專利名稱：航空母艦高支點彈射/滑躍系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種航空母艦上的輔助艦載飛機短距離起飛的能量轉換及執行裝置。 它使艦載機的結構強度、設計難度以及飛行員的不適感顯著降低，增加了起飛可靠性、有效 載荷、航程及應用廣泛性，縮小了陸航飛機與艦載機的差異性，簡化了起飛前的準備操作。 另外，它簡化了艦載機著艦系統的結構組成。
背景技術：
目前，公知的航空母艦艦載機助飛方式有兩種，即以美國為主的蒸汽彈射器助飛 方式和以俄羅斯為主的滑躍甲板助飛方式。已知蒸汽彈射器是一種經過長期實踐證明非常可靠和高效的助飛方式。其關鍵部 分一一開縫汽缸有別于傳統的汽缸的結構設計。最大的問題是活塞上的刀板經過開口時的 密封問題。我們已知的航母彈射器采用的是U型密封條形式。它與汽缸縫蓋結合在一起在 氣缸縫外形成一個完整的鉤型密封結構，可以夾住汽缸縫以防氣缸內部壓力增大時汽缸縫 擴大。但其最大的麻煩之處就在于彈射刀板與U型密封條的結合處。由于彈射刀板經過時 必須把U型密封條在接口處頂開，頂開后與密封刀接縫處肯定會泄漏蒸汽，如果U型密封條 的密封力很大，密封效果肯定很好，但彈射刀板阻力也會增大，U型密封條磨損也隨之加快， 彈射器的維護成本大，U型密封條更換頻繁而且更換過程又十分麻煩，對材質要求高。U型 密封條磨損是困擾彈射器的最大心病，日常維護與檢修都相當麻煩，雖然一直在不斷改進 材質及采用新技術，但至今仍不能令人滿意，美軍對此意見很大。其次，已知彈射器滑梭緊貼地面的設計在彈射的一瞬間對艦載機的拉力的方向是 向前同時向下。蒸汽彈射的能量也是直接和硬性的作用給艦載機。這樣低的力矩點再加上 硬性能量釋放，對于前起落架、前輪胎和機體結構強度而言無疑是一個巨大的考驗，加之彈 射瞬間巨大的能量釋放，造成艦載機與陸航飛機在設計上有著巨大的區別。這種考慮也是 我國飛機在設計和轉化為艦載機方面的難題和軟肋。另外，已知的彈射活塞大而笨重，其外形很像一枚導彈。即使是中空的，但也可以 想象這個活塞的重量是相當可觀的。活塞對蒸汽推進的效能影響是非常大的。美國的設計 所躲不開的地方是怎樣讓急速飛奔的活塞安全的停下來。其汽缸和活塞的密封形式和原 有水剎車裝置的設計決定了活塞的體積和重量。還有，已知的航空母艦著艦阻攔索系統是一套獨立的裝置，它沒有同彈射器系統 組合設計，從而增加了艦載設備重量和指揮操控的統一性。俄羅斯的滑躍甲板助飛方式局限了航空母艦的布局和效率。降低了艦載機的起飛 效能，有效載荷和機種的多樣性。
發明內容
為了獲得一種更加優良和先進的助飛效果，且能解決已知助飛方式存在的技術問 題。本發明提出了一套建立在多個創新設計之上的航空母艦彈射/滑躍系統。
一、航空母艦高支點彈射/滑躍系統的特點1、本航空母艦高支點彈射/滑躍系統是一個蒸汽彈射器和滑躍甲板助飛的組合 設計方案。它具有彈射起飛的高效助推作用，同時也具有上翹滑躍甲板的助飛作用。同時， 該方案解決了蒸汽彈射器和滑躍甲板助飛各自存在的一些技術缺陷。2、本航空母艦高支點彈射/滑躍系統的設計縮小了陸航飛機與艦載機的差異性。 高支點彈射臂和緩沖助彈器的設計可使艦載機的結構強度(特別是前起落架結構強度)要 求顯著降低。降低艦載機的設計難度和增加其起飛可靠性、有效載荷及航程。彈射凸和彈 射凹的設計，替代了彈射滑梭、彈射拉桿、位持器拉桿等部件。顯著降低了艦載機前起落架 的設計難度。簡化了起飛前的準備操作。3、本航空母艦高支點彈射/滑躍系統開縫汽缸采用高壓水密封系統設計，摒棄了 固體密封形式。高壓射流噴嘴組合體和控流閥的設計使密封功能與彈射汽缸巧妙融合。通 過計算，高壓水密封的承載壓力大于已知的航母蒸汽彈射輸出壓力，可以非常理想的做到 開縫汽缸蒸汽不外泄，將有效提高彈射汽缸效能。高壓控流噴射系統設計實現了高壓水密 封的快速步進噴射和任意部位的局部噴射功能，解決了彈射活塞的剎車復位問題，從而降 低活塞的結構復雜性和重量。且能很好的解決活塞、彈射刀板與汽缸間的摩擦阻力密封效 果和摩擦損耗。提高彈射器壽命及可靠性。另外，高壓控流噴射系統的設計，簡化了氣缸的 排汽、排水功能的設計。在汽缸運行的不同階段，殘余蒸汽和水都能有目的的從停止噴射的 汽缸開縫處泄流。4、本航空母艦高支點彈射/滑躍系統采用彈射變壓設計，即允許彈射壓力根據實 際彈射需要、彈射載荷的變化而進行調整。這有利于彈射的應用廣泛性，豐富艦載機的種 類。蒸汽彈射控制閥組設計能精確的和可靠的控制高壓蒸汽進入彈射汽缸。該閥支持彈 射系統的變壓應用。5、本航空母艦高支點彈射/滑躍系統的剎車復位功能是由綜合考慮的汽、水壓縮 阻尼形式實現的。剎車復位閥能準確控制高壓蒸汽對活塞的剎車復位動作。6、利用航空母艦上的其中一套高支點彈射/滑躍裝置與著艦阻攔索結合，組成航 空母艦著艦阻攔索系統。將艦載機著陸時傳給阻攔索的力量傳遞給可調壓使用的緩沖助彈 器和蒸汽彈射汽缸。這樣，不但實現了起飛和著艦的統一控制指揮，也提高了艦上設備的利 用率，而且省去了阻尼液壓缸。二、航空母艦高支點彈射/滑躍系統的運行過程圖2彈射狀態示意
