航母舰载机起飞装置及起飞方法

摘要

本发明航母舰载机起飞装置及起飞方法，包括设置在航母侧边用于将舰载机抛射出去的单摆抛射机构，该机构中设有摆臂，摆臂下端与抛射器连接，抛射器可与舰载机活动连接，且抛射器上可装有助推发动机；摆臂上端为单摆的悬挂结构，悬挂结构为伸出舰体外侧边悬臂的外端和摆臂上端构成的转轴，转轴上可安装助摆装置，摆动垂直平面与舰弦平行，与悬臂垂直；摆的一侧在一定高度设有停滞舰载机待起飞的台架。起飞前，抛射器被停滞在台架旁，与舰载机活动连接。起飞时停滞取消，抛射器与舰载机迅即作单摆运动，加上发动机和/或助摆装置推力，舰载机被加速摆动到对侧，抛射升空完成起飞。本发明结构简单，建造、使用成本很低，适用于各种航母舰载机起飞。

说明书

技术领域

本发明涉及航空母舰的构造，具体涉及一种航母舰载机起飞装置及起飞方法。

背景技术

航空母舰(简称航母)作为一种“超级”主战武器，威力主要在于其搭载的数十甚至上百架舰载战斗机所具有的控制极广大海域的能力。进可以攻击处于方圆数万平方公里海域内的目标，守可以防御来自同样广大海域内的各种武器的攻击。衡量航母的战斗力主要是衡量，在该航母上起飞的能发挥最大水平的舰载机的战斗力。

当今，世界各国海军航母舰载机的起飞方式主要有弹射起飞、滑跃起飞(滑翘起飞)和垂直/短距滑跑起飞等。弹射起飞是利用飞行甲板上布置的弹射装置，在一定行程内对舰载机施加推力，使其达到离舰起飞速度。滑跃起飞是利用航母艏部的上翘甲板，在机载发动机的大推力下实现起飞。垂直/短距滑跑起飞则是利用机载发动机的推力矢量控制来实现起飞，鉴于前苏联“雅克-38”垂直/短距离攻击机已随着“基辅”级航母一起退役，以及英国垂直/短距起降式“海鸥”战斗机的卸载量和航程难以满足需要，因此这种起飞方式目前用得较少。

蒸汽弹射起飞

二战后，喷气式舰载机相继搭载上舰。以当时舰载机的重量和发动机功率计算，需要滑跑1000多米的距离。即使当今吨位最大的“尼米兹”级航母，甲板跑道也不过300余米。如果没有大功率弹射器的助飞，全挂载的舰载机将难以升空。因此世界军工界都在关注研制功率更大的新型弹射器。

蒸汽弹射器问世于1950年8月，原型是英国海军航空兵预备队司令米切尔研制的，美国海军购买了专利并将其发展成熟。在工作原理上，蒸汽弹射器是以高压蒸汽推动活塞带动弹射轨道上的滑块，把与之相连的舰载机弹射出去。时至今日，只有美国全面掌握了蒸汽弹射器技术，连法国的中型“戴高乐”号核动力航母采用的也是美国蒸汽弹射技术。美国大型航母上的C-13-1型蒸汽弹射器冲程达到94.6米，可将36.3吨重的舰载机以185节(即339千米/小时)的高速弹射出去，能够满足F-14战斗机和E-2预警机的起飞要求。

滑跃起飞

滑跃起飞原理是把甲板斜坡上翘角视为抛射角。舰载机沿着上翘的斜坡冲向斜上方，形成斜抛运动。俄罗斯、英国、意大利、西班牙和印度等国由于技术限制，无法研制在技术上和工艺上过关的蒸汽弹射器，所以只能在本国航母舰艏安装一个跃台(斜坡甲板上翘角10°～15°)帮助起飞。舰载机在起飞的时候以自己的动力经由跃台的协助冲上空中。滑跃起飞的起飞重量及起飞效率不如弹射起飞。其作战效率远不如蒸汽弹射器。如苏-33战机战斗力强于F-14战机，是指当两者均能充分发挥各自的战斗力时。但当它们从各自的航母起飞后，情况就不是这样了。在美军航母上，F-14利用蒸汽弹射器起飞，即使全挂载也能顺利升空；而在俄罗斯“库兹湟佐夫”航母上，苏-33滑跃起飞时只能携带相当于实际挂载能力50％的有效挂载，这就重挫了这款重型制空战斗机的空战能力和作战半径。所以普遍认为“库兹湟佐夫”不是美国航母的对手。

