CN109229412B - 一种弹射器 - Google Patents
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Abstract
本发明一种弹射器，用于航母舰载机的弹射起飞和运载火箭的冷发射及各种导弹的垂直发射***。本发明先将原动机发出的机械能通过飞轮储能，然后再由准恒速旋转的变螺距螺杆驱动牵引小车实现弹射。当牵引小车上的滑块***变螺距螺杆的起始槽后，变螺距螺杆便能通过螺旋升角升降变化的螺线槽和结束槽将恒加速度的弹射和制动停车这一整套精准运动一气呵成；多滑块液压均衡受力机构可以在一条变螺距螺线槽里同时使用多个滑块，解决了单个滑块无法提供足够推力的问题。本发明原动机功率小，***重量轻、效率高，弹射加速度平稳、弹射频率高，制造工艺简单、成本低廉，抗电磁打击能力强，维修保养简单，维修人员少，综合性能优于蒸汽弹射器和电磁弹射器。
Description
技术领域
本发明涉及一种弹射器，适用于航母舰载机的弹射起飞和运载火箭的冷发射及各种导弹的垂直发射***。
背景技术
众所周知，舰载机采用弹射器起飞的主要优点是可以保证舰载战斗机满载起飞，从而充分发挥舰载机的作战半径和战斗力。
现有在服役的航母舰载机弹射器主要有蒸汽弹射和电磁弹射两种形式。
蒸汽弹射器是先将水通过锅炉烧成将高温、高压水蒸汽存储在专门的高压容器中，然后通过一个特殊的开口气缸和活塞转将高压水蒸气转化为弹射动力；电磁弹射则是将存储在电容器或蓄电池或飞轮电池里的电能通过一套电力电子变换器激励直线电机的定子，驱使直线电机的动子推动舰载机运动。
弹射一架舰载机起飞所需要的能量并不大，一般也就几十个kWh的能量，但要在不足2秒的时间内释放出这么大的能量，其功率将是十分巨大的，至少要达到数十万kW。所以弹射起飞的技术难点是如何在极短时间内获取如此强大的电功率的电源以及如何转化并输出如此强大的机械功率，将数十吨重的舰载机在不足百米的距离从静止加速到起飞速度以上。
按照弹射装置最终动力的提供者来划分，可以分为纯机械式、热机式和电机式等各种型式。
蒸汽弹射器、内燃活塞弹射器都属于热机式，电磁弹射属于电机式，弹簧弹射、飞轮-钢丝等则属于机械式。
虽然蒸汽弹射器是目前实际应用最多的弹射器，但高压、高温的锅炉、容器、管路、阀门和开口气缸的维护以及需要消耗大量的纯净水等诸多问题使得蒸汽弹射器越来越不受待见。
电磁弹射是一种使用超大功率电子运行直线电机直接驱动的弹射方式。为此必须配置相应的超大功率的电源、电子换流设备和直线电机，将事先存储在大功率电池里的电能通过电机迅速的以机械动能的形式释放出来。电磁弹射作为一种新技术，优点很多，但缺点也很明显。首先它的主要电气设备功率都与弹射瞬间的最大功率相同，这些设备的零部件、元器件和导线数量巨大，战时可靠性难保；其次，由于结构的原因，无法对直线电机的电枢进行屏蔽，电磁弹射器一旦遭到电磁脉冲武器的攻击，立马就可能彻底瘫痪。
为了替代蒸汽弹射器，除了电磁弹射器，人们还提出了不少新型弹射器设想，比较有典型的有黄上立发明的CN103121509B螺旋飞轮弹射器及其应用、魏伯卿发明的201210527653.6航母舰载机用变频螺杆弹射器和张涛发明的210420517797.8螺旋式航母飞机起飞弹射装置。
黄上立CN103121509B的弹射器是机械型式，优点是直接将存储在飞轮里的机械动能通过变径绳筒缠绕牵引绳来拖动舰载机，***结构较为简单、能量转化效率高；缺点是其变径绳筒的转动惯量巨大，要将其与飞轮结合必需要一个强有力的快速离合器，另外弹射完成后还需要一个强有力的制动器将变径绳筒和牵引滑车迅速制动。
魏伯卿201210527653.6的弹射器实质上属于电机式，螺杆滑块机构的作用只是将旋转运动变成直线运动，最终的弹射动力源是功率巨大的旋转电机。旋转电机的制造工艺成熟、对电磁回路较容易进行屏蔽，缺点是与现行的电磁弹射一样需要一套短时功率巨大的电源和电力电子变换器。由于螺杆的转动惯量将给电机的拖动增添额外负担，所以该方案不如采用直线电机的现行电磁弹射器优越。
张涛的210420517797.8的弹射器实质上也属于电机式，变螺距螺杆的作用仅是做旋转运动与直线运动的转换，“需要强大扭力的引擎”作为其动力来源，该方案与魏伯卿201210527653.6的弹射机构并无本质区别。
发明内容
本发明为解决现有技术的不足，提供了一种弹射器，采用功率较小的原动机作为动力，通过飞轮蓄积能量，然后通过与飞轮联动的变螺距螺杆和只能沿轨道作直线运动的牵引小车上的可伸缩滑块共同作用，将变螺距螺杆的旋转运动直接转化为牵引小车的直线运动，借助变螺距螺杆的螺线槽的螺旋升角β的变化，牵引小车以平稳的加速度将舰载机加速到规定的起飞速度，然后牵引小车迅速减速、舰载机脱离，牵引小车停止后可伸缩滑块脱离变螺距螺杆，牵引小车上的复位装置会驱使牵引小车自动向后运动，重新回到弹射前的起始位置准备下一次弹射。由于本弹射器弹射瞬间所需要的能量主要来自于飞轮和变螺距螺杆储备的动能，所以本发明弹射器属于机械弹射器。