圖1、彈射準備階段艦載機就位于彈射位置，此時，彈射凸被位持器卡死，活塞不能前進。蒸汽彈射控 制閥組上的彈射模度閥微開，彈射開閉閥打開，彈射汽缸開始緩慢充氣。在緩沖助彈器模度 閥的調節控制下，部分蒸汽通過導氣通道注入緩沖助彈器和彈射凸上的柱塞汽缸中，柱塞 桿在氣壓作用下向上頂起，插入艦載機前起落架的彈射凹中。在氣壓作用下緩沖助彈器活 塞桿處于收縮位置。高壓水密封尚未噴射。2、彈射起跑階段艦載機起飛時，開足馬力，蒸汽彈射控制閥組上的彈射模度閥調整至目標艦載機 所需彈射開度，彈射指揮員在彈射最佳狀態時松開卡在位持器上的彈射凸。高壓水密封隨活塞步進噴射。從靜止到加速，緩沖助彈器內的氣體先壓縮后反彈，形成先緩沖后助彈的 效果。巨大的蒸汽能量由彈射凸傳送給艦載機，達到助推起飛目的。此時的開縫汽缸后腔 (蒸汽側)在高壓水密封作用下是一個完全密閉的壓力腔，而前腔為開放狀態。當彈射凸推 著艦載機進入坡道后，機頭在前輪的支撐下開始上揚，水平前進的彈射凸從飛機的彈射凹 中逐漸拔出直至脫離。失去載荷的彈射凸快速隱身至上翹的彈射甲板下，并接近剎車區段。 而此時的飛機將騰空而起。3、活塞末端剎車/復位階段在接近彈射器末端時，蒸汽最大能量已傳遞給艦載機使其起飛。此時，彈射控制閥 組關閉，汽缸后腔高壓水密封停止噴射，汽缸開縫處開始排放殘余水汽。而剎車區段高壓水 密封噴射，剎車復位閥處于關閉狀態，汽缸前腔形成汽水混合的壓力腔。汽體壓縮抵消不掉 的沖力，由末端水阻尼彌補。剎車區段壓力低于高壓蒸汽壓力時，剎車復位閥打開，高壓蒸 汽進入汽缸，活塞連同緩沖助彈器和彈射凸一起開始返回。4、彈射活塞歸位階段在彈射活塞返回過程中，高壓水密封可采用略低高壓水噴射模式。剎車復位閥組 開始節流并逐漸關閉。在復位末端，活塞前腔高壓水密封停止噴射，而活塞后腔短暫低壓噴 射產生剎車效果，直至活塞復位。一個彈射周期結束。三、航空母艦高支點彈射/滑躍系統的構成航母蒸汽彈射系統的構成非常龐大。非一人之力能全部設計和實現。本技術方案 中僅對涉及該航空母艦高支點彈射/滑躍系統的多項技術創新的部分予以闡述。每一組航空母艦高支點彈射/滑躍系統由平行排列的兩根蒸汽彈射開縫汽缸組 成，并安裝在彈射甲板下的彈射槽內。每根蒸汽彈射開縫汽缸由若干節分段汽缸以法蘭形 式連接固定為一體，兩端分別裝有前端蓋和后端蓋。在開縫汽缸上的完整高壓射流噴嘴組 合體是由若干個高壓射流噴嘴組合體單元以連續的、對稱的方式安裝在開縫汽缸左右兩舷 之間。噴嘴控流閥安裝在開縫汽缸左右兩舷體內，通過高壓軟管與同開縫汽缸平行布置 的高壓水集管連接起來。開縫汽缸高壓水密封系統由高壓水泵站系統和高壓控流噴射系統 兩部分構成。從高壓水泵站系統輸送來的高壓水在高壓控流噴射系統的控制下實現開縫汽 缸密封作用。開縫汽缸高壓水密封系統的設計解決了傳統蒸汽彈射汽缸開縫處所采用的固體 密封及密封蓋的缺陷。高壓射流噴嘴組合體能隨著彈射活塞的急速前進實現步進噴射。在 彈射活塞經過的汽缸開縫位置，高壓射流噴嘴組合體噴出的高壓水在活塞、彈射刀板與汽 缸內壁、噴嘴耐磨板的配合間隙之間形成強制水密封和強制潤滑效果；而活塞已通過的汽 缸開縫位置，高壓射流噴嘴組合體對稱噴出的高壓水幕形成完整的能量密封面，確保汽缸 內的蒸汽不外泄；而活塞未經過的汽缸開縫位置，高壓射流噴嘴組合體不噴射，汽缸內的空 氣自由泄流，最大限度保證活塞不受前進阻力；在剎車復位區段，高壓射流噴嘴組合體能實 現增壓噴射，確保在該區段汽缸中實現對彈射活塞的汽水混合剎車復位功能。也因此，彈射 活塞的設計在結構和重量上有了巨大簡化設計。另外，彈射槽下部為開放式結構，其空間設 計滿足殘余蒸汽和水的無害排泄。航空母艦高支點彈射/滑躍系統通過蒸汽彈射控制閥組將蒸汽管道和蒸汽彈射開縫汽缸的后端蓋位置連接起來，用以精確和可靠的控制蒸汽進入氣缸的壓力和流量，蒸 汽的力量將作用在開縫汽缸內的彈射活塞上。彈射活塞通過從汽缸開縫處伸出的彈射刀 板與用以連接兩組蒸汽彈射開縫汽缸的緩沖助彈器支架固定在一起。緩沖助彈器支架通過 鉸接軸將緩沖助彈器連接在上方。通過緩沖助彈器的活塞桿與同軸線上的彈射凸底部相 固定。彈射凸底部通過導軌輪和導軌的配合使彈射凸只能沿著彈射甲板開縫的方向穩定滑 動。彈射凸從彈射甲板開縫處向上伸出到一個較高位置，在逐漸變厚的彈射凸上部的中心 位置有一個具有前傾角度的橢圓形深孔作為柱塞汽缸筒使用。內裝一根橢圓形柱塞桿，柱 塞桿的頂部為一個圓形柱突。柱塞桿處于收縮位置時的高度不妨礙艦載機進入到彈射位 置。柱塞桿伸出時頂端圓形突起插入固定在飛機前起落架與機身連接的根部的彈射凹中。 