本發(fā)明涉及一種飛輪彈射器，它是一種直線加速器，能夠在極短的時(shí)間內(nèi)，釋放出很大能量，將很大質(zhì)量的物體加速到很高的速度。飛輪彈射器主要用于幫助飛機(jī)起飛、火箭發(fā)射、導(dǎo)彈發(fā)射、炮彈發(fā)射、物體拋擲、軌道列車(chē)加速、汽車(chē)加速、電梯運(yùn)行、纜車(chē)運(yùn)行，等方面。

背景技術(shù)：

目前彈射器主要是用于軍事方面，比較成熟的彈射器是蒸汽彈射器，開(kāi)縫汽缸密封是核心技術(shù)，該技術(shù)要求牽引滑梭能在汽缸開(kāi)縫處自由活動(dòng)的情況下，又能及時(shí)密封汽缸內(nèi)高溫高壓蒸汽。蒸汽彈射器的缺點(diǎn)較多，主要有在彈射的前、后階段加速度相差太大，準(zhǔn)備時(shí)間太長(zhǎng)，儲(chǔ)汽罐及控制系統(tǒng)太復(fù)雜，體積太大、重量太大、能源利用率太低，淡水消耗量太大，維護(hù)保養(yǎng)維修工作量太大，運(yùn)行周期較長(zhǎng)，系統(tǒng)制動(dòng)機(jī)構(gòu)復(fù)雜且需要占用較長(zhǎng)的距離，等等。

電磁彈射器比蒸汽彈射器先進(jìn)，但由于技術(shù)難題太多，還未能投入實(shí)際應(yīng)用。據(jù)稱(chēng)線性電動(dòng)機(jī)長(zhǎng)95.36米，末段有7.6米的減速緩沖制動(dòng)區(qū)(注：制動(dòng)減速度達(dá)35g)；采用飛輪及大型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子儲(chǔ)能。電磁彈射器的缺點(diǎn)也是很明顯的，首先是需要大功率的電源，以機(jī)械能的方式儲(chǔ)存能量，在需要電能的極短時(shí)間內(nèi)，由發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成巨大的電能，然后再利用直線電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，這一系列的轉(zhuǎn)換，不僅技術(shù)復(fù)雜，配套設(shè)備龐雜，體積龐大，造價(jià)很高，而且不經(jīng)濟(jì)，比如，欲達(dá)到本發(fā)明所涉及最大彈射能量490兆焦的能力，彈射時(shí)間2.1秒，需要40萬(wàn)千瓦功率的電源；其次是電能在轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱，不僅處理起來(lái)很麻煩，本身也是效率低下的表現(xiàn)；磁場(chǎng)對(duì)人體和電子設(shè)備究竟有多大的影響，還需要實(shí)踐檢驗(yàn)；動(dòng)子滑梭慣性巨大，不僅制動(dòng)困難，且需復(fù)位后，后續(xù)飛機(jī)才能夠就位；在戰(zhàn)時(shí)條件下，大量電子元器件的可靠性如何保證，等等，許多難題尚待解決。

附：美國(guó)電磁彈射器技術(shù)指標(biāo)預(yù)期如下：最大彈射重量22.5噸(另說(shuō)36噸)，起飛速度：28～103米/秒；最大牽引力和平均牽引力之比：1.07；最大彈射能量：122兆焦；最短起飛循環(huán)時(shí)間：45秒；重量：225噸；體積：425立方米；補(bǔ)充能源需求：6350千瓦。

蒸汽彈射器和電磁彈射器制造費(fèi)用太高，使用成本太高，很難在民用方面有所作為。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題：被彈射飛機(jī)在助推電機(jī)、飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)、和飛輪產(chǎn)生的摩擦力三方面動(dòng)力的協(xié)同推動(dòng)下起步、逐步加速，避免突然加速產(chǎn)生沖擊，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速達(dá)到飛輪轉(zhuǎn)速后，再閉合飛輪。飛輪輸出的能量經(jīng)由圓錐螺線齒條無(wú)級(jí)變速器，轉(zhuǎn)換成加速轉(zhuǎn)動(dòng)的能量，然后用一根主軸帶動(dòng)若干個(gè)驅(qū)動(dòng)齒輪，由這些驅(qū)動(dòng)齒輪依次帶動(dòng)從動(dòng)齒條，最終獲得加速直線運(yùn)動(dòng)。彈射系統(tǒng)的主要部件是：源動(dòng)力電機(jī)-差速聯(lián)軸器-變速器-傳動(dòng)機(jī)構(gòu)-驅(qū)動(dòng)齒輪-從動(dòng)齒條-飛機(jī)，其中最核心的技術(shù)是圓錐螺線齒條無(wú)級(jí)變速器。

本發(fā)明的有益效果是：采用飛輪作為主要?jiǎng)恿υ?，利用了飛輪儲(chǔ)能比大，能量釋放平穩(wěn)，能量傳遞效率高的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)采用助推電機(jī)作為輔助動(dòng)力源，實(shí)際上是利用了電磁彈射器的 優(yōu)點(diǎn)，作為整個(gè)機(jī)構(gòu)所需能量填平補(bǔ)缺的游碼；讓傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以轉(zhuǎn)動(dòng)方式運(yùn)行，有利于能量的傳遞；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)部件的慣性限于轉(zhuǎn)動(dòng)，不存在消減直線慣性的問(wèn)題，有利于系統(tǒng)的制動(dòng)，可大大縮短彈射占用距離；前面飛機(jī)彈射出去，不需要等待滑梭復(fù)位，后續(xù)飛機(jī)立即就可就位，極大縮短彈射循環(huán)周期時(shí)間；有利于簡(jiǎn)化傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，有利于機(jī)構(gòu)減輕重量、減少體積，有利于能量回收。飛輪彈射器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、力傳遞比大，體積小、重量輕、制造成本低，效率高，運(yùn)行成本低，維護(hù)簡(jiǎn)便，等等優(yōu)點(diǎn)，能夠廣泛用于軍事和民用方面。

本發(fā)明所例舉的艦載飛輪彈射器，重量100噸左右，體積100m³左右，源動(dòng)力有效功率5000kW，飛輪重量26噸，飛輪直徑4米，飛輪常規(guī)轉(zhuǎn)速1920r/min；3臺(tái)助推電機(jī)合計(jì)功率2.5萬(wàn)kW；彈射器平均推力1470kN；每次彈射耗電50千瓦時(shí)；常規(guī)彈射飛機(jī)起飛重量45噸，加速度由4g逐步降低為2.74g，平均加速度3.5g，末速度70.65m/s，彈射距離76.3米(距艦首邊緣的距離，即含躍升跑道在內(nèi)的跑道全程距離)，用時(shí)2.12秒，最短循環(huán)周期30秒；單臺(tái)彈射器輸出的彈射能量112MJ；可彈射5～45噸各型飛機(jī)；彈射起飛速度20～120米/秒。彈射器可以單臺(tái)使用，也可以組合使用，4套動(dòng)力系統(tǒng)并聯(lián)起來(lái)，平均推力達(dá)600噸，彈射能量449MJ，最大彈射起飛重量180噸。飛輪彈射器各項(xiàng)指標(biāo)全面超越美國(guó)電磁彈射器指標(biāo)。

現(xiàn)有的民航飛機(jī)(包括客機(jī)、貨機(jī)、等等飛機(jī))起飛，只能采用發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，不但不經(jīng)濟(jì)，而且占地面積太大。例如民航大型飛機(jī)(比如波音747)起飛，需要3000米以上跑道，需消耗燃油近5噸。而采用彈射器幫助360噸飛機(jī)起飛，加速度0.6g，達(dá)到313公里的時(shí)速，僅需耗電500千瓦時(shí)，耗油十幾升(僅需巡航耗油量)；彈射距離為644米，牽引梭制動(dòng)距離60米；由于采用導(dǎo)軌跑道，跑道寬度大大降低；彈射時(shí)間15秒，彈射器的最短循環(huán)周期3分鐘。民航彈射器可彈射20～360噸的飛機(jī)。幾臺(tái)彈射器可以同時(shí)運(yùn)行，密集彈射飛機(jī)。彈射民航飛機(jī)，將飛機(jī)的前起落架?？吭趶椛淦鞯臓恳猩霞纯桑恍枰獙?duì)飛機(jī)作任何改造。

3000噸火箭依靠發(fā)動(dòng)機(jī)起飛，達(dá)到131m/s速度，需要消耗上百噸的燃料。而采用彈射器幫助起飛，達(dá)到同樣的速度，彈射距離292米，僅需耗電1萬(wàn)千瓦時(shí)?；鸺龔椛淦骺蓮椛?00～5000噸起飛重量的火箭，火箭直徑5～10米，彈射加速度為1～6g。

軌道列車(chē)包括地鐵、輕軌列車(chē)、高鐵、動(dòng)車(chē)、普通客運(yùn)列車(chē)、貨運(yùn)列車(chē)，等等，為了縮短起步時(shí)間，軌道列車(chē)不得不配備較大功率的動(dòng)力，而在絕大部分時(shí)間內(nèi)，列車(chē)是勻速行駛，只需要克服阻力的動(dòng)力，根本就不需要配備那么大功率的動(dòng)力，從方方面面來(lái)說(shuō)，均造成極大的浪費(fèi)。采用彈射器幫助起步，機(jī)車(chē)動(dòng)力功率配備可降低一半，而加速時(shí)間減少大半。

一旦軌道列車(chē)配備了從動(dòng)齒條，就為助推列車(chē)創(chuàng)造了條件，從而就可以在優(yōu)化鐵路設(shè)計(jì)方面大做文章，減少鐵路線路受限因素。例如在軌道下面設(shè)置助推機(jī)構(gòu)后，就可以適度加大鐵路坡度，在牽引機(jī)車(chē)動(dòng)力不變的情況下，仍然能夠保持列車(chē)較高的行駛速度，還可以利用列車(chē)下坡的動(dòng)能，帶動(dòng)設(shè)置在地面的發(fā)電機(jī)發(fā)電。

附圖說(shuō)明

圖1.艦載機(jī)彈射器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2.艦載機(jī)彈射驅(qū)動(dòng)方式示意圖；

圖3.艦載機(jī)副油箱結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4.艦載機(jī)飛機(jī)尾氣導(dǎo)流器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5.民航飛機(jī)彈射器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6.陸基彈射器牽引梭結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7.火箭彈射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖8.軌道列車(chē)彈射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

圖9.艦載機(jī)圓錐螺線齒條無(wú)級(jí)變速器比例尺寸示意圖。

說(shuō)明書(shū)附圖中各部件名稱(chēng)編號(hào)：

(1)源動(dòng)力電機(jī)；(2)飛輪；(3)差速聯(lián)軸器；(4)圓錐螺線齒條無(wú)級(jí)變速器；(5)變速器主動(dòng)輪；(6)變速器從動(dòng)輪；(7)圓錐螺線齒條；(8)空齒段；(9)傳動(dòng)輪；(10)傳動(dòng)輪導(dǎo)軌；(11)傳動(dòng)輪控制桿；(12)從動(dòng)輪移動(dòng)控制機(jī)構(gòu)；(13)花鍵軸；(14)變速器動(dòng)力輸出軸；(15)助推電機(jī)；(16)傳動(dòng)齒輪組；(17)復(fù)位電機(jī)；(18)主傳動(dòng)軸；(19)傘齒輪組；(20)枝傳動(dòng)軸；(21)驅(qū)動(dòng)齒輪；(22)驅(qū)動(dòng)力平衡輪；(23)主軸第一離合器；(24)主軸第N個(gè)離合器；(25)剎車(chē)及能量回收裝置；(26)跑道；(27)翹首甲板；(28)飛機(jī)；(29)前起落架；(30)后起落架；(31)副油箱；(32)機(jī)載齒條；(33)飛機(jī)噴氣導(dǎo)流器；(34)皮帶輪；(35)艦載機(jī)彈射導(dǎo)向輪；(36)艦載機(jī)彈射導(dǎo)向軌道；(37)飛機(jī)掛彈位置；(38)副油箱連接栓；(39)副油箱與機(jī)體結(jié)合部位；(40)浮球降落傘存放位；(41)集流罩；(42)排氣管；(43)支架；(44)可翻轉(zhuǎn)甲板；(45)導(dǎo)流器旋轉(zhuǎn)軸；(46)導(dǎo)流器隱藏井；(47)排風(fēng)扇；(48)陸基彈射器復(fù)配動(dòng)力系統(tǒng)；(49)飛輪減速機(jī)；(50)絞輪離合器；(51)中小型絞輪；(52)大型絞輪；(53)鋼纜；(54)牽引梭；(55)牽引托；(56)制動(dòng)滑道；(57)牽引梭車(chē)體；(58)牽引托支撐體；(59)螺桿伸縮裝置；(60)牽引托活動(dòng)后欄板；(61)軌道下車(chē)輪；(62)軌道上車(chē)輪；(63)牽引梭運(yùn)行軌道；(64)牽引梭通道側(cè)壁；(65)牽引梭通道蓋板；(66)電動(dòng)機(jī)暨發(fā)電機(jī)兩用機(jī)；(67)運(yùn)載火箭；(68)火箭第二套動(dòng)力系統(tǒng)；(69)火箭第三套動(dòng)力系統(tǒng)；(70)火箭第四套動(dòng)力系統(tǒng)；(71)同步協(xié)調(diào)機(jī)構(gòu)；(72)火箭第二套傳動(dòng)系統(tǒng)；(73)火箭齒條；(74)發(fā)射架枝傳動(dòng)軸；(75)對(duì)沖傘齒輪；(76)對(duì)沖驅(qū)動(dòng)齒輪；(77)火箭導(dǎo)向滑桿；(78)火箭導(dǎo)向滑槽；(79)軌道列車(chē)；(80)列車(chē)齒條；(81)接力驅(qū)動(dòng)齒輪。