本发明采用如下技术方案来实现的：
一种弹射器，包括变螺距螺杆、牵引小车以及用于驱动变螺距螺杆旋转的动力驱动装置；其中，
该变螺距螺杆为圆柱体结构，其正常工作时存储的动能能够达到被弹射物体所需动能的5倍以上，其两端活动安装，变螺距螺杆的外圆沿轴向依次开设有起始槽、螺线槽和结束槽，起始槽和结束槽均为圆环槽，起始槽为长度不足一周的不完整圆环槽，结束槽是一个完整的圆环槽，结束槽与螺线槽相接处有一段开口，螺线槽从起始槽的一端开始，螺旋升角β从零度开始逐渐增加，到达最高速度点后再逐渐减小为零，且起始槽和结束槽均与变螺距螺旋槽平滑过渡；
牵引小车的上方设置有牵引钩，下方至少设置有一个伸缩缸，每个伸缩缸内的活塞与一个可伸缩滑块的一端连接，可伸缩滑块的另一端伸出至伸缩缸外，且可伸缩滑块能够在伸缩缸内上下滑动，当可伸缩滑块伸出至伸缩缸外的一端***变螺距螺杆的螺线槽内，在变螺距螺杆旋转时，通过可伸缩滑块带动牵引小车及牵引小车上方的牵引钩沿着变螺距螺杆的轴向直线运动。
本发明进一步的改进在于，动力驱动装置包括设置在变螺距螺杆任意一端的原动机，该原动机的输出轴与液力变矩器的输入端连接，液力变矩器的输出端与变速器的输入端连接，变速器的输出端驱动变螺距螺杆旋转；
或者，动力驱动装置包括设置在变螺距螺杆任意一端的电机，该电机的输出轴通过齿轮减速器驱动变螺距螺杆旋转，齿轮减速器包括设置在电机输出轴的小齿轮以及设置在变螺距螺杆输入端的大齿轮；
或者，动力驱动装置包括设置在变螺距螺杆任意一端内侧的电机，该变螺距螺杆的内侧设置有内齿圈，该电机的输出轴通过由太阳轮小齿轮、行星轮大齿轮和内齿圈构成的准行星齿轮驱动变螺距螺杆旋转。
本发明进一步的改进在于，变速器的输出端还设置有飞轮，用于弥补变螺距螺杆储能的不足。
本发明进一步的改进在于，螺线槽分为加速段和减速段，设定弹射过程中变螺距螺杆的转速为n，变螺距螺杆的直径为D，加速段的长度为L1，减速段的长度为L2，加速段的加速度为a1，减速段的加速度为a2，牵引小车的位移量为s，那么加速段的螺旋升角
在加速段结束时，s1＝L1，螺旋升角β1达到最大值βM，
牵引小车的速度达到最大值VT，VT＝n·π·D·tgβM，减速段的螺旋升角
在加速段结束时s2＝L1+L2，螺旋升角β2为0°，牵引小车的速度减为零，停止前进。
本发明进一步的改进在于，当作为航母舰载机弹射器时，该弹射器设置在甲板下方的弹射器地沟槽内，弹射器地沟槽上方为航母可拆甲板，航母可拆甲板上开设有开缝，弹射器地沟槽内的两侧开设有轨道，牵引小车下方的车轮设置在轨道内，牵引钩自航母可拆甲板上的开缝伸出至甲板上方，用于与舰载机的弹射杆连接，变螺距螺杆的两侧均设置有辅助支撑轮。
本发明进一步的改进在于，牵引小车上设置有一个喷润滑油装置，在牵引小车前进过程中用于向螺线槽和可伸缩滑块喷射润滑油润滑。
本发明进一步的改进在于，该弹射器还包括设置在牵引小车下方的多滑块液压自动均衡受力机构，其包括一组加速缓冲液压缸、一组减速缓冲液压缸和一个气囊式储能器，每一组缓冲液压缸均包括一组单向活塞油缸，设置在单向活塞油缸内的活塞，以及一端与活塞连接，另一端伸出至单向活塞油缸外的推杆，所有加速缓冲液压缸和减速缓冲液压缸均通过液压管路与气囊式储能器连通，由气囊式储能器提供高压液压油，每个单向活塞油缸通过推杆自动调节可伸缩滑块在前进方向相对牵引小车的位置，以适应螺线槽的螺旋升角β的变化，同时均衡每个可伸缩滑块所受的作用力。
本发明进一步的改进在于，变螺距螺杆上的螺线槽为均匀分布的多头螺纹，牵引小车上有多组可伸缩滑块，以改善变螺距螺杆的受力情况；所述的多头螺纹中的每一条螺线槽都与一段独立的起始槽的一端相连，这些起始槽彼此不联通，但在变螺距螺杆的轴向位置都相同，每一条螺线槽的螺旋升角的升降规律都相同并且最终进入同一个结束槽，结束槽与每一条螺线槽在相接处都有一个独立的开口。
本发明进一步的改进在于，该弹射器还包括设置在牵引小车下方的复位装置，包括电源、控制器、复位电动机、齿轮和齿条，牵引小车上的导槽被卡在弹射器地沟槽两侧的轨道之间，导槽与轨道之间留有间隙，牵引小车能够沿轨道做前后运动；齿条与轨道平行设置，安装在弹射器地沟槽的两侧；齿轮安装在复位电动机的输出轴上；驱动小车前进时控制器不给复位电动机激励，齿轮能够随复位电机的输出轴自由转动，在一次弹射完成后，复位装置的控制器激励复位电动机并通过输出轴带动齿轮反向转动，使得牵引小车自动回到出发位置。
本发明进一步的改进在于，可伸缩滑块与螺线槽接触的前后两个面均为弧面，且弧面的弯曲半径应尽量接近但不大于螺线槽两个接触面的最小弯曲半径；可伸缩滑块能够沿自身的轴线对伸缩缸做有限转角的转动，有限转角从零度开始，且最大转角大于螺线槽的最大螺旋升角。
