支承上轨道的内圆弧面相贴合。

本发明的一种超音速弹射方法，包括弹射准备阶段、弹射阶段和气缸回程阶段；其中：

弹射准备阶段：包括根据设定的舰载机起飞条件，控制支撑油缸托举支撑架移动至指定角度，控制回转支承带动圆盘转台旋转至指定位置，控制调节油缸托举托管旋转至指定角度，压力容器持续储气以及舰载机行进至起飞点待发；

弹射阶段：待弹射准备阶段结束后，解除对活塞杆的限制，同时通过点火系统进行点火，使得压力容器中储存气体爆发式喷出，即依靠气体储存压力轴向推动活塞杆行进，活塞杆推动滚球套管轨道移动，进而带动滚球套管轨道上铺设的顶板移动，使得位于顶板上的舰载机获得初始加速度，助推舰载机起飞；

气缸回程阶段：弹射阶段结束后，打开回程减压端盖排气，活塞杆依靠自身重力及角度复位。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明的超音速弹射器，针对弹射舰载机需要非常大的轴向推动力，传统弹射器需要消耗巨大的能源，且未必能提供舰载机所需初始加速度的问题，在新型弹射器的结构设计上做了一个“加法”和一个“减法”，所谓做“加法”即在压力容器的一端设置了点火系统和油嘴，在解除对活塞杆限制的同时通过点火系统进行点火，使得压力容器中储存气体呈爆发式喷出，如此能够在压力容器既有储存气体压力的基础上，为活塞杆提供更大的轴向推动力；所谓做“减法”即通过滚球套管轨道承载顶板运动，该滚球套管轨道一方面其承载能力较高，能够满足大吨位的承载要求，另一方面可通过滚动方式来降低动力传递过程中的摩擦力和提高机械动力的传递效率，减小了牵引顶板移动所需消耗的能源，通过上述一“加”一“减”的设计，在降低能源消耗的同时，也完全能够保证提供舰载机所需初始加速度；

(2)本发明的超音速弹射器，其在与活塞杆端部相连的三角板的3个顶角处分别设置了滚球套管轨道，且滚球套管轨道沿气缸轴向分段设置，由于为满足舰载机弹射需求，整个弹射器需要设计的较长，如果将滚球套管轨道沿弹射器长度方向铺满，会因不同段滚球套管轨道之间存在轴线偏差而造成内部滚球不能顺利滚动，严重可能存在卡死现象，而分段设置滚球套管轨道可以有效解决上述问题；

(3)本发明的超音速弹射器，其主体弹射架沿气缸轴向设置3根内管和2根托管，5根管道分别由前后两个5孔定位板定位固定，能够保证整个主体弹射架结构稳定，不会产生晃动，舰载机在其上平稳运行；

(4)本发明的超音速弹射器，托管沿其长度方向设置有至少2个调节油缸，第一定位板两侧连接的耳板也通过销轴与调节板相连，如此，可以通过调节油缸托举托管在竖直方向旋转，进而整个主体弹射架在竖直方向一定角度范围内都可以灵活调节，另外本发明在主体弹射架底部设置转向升降平台，主体弹射架可以在转向升降平台上实现灵活、快速转向，实际弹射时可以结合舰载机型号、当时风向、风力、敌机所在位置等各种外在因素，确定弹射方向和舰载机的起飞角度，确保舰载机安全起飞、快速投入到对敌作战中；

(5)本发明的超音速弹射器，其设置多排支撑油缸托举圆盘转台及其上的主体弹射架，该设计最直接的一个优点就是主体弹射架的高度可调节；另一方面，在该设计思路下，可将整个弹射器或转向升降平台设计在航母甲板下部(也即航母内部)，在需要使用时再升出航母甲板表面，如此便于战术隐形且非使用状态下也不占用航母甲板的空间；还有一个非常重要的方面是，多排支撑油缸占用航母甲板的面积较小，可以通过调节主体弹射架的偏向，在航母上设置多组弹射器，如此可同步弹射多架舰载机，在空中超前形成战斗机群，占取制敌先机。

附图说明

图1为本发明的超音速弹射器的结构示意图；

图2为本发明的超音速弹射器的侧面结构示意图；

图3为本发明中舰载机制动的示意图；

图4为本发明中主推动气缸的结构示意图；

图5为本发明中主推动气缸一冲程结束的状态图；

图6为本发明中转向升降平台的结构示意图。

示意图中的标号说明：

11、压力容器；111、回程减压端盖；12、连接法兰；13、进气阀；14、点火系统；15、油嘴；21、气缸；22、活塞杆；23、排气孔；24、制动器；25、滚球；31、三角板；32、外套筒；33、传动滚球；34、内套筒；35、内管；41、桥板；42、顶板；43、制动架；51、调节板；52、销轴；53、耳板；54、第一调节油缸；55、第二调节油缸；56、托管；61、支撑架；621、回转支承上轨道；622、回转支承下轨道；63、圆盘转台；641、驱动电机；642、齿轮；651、制动油缸；652、活塞；653、球头；654、制动片；66、支撑油缸；71、第一定位板；72、第二定位板。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