研发中的电磁弹射

当然蒸汽弹射器也有不少缺点：

1、弹射器不仅占据较大甲板空间，还要在甲板下方设弹射器蒸汽储气罐，弹射器管路仓等设施。

2、需要自制淡水。蒸汽弹射器除了在舱内留出自身设备位置外，还需留出位置给大型水箱，以存放淡水。弹射1架中型战斗机，大约要消耗1顿淡水。

3、能耗高，为了将淡水烧成蒸汽，必须耗费大量能源，因此要为贮存燃料再留出额外空间。

4、弹射器建造技术难度大，密封要求高，部件加工精度高，造价高。

5、战时易受损且难以修复。

6、维护使用要求很高，每弹射3000-3200次需海上停飞检修或返港检修。

为此美国海军从1982年开始进行电磁弹射系统的技术研究。直到2004年秋天电磁弹射器进入成品测试阶段。电磁弹射器是一个复杂的继承系统，其核心是直线弹射电动机。弹射电动机带有滚轮，带着一个往复车沿弹射器轨道滑行。工作时，电动机得到供电，往复车在电磁力的作用下，拉着舰载机沿弹射冲程加速到起飞速度。目前美国已接近竣工的“布什”号航母，造价达到80亿美元，是以往同样航母造价的一倍以上，将采用新型的电磁弹射器，届时在美国航母上使用多年的蒸汽弹射器将退出历史舞台。

电磁弹射器的效率约60％，而蒸汽弹射器的效率仅4％-6％，其效率大大提高。但一次电磁弹射起飞电能的消耗虽然低于120兆焦，仍是一笔相当大的能耗。电磁弹射系统没有了蒸汽弹射系统那些密如蛛网的高温高压蒸汽管道，但却需100多米长的直线感应电动机，大功率电力控制设备，强迫储能装置，结构仍然颇为复杂。电磁弹射系统的维修人员比蒸汽弹射系统减少了30％，但仅操作人员仍需90人。总之，虽然电磁弹射器比蒸汽弹射器有了很大的改进，但它仍然是一种结构复杂，研发建造昂贵，能耗大，平时维护操作要求高，战时易受损而难于修复的系统。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的上述缺陷，设计一种简捷的航母舰载机起飞助力装置，使舰载机在起飞过程中：

1、叠加一种无需消耗能源，由单摆产生的加速度；

2、减轻舰载机起飞重量对起飞速度的影响；

3、避免舰载机在跑道上滑跑的摩擦阻力；

4、可方便附加机外助推发动机和借用机械推力，从而提高起飞速度。

该装置显著降低了舰载机起飞系统建造和使用成本，可使舰载机快速起飞，且适用于各种航母舰载机。

为实现上述发明目的，本发明的技术方案是采用一种航母舰载机起飞装置，该装置包括设置在航母侧边的单摆抛射机构，所述单摆抛射机构用于将舰载机抛射出去；

所述单摆抛射机构是由摆臂、悬臂、抛射器组成的单摆悬挂结构，所述摆臂的上端悬挂在悬臂的外端，所述摆臂下端与抛射器之间活动挂接，所述悬臂的内端安装在所述航母侧边上的支撑架或建筑物上，所述摆臂绕所述悬臂的外端摆动，或述摆臂与所述悬臂固定为一体绕悬臂内端摆动；