本发明具有如下有益的技术效果：
本发明通过螺线槽的螺旋升角的升降变化和特有的起始槽及结束槽，使得可伸缩滑块在***准恒速旋转的变螺距螺杆后，能将恒加速度加速弹射和减速制动停车这一复杂的精准运动一气呵成。另外多滑块液压均衡受力机构可以同时使用多个滑块在一条变螺距螺线槽里运动，解决了单个滑块无法提供足够推力的问题。
概括来说，本发明与其它已知弹射器相比有以下明显技术优势：
1、没有蒸汽弹射器所必需要的海水淡化设备及贮水池和高压水泵和锅炉、排气阀安全阀等高压高温设备，也没有电磁弹射器所需要得强迫储能装置、超大功率控制器和超大功率的直线电机等高难度复杂设备；
2、整个***没有暴露的电路，可以进行良好的电磁屏蔽，能经受强电磁脉冲攻击。
3、弹射过程加速度稳定，不会对舰载机机体和飞行员造成伤害。
4、弹射准备时间短、弹射频率高，并能弹射各种不同重量的舰载机；
5、可伸缩滑块体积小、重量轻、动作迅速，控制可伸缩滑块伸缩的功率小。
6、能量形式的变换少，***的能效高。
7、纯机械装置，抗毁伤能力强，维修性好。
8、体积小、重量较轻。整个***都可以集中安装在弹射器地沟槽内，不另外占用航母的其它空间，总重量约300t左右。
9、制造工艺成熟、制造成本低，不使用贵金属和特殊材料，造价远低于蒸汽弹射器和电磁弹射器。
10、整个弹射器的零部件数量少、原动力功率小、可靠性高、维护操作简单、维护人员少。
11、该弹射器除了用于航母舰载机的弹射还能够用作运载火箭的冷发射和战术导弹的垂直发射。
附图说明
图1为本发明的一种总体构成示意图；
图2为变螺距螺杆示意图；
图3为牵引小车纵剖面示意图；
图4为牵引小车横向示意图；
图5为本发明用电机做原动机的一种总体构成示意图；
图6为多可伸缩滑块液压自动均衡缓冲装置在初始位置的示意图；
图7为多可伸缩滑块液压自动均衡缓冲装置在加速段位置的动作示意图；
图8为多可伸缩滑块液压自动均衡缓冲装置在减速段位置的动作示意图；
图9为变螺距螺杆的螺线槽起始槽的形状示意图；
图10为变螺距螺杆的螺线槽结束槽的形状示意图；
图11为变螺距螺杆内装电机和减速器的弹射装置示意图；
图12为牵引小车的复位装置示意图；
图13为弹射过程牵引小车的速度与距离的变化曲线；
图14为弹射过程牵引小车的加速度与距离的变化曲线；
图15为本发明用于运载火箭冷发射的示意图。
图中：1-原动机，2-液力变矩器，3-变速器，4-飞轮，5-小齿轮，6-可伸缩滑块，7-变螺距螺杆，8-螺线槽，10-第一轴承，11-牵引小车，12-航母可拆甲板，13-辅助支撑轮，14-大齿轮，15-第二轴承，16-第三轴承，17-轨道，18-车轮，19-甲板，20-牵引钩，21-电机，32-起始槽，33-结束槽，34-弹簧，35-伸缩缸，36-减速缓冲液压缸，37-导槽，38-加速缓冲液压缸，39-推杆，40-活塞，41-液压管路，42-高压液压油，43-高压气囊，44-高压空气，45-气囊式储能器，46-舰载机，47-弹射杆，48-弹射器地沟槽，49-开口，50-开缝，51-单向活塞油缸，52-钢瓶，53-内齿圈，55-输出轴，56-复位电动机，57-活动井盖，58-齿轮，59-齿条，60-运载火箭，61-井口。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做出进一步的描述。
如图1至图15所示，本发明提供的一种弹射器，主要用于航母舰载机的弹射起飞和运载火箭的冷发射及各种导弹的垂直发射***，所述的弹射器主要包括原动机1、变速器3、飞轮4、变螺距螺杆7、可伸缩滑块6、牵引小车11和轨道17，除了牵引小车11顶部的牵引钩20从开缝50伸出航母可拆甲板12外，其余都安装在起飞跑道的航母可拆甲板12下方的弹射器地沟槽48中；原动机1通过变速器3驱动飞轮4和变螺距螺杆7加速转动，变速器3的输出端设置有第三轴承16；飞轮4和变螺距螺杆7将原动机11发出的机械动能储存起来；变螺距螺杆7平行安装在起飞跑道的航母可拆甲板12开缝50的正下方，变螺距螺杆7的两端安装有第一轴承10和第二轴承15，其中至少有一个是推力轴承；变螺距螺杆7的外圆柱面上有一条螺旋升角β变化的螺线槽8；可伸缩滑块6是牵引小车11的一个部件，可以***控***或是脱离变螺距螺杆7的螺线槽8；轨道17设置在弹射器地沟槽48的两侧，与变螺距螺杆7的轴线平行；牵引小车11安置在变螺距螺杆7上方，牵引小车11的车轮18或螺线槽8与轨道17接触，能使牵引小车11沿轨道17前进或后退；牵引小车11顶部的牵引钩20用来挂舰载机46的弹射杆47。
所述的变螺距螺杆7采用较大直径的厚壁钢管来制造，兼做飞轮4，巨大的内部空间还可以充当气体容器。
