一种新型电磁弹射装置的制作方法

专利2022-05-09  1


本发明涉及弹射装置,尤其是一种新型电磁弹射装置。



背景技术:

现有的电磁弹射器主要由储能系统、直线感应电机、控制系统、冷却系统、功率转换系统、减速缓冲和刹车装置等组成。例如美国海军航母上的电磁弹射器,在舰载机起飞前,储能系统需要汲取能量并存储,弹射起飞时要在2~3秒的时间内释放高达484兆焦耳的能量,才能保证舰载机顺利弹射起飞。直线感应电机利用电流产生磁场,推动运载工具沿着轨道弹射舰载机,功率转换系统通过循环换流器,向直线感应电机提供受控的上升频率和电压,调节电机的动子速度,使舰载机达到一定的起飞速度。

电磁弹射器用的是直流电源,而且在电磁弹射器工作时负荷冲击性非常大。虽然有了储能装置,但由于要求弹射器在很短时间内起飞更多架次的飞机,所以对电磁弹射器的电源容量要求也比较大,一般容量在5~8万kva左右(但输出电压却不高)。这么大功率的交流发电机当然不是问题,但如果是直流发电机则必须是无刷稳流直流发电机,否则滑环的强大电流会灼伤换向器;并且储存装置占用空间非常大,影响航母战斗力;由于电流过大,对装置的寿命有很大影响。

因此现有航母利用直线电机弹射存在强迫储能装置体积庞大、发电机组占用空间多,弹射加速距离短(只有80米)、弹射瞬间电流大、对轨道电腐蚀强,严重影响弹射轨道寿命的缺点。



技术实现要素:

本发明的目的是针对上述现有技术的不足,而提供一种新型电磁弹射装置,不再使用强迫储能装置,并能提升加速距离,避免影响装置寿命。

为解决上述技术问题,本发明采用的一个技术方案是:提供一种新型电磁弹射装置,该装置包括动能载体、环形加速轨道、直线弹射轨道、动能转换装置和电磁制动装置,所述环形加速轨道通过变轨转接装置与直线弹射轨道连接,所述动能转换装置和电磁制动装置顺次设置于直线弹射轨道上,且电磁制动装置位于所述直线弹射轨道的末端;所述动能转换装置处设有用于与待弹射工件相连的连接件,所述动能载体在环形加速轨道内加速后通过变轨转接装置转入直线弹射轨道运行,并在动能转换装置处与待弹射工件进行动能吸收和转换,使动能载体上的动能转化为待弹射工件的起飞动能,电磁制动装置用于在待弹射工件起飞后将所述动能载体及动能转换装置进行制动。

在本发明另一个实施例中,所述环形加速轨道包括环形滑轨及其外壁上环绕的多组电磁线圈,所述动能载体用于在环形滑轨上运行并通过电磁线圈进行加速。

在本发明另一个实施例中,所述动能载体包括金属动能块,所述金属动能块外绕设有电磁线圈,且动能载体上安装有用于与所述环形加速轨道和直线弹射轨道对接的滑轮。

在本发明另一个实施例中,所述变轨转接装置包括变轨装置和转轨装置,所述转轨装置与直线弹射轨道吻合过渡连接;所述变轨装置包括弧形转接轨及对应的驱动机构,所述驱动机构包括直线驱动滑轨及驱动电机,所述驱动电机驱动所述弧形转接轨在直线驱动滑轨上直线运行,以实现弧形转接轨与转轨装置的对接与分离。

在本发明另一个实施例中,所述动能转换装置为套设于所述直线弹射轨道外并可沿直线弹射轨道滑行的滑块,该滑块外绕设有与所述动能载体相反磁场的电磁线圈。

在本发明另一个实施例中,所述电磁制动装置为所述直线弹射轨道外绕设与所述动能载体相反磁场的电磁线圈。

在本发明另一个实施例中,所述环形加速轨道中设有用于检测动能载体运行速度的速度测算装置。

在本发明另一个实施例中,所述速度测算装置为一对光电门,所述光电门由一个聚光灯泡和一个光敏管组成,所述聚光灯泡对准光敏管,所述光敏管前面设有用于接收聚光灯泡光照的小孔。