具體實(shí)施方式

飛輪彈射器關(guān)鍵部件功能及原理

1.飛輪(2)。飛輪是儲(chǔ)存能量的部件。飛輪還可作為儲(chǔ)存電能的裝置。

2.源動(dòng)力電機(jī)(1)。采用調(diào)速電機(jī)，以適合于飛輪啟動(dòng)，和便于調(diào)整飛輪轉(zhuǎn)速。

3.差速聯(lián)軸器(3)。一般稱(chēng)為摩擦離合器。差速聯(lián)軸器是啟動(dòng)和停止飛輪動(dòng)力彈射的開(kāi)關(guān)。在彈射器起步階段，加速器主動(dòng)輪(5)由零速狀態(tài)起步，飛輪(2)或飛輪減速機(jī)(49)輸 出的轉(zhuǎn)速大于主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速，差速聯(lián)軸器不能直接閉合，否則將造成主動(dòng)輪的加速度太大，形成猛烈的沖擊，因此差速聯(lián)軸器在彈射的起步階段是差速運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)摩擦力傳遞能量。當(dāng)主動(dòng)輪(5)轉(zhuǎn)速達(dá)到飛輪或飛輪減速機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速，起步結(jié)束，閉合差速聯(lián)軸器。

4.圓錐螺線齒條無(wú)級(jí)變速器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“變速器”)(4)。變速器由：圓錐螺線齒條變速器主動(dòng)輪(5)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“主動(dòng)輪”)-傳動(dòng)輪(9)或鏈條-圓錐螺線齒條無(wú)級(jí)變速器從動(dòng)輪(6)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“從動(dòng)輪，，)組成。主動(dòng)輪采用外凸的近似拋物線旋轉(zhuǎn)面圓錐體，從動(dòng)輪采用內(nèi)凹的近似拋物線旋轉(zhuǎn)面圓錐體，這個(gè)圓錐體的錯(cuò)位(錯(cuò)位一個(gè)齒條的寬度)橫截面外廓是一條螺線。將齒條一圈挨一圈纏繞該在錐體上，得到的就是圓錐螺線齒條(7)。主動(dòng)輪上齒條與從動(dòng)輪上齒條的齒數(shù)必須相等。從動(dòng)輪采用花鍵軸(13)，使從動(dòng)輪能夠自由的沿著花鍵軸移位，從而使主動(dòng)輪與從動(dòng)輪嚙合處之間的間距保持不變。變速器工作起始時(shí)刻，通過(guò)傳動(dòng)輪(9)，主動(dòng)輪的小頭與從動(dòng)輪的大頭嚙合，隨著主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，在從動(dòng)輪移動(dòng)控制機(jī)構(gòu)(12)是控制下，傳動(dòng)輪順著齒條，向主動(dòng)輪的大頭和從動(dòng)輪的小頭移動(dòng)，由于主動(dòng)輪(5)轉(zhuǎn)速的降幅很小，而嚙合處直徑比變得越來(lái)越大，因此從動(dòng)輪(6)的轉(zhuǎn)速變得越來(lái)越快。彈射終了時(shí)刻，主動(dòng)輪的大頭與從動(dòng)輪的小頭嚙合，變速比達(dá)到最大值。

當(dāng)傳動(dòng)齒輪到達(dá)主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的齒條末端，差速聯(lián)軸器(3)隨即動(dòng)作，切斷動(dòng)力輸入，主動(dòng)輪和從動(dòng)輪之間不再有力的傳遞，彈射結(jié)束。

在主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的齒條末端設(shè)置小半圈過(guò)渡齒，過(guò)渡齒不傳遞力，齒寬、齒厚、齒高均逐漸減小，主要用于變速器復(fù)位時(shí)，便于雙雙與傳動(dòng)輪搭接嚙合。在過(guò)渡齒之后，在圓錐體上設(shè)置空齒段(8)，飛輪動(dòng)力撤除之后，在慣性作用下，主動(dòng)輪、從動(dòng)輪繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，傳動(dòng)輪越過(guò)齒條盡頭后，進(jìn)入到空齒段上，主動(dòng)輪和從動(dòng)輪脫離嚙合。剎住車(chē)后，啟動(dòng)主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的復(fù)位電機(jī)(17)，讓兩輪停在復(fù)位起始位(兩齒條的末端頭處于最靠近的位置)，在傳動(dòng)輪控制桿(11)的支配下，將傳動(dòng)輪(9)送入與主動(dòng)輪和從動(dòng)輪嚙合，然后啟動(dòng)復(fù)位電機(jī)(17)倒轉(zhuǎn)，讓從動(dòng)輪倒轉(zhuǎn)，直至傳動(dòng)輪同時(shí)到達(dá)主動(dòng)輪和從動(dòng)輪齒條(7)的起始端頭。

后附：“圓錐螺線齒條無(wú)級(jí)變速器(艦載機(jī)彈射器)相關(guān)數(shù)據(jù)列表”

5.軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由以下部件構(gòu)成：

1)主傳動(dòng)軸(18)。主傳動(dòng)軸(以下簡(jiǎn)稱(chēng)主軸)的長(zhǎng)度根據(jù)彈射距離來(lái)設(shè)置。主軸上需設(shè)置若干軸承，用以支撐主軸。主軸上設(shè)置若干個(gè)離合器(23、24)，當(dāng)從動(dòng)齒條(32)越過(guò)離合器(N)后，隨即分離該離合器，可以減少系統(tǒng)的負(fù)荷。

2)傘齒輪組(19)。在主軸上，每隔3～20米，設(shè)置一組傘齒輪組，每組傘齒輪的規(guī)格必需一致，確保每組傘齒輪的轉(zhuǎn)速完全相同。調(diào)整主動(dòng)輪與從動(dòng)輪間直徑比，可以改變主傳動(dòng)軸(18)與枝傳動(dòng)軸(20)之間的速比。

3)枝傳動(dòng)軸(20)。枝傳動(dòng)軸設(shè)置若干組，一根主軸(18)同時(shí)帶動(dòng)若干枝軸(20)等速轉(zhuǎn)動(dòng)。每根枝傳動(dòng)軸與傘齒輪組(19)的從動(dòng)輪連接，枝傳動(dòng)軸垂直于主傳動(dòng)軸(18)，從而實(shí)現(xiàn)將主軸旋轉(zhuǎn)的方向改變90度。艦載機(jī)的最后兩組枝傳動(dòng)軸上串聯(lián)萬(wàn)向節(jié)聯(lián)軸器，將該軸做 成可搖擺式，導(dǎo)向輪進(jìn)入滑躍跑道(滑躍距離15米左右)后，機(jī)載齒條將由水平狀態(tài)逐漸向上翹起，機(jī)載齒條與水平線之間的夾角逐漸變大，隨著機(jī)載齒條夾角的變化，枝傳動(dòng)軸的角度也必須跟隨變化，使驅(qū)動(dòng)齒輪與機(jī)載齒條之間始終保持良好的嚙合。

艦載機(jī)彈射器的枝傳動(dòng)軸采用花鍵軸，設(shè)置為伸縮式枝傳動(dòng)軸(20)，縮回枝傳動(dòng)軸，可將驅(qū)動(dòng)齒輪(21)縮回到甲板之下，隱藏起來(lái)。

火箭發(fā)射架上的驅(qū)動(dòng)齒輪(21)需設(shè)置為對(duì)稱(chēng)的兩組，因此需設(shè)置火箭第二套傳動(dòng)系統(tǒng)(72)?；鸺龔椛淦鞯谝粋鲃?dòng)系統(tǒng)的枝傳動(dòng)軸(20)長(zhǎng)度固定不變，第二傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)置為伸縮式發(fā)射架枝傳動(dòng)軸(74)，以適合于彈射不同直徑的火箭(67)。

4)驅(qū)動(dòng)齒輪(21)。艦載機(jī)驅(qū)動(dòng)齒輪采用圓柱直齒輪，驅(qū)動(dòng)齒輪與枝傳動(dòng)軸(20)連接，從動(dòng)齒條與驅(qū)動(dòng)齒輪嚙合，在轉(zhuǎn)速一定的條件下，驅(qū)動(dòng)齒輪(21)直徑越大，彈射速度越快。驅(qū)動(dòng)齒輪壓力角采用盡可能小的角度，從而盡可能降低驅(qū)動(dòng)力在法線方向的分力。相鄰兩組驅(qū)動(dòng)齒輪會(huì)同時(shí)作用在同一個(gè)從動(dòng)齒條上，因此各組驅(qū)動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速必須完全相等。

5)驅(qū)動(dòng)力平衡輪(22)。驅(qū)動(dòng)力平衡輪的軸線與驅(qū)動(dòng)齒輪的軸線保持平行。驅(qū)動(dòng)齒輪壓力角的存在，使齒輪驅(qū)動(dòng)力作用在機(jī)載齒條上時(shí)，除了產(chǎn)生齒條運(yùn)行方向的推力外，還會(huì)產(chǎn)生一個(gè)法線方向的分力，需要設(shè)置驅(qū)動(dòng)力平衡輪(22)來(lái)承擔(dān)這個(gè)分力。在機(jī)載齒條與驅(qū)動(dòng)齒輪嚙合處法線方向，機(jī)載齒條的背面，設(shè)置驅(qū)動(dòng)力平衡輪。為避免機(jī)載齒條(32)與平衡輪接觸時(shí)產(chǎn)生沖擊，驅(qū)動(dòng)齒輪平衡輪需與驅(qū)動(dòng)齒輪(21)同步轉(zhuǎn)動(dòng)，擬用皮帶輪(34)帶動(dòng)。

6)接力驅(qū)動(dòng)齒輪(81)。列車(chē)彈射器驅(qū)動(dòng)齒輪必須要設(shè)置在地面之下，而驅(qū)動(dòng)齒輪的直徑不能任意設(shè)置，因此需要采用接力驅(qū)動(dòng)齒輪來(lái)實(shí)施對(duì)從動(dòng)齒條的驅(qū)動(dòng)。接力驅(qū)動(dòng)齒輪由驅(qū)動(dòng)齒輪(21)帶動(dòng)。接力驅(qū)動(dòng)齒輪(81)的直徑不受限制，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件來(lái)確定。

6.從動(dòng)齒條。從動(dòng)齒條與驅(qū)動(dòng)齒輪(21)嚙合，從動(dòng)齒條的長(zhǎng)度必須要大于2個(gè)驅(qū)動(dòng)齒輪之間的間距，使至少有1個(gè)驅(qū)動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒條保持嚙合。從動(dòng)齒條在運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)尾部與驅(qū)動(dòng)齒輪嚙合時(shí)，從動(dòng)齒條的頭部已經(jīng)與前面一個(gè)驅(qū)動(dòng)齒輪嚙合，因此，設(shè)置一系列轉(zhuǎn)速相同的驅(qū)動(dòng)齒輪，能夠依次接續(xù)驅(qū)動(dòng)從動(dòng)齒條做直線運(yùn)動(dòng)。

從動(dòng)齒條可分為三種類(lèi)型：

1)機(jī)載齒條(32)。艦載機(jī)配備的從動(dòng)齒條屬于彈出型機(jī)載齒條，可分為兩種：第一種是隨機(jī)攜帶型機(jī)載齒條，長(zhǎng)度3～6米，與起落架一樣，需要使用時(shí)，伸展開(kāi)來(lái)，不使用時(shí)，折疊收拾起來(lái)裝在機(jī)艙內(nèi)。第二種是可分離型機(jī)載齒條，需附著在副油箱(31)下面，長(zhǎng)度3～10米。若干個(gè)驅(qū)動(dòng)齒輪(21)依次接續(xù)驅(qū)動(dòng)機(jī)載齒條，最終將飛機(jī)連同機(jī)載齒條一并彈射出去。機(jī)載齒條在垂直方向的單側(cè)面設(shè)置齒，與驅(qū)動(dòng)齒輪嚙合，齒條垂直方向的另一個(gè)側(cè)面與驅(qū)動(dòng)力平衡(22)輪保持接觸。機(jī)載齒條在運(yùn)行過(guò)程中，將要不斷穿越驅(qū)動(dòng)齒輪和驅(qū)動(dòng)力平衡輪之間的間隙，為了讓機(jī)載齒條順利插入兩輪之間的間隙，把驅(qū)動(dòng)齒條的頭部做成錐體形狀。機(jī)載齒條得以只能在驅(qū)動(dòng)齒輪和驅(qū)動(dòng)力平衡輪之間運(yùn)行，需要依靠導(dǎo)向輪(35)來(lái)限定機(jī)載齒條的運(yùn)行軌跡，艦載機(jī)彈射軌道(36)需要較高的精度，確保機(jī)載齒條運(yùn)行軌跡精準(zhǔn)。

2)火箭齒條(73)。火箭齒條設(shè)置在第一級(jí)火箭上，在側(cè)壁相對(duì)稱(chēng)的位置上各設(shè)置一組火箭齒條，每組齒條由2列齒條構(gòu)成，共4列齒條，使火箭兩側(cè)且兩對(duì)面受力平衡。

3)列車(chē)齒條(80)。列車(chē)齒條設(shè)置在每節(jié)車(chē)廂的底盤(pán)下面，長(zhǎng)度根據(jù)需要酌情設(shè)置。