结合图1和图2，本实施例的一种超音速弹射器，包括一大功率轴向超强推力发动机和主体弹射架，所述的大功率轴向超强推力发动机包括供气系统和气缸21，供气系统包括一压力容器11，该压力容器11的一端通过连接法兰12与气缸21相连，压力容器11的另一端设置有进气阀13、点火系统14和油嘴15，进气阀13设置有多个，油嘴15为柴油喷嘴，在压力容器11上还设置有回程减压端盖111。

所述的气缸21贯穿设置于主体弹射架中部，供气系统喷出的气体推动气缸21内部的活塞杆22运动，结合图4，本实施例中活塞杆22的端部设置有台阶，在气缸21上设置有制动器24，该制动器24抵靠于活塞杆22的台阶处，限制活塞杆22运动。所述气缸21侧壁上，靠近活塞杆22台阶处的一侧还开设有排气孔23，该排气孔23可沿气缸21的圆周等间隔设置3个。结合图5，活塞杆22在气体压力作用下向前冲出，在活塞杆22尾端通过排气孔23后，气缸21内部气体经排气孔23排出，活塞杆22所受压力下降，最后会有一个逐渐减速的过程，直至最终停止移动。此外，本实施例在气缸21的输出端，具体为气缸21和活塞杆22之间还设置了一段滚球25，利用滚球25和气缸21、活塞杆22的节点接触面积小的有点，减小活塞杆22向外冲出时受到的摩擦力，进而进一步降低能源消耗。

所述气缸21的外围设置滚球套管轨道，该滚球套管轨道沿气缸21轴向铺设有3条，活塞杆22的端部台阶处连接有一三角板31，三角板31呈倒三角设置，所述3条滚球套管轨道分别设置于三角板31的3个顶角处，并与三角板31固连。滚球套管轨道包括外套筒32、传动滚球33和内套筒34，传动滚球33置于外套筒32和内套筒34之间，本实施例的滚球套管轨道的设计灵感来源于滚珠轴承，其结构和工作原理也与滚珠轴承类似，所不同的是，所述外套筒32和内套筒34均为直线轨道。活塞杆22推动三角板31移动，进而带动滚球套管轨道运动，用于承载舰载机的顶板42铺设于滚球套管轨道上，进而顶板42也能够带动舰载机运动。顶板42的一端设置有桥板41，所述桥板41与顶板42通过铰链连接，舰载机通过桥板41平稳运行至顶板42上设置的起飞点，且顶板42上还设置有制动架43，如图3所示，该制动架43在舰载机起飞前用于限制其后溜，在舰载机起飞时能够自动脱钩，其设置位置视具体情况而定。所述主体弹射架沿气缸21轴向设置3根内管35和2根托管56，其中3根内管35分别套设于内套筒34中，2根托管56设置于三角板31中部位置的两侧，所述5根管道远离压力容器11的一端插入第二定位板72中，靠近压力容器11的一端插入第一定位板71中。5根管道分别由前后两个5孔定位板定位固定，能够保证整个主体弹射架结构稳定，不会产生晃动，舰载机在其上平稳运行。

本实施例依靠注入气缸中的高压气体轴向推动活塞杆，活塞杆即能在气体喷出时获得一个推力来实现舰载机的弹射，但如果完全依靠活塞杆获得的高压气体压力弹射舰载机，其所需消耗的能源是非常巨大的，且能否使舰载机获得起飞所需的加速度也是一个未知数。为此，本实施例在新型弹射器的结构设计上做了一个“加法”和一个“减法”，所谓做“加法”即在压力容器11的一端设置了点火系统14和油嘴15，在解除对活塞杆22限制的同时通过点火系统14进行点火，使得压力容器11中储存气体呈爆发式喷出，如此能够在压力容器11既有储存气体压力的基础上，为活塞杆22提供更大的轴向推动力；所谓做“减法”即通过滚球套管轨道承载顶板运动，该滚球套管轨道一方面其承载能力较高，能够满足大吨位的承载要求，另一方面由于滚球与内、外套管的节点接触面小，可通过滚动方式来降低动力传递过程中的摩擦力和提高机械动力的传递效率，减小了牵引顶板42移动所需消耗的能源，通过上述一“加”一“减”的设计，在降低能源消耗的同时，也完全能够保证提供舰载机所需初始加速度。

此外，还有一个不可忽视的问题是，由于为满足舰载机弹射需求，整个弹射器需要设计的较长，对应地，气缸21、滚球套管轨道也需要设计的较长，在很长的管道铺设过程中不可避免的会出现不同段管道之间轴线存在偏差的现象，如果将滚球套管轨道沿弹射器长度方向铺满，管道轴线偏差的问题肯定会影响其内部滚球的顺利滚动，严重情况下甚至会出现滚球卡死的现象，为了解决上述问题，申请人想到将所述的滚球套管轨道沿气缸21轴向分段设置，多段滚球套管轨道之间连为一体。并在顶板下方设置了4个球头，当出现轴线偏差时，可以通过球头来调心。如此，一方面可以保证滚球顺利运行，不会出现卡死现象，另一方面相对于滚球铺满整个轨道，铺设成本也大大降低。