在彈射凸伸出甲板位置的后端有一個艦載機前輪擋柱，用以實現艦載機在進入彈射位置時 的定位和防止前起落架撞上彈射凸。在彈射活塞與緩沖助彈器和彈射凸形成的連接結構 中，設有一條導氣通道。注入開縫汽缸內的很小一部分蒸汽能量將由安裝在緩沖助彈器端 蓋位置的小型蒸汽模度閥控制其流量通過導氣通道注入到緩沖助彈器和彈射凸上的柱塞 汽缸中，從而保證彈射凸柱塞桿插入彈射凹和緩沖助彈器根據不同艦載機載荷而設定的緩 沖助彈功能的實現。絕大部分的蒸汽能量將通過彈射活塞、彈射刀板、緩沖助彈器支架、緩 沖助彈器以及彈射凸共同構筑成的能量傳遞機構傳送給艦載機，從而實現彈射起飛目的。航空母艦高支點彈射/滑躍系統的彈射甲板由水平彈射甲板和帶有一定上翹弧 度的滑躍甲板構成。由若干拼合在一起的平面彈射槽蓋和曲面彈射槽蓋組合而成，并在彈 射凸經過的中心線上形成彈射甲板開縫。在彈射開縫下側有一條同彈射開縫汽缸平行布置 的滑軌槽，通過導軌輪和導軌的配合用以穩定彈射凸的彈射軌跡和力矩傳遞。下面結合附 圖和實施例對本實用新型進一步說明圖1.航空母艦彈射/滑躍系統原理圖航空母艦彈射/滑躍系統主要由1上翹滑躍甲板、2平面彈射甲板、3彈射凸、4彈 射凹、5導軌、6導流板、7位持器、8彈射氣缸、9緩沖助彈器、10彈射活塞、11高壓噴嘴組合 體、12噴嘴控流閥、13蒸氣彈射控制閥組、14剎車復位閥、15高壓水密封控流系統、16高壓 水泵站系統、17蒸氣貯氣罐、18蒸氣鍋爐高壓射流噴嘴組合體圖3.開縫汽缸上的完整高壓射流噴嘴組合是由若干個高壓射流噴嘴組合體單元以連 續的、對稱的方式安裝在開縫汽缸左右兩舷之間。高壓射流噴嘴組合體在結構上主要由以下部分組成1噴嘴主體、2扇形腔、30型 圈、4線形密封、5下側噴嘴耐磨板、6上側噴嘴耐磨板1噴嘴主體根劇用途的不同，噴嘴主體可分別設計成單體或組合體形式。對于不同的應用條 件和應用環境，可選擇不同材質及加工、處理手段予以實現。基于本彈射系統考慮，噴嘴主體采用組合體形式設計，組合體的長度取決于汽缸 分段的長度。組合體上并排的扇形腔之間的間隔部分在滿足強度要求的基礎上盡量縮短。 以保證噴出的水幕緊湊銜接。噴嘴主體(包括其他設備和部件)應采用耐腐蝕(海水)、耐磨、耐高溫和耐壓的 合金鋼鍛料。
噴嘴背面的螺紋孔用于噴嘴和汽缸體的緊固。出于維護方便的考慮，噴嘴組合體 與汽缸體呈水平連接。這樣可以實現對高壓水密封的小修處理，提高戰斗力。2扇形腔該構造是本噴嘴的最大特點和最大技術突破點。傳統扇形噴嘴都是流體從噴孔處 噴出后才形成扇形。扇形面積與噴射距離成正比。無法避免在相鄰噴嘴間形成三角形空缺。本發明是在噴嘴腔體內形成扇形腔。腔體形狀為從噴嘴后端的圓形(或橢圓形、 方形)孔向噴嘴前端的細長縫形孔的過度。為滿足噴射壓力和流量的要求，圓形(或橢圓 形、方形)孔截面積大于細長縫形孔的截面積(具體比例可根據用途的不同區別設計)。根據用途的不同，前端的細長縫形孔可以是直線形、圓弧形或不規則形狀。出于對 彈射系統的了解和方案改進的不確定性。本彈射系統方案的前端細長縫孔暫以直線形進行 設計。該扇形腔是使流體在未噴射前就已呈扇形。5下側噴嘴耐磨板和6上側噴嘴耐磨板噴嘴前端的細長縫形孔不直接作為噴孔使用(除非用于中低壓系統進行設計)。 噴嘴前端嵌有耐磨材料構成的噴孔。蒸汽彈射系統高壓水射流的壓力可能需要很高。因此，有必要使用優良的耐磨材 料或表面處理工藝。如使用碳鎢合金，或表面碳鎢噴涂的材料用于加工下側噴嘴耐磨板和 上側噴嘴耐磨板。上側噴嘴耐磨板和下側噴嘴耐磨板具有三個功能。一是形成噴孔的上緣；二是當 彈射刀板通過時起到軸瓦的作用；三是避免彈射刀板、高壓水產生的機械磨損和有可能形 成的氣蝕現象造成對噴嘴主體和汽缸體的直接損害。上側噴嘴耐磨板和下側噴嘴耐磨板的長度取決于汽缸分段的長度。30型圈和4線形密封防止高壓水的滲漏和對機件的損害。同樣線形密封的長度取決于汽缸分段的長度。高壓射流噴嘴組合體能隨著彈射活塞的急速前進實現步進噴射。在彈射活塞經 過的汽缸開縫位置，高壓射流噴嘴組合體噴出的高壓水在活塞、彈射刀板與汽缸內壁、噴嘴 耐磨板的配合間隙之間形成強制水密封和強制潤滑效果；而活塞已通過的汽缸開縫位置， 高壓射流噴嘴組合體對稱噴出的高壓水幕形成完整的能量密封面，確保汽缸內的蒸汽不外 泄；而活塞未經過的汽缸開縫位置，高壓射流噴嘴組合體不噴射，汽缸內的空氣自由泄流， 最大限度保證活塞不受前進阻力；在剎車復位區段，高壓射流噴嘴組合體能實現增壓噴射， 確保在該區段汽缸中實現對彈射活塞的汽水混合剎車復位功能。開縫汽缸高壓水密封系統 的設計解決了傳統蒸汽彈射汽缸開縫處所采用的固體密封及密封蓋的缺陷。也因此，彈射 活塞的設計在結構和重量上有了巨大簡化設計。高壓水密封控流系統圖4、圖6 (1、汽缸體上弦2、噴嘴組合體3、噴射水幕4、對打后 的濺落水5、高壓水支管)—、高壓水密封控流系統設計原理——液力平衡設計控流系統之所以能產生作用，而且可以在多種壓力下實現控流功能，與液力平衡
