專利名稱：內(nèi)燃蒸汽式飛機(jī)助推起飛器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及內(nèi)燃蒸汽式飛機(jī)助推起飛器，屬于飛機(jī)助推起飛技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
航母的關(guān)鍵技術(shù)之ー是艦載飛機(jī)彈射起飛系統(tǒng)。飛機(jī)彈射助推起飛由來已久，在萊特兄弟發(fā)明飛機(jī)的同時(shí)，蘭利就發(fā)明了彈簧和滑道的助推起飛方式。此后相繼出現(xiàn)了落重式、飛輪式、火箭式、液壓式、氣壓式等等。1922年，美國的第一艘航母即命名為蘭利號。英國的凱旋號、勇氣號航母均采用壓縮空氣為動(dòng)カ(氣壓法)，采用滑輪、鋼纜傳遞能量來彈射飛機(jī)，最大做功達(dá)到5000kJ(5MJ)。1943年，美國的企業(yè)號采用液壓彈射器，型號H2-1，可以將5. 5噸的飛機(jī)在73英尺內(nèi)加速到70英里/小吋。但是進(jìn)一歩研究發(fā)現(xiàn)，液壓彈射器輸出功率極限只有20000kJ (20MJ)，液壓油再進(jìn)ー步提高流速就會出現(xiàn)沸燃現(xiàn)象。此外頂桿鋼纜的傳動(dòng)方式之負(fù)荷也達(dá)到了極限。 英國軍艦上的后備役人員科林·米切爾提出能不能將軍艦主鍋爐的蒸汽作為動(dòng)カ來驅(qū)動(dòng)彈射器，經(jīng)過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)其輸出功和功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于液壓式。由此誕生了蒸汽式彈射器。1950年英國海軍解決了 30年代就有人提出的不需要頂桿鋼纜的開槽(縫)式氣缸在受カ和受熱后的擴(kuò)張問題，可以節(jié)省頂桿和鋼纜的消極質(zhì)量。1952年研制成功航母蒸汽彈射系統(tǒng)，并命名為米切爾式蒸汽彈射器。美國人參與了此項(xiàng)目，所以共享了此成果，后自行研制的型號有C-IU C-7、C-Il-U C-13、C-13-1、C-13-2等。如C-13其主要技術(shù)參數(shù)為沖程84米，活塞總成質(zhì)量2360 2883千克，氣缸直徑457mm，沖程總?cè)莘e28 45立方米。可以在2秒鐘、45米內(nèi)將40噸的飛機(jī)由O加速到250km/h。如果迎風(fēng)起飛，如風(fēng)速70km/h，航母速度33節(jié)，能將預(yù)警機(jī)從航母彈射起來。每次彈射總輸出能量95MJ，輸出功率47. 5MW。40噸重的飛機(jī)能獲得的加速度可達(dá)3. 5G，最短工作周期(間隔時(shí)間)45秒，每發(fā)射ー架飛機(jī)耗汽量700 1000公斤。單根氣缸的長度為4米，用法蘭連接，將20多根氣缸連接成直線。開槽式氣缸用一段時(shí)間會變形，要卸下來矯正。氣缸初安裝后要進(jìn)行磨合，據(jù)說磨合期火花四濺是正?，F(xiàn)象。蒸汽彈射器是建立在核動(dòng)カ航母的基礎(chǔ)上的，因?yàn)榇藭r(shí)不需要專門為彈射器設(shè)立高壓鍋爐，可以將用于彈射的蒸汽理解為核反應(yīng)堆的副產(chǎn)品，在飛機(jī)起飛時(shí)航母的速度會顯著降低。美國最大的航母有四條發(fā)射軌道，每條軌道由氣缸、活塞、儲氣缸、管道系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成，每套系統(tǒng)總重量約600 800噸。如C-13儲氣缸直徑2米，長度20米，2個(gè)儲氣缸質(zhì)量200噸，兩個(gè)彈射缸體加上附件約200噸。儲氣缸初始壓カ為80大氣壓。