7.副油箱(31)。艦載機(jī)副油箱用可分離的連接栓與機(jī)體連接，分離連接栓，飛機(jī)便可拋棄副油箱；副油箱做成薄體倒梯形(與后掠式機(jī)翼匹配)，副油箱連接在飛機(jī)上后，副油箱面與機(jī)翼面平行，將副油箱作為臨時(shí)副機(jī)翼使用，使之具有第二層機(jī)翼的功能，此時(shí)飛機(jī)變成為了雙層機(jī)翼；副油箱縱橫幅度5～10米，擬增加飛機(jī)機(jī)翼面積50％以上，可以大大提高飛機(jī)的起飛重量(或降低飛機(jī)的起飛速度)。副油箱厚度0.3～1米，掛在機(jī)體下方，載油量1～20噸；將機(jī)載齒條(32)附著在副油箱的下部；在副油箱靠前的下部設(shè)置2個(gè)彈射導(dǎo)向輪(35)，用以替代飛機(jī)的前起落架(29)(導(dǎo)向輪落位在導(dǎo)向軌上后，隨即收回起落架)，加上后起落架(30)，共有4組輪子著地，可提高飛機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性。在跑道上設(shè)置2條彈射導(dǎo)向軌道，導(dǎo)向輪卡在導(dǎo)向軌內(nèi)，限制導(dǎo)向輪只能在導(dǎo)向軌內(nèi)運(yùn)行；副油箱體上留空出飛機(jī)掛彈位置(37)，使飛機(jī)所掛的炸彈、魚(yú)雷、大型導(dǎo)彈等彈藥也能夠掛在副油箱上；副油箱內(nèi)配備浮球降落傘；參加作戰(zhàn)格斗時(shí)，拋棄副油箱，減輕飛機(jī)重量；艦載機(jī)降落著艦之前，應(yīng)當(dāng)將未使用的彈藥與飛機(jī)分離，讓其轉(zhuǎn)掛在副油箱上，并將剩余的燃油轉(zhuǎn)移至副油箱內(nèi)，盡可能減輕飛機(jī)重量，降低著艦速度，避免艦載機(jī)帶彈帶油著艦，消除燃爆隱患，最大限度降低風(fēng)險(xiǎn)；在預(yù)設(shè)海域拋棄副油箱，降落過(guò)程中，對(duì)浮球降落傘(40)充氣，減緩降落速度，墜海后，由打撈船收回(尤其是在非戰(zhàn)爭(zhēng)狀況下，艦載機(jī)絕大部分的起降，都是備而不戰(zhàn)，彈藥帶回的概率很大。將艦載機(jī)分為兩部分，分別回收，實(shí)際上是采用了雙體飛機(jī)模式，主體部分在艦上降落，副體部分在海上降落。采用副油箱模式艦載機(jī)，具有極其重要的現(xiàn)實(shí)意義)；不需要回收副油箱時(shí)，可讓副油箱沉入深海底。

8.助推電機(jī)(15)。彈射機(jī)構(gòu)本身運(yùn)行所消耗的能量主要由助推電機(jī)提供；飛機(jī)進(jìn)入滑躍跑道附加的推力由助推電機(jī)提供；彈射起步階段，飛機(jī)加速所需要的能量主要由助推電機(jī)提供，盡可能降低飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)推力，和差速聯(lián)軸器(3)的摩擦力；助推電機(jī)可設(shè)置多臺(tái)，艦載機(jī)彈射器的主傳動(dòng)軸上每段配備1臺(tái)，根據(jù)主軸各段的最高轉(zhuǎn)速來(lái)設(shè)置各臺(tái)助推電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，每臺(tái)助推電機(jī)超額配備功率，輸出功率隨時(shí)根據(jù)負(fù)荷的變化酌情調(diào)整，用以來(lái)平衡整個(gè)彈射系統(tǒng)的受力狀況；助推電機(jī)的連接方式分為兩種，一種是直接串聯(lián)在主軸(18)上，用轉(zhuǎn)子的軸代替一段主軸；二是旁接，設(shè)置一組傳動(dòng)齒輪或皮帶輪，從動(dòng)輪安裝在主軸上，主動(dòng)輪安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上，第二種方式可利用改變主動(dòng)輪和從動(dòng)輪的直徑比，降低動(dòng)力輸出轉(zhuǎn)速，通過(guò)機(jī)械減速，實(shí)現(xiàn)力矩輸出的增加；助推電機(jī)配備的功率較大，可單獨(dú)設(shè)置供電系統(tǒng)，由儲(chǔ)能飛輪(2)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)，彈射器工作時(shí)，發(fā)電機(jī)與助推電機(jī)同步工作，如不單獨(dú)設(shè)置專(zhuān)用發(fā)電機(jī)，也可暫停艦船上部分其他電機(jī)供電，讓其他電力設(shè)備根據(jù)助推電機(jī)的工作周期，適時(shí)避讓?zhuān)苊怆娫簇?fù)荷太大；助推電機(jī)采用特殊高滑差電機(jī)(電磁調(diào)速異步電動(dòng)機(jī))。

9.噴氣導(dǎo)流器(33)。艦載機(jī)彈射器設(shè)置飛機(jī)噴氣導(dǎo)流器，導(dǎo)流器由集流罩(41)、排氣管(42)、支架(43)、可翻轉(zhuǎn)甲板(44)、旋轉(zhuǎn)軸(45)、排風(fēng)扇(47)、隱藏井(46)，等部件組成。集 流罩(41)做成喇叭形狀，喇叭口完全罩住飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)噴口，喇叭的底部連接垂直向上的排氣管(42)，排氣管內(nèi)設(shè)置排風(fēng)扇(47)，使集流罩內(nèi)形成負(fù)壓，讓飛機(jī)噴出的氣流更容易進(jìn)入集流罩，并且讓熾熱氣流垂直向上排空，不致影響后面排隊(duì)等候的飛機(jī)。不使用導(dǎo)流器時(shí)，將其旋轉(zhuǎn)90度，隱藏在隱藏井內(nèi)?？煞D(zhuǎn)甲板翻上后，與周邊甲板齊平。

10.陸基曳引機(jī)構(gòu)。陸地機(jī)場(chǎng)具有比較充裕的位置，能夠?yàn)闋恳?54)消減慣性提供所需的較長(zhǎng)距離，為了降低傳動(dòng)系統(tǒng)的重量，擬采用絞輪-鋼纜作為曳引牽引梭的動(dòng)力。

1)絞輪。絞輪采用錐體形狀或直筒形狀，絞輪由加速器的從動(dòng)輪(6)帶動(dòng)。中小型絞輪(51)由1套動(dòng)力系統(tǒng)帶動(dòng)；大型、特大絞輪(52)由2～4套動(dòng)力系統(tǒng)并聯(lián)帶動(dòng)。鋼纜(53)纏繞在絞輪上，絞輪轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)鋼纜(53)運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)牽引梭(54)運(yùn)動(dòng)。

2)鋼纜(53)。中小型絞輪(51)所用鋼纜用于牽引中小型飛機(jī)；大型、特大型絞輪(52)，需使用較粗的鋼纜，用于牽引大型、特大型型飛機(jī)。

11.牽引梭(54)。牽引梭由以下部件構(gòu)成：

1)牽引梭車(chē)體(57)。牽引梭車(chē)體是牽引梭(54)的骨架。

2)牽引托(55)。牽引托位于跑道(26)面之上，牽引托用于承載飛機(jī)前起落架(29)，前起落架所承擔(dān)的重量完全壓在牽引托(55)上。牽引托上設(shè)置有螺桿伸縮裝置(59)，和活動(dòng)后欄板(60)。伸長(zhǎng)螺桿可放下后欄板，端頭邊緣正好著地，形成斜面橋，讓飛機(jī)的前起落架駛上牽引托，然后再縮回螺桿，可將后欄板固定。在較繁忙的機(jī)場(chǎng)，一般是飛機(jī)排隊(duì)等待起飛，前面的飛機(jī)彈射后出去，立即曳引后面的飛機(jī)停在起飛位上，剎住后起落架的輪子，使飛機(jī)不能移動(dòng)，牽引托(55)復(fù)位，接近前起落架輪子時(shí)，放下后欄板(60)，端頭正好著地，形成斜面橋，在運(yùn)行過(guò)程中，將前起落架“鏟”起，停放在牽引托上。

3)牽引梭運(yùn)行軌道(63)，牽引梭運(yùn)行軌道固定在牽引梭通道側(cè)壁(64)上，軌道的上下緣由牽引梭的上下車(chē)輪夾卡住，使?fàn)恳蟛荒苌舷禄蝿?dòng)。牽引梭通道用蓋板(65)遮蓋。

4)軌道下車(chē)輪(61)，軌道上車(chē)輪(62)，分別承受牽引梭向上和向下力，合力抱緊軌道。

5)助推及復(fù)位系統(tǒng)。在牽引梭車(chē)體(57)內(nèi)設(shè)置電動(dòng)機(jī)暨發(fā)電機(jī)兩用機(jī)(66)，彈射時(shí)助推，制動(dòng)時(shí)回收能量。牽引梭停穩(wěn)后，啟動(dòng)電機(jī)，將牽引梭(54)復(fù)位到起始位置。

在下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。

特別說(shuō)明

由于彈射器效率暫不能確定，為了簡(jiǎn)化推演計(jì)算過(guò)程，下述4項(xiàng)實(shí)施例中所使用參數(shù)，未涉及彈射器效率。實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)當(dāng)根據(jù)彈射器的效率，將彈射器各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)放大。

實(shí)施例一：

軍用艦載飛機(jī)飛輪彈射器

一.艦載飛輪彈射器工作過(guò)程

在附圖1、2、3、4、9中：

飛機(jī)(28)就位時(shí)，前起落架(29)的輪子駛?cè)刖臀惶幍妮喿訙喜蹆?nèi)，使機(jī)身降低，讓導(dǎo) 向輪(35)正好卡位在彈射導(dǎo)向軌道(36)上，飛機(jī)再前行，讓機(jī)載齒條(32)與驅(qū)動(dòng)齒輪(21)嚙合，然后收回前起落架，讓前起落架承擔(dān)的重量完全壓在導(dǎo)向輪(35)上。

2.飛機(jī)點(diǎn)火成功后，啟動(dòng)助推電機(jī)(15)，主要利用助推電機(jī)提供的能量，加上飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)推力和差速聯(lián)軸器(3)摩擦力，三個(gè)力量協(xié)同作用，推動(dòng)飛機(jī)起步。

3.主動(dòng)輪(5)轉(zhuǎn)速當(dāng)達(dá)到與飛輪(2)輸出的轉(zhuǎn)速相等時(shí)，閉合差速聯(lián)軸器(3)。

4.飛輪(2)輸出的動(dòng)力依次帶動(dòng)主動(dòng)輪(5)-傳動(dòng)輪(9)-從動(dòng)輪(6)-主傳動(dòng)軸(18)-傘齒輪組(19)-驅(qū)動(dòng)齒輪(21)-機(jī)載齒條(32)-飛機(jī)(28)。

5.機(jī)載齒條(32)到達(dá)設(shè)定位置，行程開(kāi)關(guān)動(dòng)作，分離差速聯(lián)軸器(3)，彈射結(jié)束。飛機(jī)在脫離彈射器的瞬間，拉起飛機(jī)(28)，離開(kāi)翹首甲板(27)，加速升空。

6.前機(jī)彈出后，下一輪預(yù)備彈射的飛機(jī)(28)立即進(jìn)入彈射位置。

7.飛機(jī)離開(kāi)彈射位之后，隨即將噴氣導(dǎo)流器(33)翻轉(zhuǎn)到隱藏井(46)內(nèi)，可翻轉(zhuǎn)甲板(44)齊平甲板，以便讓后方飛機(jī)通過(guò)，待飛機(jī)進(jìn)入彈射位之后，再將導(dǎo)流器翻轉(zhuǎn)到上來(lái)。

二.艦載彈射器技術(shù)參數(shù)

(一)參數(shù)取值說(shuō)明

為簡(jiǎn)化演算過(guò)程，及省略一些條件說(shuō)明，以下演算過(guò)程中的所有條件均為假設(shè)，所有參數(shù)取值都是假設(shè)數(shù)字，或說(shuō)是預(yù)想設(shè)計(jì)數(shù)字，只不過(guò)是為了通過(guò)演算，讓業(yè)界更容易理解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容。這些數(shù)字的確切與否并不影響本發(fā)明在實(shí)際應(yīng)用各個(gè)參數(shù)的確定。

(二)彈射器主要指標(biāo)

1.艦載彈射器可彈射各型飛機(jī)，例示中，飛機(jī)起飛重量50噸(實(shí)際為45噸左右)。

2.彈射器機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的能量，和克服阻力所需要的能量，由助推電機(jī)提供。

3.飛機(jī)起步階段，起步平均加速度3g，所需時(shí)間0.4272秒，距離2.63米。

4.彈射器每次彈射輸出的能量為112.16MJ，平均推力為1470kN，最大推力1715kN。

5.飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力為245kN，飛機(jī)推重比0.5，可提供0.5g的加速度。

6.差速聯(lián)軸器閉合彈射階段，飛機(jī)加速度從4g逐步降低至2.74g，平均加速度3.5g。

7.彈射距離76.3米(距艦首邊緣)，彈射時(shí)間2.1208秒，最快循環(huán)周期為30秒。

8.彈射末速度70.65m/s(254.34公里/小時(shí))，疊加船速，時(shí)速可達(dá)300公里以上。

9.由副油箱構(gòu)成的第二層機(jī)翼，形成雙層機(jī)翼，擬增加機(jī)翼面積50％以上。

10.拋物線滑躍跑道長(zhǎng)度15米左右，躍升角度逐步增大，末端切線角度為10度左右。

11.主軸(18)長(zhǎng)度設(shè)置為60.8米，分8段，共設(shè)9組傘齒輪(19)，每組傘齒輪之間的間距7.6米。在主軸的38％、78％部位處，分別設(shè)2個(gè)主軸離合器(23、24)。

12.驅(qū)動(dòng)齒輪(21)直徑0.5米(實(shí)際采用0.3125米，較之0.5米縮小1.6倍，傘齒輪組增速1.6倍，正好抵消，為簡(jiǎn)化敘述，計(jì)算過(guò)程中，把驅(qū)動(dòng)齒輪直徑作為0.5米來(lái)予以推演)。

13.驅(qū)動(dòng)齒輪(21)的轉(zhuǎn)速與變速器的從動(dòng)輪(6)的轉(zhuǎn)速相等(經(jīng)過(guò)折算后)。

14.機(jī)載齒條(32)長(zhǎng)度設(shè)置為8米，由于驅(qū)動(dòng)齒輪(21)的間距為7.6米，因此，機(jī)載 齒條(32)無(wú)論運(yùn)行到那個(gè)位置，始終至少有1個(gè)驅(qū)動(dòng)齒輪與機(jī)載齒條保持嚙合。