8的設計機理密切相關。在這個系統中，控制每個噴嘴是否噴射的控制力來自于高壓水密封 系統的高壓水本身。密封系統壓力多大，控制力就多大。1、在彈射準備階段，保證高壓水密封系統管道中注滿高壓水，但控制噴嘴組合體 不噴射。2、在彈射起跑階段，控制彈射區段全部噴嘴組合體噴射，保證活塞后側(彈射蒸 汽側)高壓水幕形成的密封強力有效。3、在進入剎車階段，整體開啟剎車區段噴嘴組合體，且剎車區段噴嘴組合體為增 壓噴射。4、在進入活塞復位階段，控制噴嘴組合體隨活塞復位移動而步進噴射，但噴射壓 力可以在保證復位蒸汽壓力的條件下適當降低。5、在進入活塞復位末端階段，整體開啟復位區段噴嘴組合體，直至活塞復位。最后 控制全部噴嘴組合體停止噴射。二、高壓水密封控流系統的構成高壓水密封控流系統由電-氣先導2位3通高壓換向閥、噴嘴控流閥、高壓水液壓 管線、高壓水支路管道組成。1、電-氣先導2位3通高壓換向閥所有高壓換向閥安裝在數個總閥架上。用于控流高壓水實現保壓或泄壓的狀態。 DC24V電磁閥控制6-10bar氣動活塞驅動2位3通閥芯運動。2、高壓水液壓管線連接在每個控流閥和相對應高壓換向閥之間。用于控制控流閥的狀態。3、高壓水支路管道連接在高壓密封系統主管道與控流總閥架之間。用于向控流系統提供與高壓密封 系統等壓的高壓水。4、噴嘴控流閥圖.5此閥安裝在每個噴嘴后端的氣缸左右舷體內。用于噴嘴的開閉，工作原理為液力 平衡原理。閥體主要由1閥套、2彈簧、3閥芯、4閥座、5控流接口、6密封構成。三、高壓水泵站系統原理7高壓水泵站系統是高壓水密封系統的能量來源。泵站將為密封部位提供充足的壓 力和流量。因此，泵站的設計也同樣重要。高壓水泵站系統主要由以下部分組成1、喂水泵保證系統用水充足，以及進入高壓泵的供水保持一定的喂水壓力。或配合穩流罐 一同使用。如果前端管網能夠保障，可簡化設計。2、自清洗過濾器和管道Y型過濾器保證系統用水的潔凈。降低高壓設備、噴嘴以及管網的磨損。如果前端管網能夠 保障，可簡化設計。3、高壓泵主要分為兩種高壓柱塞泵和多級離心泵。具體選擇需由噴射部分計算出實現高 壓密封作用所需要的壓力和流量來決定。出于節能和多壓力運行的目的應采用變頻調速技 術。
4、循環閥在高壓密封系統不噴射時，保證高壓泵的運行狀態。5、壓力開關6、流量計7、液位計8、壓力傳感器9、壓力表10、高壓、低壓閥門11、高壓、低壓管道及管件12、電氣設備13、PLC控制系統航空母艦上的高壓水系統應該是凈水介質系統。這樣，系統尤其是噴射部分的磨 損將很有限。如果可以，考慮用高閃點乳液作為密封介質的可行性，這樣將明顯解決彈射系 統和高壓密封系統的磨損問題。開縫汽缸組圖8基于高壓水密封系統的設計，我將包括開縫汽缸在內的多個部分提出了自己的設 計意見。開縫汽缸由分段組合成的汽缸體、噴嘴組合體、前端蓋、后端蓋組成。1、汽缸體和噴嘴組合體為了使高壓水密封噴射和控制部分不單獨占用航母上的彈射槽空間，本設計采取 將噴嘴組合和控流閥與汽缸體結合起來設計的方法，以形成最合理的汽缸開縫密封效果、 結構力學效果和空間利用效果。本設計取消了鉤形密封蓋設計。因此，在彈射過程中汽缸開縫處是最容易發生變 形的。因此，汽缸體采取內外圓偏心設計。使汽缸體的厚度形成下厚上薄的過度。形成對 汽缸開縫處的強力支撐作用。汽缸開縫的左舷和右舷具有較大的結構尺寸且形成的開縫寬度也很大。這樣便于 噴嘴組合體以對稱形式分別固定在兩舷的內平面上。汽缸開縫的實際寬度為噴嘴組合體之 間的縫隙。噴嘴組合體與兩舷呈水平固定。這樣便于噴嘴組合體的拆卸。這樣可以實現對高 壓水密封的小修處理，提高戰斗力。高壓水密封噴射控制閥直接安裝在汽缸開縫的左右舷體內。這樣既節省了空間， 又滿足了承壓要求。高壓水流不直接接觸舷體，因此，不會造成對汽缸體的直接損害。在汽缸體的下部有一根內徑較粗的高壓水管道縱貫整個蒸汽彈射器的首尾。該管 道通過對稱分布的高壓軟管與汽缸左右舷體上的每一個噴射控制閥連接。從而保證對噴射 部分的高壓供水以及保證汽缸左右舷體上的噴嘴噴射壓力均衡。同樣，整個氣缸采用分段設計、制造，最后連接而成的。接口處設計有法蘭連接結 構和密封槽，整個汽缸是通過底座固定在彈射器槽的氣缸軌上而連成一體。這種多截連接 氣缸結構有利于降低生產，運輸和維修的成本，而且可以更靈活地應付整體上的熱變形。單 個噴嘴組合體的長度與汽缸的分段長度吻合。2、后端蓋