所述单摆悬挂结构中悬臂通过转轴与摆臂垂直连接；

所述悬臂与水面平行、与舰体侧弦垂直，所述悬臂的一端伸出舰体侧弦外，所述摆臂摆动平面与所述悬臂垂直，且与悬臂外端相交；

沿着航母的纵向侧边，在所述单摆抛射机构的一侧设有舰载机准备起飞用的台架，所述台架也伸出所述航母的侧边，所述台架纵向中部某一垂直于水面的平面与所述摆臂的摆动平面相重合，在没有舰载机起飞状态下，所述摆臂停滞在所述台架一侧，所述摆臂的停滞位置与所述台架的端部位置相对应。

其中，

所述航母侧边为航母甲板的右侧和/或左侧。

所述悬臂其伸出舰体侧边部分的长度大于舰载机宽度的1/2。

所述摆臂为刚性摆杆，或为柔性绳索；所述摆臂的长度加上舰载机的高度小于所述悬臂到水面的距离。

所述转轴通过轴承与轴套相配合，所述轴承为滚珠轴承或磁悬浮轴承；

所述悬臂以内端为转轴，在所述转轴上装有助推所述摆臂摆动的驱动和/或制动机构，所述摆臂固定挂接在伸出舰体侧边的悬臂外端，所述转轴可绕支撑轴套摆动或被制动，所述支承轴套被固定在所述航母侧边上的支撑架或建筑物上；

或所述悬臂以外端为转轴，在所述转轴上装有助推所述摆臂摆动的驱动和/或制动机构，所述摆臂可绕所述转轴摆动，所述悬臂的内端被固定在所述航母侧边上的支撑架或建筑物上。

所述摆臂在装有抛射器的一端可装有助推发动机。

在所述抛射器中设有挂接和脱离挂接舰载机的机构，在所述抛射器或控制系统中还设有控制抛射器挂接或脱离挂接舰载机的控制机构。

所述台架的端部高出航母甲板，所述台架为升降式台架，或为使舰载机沿坡道上升式的台架，在所述台架附近设有停止摆臂摆动的制动机构，停滞在所述台架上端的摆臂与摆臂位于垂直位置之间的夹角为θ，该角度被称为舰载机起飞准备位置偏角。

在所述航母的侧弦位于摆臂的下方设有屏蔽海浪的壁板，所述壁板为可伸缩或折叠的板。

一种航母舰载机起飞方法，包括如下起飞步骤：

S1：将停泊在航母甲板上的舰载机移送至准备起飞用的台架上，所述台架高出航母甲板并伸出舰体侧边；

S2：抛射器停滞在台架一侧，与所述台架端部位置相对应；

S3：将舰载机与抛射器挂接，所述抛射器与单摆抛射机构中的摆臂的下端连接，所述摆臂上端连接所述单摆的悬挂结构；

S4：当舰载机接收到起飞指令后，通过控制系统释放制动摆臂摆动的制动机构，同时释放对抛射器和舰载机的制动机构；

S5：舰载机上的发动机点火启动，同时舰载机与抛射器一起按单摆运动规律，从具有一定高度的台架上加速向摆的中央平衡位置摆动，其中发动机产生的推力可和/或助推发动机的推力加速上述摆动，所述助推发动机包括安装在所述抛射器上的发动机，和/或安装在所述悬臂内端或外端的转轴上的驱动机构；

S6：抛射器与舰载机加速摆动通过摆的中央平衡位置后冲向单摆抛射机构的另一侧；此时抛射器与舰载机在发动机的推力和/或助推发动机的推力作用下将继续加速向前、向上摆动；当舰载机达到适当的上翘角度，且具有一定的初始速度时，通过控制系统所述抛射器与舰载机脱离挂接，舰载机将沿摆动弧线的切线方向向斜上方被抛射出去；

S7：抛射器释放舰载机后，摆臂将摆向缓冲制动区，当摆臂继续在对侧摆动到抛射器略高于起飞侧所述台架端部的高度时，摆臂将停止向上摆动，并开始向舰载机准备起飞的台架回摆；