15.源動(dòng)力電機(jī)(1)的有效功率設(shè)置為5000kW，每個(gè)彈射周期，運(yùn)行時(shí)間25秒左右。

16.助推電機(jī)(15)設(shè)置3臺(tái)，主軸上每段配備1臺(tái)，功率分別配為7000kW、3000kW、15000kW，合計(jì)2.5萬(wàn)kW，三臺(tái)電機(jī)錯(cuò)開(kāi)使用，最高負(fù)載1.5萬(wàn)kW，平均負(fù)載功率1萬(wàn)kW。，

17.飛輪(2)重量設(shè)置為26噸，直徑4米，常規(guī)轉(zhuǎn)速32r/s(1920r/min)，彈射終了時(shí)，轉(zhuǎn)速降為30r/s(理論測(cè)算值，如果阻力耗能不太多，或?yàn)?0.5r/s，飛機(jī)重量降低，末速度將加大)。

18.飛輪(2)與變速器主動(dòng)輪(5)同軸，即主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速與飛輪轉(zhuǎn)速相等。

19.圓錐螺線齒條無(wú)級(jí)變速器

1)主動(dòng)輪(5)。主動(dòng)輪小頭直徑0.36米，大頭直徑1.32米，長(zhǎng)度2.57米左右。

2)從動(dòng)輪(6)。從動(dòng)輪小頭直徑0.88米，大頭直徑1.84米，長(zhǎng)度2.06米左右。

3)圓錐螺線齒條(7)的輪齒受力斷面的寬度設(shè)置為4厘米，厚度為2.5厘米。

4)傳動(dòng)輪(9)。傳動(dòng)輪直徑設(shè)置為0.5米左右。

5)變速箱外形(主動(dòng)輪位于下方，從動(dòng)輪位于上方，兩轉(zhuǎn)軸處于水平狀態(tài))輪廓最大尺寸約為：2.8米(長(zhǎng))×1.9米(寬)×3.2米(高)。重量約8噸，體積約12m³左右。

三.彈射器技術(shù)參數(shù)演算過(guò)程

(一)差速聯(lián)軸器差速起步階段

1.差速起步

在彈射器起步階段，加速器主動(dòng)輪由零速狀態(tài)起步，飛輪的轉(zhuǎn)速為32r/s，差速聯(lián)軸器不能閉合，否則會(huì)使變速器的加速度太大，造成沖擊。經(jīng)過(guò)起步加速，當(dāng)從動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速達(dá)到8r/s，這時(shí)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速達(dá)到32r/s，與飛輪的轉(zhuǎn)速相等，起步結(jié)束，閉合差速聯(lián)軸器。

2.計(jì)算起步階段整個(gè)系統(tǒng)所需要的轉(zhuǎn)矩

差速起步階段，彈射器平均加速度3g(飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)提供的推力忽略不計(jì))，飛機(jī)重量50噸，驅(qū)動(dòng)齒輪半徑0.25米，彈射器加權(quán)平均質(zhì)量15噸，加權(quán)平均半徑0.15米，則所需要的轉(zhuǎn)矩：

Z＝∑(F×r)

＝m₁a×r₁+m₂a×r₂

＝50×3×9.8×0.25+15×3×9.8×0.15

＝434(kN·m)

3.計(jì)算起步階段助推電機(jī)所能提供的轉(zhuǎn)矩

已知起步終了，驅(qū)動(dòng)齒輪的轉(zhuǎn)速為480r/min，第一級(jí)助推電機(jī)功率7000kw，減速比3倍，第二、三級(jí)可提供功率8000kw，根據(jù)相關(guān)計(jì)算公式，則3臺(tái)助推電機(jī)總計(jì)所能提供的轉(zhuǎn)矩為：

助推電機(jī)轉(zhuǎn)矩(N·m)＝∑【9550×助推電機(jī)功率(kw)÷助推電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)】

＝(9550×7000÷480)×3+9550×8000÷480

＝578(kN·m)

從上述計(jì)算結(jié)果可知，助推電機(jī)提供的能量，足夠以3g的平均加速度，推動(dòng)飛機(jī)起步。

4.差速起步理想模式

如果助推電機(jī)提供的推力足夠大，已經(jīng)能夠滿足飛機(jī)起步所需要的能量，就不需要差速聯(lián)軸器提供推力，可以簡(jiǎn)化差速聯(lián)軸器(直接采用離合器，更加簡(jiǎn)單)；也不需要飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)提供起步的推力，可節(jié)約燃油，減少熱氣流的排放，避免對(duì)后面排隊(duì)飛機(jī)的影響。

(二)差速聯(lián)軸器閉合彈射階段

1.計(jì)算閉合彈射階段，從動(dòng)輪的初轉(zhuǎn)速

閉合階段，飛輪彈射起始時(shí)刻，主動(dòng)輪小頭與從動(dòng)大頭嚙合處，主動(dòng)輪小頭直徑為0.44米、從動(dòng)輪大頭直徑為1.76米，主動(dòng)輪的初轉(zhuǎn)速為32r/s，則從動(dòng)輪初轉(zhuǎn)速為：

Z＝主動(dòng)輪初轉(zhuǎn)速×主動(dòng)輪直徑÷從動(dòng)輪直徑

＝32×0.44÷1.76

＝8(r/s)

2.計(jì)算閉合彈射階段，驅(qū)動(dòng)齒輪的初線速度

U＝驅(qū)動(dòng)齒輪初轉(zhuǎn)速×驅(qū)動(dòng)齒輪直徑×3.14

＝8×0.5×3.14

＝12.56(m/s)

3.計(jì)算閉合彈射階段，從動(dòng)輪的末轉(zhuǎn)速

飛輪彈射終了時(shí)刻，主動(dòng)輪的大頭與從動(dòng)輪的小頭嚙合，已知主動(dòng)輪的大頭直徑為1.32米，從動(dòng)輪的小頭直徑為0.88米，主動(dòng)輪的末轉(zhuǎn)速為30r/s，則從動(dòng)輪末轉(zhuǎn)速為：

Z＝主動(dòng)輪末轉(zhuǎn)速×主動(dòng)輪大頭直徑÷從動(dòng)輪小頭直徑

＝30×1.32÷0.88

＝45(r/s)

4.計(jì)算閉合彈射階段，驅(qū)動(dòng)齒輪的末線速度

U＝驅(qū)動(dòng)齒輪末轉(zhuǎn)速×驅(qū)動(dòng)齒輪直徑×3.14

＝45×0.5×3.14

＝70.65(m/s)

驅(qū)動(dòng)齒輪的末線速度等于飛機(jī)的彈射速度，該速度相當(dāng)于254.34公里/小時(shí)。

飛輪末轉(zhuǎn)速30r/s，是保守測(cè)算數(shù)值，若能達(dá)到30.5r/s，則彈射末速度為71.83m/s。

(三)彈射時(shí)間及距離、變速器長(zhǎng)度、助推電機(jī)功率配備

1.計(jì)算彈射時(shí)間

差速階段和閉合階段平均加速度分別為3g、3.5g，則合計(jì)彈射時(shí)間為：

由：U＝U₀+at

得：t＝【12.56÷3÷9.8】+【(70.65-12.56)÷3.5÷9.8】

t＝2.1208(s)

2.計(jì)算彈射的距離

由圓錐螺線齒條加速器數(shù)據(jù)列表得知，從動(dòng)輪累計(jì)旋轉(zhuǎn)48.6圈，彈射距離為：

48.6×0.5×3.14＝76.3(m)

3.主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)

由圓錐螺線齒條加速器數(shù)據(jù)列表得知，主動(dòng)輪累計(jì)旋轉(zhuǎn)61.06圈。

4.從動(dòng)輪和主動(dòng)輪長(zhǎng)度計(jì)算

1)主動(dòng)輪。主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)61.06圈，另需要設(shè)置1.5圈的空齒段，共需設(shè)置輪齒62.56圈左右，每圈輪齒之間的螺距為4.1厘米左右，主動(dòng)輪長(zhǎng)度為2.57米左右。

2)從動(dòng)輪。從動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)48.6圈，另需要設(shè)置1.5圈的空齒段，共需設(shè)置輪齒51.01圈左右，每圈輪齒之間的螺距為4.1厘米左右，從動(dòng)輪長(zhǎng)度為2.06米左右。

5.計(jì)算閉合彈射起始時(shí)刻，助推電機(jī)所需要的功率

起步完成后，飛機(jī)加速所需能量由飛輪提供，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行所需能量，由助推電機(jī)提供。已知閉合彈射起始，主軸的轉(zhuǎn)速為480r/min，彈射機(jī)構(gòu)的加權(quán)平均質(zhì)量15噸，加速度4g，加權(quán)平均半徑0.15米，根據(jù)電機(jī)功率與轉(zhuǎn)矩關(guān)系相關(guān)計(jì)算公式，助推電機(jī)所需要的功率為：

9550×助推電機(jī)功率(kw)÷助推電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)＝轉(zhuǎn)矩＝ma(N)×驅(qū)動(dòng)齒輪半徑(m)

9550×助推電機(jī)功率÷480＝15×1000×4×9.8×0.15

助推電機(jī)功率＝4433(kw)

起步結(jié)束，差速聯(lián)軸器閉合，飛輪開(kāi)始提供大部分能量，助推電機(jī)輸出功率相應(yīng)減少。

6.計(jì)算飛機(jī)到達(dá)主軸第一段離合器時(shí)刻，助推電機(jī)所需要的功率

已知飛機(jī)到達(dá)主軸第一段離合器時(shí)刻，主軸的轉(zhuǎn)速1785r/min，彈射機(jī)構(gòu)質(zhì)量15噸，加速度3.49g，加權(quán)平均半徑0.15米，根據(jù)相關(guān)計(jì)算公式，則助推電機(jī)所需要的功率為：

9550×助推電機(jī)功率(kw)÷助推電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)＝ma(N)×彈射機(jī)構(gòu)加權(quán)平均半徑(m)

9550×助推電機(jī)功率÷1785＝15×1000×3.49×9.8×0.15

助推電機(jī)功率＝14384(kw)

助推電機(jī)總功率配備2.5萬(wàn)kw，最大負(fù)載1.5萬(wàn)kw，足夠彈射機(jī)構(gòu)本身運(yùn)行所需能量。

7.計(jì)算彈射終了時(shí)刻，助推電機(jī)所需要的功率

已知彈射終了，主軸的轉(zhuǎn)速為2700r/min，彈射機(jī)構(gòu)的加權(quán)平均質(zhì)量5噸，加速度2.74g，加權(quán)平均半徑0.15米，根據(jù)相關(guān)計(jì)算公式，則助推電機(jī)所需要的功率為：

9550×助推電機(jī)功率(kw)÷助推電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)＝ma(N)×彈射機(jī)構(gòu)加權(quán)平均半徑(m)

9550×助推電機(jī)功率÷2700＝5×1000×2.74×9.8×0.15

助推電機(jī)帶動(dòng)彈射機(jī)構(gòu)占用功率＝5694(kw)

即末端段主軸運(yùn)行助推功率需要5694kw，額定轉(zhuǎn)速2700r/min。

8.滑躍跑道附加推力需要功率計(jì)算(考慮慣性因素，及短時(shí)過(guò)載，附加推力功率按照七折配置)

飛機(jī)進(jìn)入滑躍跑道，主軸的最高轉(zhuǎn)速2700r/min，助推力提供的加速度2.24g，滑躍跑道最大角度10度，根據(jù)相關(guān)計(jì)算公式，則助推電機(jī)附加推力所需要的最大功率(七折)為：

9550×助推電機(jī)功率(kw)÷電機(jī)轉(zhuǎn)速(r/min)＝ma(N)×sin10°×驅(qū)動(dòng)齒輪半徑(m)×70％

9550×助推電機(jī)功率÷2700＝50×1000×2.24×9.8×0.174×0.25×70％

助推電機(jī)附加推力占用功率＝9449(kw)

末段主軸助推功率包括滑躍跑道助推和彈射機(jī)構(gòu)運(yùn)行，共計(jì)15143kw(5694+9449＝15143)。

9.假如不用飛輪提供動(dòng)力，能量全部由電動(dòng)機(jī)提供，電動(dòng)機(jī)所需要的功率計(jì)算

由圓錐螺線齒條加速器數(shù)據(jù)列表得知，飛機(jī)到達(dá)主軸第二段離合器時(shí)刻，彈射器產(chǎn)生的推力最大，此時(shí)主軸轉(zhuǎn)速2446r/min，加速度2.98g，其中由電力彈射器提供加速度2.48g(減去飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)提供的加速度0.5g)，飛機(jī)重量50噸，驅(qū)動(dòng)齒輪半徑0.25米，彈射機(jī)構(gòu)質(zhì)量9噸，加權(quán)平均半徑0.15米，根據(jù)相關(guān)計(jì)算公式，則電機(jī)所需要的功率為：

轉(zhuǎn)矩＝∑(F×r)

電機(jī)轉(zhuǎn)矩＝m₁a×r₁+m₂a×r₂

9550×電機(jī)功率÷2446＝50×1000×2.48×9.8×0.25+9×1000×2.98×9.8×0.15

電機(jī)功率＝77811(推動(dòng)飛機(jī)所需功率)+10098(傳動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行所需功率)

電機(jī)功率＝87909(kw)

結(jié)論：如果不依靠飛輪提供能量，而純粹依靠電磁力提供能量，加上克服阻力所需能量，和滑躍起飛附加的能量，純電力彈射器的電機(jī)功率需10萬(wàn)kw以上(非直線電機(jī)模式)。

四.圓錐螺線齒條無(wú)級(jí)變速器受力分析

1.變速器輪齒的受力測(cè)算

1)根據(jù)變速器數(shù)據(jù)列表，彈射終了，飛機(jī)加速度2.74g，則彈射器提供的加速度2.24g，(飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)提供加速度0.5g)，負(fù)載質(zhì)量50噸，從動(dòng)輪直徑0.88米，受力設(shè)為F_末。

F_末×從動(dòng)輪輪直徑＝驅(qū)動(dòng)齒輪受力×驅(qū)動(dòng)齒輪直徑

F_末×0.88＝(50×2.24×9.8)×0.5

F_末＝623.64(kN)＝63.64(噸)