后端蓋為厚壁空心錐形設計，在彈射的最初階段能起到增壓腔的作用。尾端是一 個大口徑進氣口與進氣管道連接。3、前端蓋前端蓋為末端緩沖設計，在彈射結束時，與活塞的錐形突起配合使汽缸內的壓縮 空氣和水形成混合剎車作用(該功能將單獨介紹)。尾端與剎車\復位閥組連接。4、一組彈射器系統由兩根彈射汽缸并排組成。活塞以及剎車功能圖9活塞和剎車區段的結構圖之所以，我將剎車和活塞設計放在一起闡述，是因為我注意到美國彈射活塞的設 計，其外形很像一枚導彈。即使向他描述的是中空的，但也可以想象這個活塞的重量是相當 可觀的。活塞對蒸汽推進的效能影響是非常大的。美國的設計所躲不開的地方是怎樣讓急 速飛奔的活塞安全的停下來。在工業應用中，我對快進汽缸的結構有一定了解。加之，我 基于高壓水密封的設計思考，在此提出一種新的思路來設計本彈射系統中的活塞和剎車功 能。活塞的構成1、活塞本體活塞本體包括活塞、彈射刀板、耐磨板和錐柱形前凸。整體應當采用鑄鍛形式，活 塞內為中空設計。最好采用鈦合金材料。這樣，在保證其強度要求的同時，又可以最大限度 的減輕重量。這樣有利于蒸汽彈射的能量更大程度的應用于艦載機的助飛效能方面。2、密封結構我無從了解更詳細的彈射器資料。體積如此之龐大的彈射汽缸，其蒸汽能量，缸 徑，表面加工精度，間隙配合、公差配合，活塞運動速度，熱變形量等等。我考慮很久，不能確 定我所知道的密封材料哪個更適合。但我有一個與之相配合的密封設計構思。活塞的密封由Y型密封配合高壓水密封 功能實現。即彈射刀板所經過的高壓水密封區段，絕大部分的高壓水將注入到活塞與汽缸 內壁形成的間隙和彈射刀板兩側的耐磨板與噴嘴耐磨板之間形成的間隙中，從而形成強制 潤滑和水密封效能；兩側的密封環采用Y型密封形式，可以起到脹緊作用；航空母艦上的高壓水系統應該是凈水介質系統。這樣，彈射系統的磨損將很有限。 如果可以，考慮用高閃點乳液作為密封介質的可行性，這樣將明顯解決彈射系統和高壓密 封系統的磨損問題。剎車功能在進入剎車階段時，整體開啟剎車區段噴嘴組合體，且剎車區段噴嘴組合體為增 壓噴射，這樣將形成剎車區段內空氣的壓縮。同時關閉彈射閥，停止蒸汽注入，汽缸后腔 (蒸汽側)高壓水密封停止噴射，殘余汽水泄流。剎車區段的長度(汽缸容積)確定，由剎車區段內空氣壓縮作用力抵消活塞前進 慣性力為基準計算所得。對于無法準確抵消掉的活塞前進慣性力，將由噴入剎車區段的水在剎車尾端形成 末端緩沖(活塞上的錐柱形前凸對水形成節流減速作用)。如果，剎車區段的長度(汽缸容積)過長，影響有效彈射區段的功效或超出彈射器 在航空母艦上允許的安裝尺寸。則可以將空氣壓縮作用和末端水緩沖作用綜合考慮進行設計，達到最佳剎車比例。緩沖助彈器圖10作為一個軍事愛好者，我注意到許多文章、論壇提到我們國家(還有蘇聯)發展艦 載機的難度和研制航母彈射器的難度。其中一個重要難點是飛機起落架的強度設計和彈射 器在彈射能量控制方面對艦載機整體結構強度的限制。彈射器是一個擁有巨大能量的裝 置，對它的精確駕馭和讓它張弛有度，是一個世界性的難題。基于高壓水密封的設計和對剎車功能的重新設計，我提出了對活塞瘦身設計的構 思。在此，我的一個新的想法就是把活塞減下來的重量利用起來，在活塞與彈射凸之間建立 一個新的裝置——緩沖助彈器。1、緩沖助彈器的作用它相當于二級彈射汽缸。為鍛鋼或鈦合金材料制成。在彈射起跑初始階段，會有少量高壓蒸汽通過導管進入緩沖助彈器汽缸，彈射活 塞啟動的一瞬間，緩沖助彈器將起到空氣阻尼作用。從靜止到加速，艦載機會將一個巨大 的力通過彈射凸傳給緩沖助彈器的活塞桿，活塞桿被拉出，缸筒內的空氣被壓縮，當空氣壓 縮反作用力與彈射負載平衡時，彈射凸帶動艦載機向前運動。在這個過程中艦載機的啟動 時間將滯后。尤其是啟動速度將和活塞速度形成速度差，延長艦載機從靜止到運動的時間。 這樣，將降低彈射器對飛機起落架和飛機強度的限制，以及飛行員的不適感。在彈射起跑的中后期時段，緩沖助彈器內的空氣壓縮反作用力將逐漸大于彈射負 載。使緩沖助彈器拉動彈射凸和艦載機加速。艦載機的起飛速度將是活塞速度和緩沖助彈 器拉動速度之和。這樣，艦載機將獲得更大起飛速度和安全性。換言之，在起飛速度一定的 情況下，將允許更大的艦載機載荷進行彈射起飛。2、緩沖彈射器的構成雙作用汽缸它是緩沖助彈器的主體。是實現壓縮和助彈作用的關鍵部件。由1后腔氣孔、2末 端緩沖、3活塞、4活塞桿、5缸筒、6蒸汽模度閥、7高壓軟管構成。通過鉸接軸安裝在活塞向 上伸出的彈射刀板上。6蒸汽模度閥它是一個小通徑蒸汽模度閥，用來精確控制從主彈射汽缸進入緩沖助彈氣缸的蒸 汽量。保證緩沖助彈器針對不同載荷艦載機實現有效空氣壓縮比。安裝在緩沖助彈氣缸的 前端蓋內。7高壓管和導流氣道它用來連通緩沖助彈器、彈射凸和主汽缸活塞的蒸汽腔。高支點彈射臂圖11美國設計的彈射器是目前世界上效果最好的助飛裝置。它不但性能優越，與航空 母艦的甲板的整體融合做的也非常好。尤其是彈射滑梭做的又堅固又小巧，在整個航母上， 顯得非常不起眼。我在考慮彈射滑梭的設計時也一度想遵循這種設計方向。但我發現，這 種緊貼地面的設計在彈射的一瞬間拉力的方向是向前同時向下。這樣低的力矩點，對于前 起落架、前輪胎和機體結構強度而言無疑是一個巨大的考驗。也因此，艦載機與陸航飛機在 設計上有著巨大的區別。這種考慮也是我國飛機在設計上和轉化為艦載機方面的難題和軟肋。