S8：回摆后的摆臂在制动机构作用下，将停滞在所述台架的一侧，摆臂端部的抛射器与台架的端部位置相对应，准备挂接下一架次舰载机。

本发明的理论依据

在单摆抛射起飞机构中，当“抛射器”连同舰载机从“起飞准备位置”开始向摆的中央平衡位置作单摆运动摆去时，受到一个沿摆动方向的力。设为G₁，G₁＝mgsinθ，θ是摆臂在起始位置的偏角。该力的产生并且可以以某种形式与其他消耗能量的推力迭加，结构基础是单摆式抛射机构。

根据惠更斯定理：$T=2\pi \sqrt{\frac{l}{g}}$单摆做简谐运动的周期T与摆长l的二次方根成正比，与重力加速度g的二次方根成反比，与振幅、摆球的质量无关。在海平面上g被视为常量，这里唯一的变量是摆长l，在单摆式抛射起飞中，舰载机起飞重量大小并不会直接影响单摆运动本身的周期。

将舰载机从“准备起飞位置”摆向中央平衡位置的运动作为理想单摆运动分析，设“起飞准备位置”对于中央平衡位置的相对高度为h，摆的终端摆过中央平衡位置的瞬时速度为V，则$\mathrm{mgh}=\frac{1}{2}{\mathrm{mv}}^2,$$v=\sqrt{2\mathrm{gh}}.$可见舰载机在单摆抛射起飞过程中获得一个可与其它耗能推力产生的速度以某种形式迭加的速度，其结构基础是单摆抛射机构。

无论滑跃起飞还是弹射起飞，起飞滑跑中都存在舰载机或舰载机连同其拖运体(滑块或往复车)，与甲板跑道或滑轨之间的某种摩擦力F。F的大小与舰载机起飞重量(或再加上其拖运体)对甲板跑道(或滑轨)的正压力N成正比：F＝fN，f为摩擦系数。这种摩擦力对于单摆抛射起飞，并不存在。

本发明的优点和有益效果在于：该航母舰载机起飞装置及方法采用单摆式抛射起飞的方式，可使舰载机起飞重量的各种负面影响有所减小或不存在，舰载机可获得一个同向迭加的推力和速度，还可以在摆臂的抛射器端加助推发动机和/或在转轴加装助摆装置，从而获得加大的起飞推力却并不增加舰载机自重。

所以，单摆式抛射起飞比弹射起飞的结构简单，成本降低，节省能源。而与滑跃起飞相比，在滑跃起飞中因起飞重量限制所至战斗机仅50％挂载起飞，和推重比不高的固定翼预警机、反潜机无法起飞等问题，单摆式抛射起飞可以解决。

本发明中单摆抛射机构可以建在舰侧，舰的四周甚至舰体之上适当部位。在平坦地面稀缺的陆基也可应用。

附图说明

图1是本发明航母舰载机起飞装置的俯视示意图；

图2是本发明航母舰载机起飞装置的侧视示意图；

图3是本发明航母舰载机起飞装置的单摆抛射机构示意图；

图4是图2中台架9端部的局部发大图。

图中：1、航母；2、舰载机；3、单摆抛射机构；4、摆臂；5、悬臂；6、抛射器；7、转轴；8、支撑架或建筑物；9、台架；10、水面；11、驱动机构；12、壁板；13、中央平衡位置；14、缓冲制动区；15、止摆位置；16、抛出位置；17、制动机构。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如附图1至3所示，本发明具体实施的技术方案是：

实施例1

一种航母舰载机起飞装置，该装置包括设置在航母1侧边的单摆抛射机构3，所述单摆抛射机构3用于将舰载机2抛射出去；

所述单摆抛射机构3是由摆臂4、悬臂5、抛射器6组成的单摆悬挂结构，所述摆臂4的上端悬挂在悬臂5的外端，所述摆臂4下端与抛射器6之间活动挂接，所述悬臂5的内端安装在所述航母1侧边上的支撑架或建筑物8上，所述摆臂4绕所述悬臂5的外端摆动，或述摆臂4与所述悬臂5固定为一体绕悬臂5内端摆动；