說(shuō)明，飛機(jī)進(jìn)入滑躍跑道，彈射器除需提供產(chǎn)生加速度的推力之外，還需提供向上推力，這部分附加推力由末級(jí)助推電機(jī)提供。

2)由圓錐螺線齒條加速器數(shù)據(jù)列表得知，輪齒的最大受力為654.46kN。

2.變速器齒輪單個(gè)齒能夠承受的最大剪切力測(cè)算

假如輪齒的許用剪切應(yīng)力為2000MPa(選用特殊材料，可達(dá)3000MPa以上。例如：固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)殼體用18Ni(300)馬氏體時(shí)效鋼，使用強(qiáng)度為1900MPa；濃縮鈾離心分離機(jī)旋轉(zhuǎn)筒體用馬氏體時(shí)效鋼，使用強(qiáng)度達(dá)到2450MPa。隨著技術(shù)的進(jìn)步，許用剪切應(yīng)力為2000MPa以上的材料，選擇范圍較大)。

變速器齒輪的齒寬、齒厚分別設(shè)置為40mm、25mm，則齒承受剪切處的截面積為1000mm²。

變速器齒輪單個(gè)齒能夠承受的剪切力＝2000×1000

＝2000(kN)

3.結(jié)論：根據(jù)計(jì)算結(jié)果，變速器齒能夠承受的剪切力，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于輪齒的最大受力，輪齒強(qiáng)度 具有3倍以上的保險(xiǎn)系數(shù)(2000÷654.46＝3.06)。

四.傳動(dòng)機(jī)構(gòu)零部件參數(shù)

1.主傳動(dòng)軸

1)主軸總長(zhǎng)度60.8米，其中有6米以上的長(zhǎng)度由變速器和助推電機(jī)軸代替。

2)主傳動(dòng)軸擬采用外徑200mm，內(nèi)徑170～180mm(主軸前部扭矩較大，壁厚較大)鋼管，每米平均重量57公斤。主軸總重量約3.1噸。

2.枝傳動(dòng)軸

1)枝傳動(dòng)軸采用花鍵軸，直徑100mm左右，平均每米重量60公斤，平衡輪的枝傳動(dòng)軸擬采用空心軸，每米重量30公斤。

2)枝軸每組長(zhǎng)度1.5米，共計(jì)設(shè)置9組。枝軸重量約1.22噸。

3.傘齒輪組

1)主動(dòng)輪直徑0.48米，從動(dòng)輪直徑0.3米，平均厚度約0.1米。

2)傘齒輪組共計(jì)設(shè)置9組，每組重量約150公斤。共計(jì)重量約1.35噸。

4.驅(qū)動(dòng)齒輪

1)驅(qū)動(dòng)齒輪直徑0.3125米，平均厚度約0.1米。

2)驅(qū)動(dòng)齒輪共計(jì)設(shè)置9個(gè)，每個(gè)重量約60公斤。共計(jì)重量約0.54噸。

5.其他

1)驅(qū)動(dòng)力平衡輪共設(shè)置9組；離合器，設(shè)置2組；聯(lián)軸器，若干；制動(dòng)摩擦片，設(shè)置2組；軸承，若干；另外還有未統(tǒng)計(jì)的小零部件。幾項(xiàng)合計(jì)約3噸。

6.變速器從動(dòng)輪，及助推電機(jī)

1)變速器從動(dòng)輪重量約2噸。

2)三臺(tái)助推電機(jī)的轉(zhuǎn)子串聯(lián)在主軸上，是動(dòng)力輸出部件，重量未計(jì)入傳動(dòng)部件。

7.傳動(dòng)機(jī)構(gòu)零部件合計(jì)重量

以上幾項(xiàng)零部件重量相加，合計(jì)約11.21噸，加上不確定因素，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)質(zhì)量約15噸。加權(quán)平均半徑約0.15米。

8.主傳動(dòng)軸承受的最大剪切力測(cè)算

已知主軸最大扭矩為481.67kNm(50×3.5×9.8×0.25+9×4×9.8×0.15＝481.67。注：由于助推電機(jī)分段設(shè)置，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)本身按9噸重量計(jì)算扭矩)，采用外徑0.2米(D)，內(nèi)徑0.17米的主軸，則內(nèi)外徑比(α)為0.85(0.17÷0.2＝0.85)，由空心軸能夠承受扭矩相關(guān)計(jì)算公式：

空心轉(zhuǎn)軸剪切應(yīng)力＝T÷W

＝(16×扭矩)÷【3.14×D³×(1-α⁴)】

＝16×475.06×10³÷【3.14×0.2³×(1-0.85⁴)】

＝642.8(MPa)

結(jié)論：假如主軸的許用剪切應(yīng)力為2000MPa，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，主軸強(qiáng)度具有3.1倍的保保險(xiǎn) 系數(shù)(2000÷642.8＝3.11)。

五.飛輪動(dòng)力源

1.彈射器最大推力計(jì)算

飛機(jī)質(zhì)量50噸，由彈射器提供的最大加速度3.5g，則由彈射器提供的最大推力為：

F＝ma

＝50×3.5×9.8

＝1715(kN)＝175(噸)

2.彈射器平均推力計(jì)算

飛機(jī)質(zhì)量50噸，由彈射器提供的平均加速度3g，則由彈射器提供的平均推力為：

F＝ma

＝50×3×9.8

＝1470(kN)＝150(噸)

3.彈射器需要做功能力計(jì)算

已知彈射器平均推力為1470kN，做功的距離為76.3米，則做功量為；

W＝f×L

＝1470(kN)×76.3(m)

＝112.16(MJ)

4.助推電機(jī)專(zhuān)用發(fā)電機(jī)消耗飛輪的能量計(jì)算

助推電機(jī)平均負(fù)載1萬(wàn)kW，由艦船電源供電1萬(wàn)kW(2臺(tái)源動(dòng)力電機(jī)暫時(shí)停用)，最大負(fù)載1.5萬(wàn)kW，飛輪帶動(dòng)專(zhuān)用發(fā)電機(jī)供電5000kW，瞬間工作時(shí)間0.5秒，則發(fā)電消耗的能量為：

W＝5000(kW)×0.5(s)

＝2.5(MJ)

5.計(jì)算需要補(bǔ)充動(dòng)力的功率。

每個(gè)彈射周期，源動(dòng)力電機(jī)積蓄能量工作時(shí)間25秒左右

112.16(MJ)÷25(s)＝4486(kW)

需配置有效功率5000kW的源動(dòng)力電機(jī)。

6.飛輪儲(chǔ)能計(jì)算

采用重量為26噸的圓柱體飛輪，直徑4米，轉(zhuǎn)速32r/s。飛輪具有的能量為：

E＝1/2×I×ω²

＝1/2(飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量×飛輪角速度²)

＝1/2(0.5×飛輪質(zhì)量×飛輪半徑²)×(飛輪角速度²)

＝0.5×(0.5×26×10³×2²)×(32×2×3.14)²

＝1050(MJ)

6.飛輪轉(zhuǎn)速降為30r/s時(shí)，飛輪具有的能量計(jì)算

E＝1/2×I×ω²

＝0.5×(0.5×26×10³×2²)×(30×2×3.14)²

＝922.86(MJ)

7.能量平衡計(jì)算

1050-922.86-112.16-2.5＝12.48(MJ)

12.48MJ能量備用于克服系統(tǒng)阻力。飛輪能夠釋放的能量足夠彈射器工作所需要的能量。

8.啟動(dòng)飛輪所需時(shí)間計(jì)算

啟動(dòng)飛輪過(guò)程中，假如源動(dòng)力電機(jī)的平均有效功率為2000kW，則啟動(dòng)時(shí)間為：

1050×10³÷2000＝525(秒)＝8.75(分鐘)

六.彈射其他型號(hào)艦載飛機(jī)

(一)彈射低速輕型飛機(jī)

彈射無(wú)人機(jī)、偵察機(jī)、輕型戰(zhàn)斗機(jī)，等低速飛機(jī)，降低飛輪轉(zhuǎn)速，從而降低彈射速度。

(二)彈射高速較輕飛機(jī)

1.彈射機(jī)翼面積較小的戰(zhàn)斗機(jī)，需要較高的起飛速度，為了提高彈射速度，可以在一定范圍內(nèi)提高飛輪轉(zhuǎn)速，但是推力不能夠超過(guò)彈射器的極限，加速度不能超過(guò)人員承受的極限。無(wú)人駕駛飛行器，比如無(wú)人機(jī)，巡航導(dǎo)彈，等等，可以采用較高的加速度。

2.計(jì)算非常規(guī)彈射飛機(jī)的速度

已知彈射器的平均推力150噸，飛機(jī)起飛重量30噸，由飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)提供的加速度0.5g。

F＝ma

150＝30×(a-0.5)

a＝5.5(g)

由：U_末²-U_初²＝2×a×s

U_末²-0＝2×5.5×9.8×76.3

U_末＝90.69(m/s) 相當(dāng)于時(shí)速326.5公里。

3.計(jì)算需要調(diào)整的飛輪末轉(zhuǎn)速

由：U_末＝飛輪末轉(zhuǎn)速×變速器末端增速比×驅(qū)動(dòng)齒輪直徑×3.14

得：飛輪末轉(zhuǎn)速＝90.69÷1.5÷0.5÷3.14

＝38.5(r/s)

需將飛輪末速度調(diào)整為38.5r/s(2310r/min)，常規(guī)彈射飛輪末轉(zhuǎn)速為30r/s。

(三)彈射大型飛機(jī)

1.大型飛機(jī)彈射系統(tǒng)

在降落跑道區(qū)域，設(shè)置2臺(tái)備用彈射器，間距15米，彈射距離76.3米，常規(guī)彈射速度70.65m/s。該彈射器每臺(tái)配備2套動(dòng)力系統(tǒng)，每套平均推力為150噸，彈射50噸的飛機(jī)只需使用1套動(dòng)力系統(tǒng)，彈射100噸的飛機(jī)(預(yù)警機(jī)、反潛機(jī)、轟炸機(jī)、運(yùn)輸機(jī)，等)時(shí)，啟用復(fù)配動(dòng)力系 統(tǒng)。該2臺(tái)彈射器還可以并聯(lián)使用，合力彈射200噸大飛機(jī)(加油機(jī)、轟炸機(jī)、運(yùn)輸機(jī)，等)，大飛機(jī)設(shè)置2個(gè)副油箱，間距15米，2套機(jī)載齒條分別由2套驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)推動(dòng)。

2.計(jì)算可以彈射飛機(jī)的最大質(zhì)量

已知2臺(tái)彈射器并聯(lián)，合計(jì)產(chǎn)生的平均推力為600噸，彈射器提供的平均加速度為3g。

F＝ma

600＝飛機(jī)重量×3

飛機(jī)重量＝200(噸)

實(shí)施例二：

陸地機(jī)場(chǎng)飛輪彈射器

一.陸地機(jī)場(chǎng)彈射器工作過(guò)程

在附圖5、6中：

1.陸地機(jī)場(chǎng)具有比較寬裕的位置，能夠提供較長(zhǎng)距離的制動(dòng)滑道(56)，擬采用絞輪(51、52)-鋼纜(53)作為曳引牽引梭(54)的動(dòng)力，可簡(jiǎn)化傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，減輕重量。

2.陸地機(jī)場(chǎng)彈射器適用于彈射軍用飛機(jī)和民航飛機(jī)，起飛跑道、降落跑道宜分開(kāi)設(shè)置。

3.普通機(jī)場(chǎng)配備單動(dòng)力中小型彈射器，彈射90噸以下飛機(jī)。大型機(jī)場(chǎng)配備雙動(dòng)力大型彈射器，配備1～2套中型絞輪和1套大型絞輪，可同時(shí)彈射2架90噸以下飛機(jī)；2套動(dòng)力合力，能夠彈射180噸以下飛機(jī)。特大型機(jī)場(chǎng)配備4動(dòng)力的特大型彈射器，配備2套中型絞輪和1套特大型絞輪，可同時(shí)彈射2架90噸以下飛機(jī)；2套動(dòng)力合力，能夠彈射180噸以下飛機(jī)；4套動(dòng)力合力，能夠彈射360噸以下飛機(jī)。一個(gè)特大型機(jī)場(chǎng)一般需配備4臺(tái)單動(dòng)力中小型彈射器，和1臺(tái)特大型彈射器，平均每小時(shí)可起飛各型飛機(jī)100架以上。

4.牽引梭(54)復(fù)位后，飛機(jī)將前起落架(29)?？吭跔恳?55)上，剎住輪子，螺桿伸縮裝置(59)帶動(dòng)牽引托活動(dòng)后欄板(61)收回，并鎖定，以便推動(dòng)前起落架。

5.飛機(jī)(28)得到起飛指令，點(diǎn)火成功后，油門(mén)調(diào)至盡可能小。啟動(dòng)助推電機(jī)，對(duì)差速聯(lián)軸器(3)施加適度壓緊力，控制飛機(jī)加速度在0.6g左右。當(dāng)主動(dòng)輪(5)的轉(zhuǎn)速與飛輪減速機(jī)(49)輸出的轉(zhuǎn)速相等時(shí)(5.05r/s)，閉合差速聯(lián)軸器(3)。

6.飛輪(2)輸出的能量，通過(guò)以下部件傳遞給飛機(jī)：飛輪-差速聯(lián)軸器(3)-減速機(jī)(49)-主動(dòng)輪(5)-傳動(dòng)輪(9)-從動(dòng)輪(6)-絞輪(51)-鋼纜(53)-牽引梭(54)-飛機(jī)(28)。

7.牽引梭(54)到達(dá)設(shè)定位置，行程開(kāi)關(guān)動(dòng)作，分離差速聯(lián)軸器(3)，彈射器結(jié)束。

8.在分離差速聯(lián)軸器(3)的同時(shí)(由彈射器將飛機(jī)加速到盡可能快的速度，再起飛，可以減少燃油消耗)，飛機(jī)(28)加大油門(mén)，拉起飛機(jī)，脫離牽引托(55)，離開(kāi)跑道，加速升空。