氣缸是開槽的，氣缸標(biāo)準(zhǔn)直徑457mm,氣缸內(nèi)最大蒸汽壓カ20大氣壓(atm),平均蒸汽壓カ15atm,越到后期壓カ越小。活塞的上部有一個(gè)像鯊魚背鰭的伸出部件與滑車相連，這種開槽式的氣缸與鯊魚鰭式的活塞結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以將活塞的推力直接傳遞出來而不需要頂桿或鋼纜。而早期的頂桿機(jī)構(gòu)，當(dāng)頂桿長達(dá)80米，而受推力不彎曲變形，則直徑就得很大，這樣造成消極質(zhì)量大幅度提高，能量損耗提高。最后認(rèn)為開槽氣缸雖然有點(diǎn)漏氣，但損失不大，是最佳選擇。
為了解決開槽氣缸的密封問題，美國人發(fā)明了一種活動(dòng)密封帶，當(dāng)活塞被高壓蒸汽推過后，密封帶馬上壓緊縫隙，而在活塞的另一端密封帶是脫離狀態(tài)的、缸內(nèi)氣體與大氣是相通的，而活塞就像是ー個(gè)拉鏈柄，其所到之處，總是保證有蒸汽的ー邊是封閉的，無蒸汽的這邊是開放的。我們在電視圖像 里可以看到，發(fā)射飛機(jī)時(shí)甲板上有蒸汽冒出，就是從這里出來的。—組彈射器由兩套彈射氣缸并排作用，蒸汽彈射器的蒸汽利用率只有6%，管線密布、錯(cuò)綜復(fù)雜、維護(hù)工作量驚人。設(shè)計(jì)起飛最大重量40噸。鍋爐不能熄火，當(dāng)然這對于核動(dòng)力航母來說不是問題。每發(fā)射2000次需拆卸清洗檢修一次。難點(diǎn)I、儲氣缸的制造儲氣缸的壓カ80atm，溫度300°C多，還得保溫，時(shí)間ー長總有部分蒸汽冷凝成水。美國人現(xiàn)在的尺寸是直徑2米，長度20米，如果我們的材料性能不能滿足，就只能將直徑做小，長度加大，但這樣必然會影響供氣速度。2、密封條是ー種軟質(zhì)金屬，對材質(zhì)的要求很高，也要經(jīng)常更換。我們仿得了結(jié)構(gòu)，但仿不了材料。3、彈射蒸汽閥門精確控制蒸汽進(jìn)入氣缸的速度，即要保證飛機(jī)不超負(fù)荷，又要保證有及時(shí)的推力，即推力跟得上提速。美國人現(xiàn)在的技術(shù)其實(shí)也并不完美，據(jù)美國飛行員反映，蒸汽彈射啟動(dòng)瞬間沖カ較大，而后段幾乎無推力，只能靠飛機(jī)本身發(fā)動(dòng)機(jī)的推力起飛。這是外燃式蒸汽機(jī)的必然缺陷，因?yàn)閮夤迌?nèi)的蒸汽會逐漸減少，到彈射后期即使閥門全開，儲氣罐內(nèi)的蒸汽也已是強(qiáng)弩之末。前蘇聯(lián)人則采用滑躍式起飛，而沒有采用彈射助推法，原因有ニ，ー是北方寒冷甲板上的蒸汽會結(jié)冰；ニ是盲目相信飛機(jī)的性能，蘇-27的推重比大于F-16?；S式起飛根本就沒有利用艦載或陸基能源，而助推起飛可以節(jié)省燃油200 300公斤，相當(dāng)于F-16以900km/h平飛100公里，或相當(dāng)于提高載重量或掛彈量200 300公斤。戰(zhàn)爭武器只要略勝ー籌就是致命的，就會改變歷史進(jìn)程。而哪一國的航母如果就是限定在本國海域活動(dòng)的話，那多造點(diǎn)魚雷快艇不就行了嗎？

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中已有的飛機(jī)助推起飛器動(dòng)力不足、效率低下、質(zhì)量龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，提出內(nèi)燃蒸汽式飛機(jī)助推起飛器。本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。