所述的变螺距螺杆7上的螺线槽8的槽宽略大于可伸缩滑块6的宽度；螺线槽8的起始端A连接着一段螺距为零的起始槽32，起始槽32是一个不完整的圆环槽、长度不足一周、槽宽明显大于螺线槽8的宽度；变螺距螺杆7的加速段AB长度比较长，螺线槽8的螺旋升角β从零度开始逐渐增大并在B点达到最大值；加速段AB结束后进入减速段BC，减速段BC的长度较短，减速段BC的螺线槽8的螺旋升角β逐渐减小，螺旋升角β的变化率数值比加速段AB要大；减速段BC的螺线槽8结束后进入螺旋升角β为零的结束槽33，结束槽33是一个完整的圆环槽，结束槽33与螺线槽8相接处有一段开口49。
所述的牵引小车11上包含有多滑块液压均衡受力机构，该机构由一套液压***和多个可相对牵引小车前后移动的伸缩缸组成，加速缓冲液压缸38安装在前边、减速缓冲液压缸38安装在后边，在可伸缩滑块6进入起始槽32之前每个伸缩缸35都由前后两个推杆39顶着，各高压液压油42的液压管路41都是相通的并由同一个气囊式储能器45提供高压液压油42。
所述的牵引小车11所属的复位装置是一个电动车驱动***，包含有电源、控制器和复位电动机56、齿轮58和齿条59；齿条59与轨道17平行，安装在弹射器地沟槽48的两侧；牵引小车11上的导槽37被卡在弹射器地沟槽48两侧的轨道17之间，导槽37与轨道17之间有一定的间隙，牵引小车11能沿轨道17做前后运动；齿轮58安装在复位电机56的输出轴55上；当牵引小车11需要后退时，复位装置的控制器就会激励复位电机56并通过轴55带动齿轮58反向转动，使牵引小车11自动回到出发位置。
所述的变螺距螺杆7上的螺线槽8为均匀分布的多头螺纹，牵引小车11上有多组可伸缩滑块6。
所述的变螺距螺杆7的主体为一个空心圆柱体，外侧有凸起的变螺距螺旋钢轨，牵引小车11上的可伸缩滑块6可与该变螺距螺旋钢轨的前侧面接触并在其推动下使牵引小车11沿轨道17向前进。
所述的牵引小车有一个喷润滑油装置，在牵引小车前进过程中向螺线槽8和可伸缩滑块6喷射油润滑。
所述的可伸缩滑块的截面采用带有圆角的准矩形截面或准长圆形截面，前后两个接触面是向外微微***的弧面，弧面的弯曲半径应尽量接近但不大于螺线槽两个接触面的最小弯曲半径；可伸缩滑块可以沿其自身的轴线相对伸缩缸能做有限转角的转动，有限转角从零度开始，最大角度略大于螺线槽的最大螺旋升角。
螺线槽的螺旋升角β与牵引小车位移量s的变化关系应基本遵循以下设计思想：
假设飞轮和变螺距螺杆弹射前储存的能量无限大，那么可以将弹射过程变螺距螺杆的转速视作恒转速n。假设变螺距螺杆的直径是D、加速段的长度是L1、减速段的长度是L2、加速段的加速度是a1、减速段的加速度是a2，那么加速段的螺旋升角
在加速段结束时，s1＝L1，螺旋升角β1达到最大值βM，
牵引小车的速度也达到最大值VT，VT＝n·π·D·tgβM。减速段的螺旋升角
在加速段结束时s2＝L1+L2，螺旋升角β2为0°，牵引小车速度减为零，停止前进。
实际的飞轮和变螺距螺杆在弹射前储存的能量不可能无穷大，所以弹射过程中由于舰载机被加速需要从飞轮和变螺距螺杆摄取一定的动能，飞轮和变螺距螺杆的转速将会有一些下降。为了维持平稳的加速度，实际设计时可以根据变螺距螺杆的转速变化对螺线槽的螺旋升角β做适当的修正。
虽然可伸缩滑块在***变螺距螺杆的起始槽之前变螺距螺杆已经在快速转动，为了确保***位置准确，可设置一个同步触发机构，在可伸缩滑块即将到达变螺距螺杆起始槽的开始位置前才允许可伸缩滑块的伸缩缸动作，过了这个位置就要等到下一圈到来时再进行。由于变螺距螺杆的起始槽弧长较大，只要伸缩缸动作时间准确，可伸缩滑块便能准确***起始槽。
可伸缩滑块的驱动机构不一定是气缸+活塞的结构，也不一定设置在牵引小车上，还可以设置在弹射器地沟槽两端，起始端设置同步***驱动机构，结束端设置抽出驱动机构，牵引小车上只安装可伸缩滑块的状态保持机构。当起始端的同步***驱动机构驱动牵引小车上的可伸缩滑块***变螺距螺杆的起始槽后，牵引小车上的可伸缩滑块的状态保持机构就保持可伸缩滑块一直处于***状态并在螺线槽的作用下驱使牵引小车前进，直至可伸缩滑块进如结束槽后，再由结束端的抽出驱动机构驱动将可伸缩滑块从变螺距螺杆的结束槽抽出。
考虑到变螺距螺杆在转动时存在较强的陀螺效应，当应用于舰载机弹射起飞时，最好在航母上能成对使用本发明弹射器，并将两个相邻弹射器的变螺距螺杆的转向和螺线槽的旋向设计成相反的转向。
另外可拆甲板的弹射器开缝处的下面应安装一个可控的翻盖，在弹射器不用时自动将开缝封堵，防止杂物进入。
所述的弹射器的工作步骤如下：
1)启动原动机1，经变速器3驱动飞轮4和变螺距螺杆7加速转动，给飞轮4和变螺距螺杆7储能；
2)将牵引小车11停在出发位置A，其上的可伸缩滑块6置于变螺距螺杆7初端的起始槽32旁，然后将舰载机46的弹射杆47挂在牵引小车11顶部的牵引钩20上；