9.飛機(jī)脫離牽引托(55)，起飛之后，牽引梭(54)繼續(xù)在制動(dòng)滑道(56)內(nèi)滑行，逐漸消解慣性，通過(guò)剎車(chē)裝置(25、66)，回收電能。

10.彈射結(jié)束，牽引梭停穩(wěn)后，啟動(dòng)復(fù)位電機(jī)(66)，將牽引梭復(fù)位到起始位置。

11.彈射系統(tǒng)復(fù)位過(guò)程中，同時(shí)讓下一輪預(yù)備彈射的飛機(jī)(28)進(jìn)入彈射位置。

二.陸基彈射器技術(shù)參數(shù)(實(shí)際應(yīng)用中，需將彈射器效率折算進(jìn)去)

1.彈射起飛重量10～360噸。例示中，飛機(jī)起飛重量90噸。

2.飛機(jī)加速度0.6g(相當(dāng)于高檔轎車(chē)起步的加速度，或時(shí)速72公里的汽車(chē)，剎車(chē)距離34米所產(chǎn)生的慣性，普通人一般都能承受)，彈射距離644米，時(shí)間14.8秒。彈射最短循環(huán)周期3分鐘。

3.源動(dòng)力電機(jī)(1)有效功率2200kW。

4.每套動(dòng)力系統(tǒng)各自配備助推電機(jī)(15)，提供彈射系統(tǒng)運(yùn)行所需要的能量。

5.彈射末速度87m/s，相當(dāng)于313.35公里/小時(shí)(采用盡可能高的離地速度，可節(jié)省燃油)。

6.飛輪(2)重量230噸，直徑5米，常規(guī)初轉(zhuǎn)速25.25r/s(1515r/min)，末轉(zhuǎn)速24.75r/s。

7.飛輪減速機(jī)(49)按照5倍減速比輸出轉(zhuǎn)速，即飛輪25.25r/s的初轉(zhuǎn)速，經(jīng)過(guò)減速后，傳遞給主動(dòng)輪的初轉(zhuǎn)速為5.05r/s，彈射終了時(shí)，主動(dòng)輪的末轉(zhuǎn)速為4.95r/s。

8.圓錐螺線齒條無(wú)級(jí)變速器

變速器輪齒(7)的寬度設(shè)置為5厘米左右，厚度為4厘米左右。

1)主動(dòng)輪。主動(dòng)輪(5)小頭直徑0.5米，大頭直徑2.4米。主動(dòng)輪長(zhǎng)度3.85米左右。

2)從動(dòng)輪。從動(dòng)輪(6)小頭直徑1.2米，大頭直徑3.1米，從動(dòng)輪長(zhǎng)度3.82米左右。

3)傳動(dòng)輪(9)直徑0.6米。

9.絞輪(51、52)直徑2.8米。

10.鋼纜(53)按5倍保險(xiǎn)系數(shù)設(shè)置，牽引中小型飛機(jī)、大型飛機(jī)、特大型飛機(jī)鋼纜的直徑分別為45mm、65mm、86mm左右。鋼纜總長(zhǎng)度710米以上(彈射距離加剎車(chē)距離)。

11.牽引梭(54)的長(zhǎng)度設(shè)置為2米左右。

12.制動(dòng)滑道(56)的距離設(shè)置為60米左右，牽引梭(54)制動(dòng)的減速加速度6.44g。

三.彈射器技術(shù)參數(shù)演算過(guò)程

(一)差速起步

在彈射起步階段，加速器主動(dòng)輪由零速起步，飛輪減速機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速為5.05r/s，差速聯(lián)軸器不能閉合，否則會(huì)使主動(dòng)輪的加速度太大，造成沖擊，因此差速聯(lián)軸器在起步階段是差速運(yùn)轉(zhuǎn)，通過(guò)摩擦力傳遞能量，和助推電機(jī)提供轉(zhuǎn)矩。當(dāng)主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速達(dá)到飛輪的轉(zhuǎn)速，起步結(jié)束，當(dāng)主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速與飛輪減速機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速相等時(shí)(5.05r/s)閉合差速聯(lián)軸器。

(二)差速聯(lián)軸器閉合彈射階段

1.計(jì)算閉合彈射階段，從動(dòng)輪的初轉(zhuǎn)速

閉合階段，飛輪彈射起始時(shí)刻，主動(dòng)輪小頭與從動(dòng)輪大頭嚙合處，主動(dòng)輪直徑為0.5米、主動(dòng)輪直徑為3米，主動(dòng)輪的初轉(zhuǎn)速為5.05r/s，則從動(dòng)輪初轉(zhuǎn)速為：

Z＝主動(dòng)輪初轉(zhuǎn)速×主動(dòng)輪直徑÷從動(dòng)輪直徑

＝5.05×0.5÷3.1

＝0.8145(r/s)

2.計(jì)算閉合彈射階段，絞輪的初線速度

U＝驅(qū)動(dòng)齒輪初轉(zhuǎn)速×絞輪直徑×3.14

＝0.8145×2.8×3.14

＝7.16(m/s)

3.計(jì)算從動(dòng)輪的末轉(zhuǎn)速

飛輪彈射終了時(shí)刻，主動(dòng)輪的大頭與從動(dòng)輪的小頭嚙合，已知主動(dòng)輪的大頭直徑為2.4米，從動(dòng)輪的小頭直徑為1.2米，主動(dòng)輪的末轉(zhuǎn)速為4.95r/s，從動(dòng)輪末初轉(zhuǎn)速為：

Z＝主動(dòng)輪末轉(zhuǎn)速×主動(dòng)輪大頭直徑÷從動(dòng)輪小頭直徑

＝4.95×2.4÷1.2

＝9.9(r/s)

4.計(jì)算驅(qū)動(dòng)齒輪的末線速度

U＝驅(qū)動(dòng)齒輪末轉(zhuǎn)速×絞輪直徑×3.14

＝9.9×2.8×3.14

＝87(m/s)

驅(qū)動(dòng)齒輪的末線速度等于飛機(jī)的彈射速度，相當(dāng)于313.35公里/小時(shí)。

5.計(jì)算飛輪彈射時(shí)間

U＝U₀+at

87＝0+0.6×9.8×t

t＝14.8(s)

6.計(jì)算飛輪彈射的距離

U²-U₀²＝2aS

87²＝2×0.6×9.8×S

S＝644(m)

7.飛輪彈射階段，加速器的從動(dòng)輪和主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)計(jì)算

1)從動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)為：

從動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)＝彈射行程÷3.14÷絞輪直徑

＝644÷3.14÷2.8

＝73.3(圈)

2)主動(dòng)輪的平均轉(zhuǎn)速為5r/s，14.8秒鐘旋轉(zhuǎn)了74圈。

8.圓錐螺線齒條加速器的從動(dòng)輪和主動(dòng)輪輪齒圈數(shù)計(jì)算

1)主動(dòng)輪。彈射階段，主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)74圈，另需要設(shè)置1.5圈空齒段，共需設(shè)置輪齒75.5圈，螺距為5.1厘米左右，主動(dòng)輪長(zhǎng)度為3.85米左右。

2)從動(dòng)輪。飛輪彈射階段，從動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)73.3圈，另需要設(shè)置1.5圈空齒段，共需設(shè)置輪齒74.8圈，螺距為5.1厘米左右，從動(dòng)輪長(zhǎng)度為3.82米左右。

9.計(jì)算牽引梭消減慣性減速度

已知牽引梭末速度87m/s，消減慣性距離60米，則減速度為

由：U²-U₀²＝2aS

得：87²-0＝2×a×9.8×60

a＝6.44(g)

四.圓錐螺線齒條加速器受力分析

1.計(jì)算飛輪彈射機(jī)構(gòu)推力。飛機(jī)起飛重量90噸，加速度0.6g。則彈射機(jī)構(gòu)推力為

F＝ma

＝90×0.6×9.8

＝529.2(kN)

2.加速器輪齒的最大受力測(cè)算

根據(jù)螺旋錐鏈輪結(jié)構(gòu)尺寸，從動(dòng)輪小頭處的受力最大(直徑1.2米)，設(shè)為F。

F×從動(dòng)輪小頭輪直徑＝絞輪受力×絞輪直徑

F×1.2＝529，2×2.8

F＝1234.8(kN)

變速器齒輪承受的最大剪切力為1234.8kN。

3.變速器齒輪單個(gè)齒能夠承受的最大剪切力測(cè)算

假如輪齒的許用剪切應(yīng)力為2000MPa。

螺旋錐齒輪的齒寬擬設(shè)置50mm，齒厚設(shè)置為40mm，齒承受剪切處的截面積為2000mm²。

螺旋錐鏈輪單個(gè)齒最大承受剪切力＝2000×2000

＝4000(kN)

4.結(jié)論：變速器齒輪強(qiáng)度具有3倍以上保險(xiǎn)系數(shù)(4000÷1234.8＝3.24)

5.鋼纜截面積測(cè)算

飛機(jī)、鋼纜、牽引梭合計(jì)約105噸，加速度0.6g。假如鋼纜的許用應(yīng)力為2000MPa(普通鋼纜的許用應(yīng)力為1500MPa)。保險(xiǎn)系數(shù)要求5倍左右，則鋼纜截面積為：

鋼纜截面積×鋼纜許用應(yīng)力＝ma×保險(xiǎn)系數(shù)

鋼纜截面積×2000＝105×1000×0.6×9.8×5

鋼纜截面積＝1543.5(mm²)

牽引中小型飛機(jī)、大型飛機(jī)和特大型飛機(jī)所用鋼纜的直徑分別約為45mm、65mm、86mm。

六.飛輪動(dòng)力源

1.飛輪彈射器最大做功計(jì)算

已知飛輪的平均推力為529.2kN(不含助推力)，做功的距離為644米

W＝f×L

＝529.2(kN)×644(m)

＝340.8(MJ)

3.計(jì)算需要補(bǔ)充的功率。

已知飛輪彈射器的工作周期為180秒，源動(dòng)力電機(jī)積蓄能量的工作時(shí)間約160秒。

340600kJ÷160s＝2129(kW)

為使飛輪保持恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，需要配置有效功率2200kW的源動(dòng)力電機(jī)。

4.飛輪儲(chǔ)能計(jì)算

采用230噸的圓柱體飛輪，直徑5米，常規(guī)轉(zhuǎn)速25.25r/s。飛輪具有的能量為：

E＝1/2×I×ω²＝1/2(飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量×飛輪角速度²)

＝1/2(0.5×飛輪質(zhì)量×飛輪半徑²)×(飛輪角速度²)

＝0.5×(0.5×230×10³×2.5²)×(25.25×2×3.14)²

＝9036.3(MJ)

5.飛輪轉(zhuǎn)速降為24.75r/s時(shí)，飛輪具有的能量計(jì)算

E＝1/2×I×ω²

＝0.5×(0.5×230×10³×2.5²)×(24.75×2×3.14)²

＝8682(MJ)

6.能量平衡計(jì)算

飛輪轉(zhuǎn)速由25.25r/s降低為24.75r/s后，動(dòng)力系統(tǒng)釋放的能量為

(9036.3-8682)＝354.3(MJ)

大于彈射器工作消耗的能量340.8MJ。

七.彈射大型飛機(jī)、特大型飛機(jī)，及小型飛機(jī)

(一)彈射180噸以下大型飛機(jī)

1.在能夠起降180噸以下飛機(jī)的大型機(jī)場(chǎng)，設(shè)置大型飛機(jī)彈射器，彈射器配備2套動(dòng)力系統(tǒng)，和1～2套中小型絞輪、及1套大型絞輪。

2.彈射90噸以下飛機(jī)時(shí)，只需要啟動(dòng)1套動(dòng)力系統(tǒng)，使用中小型絞輪。

3.彈射180噸以下飛機(jī)時(shí)，需要同時(shí)啟動(dòng)2套動(dòng)力系統(tǒng)，并聯(lián)使用，且使用大型絞輪。

(二)彈射360噸以下大型飛機(jī)

1.在能夠起降360噸以下飛機(jī)的特大型機(jī)場(chǎng)，設(shè)置特大型飛機(jī)彈射器，彈射器配備4套動(dòng)力系統(tǒng)，和2套中小型絞輪、及1套特大型絞輪。

2.彈射90噸以下飛機(jī)時(shí)，只需要啟動(dòng)1套動(dòng)力系統(tǒng)，使用中小型絞輪，可同時(shí)使用。

3.彈射180噸以下飛機(jī)時(shí)，需要同時(shí)啟動(dòng)2套動(dòng)力系統(tǒng)，并聯(lián)使用，且使用特大型絞輪。

4.彈射270噸以下飛機(jī)時(shí)，需要同時(shí)啟動(dòng)3套動(dòng)力系統(tǒng)，并聯(lián)使用，且使用特大型絞輪。

4.彈射360噸以下飛機(jī)時(shí)，需要同時(shí)啟動(dòng)4套動(dòng)力系統(tǒng)，并聯(lián)使用，且使用特大型絞輪。

(三)計(jì)算彈射小型飛機(jī)獲得的末速度

假如彈射小型飛機(jī)消耗的能量很小，以致飛輪未減速，仍為5.05r/s，則飛機(jī)末速度為：

U＝主動(dòng)輪末轉(zhuǎn)速×主動(dòng)輪大頭直徑÷從動(dòng)輪小頭直徑×絞輪直徑×3.14

＝5.05×2.4÷1.2×2.8×3.14

＝88.8(m/s) 相當(dāng)于319.68公里/小時(shí)。

實(shí)施例三：

運(yùn)轉(zhuǎn)火箭飛輪彈射器

一.火箭彈射器工作過(guò)程

在附圖7中：

1.火箭彈射器共設(shè)置4套動(dòng)力系統(tǒng)(2、68、69、70)，擬根據(jù)推力的需要，啟用動(dòng)力系統(tǒng)的套數(shù)。