本發(fā)明的內(nèi)燃蒸汽式飛機(jī)助推起飛器，包括燃燒室、平衡室、氣缸、電磁活塞、電磁套環(huán)、通氣管、泄氣管、閥門A、閥門B、閥門C、閥門D、閥門E ;燃燒室的出口與平衡室通過管路連接；電磁活塞在氣缸的內(nèi)部并可滑移運(yùn)動(dòng)；電磁套環(huán)套在氣缸的外面；電磁套環(huán)在電磁活塞的電磁力的作用下跟動(dòng)；在平衡室的左端有一個(gè)閥門A，在氣缸的側(cè)壁上有4個(gè)閥門分別為閥門B、閥門C、閥門D、閥門E ;在氣缸的最左端(起點(diǎn))與平衡室通過法蘭連接；燃燒室是一個(gè)圓筒體或橢圓球體，中間有一道催化劑網(wǎng)，催化劑網(wǎng)的下面有噴油孔和噴氣孔，高壓油料通過噴油孔進(jìn)入到燃燒室中，高壓氧氣或空氣通過噴氣孔進(jìn)入到燃燒室中，混合后在燃燒室中燃燒產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)?，通過催化劑網(wǎng)使燃燒更充分，尾氣更純凈，在催化劑網(wǎng)的上面有噴水孔，高壓水通過噴水孔進(jìn)入到燃燒室后立即蒸發(fā)變成水蒸氣，使做功氣體體積增加而溫度降低；高溫高壓燃?xì)馀c水蒸氣的混合物進(jìn)入平衡室，在此水分充分蒸發(fā)，達(dá)到或接近化學(xué)平衡后，推動(dòng)氣缸內(nèi)的電磁活塞由左向右移動(dòng)，電磁活塞是ー種電磁鐵，靠電磁場的作用又帶動(dòng)電磁套環(huán)跟動(dòng)；氣缸是一根很長的管道，它由數(shù)根單缸連接而成，氣缸內(nèi)有電磁活塞滑移、夕卜有電磁套環(huán)滑移，不能用普通法蘭的連接方式；單缸的一端為楔形陰槽，另一端為楔形陽槽，兩根單缸對接后內(nèi)外壁都是平滑的，不會妨礙電磁活塞和電磁套環(huán)的移動(dòng)。每根單缸的下部還有ー個(gè)支撐腿，支撐腿上有多個(gè)螺孔；支撐腿與地面上的凹形槽軌道相連；在地基上安裝凹型槽軌道，支撐腿可以插入凹型槽軌道中，并用螺栓緊固。氣缸的具體安裝方式為先將第一根單缸與平衡室以法蘭連接，再將第一根單缸的支撐腿插入凹形槽軌道的槽中，再上螺栓，擰緊；再將第二根單缸的支撐腿插入槽中，水平推移，使兩根單缸連接起來，再上螺栓，初歩固定達(dá)到半擰緊狀態(tài)，再用千斤頂水平向左壓第二根單缸，使其與第一根單缸之間的楔形縫隙充分緊固，再擰緊螺栓，卸去千斤頂，即可達(dá)到單缸與單缸之間平滑而又緊固的連接。 電磁活塞包括電磁線圈室、液氮室、電池盒、密封圈槽和蓋板；其中，蓋板上有電池盒蓋板孔、充氮孔和放氮孔。有益效果本發(fā)明的無縫密閉式氣缸，不同于美國蒸汽彈射器的開槽式氣缸；密閉式氣缸在內(nèi)壓作用下，受環(huán)向拉力作用，而開槽式氣缸受到內(nèi)壓作用后會有使縫隙擴(kuò)張的趨勢，因此需要有很大的剛性，氣缸橫截面形狀要做成下厚上薄的彎月形；所以本發(fā)明的密閉式氣缸，在相同的直徑、相同的行程時(shí)，比美式蒸汽彈射器具有較低的壁厚，較輕的質(zhì)量，較高的壓力，較高的推力，較高的輸出功、較高的輸出功率；本發(fā)明采用的電磁傳導(dǎo)方式將能量輸出，與電磁彈射器、電磁炮的概念既有區(qū)別也有關(guān)聯(lián)，區(qū)別是本發(fā)明只是利用電磁場傳導(dǎo)力，電磁活塞與電磁套環(huán)之間幾乎無位移，所以其電磁能量消耗很小，設(shè)備輕巧簡單，而電磁彈射器或電磁炮是直接利用電磁能量推動(dòng)飛機(jī)或弾丸運(yùn)動(dòng)，其電磁能量消耗很大，需要的基礎(chǔ)設(shè)施很龐大復(fù)雜。這種電磁傳遞能量的方法，還可以消除啟動(dòng)瞬間的沖撞感；本發(fā)明的能量轉(zhuǎn)化率很高，非常節(jié)能，非常經(jīng)濟(jì)，非常環(huán)保，所以這種彈射助推起飛完全有可能擴(kuò)展到固定機(jī)場的軍用飛機(jī)、甚至是民航客機(jī)的起飛。