滑梭設計的再小，在飛機不彈射的時候它也是一個絆腳的“橛子”。既然是橛子大 一些又何妨。其實按照我的設計構思，在平常不彈射時，彈射凸可以收縮到上翹的滑躍甲板 的下面。這樣，甲板上會很平坦。高支點彈射臂的構成我暫時找不到合適的名稱來稱呼此設計中的異型柱塞汽缸和固定在艦載機上鍛 鋼套。用中國漢字中“凹”“凸”二字來形容它們的形狀和配合關系，我覺得很形象。因此， 將高支點彈射臂中的兩個關鍵部件分別稱之為彈射凸和彈射凹。1、彈射凸彈射凸是完整的一塊特殊鍛鋼或鈦合金材料制成。底部矩形與緩沖助彈器的活塞 桿連接。矩形向上逐漸變長變窄伸出彈射縫后又變厚向上方大幅度凸起。在凸起的中間位 置有一個具有前傾角度的橢圓形深孔作為汽缸筒使用。內裝一根橢圓形柱塞桿，柱塞桿的 頂部為一個圓形柱突。彈射凸的設計高度就是柱塞桿伸出后頂端圓形突起接近于飛機前起 落架與機身連接的根部。彈射凸的整體結構設計和材料選擇應充分考慮其滿足彈射時的最 大載荷需要。彈射凸的汽缸底部有一個小孔與緩沖助彈器的活塞桿的中心孔連通，使進入 緩沖助彈器的少量蒸汽可以進入彈射凸汽缸，用以在彈射準備階段頂起柱塞桿插入彈射凹 中。如果橢圓形汽缸設計成重力復位不可靠，也可設計成雙作用汽缸，用蒸汽復位。2、彈射凹.彈射凹安裝在接近于飛機前起落架與機體連接的根部的前側位置。彈射凹最好與 前起落架整體設計，從而加強其受力強度。而且應采用堅固耐磨的鍛鋼材料加工而成。彈 射凹的底面中心位置有一個能容下彈射凸頂端圓形柱突的深孔。飛機起飛后，彈射凹可以 隨前起落架一起收入艙中。前起落架收起方向不受限制。高支點彈射臂的作用彈射凸與彈射凹配合使用，使彈射器與艦載機之間形成一個高點位力臂。彈射之 初，用于克服飛機發動機的推力，使艦載機保持在原位；彈射活塞開始運動時，將彈射時的 巨大拉力作用在前起落架的根部，使飛機整體結構能合理吸收沖擊力。當彈射凸推著艦載機進入坡道后，機頭在前輪的支撐下開始上揚，水平前進的彈 射凸從飛機的彈射凹中逐漸拔出直至脫離。失去載荷的彈射凸快速隱身至彈射甲板下，并 接近剎車區段。當彈射活塞剎車和復位時，彈射凸上的柱塞桿在重力作用下縮回。蒸汽彈射控制閥組圖12航空母艦蒸汽彈射器是一個龐大的系統集成。他需要一套非常嚴密和復雜的控制 體系來保障它的功能的準確實現。其中，對于彈射汽缸的控制無疑是重中之重。通過對國 內外高壓閥門的了解，在此我提出蒸汽彈射控制閥的設計構思。航母用的蒸汽彈射閥有別于我們對工業蒸汽閥門的了解。例如在熱電廠，我們需 要對大壓力、大流量的過熱蒸汽進行控制。但我們在開啟、關閉和調節過熱蒸汽時，我們追 求的是緩慢和穩定性，蒸汽閥門是較緩慢的開啟或關閉的。這樣才能避免對汽輪機組的沖 擊。而對于航母上的蒸汽彈射器，我們需要的是將過熱蒸汽蘊含的能量快速的釋放出來，在 僅僅幾秒的瞬間將艦載機從靜止加速到起飛離升狀態。
一、蒸汽彈射控制閥組的作用由于飛機結構強度上的限制，彈射器不但要有足夠的輸出功率，而且要把輸出功 率準確控制在飛機可以接受的程度以內。這是通過控制蒸汽注入彈射氣缸的流量和流量的 變化來實現的。彈射控制閥在這里起到最關鍵的作用。這個閥門的開關速度和幅度的精確 度會直接影響到彈射加速度的可控性。整個彈射過程對加速度的控制是通過改變閥門的開 關時間和幅度來完成的。在操作上，彈射閥門的控制需要通過一條既定的閥門調節曲線來 進行。不同飛機和不同裝備的搭配，都會有不同的彈射載荷。要保證足夠的彈射速度和正 確的加速度，彈射的時候要根據不同的重量制定相應的閥門調節曲線。簡言之，蒸汽彈射控制閥組既要具有慢開、快閉的功能，又要同時具有在流通過程 中對流量的準確調節功能。該蒸汽彈射控制閥具有堅固耐用，結構緊湊、小巧，閥體振動小，功能全面、可靠， 執行動作靈敏、平滑，使用壽命持久，便于模塊化管理和維護簡便的眾多特點。對于提高彈 射系統的整體性能起著積極的，至關重要的作用。二、蒸汽彈射控制閥組的設計原理——液力平衡設計同此前提到的控流系統的設計原理一樣，蒸汽彈射控制閥的功能的實現與液力平 衡的設計機理密切相關，而且可以在多種壓力下實現控流功能。在這個閥的內部，控制蒸汽 流量和流速的控制力來自于高壓蒸汽本身。蒸汽壓力多大，控制力就多達。特別值得一提的是，該閥支持彈射系統的變壓應用。即允許彈射壓力根據實際彈 射需要、彈射載荷的變化而進行調整。整個彈射系統的所有部件只要基于變壓因素進行設 計，蒸汽彈射控制閥能保證彈射系統在不同壓力下的控制能力依然準確有效。這種變壓設 計有利于彈射的應用廣泛性，豐富艦載機的種類。三、蒸汽彈射控制閥組的構成蒸汽彈射控制閥組實際上是一個實現全自動控制的閥組，它分別由蒸汽開閉閥和 蒸汽模度閥兩大部分組成。1、蒸汽開閉閥蒸汽開閉閥用于實現對過熱蒸汽的快速開啟和關斷。其大通徑設計可滿足瞬間 大流量的要求。通過對開啟速度調節器、關閉速度調節器的自動控制可以實現主閥芯在 0. N N秒內的開啟和關閉。