2.根據(jù)所需要的彈射末速度，設(shè)置飛輪(2)末轉(zhuǎn)速。

3.根據(jù)火箭(67)直徑大小，調(diào)整發(fā)射架伸縮枝傳動(dòng)軸(74)的長(zhǎng)度，使驅(qū)動(dòng)齒輪(21)，和對(duì)沖驅(qū)動(dòng)齒輪(76)與火箭齒條(73)嚙合。讓導(dǎo)向滑桿(77)嵌入導(dǎo)向滑槽(78)內(nèi)。

4.火箭(67)就位，發(fā)射人員得到起飛指令，火箭點(diǎn)火成功后，啟動(dòng)彈射系統(tǒng)。

5.火箭齒條(73)到達(dá)設(shè)定位置，行程開(kāi)關(guān)動(dòng)作，分離差速聯(lián)軸器(3)，彈射器結(jié)束。

6.火箭在脫離彈射器最末驅(qū)動(dòng)齒輪(21、76)的瞬間，加大燃料門(mén)，火箭加速升空。

二.火箭彈射器技術(shù)參數(shù)(實(shí)際應(yīng)用中，需將彈射器效率折算進(jìn)去)

1.彈射器4套動(dòng)力系統(tǒng)(2、68、69、70)并聯(lián)，合計(jì)推力12000噸，可彈射起飛重量200～5000噸、直徑3～10米的火箭(67)。下面以彈射3000噸火箭，作為推演的例示。

2.發(fā)射架高度280米左右。

3.彈射平均加速度3g，彈射距離292.4米，彈射時(shí)間4.46秒。

4.彈射末速度131.13m/s，相當(dāng)于472公里/小時(shí)。

5.設(shè)置2組主傳動(dòng)軸(18、72)，每組主軸上設(shè)有傘齒輪段部分的長(zhǎng)度266米，兩組主軸上各設(shè)置21組傘齒輪(19)，每組之間的間距13.3米。

8.枝傳動(dòng)軸(20、74)。第一主傳動(dòng)軸(18)所帶動(dòng)的枝傳動(dòng)軸(20)，長(zhǎng)度固定不變；第二主傳動(dòng)軸(72)所帶動(dòng)的為伸縮式支傳動(dòng)軸(74)，伸縮距離0～7米，以適合于彈射直徑為3～10米的火箭。

9.驅(qū)動(dòng)齒輪(21)和對(duì)沖驅(qū)動(dòng)齒輪(76)相對(duì)面設(shè)置，使齒輪壓力角產(chǎn)生的分力正好抵消，驅(qū)動(dòng)齒輪和對(duì)沖驅(qū)動(dòng)齒輪的直徑設(shè)置為1.44米。在每個(gè)驅(qū)動(dòng)層面上，兩個(gè)傳動(dòng)軸上共設(shè)置4個(gè)驅(qū)動(dòng)齒輪，由4個(gè)驅(qū)動(dòng)齒輪(21、76)共同驅(qū)動(dòng)四組火箭齒條(73)。

10.在第一級(jí)火箭下端兩側(cè)，每側(cè)的兩對(duì)面，共設(shè)置火箭齒條(73)4列，使火箭體受到的推力完全均衡，分別由4個(gè)驅(qū)動(dòng)齒輪(21、76)驅(qū)動(dòng)，火箭齒條(73)長(zhǎng)度設(shè)置為13.8米左右，由于驅(qū)動(dòng)齒輪(21、76)的間距為13.3米，因此，始終至少有1組驅(qū)動(dòng)齒輪(21、76)與火箭齒條(73)保持嚙合。

11.在火箭頭部的兩側(cè)和尾部的兩側(cè)，設(shè)置導(dǎo)向滑桿(77)，在發(fā)射架上設(shè)置彈射導(dǎo)向滑槽(78)，滑槽的寬度設(shè)置為10厘米左右，深度設(shè)置為12厘米左右。火箭就位后，彈射導(dǎo)向滑 桿(77)正好插入彈射導(dǎo)向滑槽(78)內(nèi)。

12.飛輪(2)重量為850噸，直徑6米，常規(guī)初轉(zhuǎn)速31r/s(1860r/min)，彈射終了時(shí)，轉(zhuǎn)速降為29r/s(1740r/min)。

13.飛輪減速機(jī)(49)按2倍減速比輸出轉(zhuǎn)速，即減速機(jī)輸送給主動(dòng)輪(5)的初速為15.5r/s，末速14.5r/s。調(diào)快或調(diào)慢飛輪減速機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速，可以調(diào)節(jié)火箭彈射的末速度。

14.螺旋錐齒輪加速器

加速器輪齒(7)的寬度設(shè)置為15厘米左右，厚度為12厘米左右。

1)主動(dòng)輪(5)。主動(dòng)輪小、大頭直徑分別為1.6、6.4米，主動(dòng)輪長(zhǎng)度10.3米左右。

2)從動(dòng)輪(6)。從動(dòng)輪小、大頭直徑分別為3.2、8米，從動(dòng)輪長(zhǎng)度為9.9米左右。

3)傳動(dòng)輪(9)直徑設(shè)置為0.8米左右。

三.彈射器技術(shù)參數(shù)演算過(guò)程

(一)差速聯(lián)軸器差速起步階段

火箭起步階段，變速器主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速低于飛輪減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，差速聯(lián)軸器通過(guò)摩擦傳遞推力，當(dāng)主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速與飛輪減速機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速相等時(shí)(15.5r/s)，閉合差速聯(lián)軸器。

(二)差速聯(lián)軸器閉合彈射階段

1.計(jì)算從動(dòng)輪的末轉(zhuǎn)速

飛輪彈射終了時(shí)刻，主動(dòng)輪的大頭與從動(dòng)輪的小頭嚙合，已知主動(dòng)輪的大頭直徑為6.4米，從動(dòng)輪的小頭直徑為3.2米，主動(dòng)輪的末轉(zhuǎn)速為14.5r/s，從動(dòng)輪末轉(zhuǎn)速為：

Z＝主動(dòng)輪末轉(zhuǎn)速×主動(dòng)輪大頭直徑÷從動(dòng)輪小頭直徑

＝14.5×6.4÷3.2

＝29(r/s)

2.計(jì)算驅(qū)動(dòng)齒輪的末線速度

主傳動(dòng)軸的末轉(zhuǎn)速為29r/s，驅(qū)動(dòng)齒輪直徑為1.44米，驅(qū)動(dòng)齒輪的末線速度為：

U＝驅(qū)動(dòng)齒輪末轉(zhuǎn)速×驅(qū)動(dòng)齒輪直徑×3.14

＝29×1.44×3.14

＝131.13(m/s)

火箭的速度等于驅(qū)動(dòng)齒輪的末線速度，該速度相當(dāng)于472公里/小時(shí)。

3.計(jì)算飛輪彈射時(shí)間

彈射加速度設(shè)置為3g

U＝U₀+at

131.13＝0+3×9.8×t

t＝4.46(s)

4.計(jì)算飛輪彈射的距離

U²-U₀²＝2aS

131.13²-0＝2×3×9.8×S

S＝292.4(m)

5.飛輪彈射階段，驅(qū)動(dòng)齒輪、從動(dòng)輪和主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)計(jì)算

1)驅(qū)動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)為：

292.4÷3.14÷1.44＝64.58(圈)

3)主動(dòng)輪的平均轉(zhuǎn)速為15r/s，4.46秒鐘旋轉(zhuǎn)了66.9圈(15×4.46＝66.9)。

9.從動(dòng)輪和主動(dòng)輪輪齒尺寸計(jì)算

1)主動(dòng)輪。彈射階段，主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)66.9圈，另外需要1.5圈空齒段，共需設(shè)置輪齒68.4圈，每圈螺旋齒之間的螺距為15.1厘米左右，主動(dòng)輪長(zhǎng)度為10.33米左右。

2)從動(dòng)輪。彈射階段，從動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)64.58圈，另外需要1圈空齒段，共需設(shè)置輪齒66.08圈，每圈螺旋齒之間的螺距為15.1厘米左右，從動(dòng)輪長(zhǎng)度為9.98米左右。

四.圓錐螺線齒條無(wú)級(jí)變速器受力分析

2.計(jì)算彈射系統(tǒng)推力。火箭起飛重量3000噸，平均加速度3g。彈射系統(tǒng)運(yùn)行所需要的能量由助推電機(jī)提供，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力用以克服整個(gè)系統(tǒng)的摩擦力和空氣阻力。

F＝m_火箭(g+a)

＝3000×(9.8+3×9.8)

＝117600(kN)＝12000(噸力)

采用4套動(dòng)力系統(tǒng)，每套的推力為29400kN(117600÷4＝29400)。

2.變速器的最大受力測(cè)算

根據(jù)變速器齒輪結(jié)構(gòu)尺寸，從動(dòng)輪小頭處的受力最大(直徑3.2米)，設(shè)為F。

F×從動(dòng)輪小頭輪直徑＝驅(qū)動(dòng)齒輪受力×驅(qū)動(dòng)齒輪直徑

F×3.2(m)＝29400(kN)×1.44(m)

F＝13230(kN)

變速器齒輪承受的最大剪切力為13230kN。

3.變速器齒輪單個(gè)齒能夠承受的最大剪切力測(cè)算

假如齒輪的許用剪切應(yīng)力為2000MPa(選用特殊材料，可達(dá)3000MPa以上)。

輪齒的寬度設(shè)置為150mm，齒厚設(shè)置為120mm，齒承受剪切處的截面積為18000mm²。

變速器單個(gè)齒允許最大承受剪切力＝2000×18000

＝36000(kN)

4.結(jié)論：變速器齒輪強(qiáng)度具有近3倍保險(xiǎn)系數(shù)(36000÷13230＝2.72)

五.飛輪動(dòng)力源

1.飛輪彈射器常規(guī)做功計(jì)算

已知飛輪彈射器的推力為117600kN，做功的距離為292.4米

W＝f×L

＝117600(kN)×292.4(m)

＝34386(MJ)

2.飛輪儲(chǔ)能計(jì)算

采用重量850噸的圓柱體飛輪，直徑6米，轉(zhuǎn)速31r/s。飛輪具有的能量為：

E＝1/2×I×ω²＝1/2(飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量×飛輪角速度²)

＝1/2(0.5×飛輪質(zhì)量×飛輪半徑²)×(飛輪角速度²)

＝0.5×(0.5×850×10³×3²)×(31×2×3.14)²

＝72484(MJ)

3.飛輪轉(zhuǎn)速降為29r/s。飛輪具有的能量為：

E＝1/2×I×ω²＝1/2(飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量×飛輪角速度²)

＝1/2(0.5×飛輪質(zhì)量×飛輪半徑²)×(飛輪角速度²)

＝0.5×(0.5×850×10³×3²)×(29×2×3.14)²

＝63433(MJ)

4.能量平衡計(jì)算

飛輪轉(zhuǎn)速由31r/s降低為29r/s后，釋放的能量為

(72484-63433)×4＝36248(MJ)

大于飛輪彈射器工作需要的能量34386MJ。

六.彈射大型火箭

1.計(jì)算彈射5000噸火箭能夠提供的加速度。已知飛輪彈射器的推力為117600kN，火箭起飛重量5000噸，平均加速度yg。火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力用以克服系統(tǒng)摩擦力和空氣阻力。

F＝m_火箭(g+a)

117600(kN)＝5000×(9.8+y×9.8)

y＝1.4(g)

3.計(jì)算彈射5000噸火箭能夠提供的末速度。

已知初速度為0，加速度為1.4g，加速距離為292.4米，由

v²+v₀²＝2ax

得：v²+0＝2×1.4×9.8×292.4

v＝89.57(m/s)

4.計(jì)算主動(dòng)輪的末轉(zhuǎn)速。

主動(dòng)輪末轉(zhuǎn)速＝驅(qū)動(dòng)輪線速度÷3.14÷驅(qū)動(dòng)輪直徑×從動(dòng)輪小頭直徑÷主動(dòng)輪大頭直徑

＝89.57÷3.14÷1.44×3.2÷6.4

＝9.9(r/s)

需將飛輪的末轉(zhuǎn)速調(diào)整為39.6r/s，再按4倍減速比輸出轉(zhuǎn)速(39.6÷4＝9.9)。

七.彈射小型火箭

1.計(jì)算彈射500噸火箭能夠提供的加速度。啟用1套動(dòng)力系統(tǒng)，推力3000噸，火箭起飛重量500噸，平均加速度yg。

F＝m_火箭(g+a)

3000×9.8＝500×(9.8+y×9.8)

y＝5(g)

2.計(jì)算彈射500噸火箭能夠提供的末速度。

已知初速度為0，加速度為5g，加速距離為292.4米，由

v²+v₀²＝2ax

得：v²+0＝2×5×9.8×292.4

v＝169.28(m/s)

3.計(jì)算主動(dòng)輪的末轉(zhuǎn)速。

主動(dòng)輪末轉(zhuǎn)速＝驅(qū)動(dòng)輪線速度÷3.14÷驅(qū)動(dòng)輪直徑×從動(dòng)輪小頭直徑÷主動(dòng)輪大頭直徑

＝169.28÷3.14÷1.44×3.2÷6.4

＝18.72(r/s)

需將飛輪的末轉(zhuǎn)速調(diào)整為37.44r/s，再按2倍減速比輸出轉(zhuǎn)速(37.44÷2＝18.72)。

實(shí)施例四：

軌道列車(chē)飛輪彈射器

一.軌道列車(chē)彈射器工作過(guò)程

在附圖8中：

1.軌道列車(chē)依靠機(jī)車(chē)動(dòng)力、助推電機(jī)和彈射器推力起步，列車(chē)起步階段，加速器主動(dòng)輪(5)的轉(zhuǎn)速低于飛輪減速機(jī)(49)輸出的轉(zhuǎn)速，差速聯(lián)軸器(3)通過(guò)摩擦傳遞推力，當(dāng)主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速與飛輪減速機(jī)(49)輸出的轉(zhuǎn)速相等時(shí)(6.2r/s)，閉合差速聯(lián)軸器(3)。

2.列車(chē)齒條(80)到達(dá)設(shè)定位置，行程開(kāi)關(guān)動(dòng)作，分離差速聯(lián)軸器(3)，彈射器結(jié)束。