對于民用飛機(jī)來說，因所需加速度較低，可能不需要超導(dǎo)電磁力，彈射起飛更經(jīng)濟(jì)，更安全；本發(fā)明的氣缸可以在后半段做成向上逐漸彎曲的形狀，將彈射法與滑躍式完美的結(jié)合起來，這樣中國的航母艦載機(jī)的起飛能力、續(xù)航能力、載彈量或載油量都會大大提高，達(dá)到世界領(lǐng)先水平。而美國的蒸汽彈射器的開槽式氣缸，由于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不易彎曲上翹。頂桿式、鋼繩式更無法實(shí)現(xiàn)。瓦特的蒸汽機(jī)是在外部將水燒成高溫高壓蒸汽，儲存于氣包里，通過導(dǎo)管進(jìn)入氣缸，再推動(dòng)氣缸做功。而普通的內(nèi)燃機(jī)是靠高溫高壓燃?xì)庾龉?，產(chǎn)生的熱量通過氣缸外夾套的循環(huán)水導(dǎo)出系統(tǒng)，而這種被加熱的水是完全沒有做功能力的。本發(fā)明如果采用直接內(nèi)燃法會導(dǎo)致氣缸內(nèi)溫度過高(2000°C以上)，對材料的高溫強(qiáng)度提出嚴(yán)酷的挑戰(zhàn)，可能需要現(xiàn)代納米陶瓷材料、或夾套通冷卻水等方法，這種設(shè)備是龐大的、復(fù)雜的，會有很多元器件承受不了這樣高的溫度。而內(nèi)蒸發(fā)法既降低了燃?xì)鉁囟龋植伙@著降低做功能力，真可謂ー舉兩得。本發(fā)明是將內(nèi)燃、內(nèi)蒸發(fā)、做功一氣呵成，這樣不僅可以獲得較高的做功能力，還能降低工作介質(zhì)的溫度。本發(fā)明開創(chuàng)了蒸汽機(jī)與內(nèi)燃機(jī)相結(jié)合的一條具有中國特色的技術(shù)路線。其實(shí)質(zhì)可以理解為內(nèi)燃蒸汽法，本發(fā)明將此命名為內(nèi)燃蒸汽機(jī)。本發(fā)明還提出了ー種新式剎車回位裝置。即將燃?xì)鈱?dǎo)入氣缸的尾部，利用燃?xì)馕矚猱a(chǎn)生反向力，利用可控閥門充氣排氣，最后使活塞回位。閥門動(dòng)作的控制可以采用機(jī)械傳動(dòng)法，但最好是采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制法。本發(fā)明可以根據(jù)每次發(fā)射的負(fù)荷大小、乘員的承受能力分別將計(jì)量好的油料、空氣、水注入高壓燃油儲罐、高壓空氣儲罐和高壓水儲罐，并且推力曲線易于采用計(jì)算機(jī)控制，可以兼顧舒適性和加速性。本發(fā)明的能量、功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于美國的蒸汽彈射器，完全有能カ在無飛行動(dòng)カ的條件下將50噸的軍用飛機(jī)在長度80米、時(shí)間2秒鐘內(nèi)提升到起飛速度。本系統(tǒng)的能量燃油比很高，具有非常好的經(jīng)濟(jì)效益，完全有能力在無飛行動(dòng)カ的 條件下將500噸的民用飛機(jī)在行程1000米、時(shí)間30秒鐘內(nèi)提升到起飛速度。因此本發(fā)明可能更適合民用航空。縱觀人類科學(xué)史，蒸汽機(jī)是過去時(shí)，而內(nèi)燃機(jī)是現(xiàn)代時(shí)，電磁機(jī)是將來時(shí)，本發(fā)明將三者巧妙的結(jié)合在一起，起到了揚(yáng)長避短的互補(bǔ)作用。電磁彈射系統(tǒng)在全世界來說還不成熟，完全用電磁能量來驅(qū)動(dòng)飛機(jī)是不現(xiàn)實(shí)的。就拿供電來說，航母上的電カ從何而來呢？是蒸汽！其能量鏈為核反應(yīng)堆，加熱液態(tài)金屬，再加熱軟水變成蒸汽，蒸汽推動(dòng)汽輪機(jī)，產(chǎn)生電能，電能慢慢地沖入電容器，然后在短暫的2秒鐘內(nèi)釋放推動(dòng)飛機(jī)，下一次彈射需要充電時(shí)間是多長？為了縮短充電時(shí)間，可以將平時(shí)的電能充入蓄電池，這就需要海量的蓄電池。因此我認(rèn)為電磁彈射助推起飛系統(tǒng)頂多適合于大型陸基機(jī)場，它可以聯(lián)網(wǎng)用電，而航母遠(yuǎn)離人間，無法并網(wǎng)。而本發(fā)明采用超導(dǎo)電磁原理只是カ的傳遞，而能量消耗很小。