在本发明另一个实施例中,所述环形加速轨道的每个电磁线圈处均设有对应的用于检测所述动能载体运动位置的红外传感器。

在本发明另一个实施例中,所述电磁制动装置处还设有用于检测电流大小的电流传感器以判断是否对制动时产生的电能进行回收。

本发明的有益效果是:

本发明的新型电磁弹射装置由于采用环形加速的方式,加速距离对于动能载体而言不再是主要因素,因此可以逐渐加大电流,减小冲激电压对电路的烧蚀;在加速时线圈首尾相接,使用红外传感器保证受力均匀,在加速至上限速度时,避免受力不均引起的意外;使用特殊变轨转接装置,使动能载体在加速时不受影响,在变轨时过转接处的能量损失大大降低,使轨道的磨损率得到抑制;利用楞次线圈和弹性动能转换装置配合使用,从而达到能量顺利从动能载体中转入待弹射物体,控制加速度在要求范围之内。在该电磁弹射装置中,有效加速距离的延长往往可以减缓船电系统的集中供电带来的负面影响,降低高强度能量对结构本身的冲击,减小电流对电磁线圈的损害,从而达到延长弹射装置寿命的目的。

附图说明

图1是本发明新型电磁弹射装置的结构示意图;

图2是本发明动能载体实施例的结构截面图;

图3是本发明变轨转接装置实施例的结构示意图;

图4是本发明动能转换装置3实施例的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明,下面结合附图和具体实施例,对本发明进行更详细的说明。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是,本发明可以以许多不同的形式来实现,并不限于本说明书所描述的实施例。相反地,提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是,除非另有定义,本说明书所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的,不是用于限制本发明。本说明书所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。术语“前”、“后”“内”“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅仅是为便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗指所指的部件必须具有特定的方位、为特定的方位构造和操作,因而不能理解为对本发明保护内容的限制。

如图1所示为本发明新型电磁弹射装置的结构示意图,由图可知,该装置包括动能载体(图中未示出)、环形加速轨道1、直线弹射轨道4、动能转换装置3和电磁制动装置5,环形加速轨道1通过变轨转接装置2与直线弹射轨道4连接,动能转换装置3和电磁制动装置5顺次设置于直线弹射轨道4上,且电磁制动装置5位于直线弹射轨道的末端;动能转换装置3处设有用于与待弹射工件相连的连接件(图中未示出),动能载体在环形加速轨道1上加速后通过变轨转接装置2转入直线弹射轨道4上运行,并在动能转换装置3处与待弹射工件进行动能吸收和转换,使动能载体上的动能转化为待弹射工件的起飞动能,电磁制动装5置用于在待弹射工件起飞后将动能载体及动能转换装置3进行制动。

本实施例的环形加速轨道1由a轨、b轨、c轨三道钢轨组成,直线弹射轨道由d轨、e轨、f轨三道钢轨组成,需要说明的是,在模拟运动中,用小球代替动能载体;图1所示的直线弹射轨道在绘图时做了简化,只显示了两道轨道。本实施例的待弹射工件一般是指舰载机、飞机、无人机等。

进一步地,如图2所示为动能载体的截面图,本实施例的动能载体为圆柱体结构,包括一个金属动能块,金属动能块外绕设有电磁线圈,且动能载体上安装有用于与环形加速轨道和直线弹射轨道对接的滑轮。

优选地,本实施例动能载体的金属动能块是一个多层的铁块,

作用有三点,即多层为了增大电阻,达到减小涡流的作用,铁是良磁介质,便于集磁,以提高能量利用率,最后是增加质量,使动能载体有能力为飞机提供足够加速度和动能。动能载体上装有两组滑轮,a、b、c轮为一组,用于与环形加速轨道的a轨、b轨、c轨对接,在环形加速轨道上使用;d、e、f轮为一组,用于与直线弹射轨道d轨、e轨、f轨对接,在直线弹射轨道上使用。