1. 1、蒸汽開閉閥的功能蒸汽開閉閥開啟當先導閥處于卸荷位置時，P-C通路截流C-T通路連通，閥芯上 腔因蒸汽卸荷而失壓，閥芯底部的蒸汽壓力大于閥芯上腔，從而自動將閥芯頂起實現主管 路通流；蒸汽開閉閥關閉當先導閥換向時P-C通路連通而C-T通路截流，旁路蒸汽進入閥 芯上腔，閥芯上下腔壓力平衡，因閥芯上截面大于其下截面而形成壓強差，加之彈簧的作用 力閥芯向下關閉實現主管路截流。此蒸汽開閉閥在設計上充分考慮了彈射系統所要求的可靠和安全性。蒸汽開閉閥 為常閉閥設計。如果系統因故障失去工控電壓或工控氣壓，先導閥的2/3滑閥將被推向P-C 通路連通而C-T通路截流的位置，蒸汽開閉閥在蒸汽的作用下將自動關閉。1.2、蒸汽開閉閥的構成
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蒸汽開閉閥為插裝閥結構，分別由先導閥、主閥芯、閥座、閥蓋和閥體構成。1.2. 1、先導閥先導閥與蒸汽開閉閥主閥芯并不直接連接。它通過對流經主閥芯上下腔的旁路小 流量蒸汽的控制來實現主閥芯的開啟和關閉。先導閥由2/3電磁閥、小氣缸、2/3滑閥、開 啟速度調節器、關閉速度調節器等構成。2/3電磁閥用于控制推動小氣缸的工控氣源的給排，得電進氣，失電排氣；小氣缸 用于控制2/3滑閥的位置；開啟速度調節器，通過對主閥芯上腔過熱蒸汽卸荷流量的節流調節，實現對主閥 芯開啟速度的控制。關閉速度調節器，通過對流入主閥芯上腔的過熱蒸汽流量的節流調節，實現對主 閥芯關閉速度的控制。對開啟時間調節器和關閉時間調節器的精確控制有助于實現對彈射時間點、彈射 載荷以及艦載機承受強度的準確把握，有助于提高飛行員的舒適性。開啟速度調節器、關閉 速度調節器分別由節流閥、螺桿、伺服電機和位移傳感器構成。1.2. 2、主閥芯主閥芯是對過熱蒸汽流實現開啟或關閉的關鍵，閥芯為軟密封插裝閥結構。閥芯 由閥套、彈簧、閥芯、閥座、密封和導向套等構成。材料的選擇是基于其特殊的壓力要求和惡 劣的工作環境。在閥芯的底部是一個碳鎢合金的底蓋通過螺紋將軟質密封和支承環與閥芯 固定在一起，底蓋同時起著抵受蒸汽磨損的重要使命。閥芯與閥套之間為間隙配合，在密封 環和導向套的支撐下閥芯可以在閥套內上下運動。在剎車位置，閥芯的軟密封與被閥套壓 在下面的閥座實現閥芯的軟接觸_面密封效果。這種密封形式具有密封嚴實、不易發生氣 蝕、耐高溫高壓和機件磨損率低的特點。在高壓流體的控制系統中，軟接觸_面密封形式是 一種優良且先進的密封形式。1.2. 3、閥蓋閥蓋用于將閥芯固定在閥體內部的閥腔內，同時又是先導閥與閥腔和小旁路實現 連接和固定的載體。1.2. 4、閥座閥座與閥芯的軟密封實現閥芯的軟接觸-面密封效果。蒸汽開閉閥的關閉密封效 果和閥座的耐磨性能是對閥座的重要指標。2、蒸汽模度閥蒸汽模度閥是實現對蒸汽流量精確控制從而實現不同彈射載荷效果的關鍵。它同 樣是一個全自動控制閥。2. 1、蒸汽模度閥的精確調節功能基于彈射曲線的遠程控制下，伺服電機在位移傳感器的精確位移反饋信號的控制 下旋動螺桿，從而帶動閥芯與閥座之間形成精確位移。達到精確調整節流面積以實現對蒸 汽流量的精確控制目的。蒸汽模度閥同樣采用壓力平衡設計。從蒸汽開閉閥流過來的蒸汽在流經蒸汽模度 閥主閥芯時，與閥芯上腔連通的閥芯下端中心孔會將蒸汽壓力傳入上腔，使閥芯的上下腔 壓力平衡，螺桿不受力。這樣，在彈射過程中蒸汽模度閥依然可以自如調節蒸汽流量。從而實現對彈射時間段內的細節控制。實現彈射時間點、彈射載荷的準確把握，有助于提高飛行 員的舒適性。2. 2、蒸汽模度閥的構成蒸汽模度閥由位移傳感器、伺服電機、螺桿、閥芯、閥蓋、閥體和密封等部分構成。2. 2.1、位移傳感器2. 2. 2、伺服電機2. 2. 3、螺桿螺桿與閥芯通過軸承有效連接，帶動閥芯上下運動。螺桿的螺紋粗細度對調節精 度有重要決定性。2. 2. 4、閥芯閥芯為插裝閥結構。閥芯由閥套、閥芯、閥座、密封和導向套等構成。采用不銹鋼 材料是基于其特殊的壓力要求和惡劣的工作環境。閥芯為炭鎢合金材質錐閥結構。錐面與 閥座之間形成固定節流曲線變化。閥蓋同樣用于將閥芯固定在閥體內部的閥腔內，同時又是位移傳感器、伺服電機、 螺桿與閥芯實現連接和固定的載體。2. 2. 5、閥體閥體是蒸汽彈射控制閥組的本體，他將蒸汽開閉閥和蒸汽模度閥組合成一體。采 用插裝閥結構的蒸汽彈射控制閥組合體具有良好的管路趨直性，可以有效降低因閥門造成 的蒸汽壓降損失，提高系統效能。閥體的材質和尺寸取決于介質類型、流量和壓力要求。選 用鍛鋼材料，就是基于其特殊的壓力要求和惡劣的工作環境。閥體通過法蘭與高壓管道連 接，這樣有利于蒸汽開閉閥在系統中的模塊化維護。蒸汽彈射控制閥在設計上充分利用了壓力平衡設計理念。無閥桿設計避免了傳統 閥門設計中閥桿造成的閥芯與閥座之間的機械外力造成的沖擊損傷。剎車復位閥圖13在剎車復位功能設計方案中，剎車復位閥起著至關重要的作用。它同樣是一個全 自動控制閥，同樣是基于壓力平衡設計理念。剎車復位閥在結構上與蒸汽彈射控制閥極為 相似。唯一的區別是在于它增加了一個單向功能。