圖I為本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為燃燒室的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為組成氣缸的單元即單缸的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為電磁活塞、電磁套環(huán)和氣缸的配合結(jié)構(gòu)示意圖；圖5為電磁活塞、電磁套環(huán)、氣缸和凹形槽軌道的配合結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為電磁活塞的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7為電磁活塞右側(cè)蓋板的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，I-燃燒室，2-平衡室,3-氣缸,4-電磁活塞,5-電磁套環(huán),6_通氣管,7_泄氣管，8-閥門A，9-閥門B, 10-閥門C，11-閥門D，12-閥門E，13-催化劑網(wǎng)，14-噴油孔，15-噴氣孔，16-噴水孔，17-楔形陰槽，18-楔形陽槽，19-支撐腿，20-凹形槽軌道，21-電磁線圈室，22-液氮室，23-電池盒，24-密封圈槽，25-蓋板，26-電池盒蓋板孔，27-充氮孔，28-放氮孔。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)ー步說明。
實(shí)施例作為航空母艦飛機(jī)彈射起飛的裝置，內(nèi)燃蒸汽式飛機(jī)助推起飛器，如圖I所示，包括燃燒室I、平衡室2、氣 缸3、電磁活塞4、電磁套環(huán)5、通氣管6和泄氣管7 ;燃燒室I的出ロ與平衡室2通過管路連接；電磁活塞4在氣缸3的內(nèi)部并可滑移運(yùn)動(dòng)；電磁套環(huán)5套在氣缸3的外面；電磁套環(huán)5在電磁活塞4的電磁力的作用下跟動(dòng)；在氣缸3的側(cè)壁上有4個(gè)閥門；燃燒室I是ー個(gè)圓筒體，如圖2所示，中間有一道催化劑網(wǎng)13，底部有噴油孔14和噴氣孔15，高壓油料(通過噴油孔14進(jìn)入到燃燒室I中)和高壓空氣(通過噴氣孔15進(jìn)入到燃燒室I中)混合后在燃燒室I中燃燒產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)猓ㄟ^催化劑網(wǎng)13使燃燒更充分，尾氣更純凈，在催化劑網(wǎng)13的上部有噴水孔16，高壓水通過噴水孔16進(jìn)入到燃燒室I后立即蒸發(fā)變成水蒸氣，使做功氣體體積增加而溫度降低；燃?xì)馀c水蒸氣的混合物進(jìn)入平衡室2,水分充分蒸發(fā),再推動(dòng)電磁活塞4從最左端向右移動(dòng)，電磁活塞4是ー種電磁鐵,它又帶動(dòng)電磁套環(huán)5跟動(dòng)；氣缸3和平衡室2通過法蘭連接，連接后兩者組成一密閉式氣缸，氣缸3和平衡室
2的內(nèi)徑均為O. 5m,外徑均為O. 54m,兩者長度和為81m,材質(zhì)均為馬氏體無縫不銹鋼管,平衡室2為ー根長度為Im的短管,氣缸3為16根長度為5m單缸拼接而成；氣缸3和平衡室2總質(zhì)量為21 25噸,組成氣缸3的單缸的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示；定義電磁活塞4的起點(diǎn)(最左端)為O點(diǎn)，O點(diǎn)向左I米為平衡室2 ;平衡室2與第一段氣缸以法蘭連接，從O點(diǎn)向右60m段為主動(dòng)段，從60m至80m段為剎車段；來自燃燒室I的燃?xì)?