进一步地,本实施例的环形加速轨道包括环形滑轨及其外壁上环绕的多组电磁线圈6,内部是一个能产生反向磁场的线圈,动能载体在环形滑轨上运行,通过电磁线圈时由安培力做功对动能载体进行加速。在环形加速轨道中,电磁线圈由多层导线在管壁表面多层环绕形成,并在截面处以最紧密堆积存在,采用磁束缚模式,能够提高磁感线密度,达到对磁感线的最大化利用,在环形加速区域,可采用间断递增的方式来逐渐调节电流,使电流的强度和运动的强度相匹配,从而达到能源利用率的提高。

进一步地,如图3所示,本实施例的变轨转接装置包括变轨装置和转轨装置,转轨装置与直线弹射轨道4吻合过渡连接;变轨装置包括弧形转接轨7及对应的驱动机构,驱动机构包括直线驱动滑轨8及驱动电机9,驱动电机9驱动弧形转接轨7在直线驱动滑轨8上直线运行,以实现弧形转接轨7与转轨装置的对接与分离。

转轨装置为实现环形加速轨道向直线弹射轨道过渡的圆弧轨道,也包括d轨、e轨和f轨,e轨为半开管,便于动能载体向转轨装置切换。

进一步地,为保证弧形转接轨7的稳定性,还设有用于支撑弧形转接轨7的支撑件10,该支撑件的一端与支撑弧形转接轨7相连,另一端固定在直线驱动滑轨8上。

优选地,弧形转接轨7和转轨装置的轨道都使用弹性材料,用材料的弹性形变来减缓冲量作用时间。

需要说明的是,图3的直线弹射轨道在绘图时做了简化,只显示了d轨、e轨两道轨道,f轨未显示出。该图显示的是变轨转接装置与直线弹射轨道4对接后的状态图。

在环形加速轨道上,动能载体的a、b、c轮触轨运行第一加速阶段,轨道处于完全平滑的状态,没有断点;在动能载体速度达到给定条件(即达到转入直线弹射轨道条件)时,数据控制处理单元控制驱动电机9工作,驱动弧形转接轨7移动,与转轨装置的d轨吻合对接,挤压动能载体与转轨装置的e轨(半开管)贴合,通过半开管使环形加速轨道与直线弹射轨道平滑连接,将动能载体转换到直线弹射轨道上运行,f轮接触f轨,此时由f轮提供与重力相抗衡的力。

为了精确测算动能载体在环形加速轨道的运行速度,本实施例在环形加速轨道中设有用于检测动能载体运行速度的速度测算装置。

优选地,本实施例的速度测算装置为一对光电门11,光电门是一个像门样的装置,一边安装发光装置,一边安装接收装置并与计时器连接。每个光电门由一个作为发光装置的聚光灯泡和一个作为接收装置的光敏管组成,聚光灯泡对准光敏管,光敏管前面设有用于接收聚光灯泡光照的小孔。当两个光电门的任一个被挡住时,计时器开始计时;当两个光电门中任一个被再次挡光时,计时终止。

就本实施例而言,当动能载体通过光电门时光被挡住,计时器开始计时,当物体离开时停止计时,这样就可以根据物体动能载体大小与运动时间通过计算时差间接测量运动的速度;计时器具备运算功能,使用宽度一定的挡光片,可以直接测量物体的瞬时速度,当动能载体速度达到给定条件时,通过数据处理控制单元输出信号,控制驱动电机9工作,使动能载体实现变轨。

进一步地,如图4所示,本实施例的动能转换装置3为套设于直线弹射轨道4外并可沿直线弹射轨道滑行的滑块14,该滑块外绕设有与动能载体相反磁场的电磁线圈,利用楞次定律与运动来的动能载体进行动能吸收和转换。