3)当飞轮4和变螺距螺杆7的转速达到额定值后，启动可伸缩滑块6的伸缩缸35迅速将可伸缩滑块6推入变螺距螺杆7的起始槽32中；
4、随着变螺距螺杆7的转动，可伸缩滑块6进入加速段AB螺线槽8，螺线槽8的螺旋升角β开始不断增大，牵引小车11拖动舰载机46加速前进；
5)当牵引小车11的可伸缩滑块6到达螺旋升角β最大的B点时，牵引小车11达到最高速，接着将进入变螺距螺杆7的减速段BC，这时舰载机46的速度已经达到起飞速度；
6)随着变螺距螺杆7的螺旋升角β减小、牵引小车11开始减速，舰载机46的弹射杆47自动脱离牵引钩20继续前进；
7)牵引小车11经过变螺距螺杆7的减速段BC后，最终可伸缩滑块6进入螺距为零的结束槽33中，牵引小车11停止前进；
8)将可伸缩滑块6从变螺距螺杆7的结束槽33中抽出；
9)启动复位驱动动装置将牵引小车11推送到变螺距螺杆7的初端A，准备下一次弹射。
实施例一：
本实施例描述的舰载机弹射器是一种飞轮储能、变螺距螺杆驱动的机械式弹射装置，见附图1。弹射装置主要包括原动机1、液力变矩器2变速器3、飞轮4、变螺距螺杆7、可伸缩滑块6、牵引小车11和轨道17，除了牵引小车11顶部的牵引钩20伸出航母航母开拆甲板12外，其余都安装在起飞跑道的航母可拆甲板12下方的弹射器地沟槽48中；原动机1通过变速器3驱动飞轮4和变螺距螺杆7加速转动；飞轮4和变螺距螺杆7将原动机1发出的机械动能储存起来；变螺距螺杆7安装在的可拆甲板12开缝50的下方，变螺距螺杆7的两端安装有第一轴承10和第二轴承15，变螺距螺杆7的外圆柱面上由一条螺旋升角β变化的螺线槽8；可伸缩滑块6是牵引小车的一个部件，可以在伸缩缸35的作用下伸缩，按照控制命令***或是脱离变螺距螺杆7的螺线槽8；轨道17设置在弹射器地沟槽48的两侧，与变螺距螺杆7的轴线平行；牵引小车11安置在变螺距螺杆7上方，牵引小车11的车轮18与轨道17接触，牵引小车11可以前进或后退；牵引小车11顶部的牵引钩20是一个开口的半圆槽，用来挂舰载机46的弹射杆47。
变螺距螺杆7两端安装的第一轴承10和第二轴承15中至少有一个是推力轴承；变螺距螺杆7的外表面上加工有螺线槽8，见图2。在变螺距螺杆11出发端A处有一段长度不足一周的螺旋升角β为零的起始槽32，起始槽32末端连接着加速段AB螺线槽8，起始槽32的槽宽较大，见图9；螺线槽8的加速段AB长度比较长，螺线槽8的螺旋升角β从零度开始逐渐增加，一直到到B点结束时，螺线槽8的螺旋升角β达到最大值；从B点开始进入减速段BC，减速段BC的长度较短，螺线槽8的螺旋升角β逐渐减小，螺旋升角β的变化率比加速段AB要大；减速段BC螺线槽8结束后进入螺旋升角β为零的结束槽9，结束槽9是一个完整的圆环槽33，与螺线槽8相接处有一段开口49，见图10；加速段AB和减速段BC的螺线槽8槽宽略大于可伸缩滑块宽度；实际制造时，任意两个阶段的接点附近都应包含一段很短的变加速度的过度段。
牵引小车11与其上安装的可伸缩滑块6之间在前进方向为弹性连接，以缓冲加速度的剧变对舰载机46和牵引小车11的冲击力。
飞轮4与变螺距螺杆7之间采用齿轮减速传动，飞轮4一侧的小齿轮5齿数少、变螺距螺杆7一侧的大齿轮14齿数多，以尽量提高飞轮4的转速、提高储能密度，减轻弹射***重量。
弹射器的工作方式：首先启动原动机1，原动机1通过液力变矩器2并经变速器3驱动飞轮4，再通过小齿轮5和大齿轮14减速后带动变螺距螺杆7加速转动，将原动机1发出的机械动能蓄积于飞轮4和变螺距螺杆7；当变螺距螺杆7的转速达到设定之后，就可以进行弹射了；弹射前预先将牵引小车11置于变螺距螺杆7初端，牵引小车11上的可伸缩滑块6处于的起始槽32旁，将舰载机46前起落架上的弹射杆47挂到牵引小车11上部的牵引钩20的半圆槽中；当变螺距螺杆7的转速达到规定值后，启动伸缩缸35迅速将可伸缩滑块6推入变螺距螺杆7起始槽32中，随着变螺距螺杆7的转动，可伸缩滑块6进入螺旋升角β逐渐增大的加速段AB螺线槽8，可伸缩滑块6驱使牵引小车11拖动舰载机46沿轨道17加速前进；牵引小车11上的可伸缩滑块6到达变螺距螺杆7的B点时刻舰载机46的速度已经达到起飞初速；随后，牵引小车11进入减速段BC，变螺距螺杆7的螺旋升角β开始逐渐减小、牵引小车11减速，舰载机自动脱离牵引小车11的牵引钩20由舰载机的引擎推动继续加速并完成离舰起飞；牵引小车11到达变螺距螺杆7的尾端后，可伸缩滑块进入螺距为零的结束槽9中，牵引小车11停止前进；最后将启动伸缩缸35将可伸缩滑块6从结束槽33中抽出，再由复位驱动装置将牵引小车11推送到变螺距螺杆7的初端，准备下一次弹射。