、水蒸氣在平衡?匯集，達(dá)到平衡、轉(zhuǎn)向?qū)钊龉?；每根單缸的下部有一個(gè)支撐腿19，支撐腿19上有8個(gè)螺孔，在地基上有一個(gè)凹型槽軌道20，也有8個(gè)對應(yīng)的螺孔，先將第一根單缸與平衡室以法蘭連接，再將第一根單缸的支撐腿19插入凹形槽軌道20的槽中，再上螺栓，擰緊；再將第二根單缸的支撐腿19插入槽中，水平推移，使兩根單缸連接起來，再上螺栓，初歩固定達(dá)到半擰緊狀態(tài)，再用千斤頂水平向左壓第二根單缸，使其與第一根單缸之間的楔形縫隙充分緊固，再擰緊螺栓，卸去千斤頂，即可達(dá)到單缸與單缸之間平滑而又緊固的連接；圖5為電磁活塞、電磁套環(huán)、氣缸和凹形槽軌道的配合結(jié)構(gòu)示意圖；平衡室2最左端有ー個(gè)閥門A8，從O點(diǎn)向右Im處有ー閥門B9，從O點(diǎn)向右60米處有ー個(gè)閥門C10，從O點(diǎn)向右70米處有ー閥門D11，從O點(diǎn)向右80米處有ー閥門E12，由計(jì)算機(jī)控制閥門A8，閥門B9，閥門C10，閥門Dll和閥門E12的開和關(guān)。由于催化劑網(wǎng)13需要預(yù)熱活化，所以在正式啟動(dòng)前，燃燒室I應(yīng)該處于微火的怠速狀態(tài)，即有很小的供油和供氣，而不需要供水，使催化劑網(wǎng)達(dá)到活化溫度以上，產(chǎn)生的尾氣通過閥門A8排掉；在啟動(dòng)前閥門A8打開，閥門B9關(guān)閉、閥門ClO關(guān)閉、閥門Dll關(guān)閉、閥門E12打開。啟動(dòng)后，閥門A8關(guān)閉，電磁活塞4的左邊產(chǎn)生60 100atm、500 600°C的中溫高壓氣體推動(dòng)活塞向右移動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)到60米后，閥門ClO打開，閥門ClO聯(lián)通通氣管6，通向閥門E12，使部分高壓氣體由此通向電磁活塞4的右邊；隨著電磁活塞4繼續(xù)右行，其右側(cè)的剎車氣壓逐漸提高，當(dāng)電磁活塞4行進(jìn)到70米處，右側(cè)與左側(cè)的氣壓相等，此處也叫等壓點(diǎn)，此后右側(cè)剎車壓カ會逐漸超過左側(cè)壓力，當(dāng)電磁活塞4移動(dòng)到閥門Dll的右邊后，閥門Dll打開，閥門Dll通過泄氣管7直通大氣，使活塞左邊氣壓驟然降低；然后閥門E12關(guān)閉，活塞最后運(yùn)動(dòng)到79m處到達(dá)止點(diǎn)，此處有一個(gè)液氮注射裝置，有8個(gè)注射頭，插入電磁活塞4的8個(gè)充氮孔27中，將液氮注入液氮室22 ;此時(shí)電磁活塞4左邊的氣壓已降低到接近latm，然后剎車段的高壓氣體推動(dòng)氣缸3向起點(diǎn)返回，即向左運(yùn)動(dòng)，在返回的起始時(shí)刻，閥門B9打開，當(dāng)返回到70米前，閥門Dll關(guān)閉，當(dāng)返回到60米前，閥門ClO關(guān)閉，返回到I米前，閥門B9關(guān)閉，越過閥門B9之后，閥門B9又打開，將氣缸3右側(cè)的廢氣排掉；10 15s延時(shí)后閥門B9關(guān)閉，閥門AS打開，微火繼續(xù)燃燒，準(zhǔn)備下一次發(fā)射；這樣就完成了ー個(gè)循環(huán)。支撐腿19的作用ー是支撐氣缸3，使80多米 長的氣缸3能夠精確地、穩(wěn)定地安裝在基座上，ニ是避免電磁套環(huán)5周向偏轉(zhuǎn)，三是給氣缸單缸提供連接力。