所述单摆悬挂结构中悬臂5通过转轴7与摆臂4垂直连接；

所述悬臂5与水面10平行、与舰体侧弦垂直，所述悬臂5的外端伸出舰体侧弦外，所述摆臂4摆动平面与所述悬臂5垂直，且与悬臂5外端相交；

沿着航母1的纵向侧边，在所述单摆抛射机构的一侧设有舰载机2准备起飞用的台架9，所述台架9也伸出所述航母1的侧边，所述台架9纵向中部某一垂直于水面的平面与所述摆臂4的摆动平面相重合，在没有舰载机起飞状态下，所述摆臂4停滞在所述台架9一侧，所述摆臂4的停滞位置与所述台架9的端部位置相对应。

实施例2

在实施例1的基础上，所述航母1侧边一般是指航母甲板的右侧，本发明的单摆抛射机构3也可设置在航母1的左侧边，或分别设置在航母1的两个侧边，其中的一套单摆抛射机构3可作为备用。

实施例3

在实施例2的基础上，所述悬臂5其伸出舰体侧边部分的长度应大于舰载机身宽度的1/2，因为被悬挂起来的舰载机2在摆动过程中，其机身位于航母舰体之外的空间，所以只要机身的一侧不与舰弦发生碰撞皆可以了。

实施例4

在实施例3的基础上，将所述摆臂4可以设计成为刚性摆杆，也可以设计成为柔性绳索；所述摆臂4的长度加上舰载机2的高度应小于所述悬臂5到水面10的距离，以避免舰载机2摆入到水中。

实施例5

在实施例4的基础上，所述转轴7通过轴承与轴套相配合，所述轴承为滚珠轴承或磁悬浮轴承；

所述悬臂5以内端为转轴7，在所述转轴7上装有助推所述摆臂4摆动的驱动机构11和/或制动机构17，所述摆臂4固定挂接在伸出舰体侧边的悬臂5外端，所述转轴7可绕支撑轴套摆动或被制动，所述支承轴套被固定在所述航母侧边上的支撑架或建筑物8上；

或所述悬臂5以外端为转轴7，在所述转轴7上装有助推所述摆臂摆动的驱动机构11和/或制动机构17，所述摆臂4可绕所述转轴7摆动，所述悬臂5的内端被固定在所述航母侧边上的支撑架或建筑物8上。

实施例6

在实施例4或5的基础上，所述摆臂4在装有抛射器6的下端可装有助推发动机。也就是说在所述抛射器6上再加装助推发送机，该助推发动机同样是对摆臂4的自然摆动起到助推的作用。

实施例7

在实施例6的基础上，在所述抛射器6中设有挂接和脱离挂接舰载机的机构，在所述抛射器6或控制系统中还设有控制抛射器6挂接或脱离挂接舰载机2的控制机构，上述机构可用于使舰载机2与抛射器6之间实现方便的挂接和脱离挂接的过程。

实施例8

在实施例7的基础上，所述台架9的端部高出航母甲板，所述台架9可以是升降式台架9，或为使舰载机2沿坡道上升式的台架9，在所述台架9附近设置有停止摆臂摆动的制动机构17，停滞在所述台架9上端的摆臂4与摆臂4位于垂直位置之间的夹角为θ，该角度也可被称为舰载机起飞准备位置偏角。

实施例9

在实施例8的基础上，在所述航母1的侧弦位于摆臂4的下方设有屏蔽海浪的壁板12，所述壁板为可伸缩或折叠的板，该壁板也可由浮船来代替，该浮船在有飞机起飞时停靠在航母的侧弦旁，当没有飞机起飞时可将该浮船装入航母内。