由于可伸缩滑块6较轻，伸缩缸35可以采用气动、液压或电磁等各种形式。由于可伸缩滑块6是在较宽大的起始槽32完成***的，所以可伸缩滑块6***的过程并不与变螺距螺杆7产生作用力；同样可伸缩滑块6脱离变螺距螺杆7也是在螺距为零的结束槽33进行的，可伸缩滑块6脱离的过程也不与变螺距螺杆7产生作用力。
本实施例选用600kW左右的柴油机，理论上从内燃机启动到飞轮达到额定转速的准备时间是20分钟左右，然后就可以按照2分钟弹射一架30t级或1分钟弹射一架15t级舰载机的速度连续弹射。四台这样的弹射器可以在20分钟内将40架30t级或80架15t级舰载机全部弹射升空。
说明：本例动力分析中忽略了各种机械损耗，也忽略了原动机的能量补充及舰载机自身动力的作用。
实施例二：
本实施例是本发明的一种简化方案，见图2。弹射装置主要包括电机、变螺距螺杆、可伸缩滑块、牵引小车和轨道，与实施例1的主要区别是它省去了液力变矩器2和变速器3、飞轮4，并采用电机21作为原动机，特别适合有充足电力的舰船。
本实施例中的变螺距螺杆7是一个长70m左右、直径3.2m、壁厚0.06m、重达320t的厚壁空心管，空心管的外侧加工有螺线槽8，加速段长度约59m，减速段长度约10米，在加速段的结束时的最大螺旋升角β达到45°。变螺距螺杆7本身的转动惯量巨大，足以充当飞轮。
电机21选用额定转速为1575rpm、额定功率为1200kW的交流电机。小齿轮与大齿轮的齿数比为0.28。工作时，电机21经齿轮减速后拖动变螺距螺杆7转动。当电机21的转速达到额定转速后就可以进行弹射了。弹射前变螺距螺杆7的转速为7.35转/秒，变螺距螺杆7外表面的线速度为73.5m/s，变螺距螺杆7具有的动能约为弹射一架30t重的舰载机所需动能10倍，当被弹射的舰载机在加速段结束时，由于能量的转移，在B点变螺距螺杆7的速度降低到7转/秒，变螺距螺杆7外表面的线速度为70m/s，滑块在螺线槽中的最快滑动速度为99m/s。因最大螺旋升角β为45°，被弹射的舰载机的最大速度也为70m/s；随后牵引小车11的滑块6进入变螺距螺杆7的减速段BC，螺线槽8的螺旋升角β随轴向距离的增加而急剧下降，牵引小车11也将迅速减速直到速度为零停在结束槽33，整个弹射过程牵引小车的前进速度V与轴向距离S的关系见图13。变螺距螺杆7的螺线槽8的螺旋升角β在整个弹射过程中遵循等加速度的原则进行设计，牵引小车在加速段的加速度为4.2g，减速段的加速度为-25g，见图14。如果需要降低加速段或减速段的加速度a数值，可以加长变螺距螺杆7的加速段AB或减速段BC轴向长度。
理论上一台这样的弹射器从启动电机21开始，大约需要10分钟的准备时间，就可以进行正常弹射，并可以按1分钟弹射一架30t级的舰载机的速度连续弹射。四台这样的弹射器可以在20分钟分钟内将80架30t重的舰载机全部弹射升空。
说明：本例动力分析中忽略了各种机械损耗，也忽略了原动机的能量补充及舰载机自身动力的作用。
实施例三：
本实施例是一个多滑块液压自动均衡受力机构，见图6～图8。该装置主要包括一组加速缓冲液压缸38、一组减速缓冲液压缸36和一个气囊式储能器45。每一组缓冲液压缸都包含一组独立的单向活塞油缸51、活塞40和推杆39，所有的单向活塞油缸51的液压管路41都是相通的并由气囊式储能器45提供高压液压油42。液路联通的一组液压缸来自动调节可伸缩滑块6在前进方向相对牵引小车的位置，以适应螺线槽8的螺旋升角β的变化，同时均衡不同可伸缩滑块6的伸缩缸35的所受的作用力。每一组单向活塞液压缸只能承受一个方向的作用力，使用前后两组单向活塞液压缸就可以解决加速和减速时不同方向的受力。
牵引小车11在初始位置时多可伸缩滑块液压自动均衡受力机构的状态见图6，加速缓冲液压缸38、一组减速缓冲液压缸36的所有推杆39都刚好顶住每个可伸缩滑块6的伸缩缸35，所有的可伸缩滑块6都正对着起始槽32。
当可伸缩滑块6进入加速段AB的螺线槽8后，各可伸缩滑块6在变螺距螺杆7的轴向前后不一，见图7。这时减速缓冲液压缸36所有的推杆39都与可伸缩滑块6的伸缩缸35分离，加速缓冲液压缸38所有的推杆39都与可伸缩滑块6的伸缩缸35顶紧。
当可伸缩滑块6进入减速段BC的螺线槽8后，各可伸缩滑块6在变螺距螺杆7的轴向前后不一，见图8。这时由于牵引小车11惯性的作用，加速缓冲液压缸38所有的推杆39都与可伸缩滑块6的伸缩缸35分离，减速缓冲液压缸36所有的推杆39都与可伸缩滑块6的伸缩缸35顶紧。
气囊式储能器45是一个储存有一定容量高压液压油的容器，由钢瓶52、高压气囊43组成，高压气囊43内充有高压空气44。钢瓶52里的高压液压油42在高压气囊43的作用下具有很高的压力。
实施例四：
本实施例是一个变螺距螺杆7内装电机和减速器的弹射装置，见图11。弹射装置主要包括电动机、行星减速器、变螺距螺杆、可伸缩滑块、牵引小车和轨道，与实施例2的主要区别是它的电机21和齿轮5、齿轮14和内齿圈53都安装在变螺距螺杆7内部，总体更加节省安装空间，工作方式和效果与实施例二相同。