3.彈射結(jié)束，剎車(chē)裝置(25)回收電能。啟動(dòng)復(fù)位電機(jī)(17)，將變速器(4)復(fù)位。

二.列車(chē)彈射器技術(shù)參數(shù)(實(shí)際應(yīng)用中，需將彈射器效率折算進(jìn)去)

1.例示中，以未來(lái)高標(biāo)準(zhǔn)地鐵、輕軌類(lèi)軌道列車(chē)(79)為例，重量500噸(高鐵可以采用較高的加速度，客運(yùn)、貨運(yùn)列車(chē)重量較大，需另外設(shè)置參數(shù))。

2.彈射系統(tǒng)運(yùn)行所需要的能量，和摩擦阻力，由助推電機(jī)提供。

2.彈射加速度0.25g，其中由列車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)提供0.025g，由彈射器提供0.225g。

3.彈射距離173.3米左右，彈射時(shí)間11.89秒。

4.彈射速度29.14m/s，相當(dāng)于105公里/小時(shí)。

5.彈射器彈射能量為191MJ，彈射器提供的推力為112.5噸，最快循環(huán)周期為120秒。

6.驅(qū)動(dòng)齒輪(21)轉(zhuǎn)速與從動(dòng)輪(6)相等。

7.驅(qū)動(dòng)齒輪(21)的直徑設(shè)置為0.8米。

8.接力驅(qū)動(dòng)齒輪(81)直徑的大小，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要來(lái)設(shè)置。

9.每節(jié)車(chē)廂底盤(pán)下面均設(shè)置列車(chē)齒條(80)，總長(zhǎng)度175米。

10.飛輪(2)重量55噸，直徑3.6米，常規(guī)初轉(zhuǎn)速31r/s(1860r/min)，末轉(zhuǎn)速為29r/s。

11.飛輪減速機(jī)(49)的減速比為5倍，經(jīng)過(guò)5倍減速，飛輪減速機(jī)(49)傳遞給主動(dòng)輪(5)的初轉(zhuǎn)速為6.2r/s，彈射終了時(shí)，末轉(zhuǎn)速降為5.8r/s，平均轉(zhuǎn)速6r/s。

12.圓錐螺線齒條無(wú)級(jí)變速器

1)輪齒(7)受力斷面的寬度設(shè)置為4厘米左右，厚度為3厘米左右。

2)主動(dòng)輪。主動(dòng)輪(5)小頭、大頭直徑分別0.4、2米，主動(dòng)輪長(zhǎng)度為2.97米左右。

3)從動(dòng)輪。從動(dòng)輪(6)小頭、大頭直徑分別1、2.6米，從動(dòng)輪長(zhǎng)度為2.87米左右。

4)傳動(dòng)輪(9)直徑設(shè)置為0.5米左右。

三.彈射器技術(shù)參數(shù)演算過(guò)程

(一)差速聯(lián)軸器差速起步階段

列車(chē)起步階段，變速器主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速低于飛輪減速機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速，差速聯(lián)軸器通過(guò)摩擦傳遞推力，當(dāng)主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速與飛輪減速機(jī)輸出的轉(zhuǎn)速相等時(shí)(6.2r/s)，閉合差速聯(lián)軸器。

(二)差速聯(lián)軸器閉合彈射階段

1.計(jì)算從動(dòng)輪的末轉(zhuǎn)速

飛輪彈射終了時(shí)刻，主動(dòng)輪的大頭與從動(dòng)輪的小頭嚙合，已知主動(dòng)輪的大頭直徑為2米，從動(dòng)輪的小頭直徑為1米，主動(dòng)輪的末轉(zhuǎn)速為5.8r/s，從動(dòng)輪末轉(zhuǎn)速為：

Z＝主動(dòng)輪末轉(zhuǎn)速×主動(dòng)輪大頭直徑÷從動(dòng)輪小頭直徑

＝5.8×2÷1

＝11.6(r/s)

2.計(jì)算驅(qū)動(dòng)齒輪的末線速度

U＝驅(qū)動(dòng)齒輪末轉(zhuǎn)速×驅(qū)動(dòng)齒輪直徑×3.14

＝11.6×0.8×3.14

＝29.1392(m/s)

彈射列車(chē)的速度等于驅(qū)動(dòng)齒輪的末線速度，該速度相當(dāng)于105公里/小時(shí)。

3.計(jì)算飛輪彈射時(shí)間

已知平均加速度為0.25g

U＝U₀+at

29.1392＝0+0.25×9.8×t

t＝11.89(s)

4.計(jì)算飛輪彈射的距離

U²-U₀²＝2aS

29.1392²-0＝2×0.25×9.8×S

S＝173.3(m)

5.飛輪彈射階段，驅(qū)動(dòng)齒輪、從動(dòng)輪和主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)計(jì)算

1)飛輪彈射階段，驅(qū)動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)為：

173.3÷3.14÷0.8＝68.98(圈)

2)從動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)圈數(shù)與驅(qū)動(dòng)齒輪相同，也為68.98圈。

3)主動(dòng)輪的平均轉(zhuǎn)速為6r/s，11.89秒鐘旋轉(zhuǎn)了71.34圈。

6.從動(dòng)輪和主動(dòng)輪螺旋齒圈數(shù)計(jì)算

1)主動(dòng)輪。彈射階段，主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)71.34圈，另需要設(shè)置1.5圈空齒段，共需設(shè)置輪齒72.84圈，每圈輪齒之間的螺距為4.1厘米左右，主動(dòng)輪長(zhǎng)度為2.99米左右。

2)從動(dòng)輪。彈射階段，從動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)68.98圈，另需要設(shè)置1.5圈空齒段，共需設(shè)置輪齒70.03圈，每圈輪齒之間的螺距為4.1厘米左右，從動(dòng)輪長(zhǎng)度為2.87米左右。

四.圓錐螺線齒條無(wú)級(jí)變速器受力分析

2.彈射器推力計(jì)算

列車(chē)重量500噸，列車(chē)加速度0.25g，其中由列車(chē)動(dòng)力提供的加速度為0.025g，由彈射器提供的加速度為0.225g。

F＝ma

F＝500×0.225×9.8

＝1102.5(kN)＝112.5(噸力)

3.變速器的最大受力測(cè)算

根據(jù)變速器結(jié)構(gòu)尺寸，從動(dòng)輪小頭處的受力最大(直徑1米)，設(shè)為F。

F×從動(dòng)輪小頭輪直徑＝驅(qū)動(dòng)齒輪受力×驅(qū)動(dòng)齒輪直徑

F×1＝1102.5×0.8

F＝882(kN)

變速器齒輪承受的最大剪切力為882kN。

4.變速器單個(gè)齒能夠承受的最大剪切力測(cè)算

假如輪齒的許用剪切應(yīng)力為2000MPa(選用特殊材料，可達(dá)3000MPa以上)。

齒輪的齒寬、齒厚分別設(shè)置為40mm、30mm，輪齒承受剪切處的截面積為1200mm²。

螺旋錐鏈輪單個(gè)齒最大承受剪切力＝2000×1200＝2400(kN)

4.結(jié)論：變速器齒輪強(qiáng)度具有近3倍保險(xiǎn)系數(shù)(2400÷882＝2.72)

五.飛輪動(dòng)力源

1.彈射器最大做功能力計(jì)算

已知彈射器的平均推力為1102.5kN，做功的距離為173.3米

W＝f×L

＝1102.5(kN)×173.3m

＝191(MJ)

2.計(jì)算需要補(bǔ)充的功率。已知源動(dòng)力電機(jī)積蓄能量的工作周期為108秒

191000kJ÷108s＝1770(kW)

為使飛輪保持基本恒速運(yùn)轉(zhuǎn)，需要配置有效功率2000kW的源動(dòng)力電機(jī)。

3.飛輪儲(chǔ)能計(jì)算

采用重量為55噸的圓柱體飛輪，直徑3.6米，轉(zhuǎn)速31r/s。飛輪具有的能量為：

E＝1/2×I×ω²

＝1/2(飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)慣量×飛輪角速度²)

＝1/2(0.5×飛輪質(zhì)量×飛輪半徑²)×(飛輪角速度²)

＝0.5×(0.5×55×10³×1.8²)×(31×2×3.14)²

＝1688.5(MJ)

4.飛輪轉(zhuǎn)速降為29r/s時(shí)，飛輪具有的能量計(jì)算

E＝1/2×I×ω²

＝0.5×(0.5×55×10³×1.8²)×(29×2×3.14)²

＝1477.6(MJ)

5.能量平衡計(jì)算

飛輪轉(zhuǎn)速由31r/s降低為29r/s后，釋放的能量為

1688.5-1477.6＝210.9(MJ)

大于飛輪彈射器工作需要的能量191MJ。

六.軌道列車(chē)展望

1.軌道列車(chē)現(xiàn)狀

現(xiàn)有軌道列車(chē)動(dòng)力配備遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理想狀態(tài)配備，因此編組總重量、加速度、最高速度、加速時(shí)間，等等指標(biāo)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于理想狀態(tài)；列車(chē)加速加速過(guò)程中，噪音較大，等等問(wèn)題。

2.軌道列車(chē)前景

采用彈射器幫助起步，機(jī)車(chē)動(dòng)力功率配備可大大降低，速度提高，而加速時(shí)間大大減少。

一旦所有的軌道列車(chē)都配備了從動(dòng)齒條，就可以在任何需要助推地段的軌道下面設(shè)置助推裝置，從而對(duì)現(xiàn)有的鐵路線加以改造，為所有的列車(chē)全面提速提供保障。

更重要的是就可以在優(yōu)化鐵路設(shè)計(jì)方面大做文章，減少線路受限因素，在軌道下面設(shè)置助推機(jī)構(gòu)后，就可以適度加大鐵路坡度，在任何時(shí)刻都保持列車(chē)正常的行駛速度，還可以利用列車(chē)下坡的動(dòng)能發(fā)電。

圓錐螺線齒條無(wú)級(jí)變速器(艦載機(jī)彈射器)相關(guān)數(shù)據(jù)計(jì)算方法說(shuō)明

1.時(shí)間節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)度取值說(shuō)明：已知閉合彈射時(shí)間為1.6936秒，為以便與主動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)53圈的數(shù)量對(duì)應(yīng)，擬將彈射時(shí)間區(qū)間共劃分53個(gè)節(jié)點(diǎn)(設(shè)計(jì)制造變速器時(shí)，需按照輪齒的數(shù)量來(lái)劃分時(shí)間節(jié)點(diǎn)數(shù)量，才能夠保證主動(dòng)輪與從動(dòng)輪精密?chē)Ш?，每一個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)長(zhǎng)度為0.03226秒。

2.加速度設(shè)值原則。在彈射末速度一定的前提下，加速度越小，彈射距離越長(zhǎng)，平均加速度取3.5g比較適中。根據(jù)：功率＝推力×速度，越是彈射后期，動(dòng)力功率需求越大；通過(guò)適當(dāng)逐步遞減彈射加速度，可平衡動(dòng)力需求，并有利于變速器受力均衡。但是在彈射過(guò)程中，前后期加速度不能差異太大，否則傳動(dòng)機(jī)構(gòu)受力會(huì)差異過(guò)大，不利于均衡傳動(dòng)機(jī)構(gòu)受力。

3.飛機(jī)在每個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的線速度計(jì)算公式：

U_n＝U_n＝1+a_nt

飛機(jī)在【N】節(jié)點(diǎn)線速度＝飛機(jī)在【N-1】節(jié)點(diǎn)線速度+飛機(jī)在該區(qū)間加速度×9.8×0.032265.主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速(r_主)與能量關(guān)系。主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速總共降低2(轉(zhuǎn)/秒)。主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速降低的幅度，根據(jù)飛輪能量消耗來(lái)確定，即根據(jù)飛機(jī)的行程來(lái)確定。下表列出的是主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速降低與飛輪能量釋放(％)之間關(guān)系的數(shù)據(jù)。(因?yàn)楸砀駥挾炔蛔?，一個(gè)數(shù)據(jù)分為了2行，如31.95、97.579)

5.主動(dòng)輪累計(jì)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)計(jì)算公式：

主動(dòng)輪在【N】節(jié)點(diǎn)累計(jì)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)(圈)＝主動(dòng)輪在【N-1】節(jié)點(diǎn)累計(jì)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)(圈)+主

動(dòng)輪在該區(qū)間平均轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/秒)×0.03226(秒)

6.從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速計(jì)算公式：

從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速(r_從)＝飛機(jī)線速度÷0.5(驅(qū)動(dòng)齒輪直徑)÷3.14

7.從動(dòng)輪累計(jì)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)計(jì)算公式：

從動(dòng)輪在【N】節(jié)點(diǎn)累計(jì)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)(圈)＝

從動(dòng)輪在【N-1】節(jié)點(diǎn)累計(jì)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)(圈)+從動(dòng)輪在【N-1】～【N】區(qū)間旋轉(zhuǎn)圈數(shù)(圈)

{從動(dòng)輪在【N-1】～【N】區(qū)間旋轉(zhuǎn)圈數(shù)(圈)＝(U_n²-U_n=1²)÷(2×a×9.8×0.5×3.14)}

8.主動(dòng)輪及從動(dòng)輪直徑計(jì)算公式：

由：(主動(dòng)輪直徑×主動(dòng)輪轉(zhuǎn)速＝從動(dòng)輪直徑×從動(dòng)輪轉(zhuǎn)速)

得出：φ_主＝2.2÷(r_主÷r_從+1)

φ_從＝2，2-φ_主

9.變速器輪齒受力計(jì)算公式：

變速器輪齒受力＝某時(shí)點(diǎn)加速度×飛機(jī)質(zhì)量×驅(qū)動(dòng)輪直徑÷從動(dòng)輪直徑

附：圓錐螺線齒條無(wú)級(jí)變速器(艦載機(jī)彈射器)相關(guān)數(shù)據(jù)列表

注：最大受力(654.46kN)用黑體字標(biāo)出；主軸分段的兩處，從動(dòng)輪累計(jì)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)(17.28774、36.70381)，用下劃線標(biāo)出。