電磁活塞4可以為常規(guī)電磁鐵,最好選用超導(dǎo)電磁鐵,如圖4和圖6所不，圖4為電磁活塞、電磁套環(huán)和氣缸的配合結(jié)構(gòu)示意圖；電磁活塞4是ー個(gè)與氣缸3內(nèi)壁密切配合的圓柱體，包括超導(dǎo)電磁線圈室21、液氮室22和電池盒23,電磁活塞4的兩邊各有一組密封圈槽24，用來安裝密封圈(或活塞環(huán))，中部為電磁鉄；電磁活塞4靠平衡室2的ー側(cè)(左偵D的端面是封閉的，略有凹陷型，并涂覆ー層耐高溫隔熱材料，可以是無機(jī)粘合劑涂料，也可以是有機(jī)硅類涂料，還可以是有機(jī)-無機(jī)雜化耐溫涂料；電磁活塞4的右端面與ー個(gè)蓋板25相連，該蓋板25通過螺釘與電磁活塞4相連，電磁活塞4的最中間的圓柱形的槽是電池盒23，可以安裝高能電池；電池盒23的外圈是液氮室22，液氮室22是ー個(gè)環(huán)形空腔，在電池盒23與液氮室22之間有保溫隔熱涂層；液氮室22的外圈是電磁線圈室21，也是氮?dú)庹舭l(fā)室，在液氮室22與電磁線圈室21之間的壁上有許多個(gè)微孔，液氮通過微孔進(jìn)入電磁線圈室21，并蒸發(fā)使線圈溫度降低，獲得超導(dǎo)狀態(tài)；如圖7所示，蓋板25最中心的大孔為電池盒蓋板26，在電池盒蓋板26的外圍ー圈8個(gè)小孔是充氮孔27，充氮孔27為單向氣閥，液氮只能注入，不能跑出；在充氮孔27外的ー圈8個(gè)小孔為放氮孔28，氮?dú)馔ㄟ^放氮孔28再一次膨脹進(jìn)入氣缸3，并對氣缸3產(chǎn)生一定降溫作用。電磁套環(huán)5可以為常規(guī)電磁鐵，最好選用超導(dǎo)電磁鐵，其長度與電磁活塞4基本相同，也可略長一點(diǎn)，內(nèi)徑比氣缸外徑略大，如取541mm ;由幾十組或上百組電磁鐵構(gòu)成，其極向與電磁活塞4的正好相吸，電磁線圈的數(shù)量與電磁活塞4中的完全相等；排布相位與電磁活塞4中的一一相對；其電源可以是電池，在其尾端面也設(shè)置充氮孔，前端面設(shè)置放氮孔；同樣是利用液氮的蒸發(fā)產(chǎn)生低溫超導(dǎo)，提供超強(qiáng)電磁吸引力。電磁套環(huán)5的環(huán)形磁鐵的下部有ー個(gè)開槽，與氣缸3外壁下端的支撐腿19相配合；在電磁套環(huán)5的上部有ー個(gè)鯊魚鰭狀的凸臺，伸出甲板，與推動(dòng)飛機(jī)的滑車相連。燃燒室I中的催化劑網(wǎng)13，是以氧化鋁多孔蜂窩狀陶瓷材料為基體，吸附了氧化鈰、稀土材料等的一種燃燒催化劑；燃燒室可以是ー個(gè)，也可以是數(shù)個(gè)。高壓燃油注射泵根據(jù)發(fā)射載荷所需要的油料注入儲油缸中，利用油壓機(jī)原理，可以賦予油料很高的壓力，彈射飛機(jī)時(shí)，可以在2秒鐘內(nèi)將高壓燃油噴射入燃燒室?？梢杂糜?jì)算機(jī)控制油速-行程(或時(shí)間)曲線，如可采用先慢后快的方案，這樣在啟動(dòng)的瞬間飛行員沒有沖撞感，起飛平穩(wěn)。毎次所用燃油的量可以根據(jù)飛機(jī)的起飛總質(zhì)量進(jìn)行調(diào)節(jié)，科學(xué)合理節(jié)約。高壓空氣注射泵原理同高壓燃油注射泵。高壓水注射泵原理同高壓燃油注射泵。本實(shí)施例的內(nèi)燃蒸汽式飛機(jī)助推起飛器每次能彈射50噸重的飛機(jī)，需要柴油10千克，壓縮空氣15千克，蒸餾水100千克，就能使飛機(jī)在無自身動(dòng)力、有效行程60米、時(shí)間2秒鐘內(nèi)獲得183千米/小時(shí)的起飛速度。其加速度為2. 6G。請注意上述性能只是ー套氣缸提供的，而美國的蒸汽式助推器需要兩套并排，而且需要飛機(jī)的推力，有時(shí)還要借助風(fēng)カ和航速。能量計(jì)算燃油以柴油、氧料為空氣。柴油的燃燒反應(yīng)化學(xué)方程式為C16H34+24. 502 = 16C02+17H20 (液)+ 燃燒熱由上式可知，I公斤柴油理論上需要3. 47公斤氧氣完全燃燒，3470克氧氣合108. 