实施例2

本实施例的一种超音速弹射器，基本同实施例1，其不同之处在于：本实施例在第一定位板71的两侧连接有耳板53，该耳板53通过销轴52与调节板51相连，所述的调节板51固定于航母甲板上。所述的托管56沿其长度方向至少设置2个调节油缸，具体到本实施例，沿托管56长度方向设置了第一调节油缸54和第二调节油缸55，通过控制第一调节油缸54、第二调节油缸55托举托管56不同程度上升，可以控制整个主体弹射架在竖直方向，即图1中α角的角度范围内灵活旋转。实际弹射时可以结合舰载机型号、当时风向、风力、敌机所在位置等各种外在因素，确定舰载机的起飞角度，确保舰载机安全起飞、快速投入到对敌作战中。在气缸21的活塞杆22回程时，也可以因主体弹射架倾斜一定角度，而依靠自身重力及角度复位。

实施例3

本实施例的一种超音速弹射器，基本同实施例2，其不同之处在于：本实施例将调节板51固定于一转向升降平台上，结合图1和图6，所述转向升降平台包括支撑架61、回转支承、圆盘转台63、驱动电机641、旋转制动件和支撑油缸66；所述的支撑油缸66设置2排4列，共同托举支撑架61在竖直方向移动，支撑架61支撑回转支承，回转支承包括回转支承上轨道621和回转支承下轨道622。回转支承受驱动电机641驱动，具体为驱动电机641与齿轮642相连，齿轮642与回转支承上轨道621啮合传动。回转支承带动上部圆盘转台63旋转。

所述的旋转制动件用于制动回转支承，该旋转制动件包括制动油缸651、球头653、制动片654，球头653通过活塞652与制动油缸651相连，球头653外部套装制动片654，制动片654采用耐磨且摩擦系数大的材料制成。鉴于转向升降平台需实现上部弹射架的整体旋转，所以其扭矩、惯性势必非常大，为了保证转向升降平台旋转的保险系数，本实施例将旋转制动件作用于回转支承上轨道621，且设置旋转制动件以圆形排列，等间隔设置12个；同时，本实施例设置制动片654与回转支承上轨道621相接触的一面为较大面积弧面，以保证制动片654与回转支承上轨道621的内圆弧面密切贴合，获得更好的制动效果。

本实施例在主体弹射架底部设置转向升降平台，主体弹射架可以在转向升降平台上实现灵活、快速转向，实际弹射时可以结合舰载机型号、当时风向、风力、敌机所在位置等各种外在因素，确定弹射方向，确保舰载机安全起飞。设置多排支撑油缸托举圆盘转台及其上的主体弹射架，该设计最直接的一个优点就是主体弹射架的高度可调节；另一方面，在该设计思路下，可将整个弹射器或转向升降平台设计在航母甲板下部(也即航母内部)，在需要使用时再升出航母甲板表面，如此便于战术隐形且非使用状态下也不占用航母甲板的空间；还有一个非常重要的方面是，多排支撑油缸占用航母甲板的面积较小，可以通过调节主体弹射架的偏向，在航母上设置多组弹射器，如此可同步弹射多架舰载机，在空中超前形成战斗机群，占取制敌先机。

本实施例的一种超音速弹射方法，包括弹射准备阶段、弹射阶段和气缸回程阶段；其中：

弹射准备阶段：包括根据设定的舰载机起飞条件，控制支撑油缸66托举支撑架61移动至指定角度，控制回转支承带动圆盘转台63旋转至指定位置，控制调节油缸托举托管56旋转至指定角度，压力容器11持续储气以及舰载机行进至起飞点待发；

弹射阶段：待弹射准备阶段结束后，解除对活塞杆22的限制，同时通过点火系统14进行点火，使得压力容器11中储存气体爆发式喷出，即依靠气体储存压力轴向推动活塞杆22行进，活塞杆22推动滚球套管轨道移动，进而带动滚球套管轨道上铺设的顶板42移动，使得位于顶板42上的舰载机获得初始加速度，助推舰载机起飞；

气缸回程阶段：弹射阶段结束后，打开回程减压端盖111排气，由于主体弹射架倾斜一定角度，故活塞杆22依靠自身重力及角度复位。

实施例4

本实施例的一种超音速弹射器，基本同实施例3，其不同之处在于：本实施例的旋转制动件以圆形排列，等间隔设置8个。

实施例5

本实施例的一种超音速弹射器，基本同实施例3，其不同之处在于：本实施例的旋转制动件以圆形排列，等间隔设置4个。

实施例1～5所述的一种超音速弹射器，地面积小、弹射方向灵活可调节，在航母上同时设置多组弹射器的情况下，可同步弹射在空中超前形成战斗机群，应用本发明提供的弹射器能够很好的展现中国海军的威力。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。