实施例五：
本实施例是一个牵引小车上安装的复位装置，见图12。牵引小车11所属的复位装置是一个电动车驱动***，包含有电源、控制器和复位电动机56、齿轮58、齿条59；牵引小车11上的导槽37被卡在弹射器地沟槽48两侧的轨道17之间，导槽37与轨道17之间有一定的间隙，牵引小车11能沿轨道17做前后运动；齿条59与轨道17平行，安装在弹射器地沟槽48的两侧；齿轮58安装在复位电动机56的输出轴55上；驱动小车11前进时控制器不给复位电动机56激励，齿轮58可随复位电机56的输出轴55自由转动。在一次弹射完成后，复位装置的控制器就会激励复位电动机56并通过输出轴55带动齿轮58反向转动，使牵引小车11自动回到出发位置。复位电机56可选用电机开路时发电电压较低的异步感应电机或SR电机。复位装置的电源也可以由外部提供，通过在弹射器地沟槽48两侧设立供电接触网，牵引小车11通过电刷来获取。
实施例六：
本实施例是将本发明变螺距螺杆弹射器用于运载火箭冷发射的一个示例，见图15。地下发射井的四周垂直安装有若干部同步运行的变螺距螺杆7，运载火箭60固定在牵引小车11上；牵引小车11上的可伸缩滑块6在弹射时间会***变螺距螺杆7外面的螺线槽8中，随着变螺距螺杆7的转动，在螺线槽8的螺旋升角的作用下将运载火箭60弹射升空。弹射器工作过程与实施例一和实施例二相同。
这种冷发射不同于传统的运载火箭热发射，也不同于传统的洲际弹道导弹的冷发射。
发射前首先开动的驱动电机21，给变螺距螺杆蓄能；待变螺距螺杆7的转速达到额定值后，打开活动井盖57；然后启动伸缩缸35使可伸缩滑块6***变螺距螺杆7外面的螺线槽8的起始槽32中，随着变螺距螺杆7的转动，牵引小车11将承载的运载火箭60向上加速，当到达最大速度后牵引小车11开始减速，运载火箭60在惯性的作用下脱离牵引小车11飞离井口61；随后迅速关闭活动井盖57，接着运载火箭60在空中点火并依靠自身的动力继续飞行。变螺距螺杆在火箭弹射后的大部分剩余能量可通过电机反馈给电网。
弹射的最大速度取决于运载火箭需要被弹射高度。例如将火箭60底部的离开地面的速度设计为50m/s，那么仅弹射器施于运载火箭60的动能就能使运载火箭60的底部飞到170m的空中。
运载火箭采用这种冷发射方式最大的好处是对气象条件的要求低，只要不遇太强的大风，原则上什么天气都能进行发射，这对于未来太空站的建设和物资运输是很有意义的。
现有的靠气压弹射的冷发射和热发射的导弹垂发装置，由于发射管必须密封，所以都无法在舰上进行装填，必须回港装填，一艘5千吨级的导弹驱护舰往往只能装备有不足百余枚导弹。采用本发明原理的弹射装置无需密封的发射管，弹射时也没有火焰、烟尘，也没有高压气体喷发的气浪，所以特别适用于舰船的导弹垂发***，并可以在一次弹射后迅速的装填导弹继续发射。
上述实施例，只是本发明的较佳实施例，并非用来限制本发明实施范围，故凡以本发明权利要求所述内容所做的等效变化，均应包括在本发明权利要求范围之内。
所列数据仅为了简练的描述本发明的工作，不表示是必须的数值。
Claims (9)
1.一种弹射器，其特征在于，包括变螺距螺杆(7)、牵引小车(11)以及用于驱动变螺距螺杆(7)旋转的动力驱动装置；其中，
该变螺距螺杆(7)为圆柱体结构，其正常工作时存储的动能能够达到被弹射物体所需动能的5倍以上，其两端活动安装，变螺距螺杆(7)的外圆沿轴向依次开设有起始槽(32)、螺线槽(8)和结束槽(33)，起始槽(32)和结束槽(33)均为圆环槽，起始槽(32)为长度不足一周的不完整圆环槽，结束槽(33)是一个完整的圆环槽，结束槽(33)与螺线槽(8)相接处有一段开口(49)，螺线槽(8)从起始槽(32)的一端开始，螺旋升角β从零度开始逐渐增加，到达最高速度点后再逐渐减小为零，且起始槽(32)和结束槽(33)均与变螺距螺旋槽平滑过渡；
牵引小车(11)的上方设置有牵引钩(20)，下方至少设置有一个伸缩缸(35)，每个伸缩缸(35)内的活塞与一个可伸缩滑块(6)的一端连接，可伸缩滑块(6)的另一端伸出至伸缩缸(35)外，且可伸缩滑块(6)能够在伸缩缸(35)内上下滑动，当可伸缩滑块(6)伸出至伸缩缸(35)外的一端***变螺距螺杆(7)的螺线槽(8)内，在变螺距螺杆(7)旋转时，通过可伸缩滑块(6)带动牵引小车(11)及牵引小车(11)上方的牵引钩(20)沿着变螺距螺杆(7)的轴向直线运动；
螺线槽(8)分为加速段和减速段，设定弹射过程中变螺距螺杆(7)的转速为n，变螺距螺
杆(7)的直径为D，加速段的长度为L1，减速段的长度为L2，加速段的加速度为a1，减速段的加
速度为a2，牵引小车(11)的位移量为s，那么加速段的螺旋升角
在加