实施例10

一种航母舰载机起飞方法，包括如下起飞步骤：

第一步：将停泊在航母1甲板上的舰载机2移送至准备起飞用的台架9上，所述台架9高出航母甲板并伸出舰体侧边；

第二步：抛射器6停滞在台架9一侧，与所述台架9端部位置相对应；

第三步：将舰载机2与抛射器6挂接，所述抛射器6与单摆抛射机构3中的摆臂4的下端连接，所述摆臂4上端连接所述单摆的悬挂结构；

第四步：当舰载机2接收到起飞指令后，通过控制系统释放制动摆臂4摆动的制动机构17，同时释放对抛射器6和舰载机7的制动机构17；

第五步：舰载机2上的发动机点火启动，同时舰载机2与抛射器6一起按单摆运动规律，从具有一定高度的台架9上加速向摆的中央平衡位置13摆动，其中发动机产生的推力和/或助推发动机的推力可加速上述摆动，所述助推发动机包括安装在所述抛射器上的发动机，和/或安装在所述悬臂内端或外端的转轴上的驱动机构；

第6步：抛射器6与舰载机2加速摆动通过摆的中央平衡位置13后冲向单摆抛射机构3的另一侧；此时抛射器6与舰载机2在发动机的推力和/或助推发动机的推力作用下将继续加速向前、向上摆动；当舰载机2达到适当的上翘角度，且具有一定的初始速度时，通过控制系统所述抛射器6与舰载机2脱离挂接，舰载机将沿摆动弧线的切线方向向斜上方被抛射出去；

第七步：抛射器6释放舰载机后，摆臂将摆向缓冲制动区14，当摆臂4继续在对侧摆动到抛射器6略高于起飞侧所述台架9端部的高度时，摆臂4将停止向上摆动，并开始向舰载机准备起飞的台架9回摆；

第八步：回摆后的摆臂4在制动机构17作用下，将停滞在所述台架9的一侧，摆臂4端部的抛射器6与台架9的端部位置相对应，准备挂接下一架次舰载机2。

以在美国尼米兹航母上安装单摆抛射机构3为例，美国尼米兹航母水下部分11米，水面至甲板30米，水面至舰上上层建筑上方约75约。现假设单摆抛射机构的摆臂4三种长度：57米，60米和65米；起飞准备位置偏角75°，抛射位置偏角-15°(上跷角即15°)；起飞准备位置对抛射位置的高度则分别为40.3米，42.4和45.9米。

$\mathrm{mgh}=\frac{1}{2}{\mathrm{mv}}^2$      $V=\sqrt{2\mathrm{gh}}$

当势能由于单摆运动变成动能，到达抛射位置时产生的速度分别为101公里/小时，103公里/小时和108公里/小时。

而由发动机推力产生的速度，舰载机以苏-33战斗机和E-2C“鹰眼”预警机为例，设安装在“抛射器”上的助推发动机分别为3台和4台F120，作一概算。苏-33按较高的陆基起飞重量33吨，机载发动机AL-31F推力125.4KN；E-2C重23.5吨，机载T56-A-417发动机两台推力102KN；F120发动机推力155.7KN，重约1.5吨；“抛射器”重设为2吨。

从起飞准备位置到抛射位置，弧长分别为89.5米，94.2米和102米。

$\frac{F}{m}=a$ $\frac{1}{2}{\mathrm{at}}^2=S$ $t=\sqrt{\frac{2S}{a}}$    V＝at

苏-33在AL-31F和3台F120推力下产生的到达抛射位置时的瞬时速度分别为191公里/小时，196公里/小时和204公里/小时；在AL-31F和4台F120推力下则分别为210公里/小时，216公里/小时和225公里/小时。E-2C在2台T56-A-417和3台F120推力下产生的到达抛射位置时的瞬时速度分别为217公里/小时，222公里/小时和231公里/小时；在2台T56-A-417和4台F120推力下则分别为238公里/小时；244.9公里/小时和254.8公里/小时。

这些速度不仅可以某种形式与上述单摆运动产生速度迭加，还可与航母舰速20-30节(36公里/小时—54公里/小时)迭加，完成起飞。

本发明结构简单，建造、使用成本很低，极为节省能源，适用于各种航母舰载机起飞，基本不占用甲板跑道，操作、维护技术简明、安全可靠、费用低。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。