进一步地,在滑块14的后端设置弹性件,本实施例的弹性件优选弹簧13,以进一步地提高能量吸收和转换效率。

另外,动能转换装置上设有连接件12,这里的连接件一般是弹射钩,用于与待弹射工件相互连接。

本实施例的动能载体进入动能转换装置中时,在前半段利用楞次定律将自身动能赋予动能转换装置的滑块11,滑块14通过弹射钩与飞机连接,进而使飞机加速;在后半段利用弹簧或其他弹性结构,进一步吸收和转换动能。

进一步地,本实施例的电磁制动装置为直线弹射轨道末端外绕设的与动能载体相反磁场的电磁线圈,利用楞次定律通过相互间的推力对加速结束的动能载体及动能转换装置进行制动,需与硬性刹车装置配合将速度减为0,如果加速结束后的动能仍然较大,在减速同时可以讲产生的电能回收至船电系统。

进一步地,在环形加速轨道的每个电磁线圈处均设置对应的用于检测动能载体运动位置的红外传感器,加速线圈利用红外传感器感知动能载体接近与否。动能载体在加速运动过程中,运动位置最近处的红外传感器检测到动能载体即将到达时,对应的电磁线圈通电,在动能载体离开时该电磁线圈断电,下一个位置的红外传感器工作,对应的电磁线圈通电,循环往复从而使动能载体使物体不断加速。

进一步地,由于电磁制动中所产生的电流大小是个随时间变化的函数,若电流过小,回收成本大时则放弃回收,所以应该使用正确的反馈机制,因此,本实施例在电磁制动装置处设置一个用于检测电流大小的电流传感器实时监测电流大小,以判断是否对制动时产生的电能进行回收。

进一步地,本实施例在环形加速轨道的环形滑轨外还设有承重壁,环形滑轨与承重壁之间设有用于缓冲动能载体运动的高压弹簧。在旋转加速时采用环形滑轨与承重壁面相配合的办法可以降低对轨道材质和强度的要求,即允许轨道在一定范围内振动,利用承重壁与轨道之间的高压弹簧进行缓冲,以保证部分力在系统动态平衡的过程中被缓慢释放,以达到稳定和降低材料强度的效果。

本发明新型电磁弹射装置的工作原理和过程如下:动能载体首先在环形加速轨道上进行电磁加速,由于环形加速轨道的外壁上缠绕有电磁线圈,内部是一个能产生反向磁场的线圈,在环形滑轨上推进动能载体加速,由安培力做功,在达到适宜速度后,将该动能载体通过变轨转接装置转入直线弹射轨道中,在动能转换装置的协同作用下,快速且顺畅地将动能载体本身的动能转化为待弹射工件动能。弹射完成后,在最后阶段动能载体和动能转换装置的动能尚有残余,由电磁制动装置的楞次线圈进行减速制动。

另外,在动能载体返回环形加速轨道后,若要立即实行第二次弹射,可在环形加速轨道的电磁线圈中通一相同电流,与加速时原理相同,使动能载体的受力与运动方向相反,达到快速降速的目的,若时间充裕,则可以利用环形加速轨道的电磁线圈与动能载体的电磁线圈之间的安培力(楞次定律)减速,并将产生的电流回流至船电系统。

本发明的新型电磁弹射装置由于采用环形加速的方式,加速距离对于动能载体而言不再是主要因素,因此可以逐渐加大电流,减小冲激电压对电路的烧蚀;在加速时线圈首尾相接,使用红外传感器保证受力均匀,在加速至上限速度时,避免受力不均引起的意外;使用特殊变轨转接装置,使动能载体在加速时不受影响,在变轨时过转接处的能量损失大大降低,使轨道的磨损率得到抑制;利用楞次线圈和弹性动能转换装置配合使用,从而达到能量顺利从动能载体中转入待弹射物体,控制加速度在要求范围之内。在该电磁弹射装置中,有效加速距离的延长往往可以减缓船电系统的集中供电带来的负面影响,降低高强度能量对结构本身的冲击,减小电流对电磁线圈的损害,从而达到延长弹射装置寿命的目的。

以上所述仅为本发明的实施例,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换,或直接或间接运用在其他相关的技术领域,均包括在本发明的保护范围内。

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