速段结束时，s1＝L1，螺旋升角β1达到最大值βM，
牵引小车(11)的速
度达到最大值VT，VT＝n·π·D·tgβM，减速段的螺旋升角
在减速段结束时s2＝L1+L2，螺旋升角β2为0°，牵引小车(11)的速度减为零，停止前进。
2.根据权利要求1所述的一种弹射器，其特征在于，动力驱动装置包括设置在变螺距螺杆(7)任意一端的原动机(1)，该原动机(1)的输出轴与液力变矩器(2)的输入端连接，液力变矩器(2)的输出端与变速器(3)的输入端连接，变速器(3)的输出端驱动变螺距螺杆(7)旋转；
或者，动力驱动装置包括设置在变螺距螺杆(7)任意一端的电机(21)，该电机(21)的输出轴通过齿轮减速器驱动变螺距螺杆(7)旋转，齿轮减速器包括设置在电机(21)输出轴的小齿轮(5)以及设置在变螺距螺杆(7)输入端的大齿轮(14)；
或者，动力驱动装置包括设置在变螺距螺杆(7)任意一端内侧的电机(21)，该变螺距螺杆(7)的内侧设置有内齿圈(53)，该电机(21)的输出轴通过由太阳轮小齿轮(5)、行星轮大齿轮(14)和内齿圈(53)构成的准行星齿轮驱动变螺距螺杆(7)旋转。
3.根据权利要求2所述的一种弹射器，其特征在于，变速器(3)的输出端还设置有飞轮(4)，用于弥补变螺距螺杆(7)储能的不足。
4.根据权利要求1所述的一种弹射器，其特征在于，当作为航母舰载机弹射器时，该弹射器设置在甲板(19)下方的弹射器地沟槽(48)内，弹射器地沟槽(48)上方为航母可拆甲板(12)，航母可拆甲板(12)上开设有开缝(50)，弹射器地沟槽(48)内的两侧开设有轨道(17)，牵引小车(11)下方的车轮(18)设置在轨道(17)内，牵引钩(20)自航母可拆甲板(12)上的开缝(50)伸出至甲板(19)上方，用于与舰载机(46)的弹射杆(47)连接，变螺距螺杆(7)的两侧均设置有辅助支撑轮(13)。
5.根据权利要求1或4所述的一种弹射器，其特征在于，牵引小车(11)上设置有一个喷润滑油装置，在牵引小车(11)前进过程中用于向螺线槽(8)和可伸缩滑块(6)喷射润滑油润滑。
6.根据权利要求4所述的一种弹射器，其特征在于，该弹射器还包括设置在牵引小车(11)下方的多滑块液压自动均衡受力机构，其包括一组加速缓冲液压缸(38)、一组减速缓冲液压缸(36)和一个气囊式储能器(45)，每一组缓冲液压缸均包括一组单向活塞油缸(51)，设置在单向活塞油缸(51)内的活塞(40)，以及一端与活塞(40)连接，另一端伸出至单向活塞油缸(51)外的推杆(39)，所有加速缓冲液压缸(38)和减速缓冲液压缸(36)均通过液压管路(41)与气囊式储能器(45)连通，由气囊式储能器(45)提供高压液压油(42)，每个单向活塞油缸(51)通过推杆(39)自动调节可伸缩滑块(6)在前进方向相对牵引小车的位置，以适应螺线槽(8)的螺旋升角β的变化，同时均衡每个可伸缩滑块(6)所受的作用力。
7.根据权利要求6所述的一种弹射器，其特征在于，变螺距螺杆(7)上的螺线槽(8)为均匀分布的多头螺纹，牵引小车(11)上有多组可伸缩滑块(6)，以改善变螺距螺杆(7)的受力情况；所述的多头螺纹中的每一条螺线槽(8)都与一段独立的起始槽(32)的一端相连，这些起始槽(32)彼此不联通，但在变螺距螺杆(7)的轴向位置都相同，每一条螺线槽(8)的螺旋升角的升降规律都相同并且最终进入同一个结束槽(33)，结束槽(33)与每一条螺线槽(8)在相接处都有一个独立的开口(49)。
8.根据权利要求4所述的一种弹射器，其特征在于，该弹射器还包括设置在牵引小车(11)下方的复位装置，包括电源、控制器、复位电动机(56)、齿轮(58)和齿条(59)，牵引小车(11)上的导槽(37)被卡在弹射器地沟槽(48)两侧的轨道(17)之间，导槽(37)与轨道(17)之间留有间隙，牵引小车(11)能够沿轨道(17)做前后运动；齿条(59)与轨道(17)平行设置，安装在弹射器地沟槽(48)的两侧；齿轮(58)安装在复位电动机(56)的输出轴(55)上；驱动小车(11)前进时控制器不给复位电动机(56)激励，齿轮(58)能够随复位电机(56)的输出轴(55)自由转动，在一次弹射完成后，复位装置的控制器激励复位电动机(56)并通过输出轴(55)带动齿轮(58)反向转动，使得牵引小车(11)自动回到出发位置。
9.根据权利要求1所述的一种弹射器，其特征在于，可伸缩滑块(6)与螺线槽(8)接触的前后两个面均为弧面，且弧面的弯曲半径应尽量接近但不大于螺线槽(8)两个接触面的最小弯曲半径；可伸缩滑块(6)能够沿自身的轴线对伸缩缸(35)做有限转角的转动，有限转角从零度开始，且最大转角大于螺线槽(8)的最大螺旋升角。
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