0201]剎車復位閥的功能在彈射準備階段和彈射階段，剎車復位閥處于關閉狀態。即先導閥的P-C通路連 通而C-T通路截流，來自于剎車復位閥進口的蒸汽促使主閥芯處于關閉位置。在彈射的尾 聲，彈射活塞在剎車區段中產生壓縮空氣和水的積蓄，壓力迅速上升。壓縮空氣或水從剎車 復位閥的出口進入閥腔內，通過小旁路進入到旁路單向閥位置。如果壓縮空氣或水的壓力 超過剎車復位閥進口的蒸汽壓力，將替代蒸汽經P-C通路繼續控制主閥芯處于關閉位置。 協助剎車區段實現剎車功能。當彈射活塞停止并開始復位時，剎車區段的壓縮空氣或水的壓力開始減低，剎車 區段的壓力傳感器給遠程控制中心信號，遠程控制中心控制剎車復位閥的2/3先導閥換向 P-C通路截流C-T通路連通，主閥芯上腔失壓，剎車復位閥處于開啟狀態。蒸汽進入剎車區 段促使活塞復位。同時，活塞復位速度由位移傳感器反饋信號給遠程控制中心，由遠程控制 中心控制剎車復位閥的蒸汽模度閥，從而控制蒸汽進入剎車區段的流量。直至復位完成，再次關閉剎車復位閥。
權利要求
航空母艦彈射/滑躍系統中有以下部分十本設計的核心技術(1)高壓射流噴嘴組合體開縫汽缸上的完整高壓射流噴嘴組合體是由若干個高壓射流噴嘴組合體單元(長度取決于汽缸分段的長度)已連續的、水平對稱的方式安裝在開縫汽缸左右兩舷之間。每個高壓射流噴嘴組合體單元是由噴嘴主體、扇形腔、O型圈、線形密封、上側噴嘴耐磨板、下側噴嘴耐磨板等構成。其功能是在汽缸開縫處形成高壓水密封和強制潤滑，以及在剎車區段形成水剎車功能。(2)噴嘴控流閥高壓射流噴嘴組合體上的每個噴嘴后端都對應連接著一個噴嘴控流閥。噴嘴控流閥由外套、閥套、彈簧、閥芯、閥座和密封構成。對稱安裝在開縫汽缸左右兩舷體內，其功能是實現各個噴嘴的噴射開閉和步進功能，并能使噴嘴實現增減壓噴射。(3)高壓水密封控流系統高壓水密封控流系統由電 氣先導2位3通高壓換向閥、噴嘴控流閥、高壓水液壓管線、高壓水支路管道構成。通過高壓水液壓管線將高壓水主管道把電 氣先導2位3通高壓換向閥構成的總閥架與每個噴嘴控流閥之間連系起來。該系統可以實現各個噴嘴的噴射開閉和步進功能以及增減壓噴射。(4)彈射活塞以鈦合金材料為主的彈射活塞由中空的活塞本體、彈射刀板、耐磨板、錐柱形前凸和導流氣道構成。它是蒸汽能轉換成彈射力的關鍵。(5)開縫汽缸組開縫汽缸組由兩根開縫汽缸組成，而每根開放汽缸由若干節裝著噴射組合體的汽缸分段、前端蓋和后端蓋構成。上方兩側的高壓水集管通過對稱分布的高壓軟管連接在汽缸開縫兩舷的每個噴嘴控流閥的后端。兩個活塞的彈射刀板從下方斜對的汽缸開縫處伸出后與緩沖助彈器支撐架固定在一起。它是彈射器的核心部件。(6)緩沖助彈器緩沖助彈器由雙作用汽缸、蒸汽模度閥、支撐架、鉸接軸、高壓軟管和導流氣道構成。在時間極短的彈射過程中，緩沖助彈器先壓縮緩沖在反彈助力。起到了對艦載機的阻尼保護和輔助加速的雙重作用。 (7)彈射凹彈射凹安裝在飛機前起落架與機體連接的根部的前側位置。底面中心位置有一個能容下彈射凸頂端圓形柱突的深孔。它用來將彈射能量傳遞給艦載機，減小彈射對艦載機結構強度的要求。(8)彈射凸彈射凸是一個異性柱塞汽缸，它下部與緩沖助彈器的活塞桿連接并通過導軌輪卡在導軌里，上部是一個橢圓形柱塞汽缸，橢圓形柱塞桿頂端有一個圓形柱突。它用于將彈射力傳遞給艦載機起落架根部的彈射凹，從而降低對機體結構的沖擊。(9)蒸汽彈射控制閥組是一個實現全自動控制的閥組，它分別由蒸汽開閉閥和蒸汽模度閥兩大部分組成。它用于控制進入彈射汽缸的蒸汽的開閉和流量的精確控制。(10)剎車復位閥他同樣是一個全自動控制閥，用于蒸汽的開閉和精確控制蒸汽的流量，使蒸汽從汽缸末端進入汽缸以后起到彈射活塞復位作用。
全文摘要
本航空母艦高支點彈射/滑躍系統將蒸汽彈射器和滑躍甲板巧妙融合，具有兩者全部優點。高支點彈射臂、緩沖助彈器和彈射變壓設計結合滑躍甲板，使彈射起飛對艦載機的結構強度要求和設計難度顯著降低，增加起飛可靠性、有效載荷、航程及應用廣泛性，簡化了起飛前的準備操作。開縫汽缸高壓水密封系統摒棄了固體密封形式，簡化了氣缸的排汽、排水功能。高壓控流噴射系統和剎車復位閥簡化了彈射活塞的設計和剎車復位功能。蒸汽彈射控制閥組能精確和可靠的控制高壓蒸汽進入彈射汽缸的流量和開閉。利用航母上的其中一套彈射/滑躍裝置與著艦阻攔索構成航空母艦著艦阻攔索系統，實現了起飛和著艦的統一指揮控制，省去了阻尼液壓缸。
文檔編號B64F1/06GK101934862SQ20091014855
公開日2011年1月5日 申請日期2009年6月29日 優先權日2009年6月29日
發明者高穎悟 申請人:高穎悟