4mol (物質(zhì)的量)，在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下該氧氣的體積為2429升，它所對應(yīng)的空氣的體積為11567升，其中所含氮?dú)鉃?138升，該氮?dú)獾奈镔|(zhì)的量合408mol，質(zhì)量合11422克。如果燃燒10千克柴油，則需要標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的空氣115670升(148. 92千克)，產(chǎn)生31. 15千克的CO2氣(合708mol)，13. 54千克的氣態(tài)水(合752mol)，114. 22千克的氮?dú)?合4079mol)、并產(chǎn)生460MJ的熱量。注意燃燒熱的定義是規(guī)定生成物水為液態(tài)。燃燒產(chǎn)生的熱量在忽略損耗的情況下，能將自身尾氣加熱到的溫度，計(jì)算如下Q = Q顯熱+Q潛熱=ΔΤ · Σ (Cp · M)+ Σ (Ca · M)式中Q:總?cè)紵裏?，kj。Qsa :物質(zhì)從常溫加熱到火焰燃燒溫度在無相轉(zhuǎn)變時(shí)所需的熱量，kj。Qits :當(dāng)物質(zhì)發(fā)生相轉(zhuǎn)變時(shí)所需的熱量，kj。在此為液態(tài)水轉(zhuǎn)化成氣態(tài)水所需的潛熱。AT :火焰燃燒溫度與常溫之差，K。Cp :物質(zhì)的比熱容，kj/kg · K。ニ氧化碳為O. 8kJ/kg · K，氣態(tài)水為2. lkj/kg · K，氮?dú)鉃?I. 047kJ/kg · KCa :物質(zhì)發(fā)生相轉(zhuǎn)變的比熱容，kj/kg。水為2260kJ/kg。M :各種物質(zhì)的質(zhì)量，kg。I、無降溫劑水的情況460,000 = ΔΤ(31. 15X0. 8+13. 54X2. 1+114. 22X1. 047)+13. 54X2260ΔΤ = 2482K，若起始溫度為25 °C = 298K，則火焰燃燒溫度為T = 2780Κ在高溫狀態(tài)下，CO2、水蒸氣、氮?dú)?，皆視為理想氣體。n = nC02 + Tifi2O + nN2 = 5 53 9wo/設(shè)定氣缸的內(nèi)徑為0.5米，則氣體膨脹到行程L米時(shí)的壓カ為P = η · R · T/V = 5539X0. 082 X 2780/196L = 6442/LL = 60 米時(shí)，氣壓為 107 大氣壓(atm)。latm = 101325Pa通過控制原料的噴射速度，可以保證平衡壓カ從開始到60米均為107atm。平衡推力F = 107X 10 1 3 2 5 X 3. 14 X 0 . 252 = 2. 13X IO6 牛頓(N)平均加速度取總載荷(飛機(jī)+附件)為50噸，50，OOOkga = F/m = 2. 13 X 106N/5 X 104kg = 42. 6M/S2 = 4. 34G,G = 9.8m/s2。
50噸的飛機(jī)在加速度4. 34G條件下運(yùn)行2秒鐘，速度達(dá)到85. 2m/s = 307km/h。距離(行程)走過60米,需要功(能量)A = F · S = 128MJ。而10公斤柴油放出的能量為460MJ，因此考慮到各項(xiàng)損耗，也是完全夠用的。其能量轉(zhuǎn)化率為28%。
2、如果導(dǎo)入100千克常溫純凈水460000 = 173 Δ T+100 X2. I Δ T+ (13. 54+100) X 2260ΔΤ = 531K, T = 829K = 556 °C。n = nc02 +nrro + nN = 5539mlo + 5555mol = 11095wo/P = n · R · T/V = 11095X0. 082X829/196L = 3848/L當(dāng)L = 60米處的氣壓為64atm。通過控制原料的噴射速度，可以保證平衡壓カ從開始到60米均為64atm。平衡推力F= 64X 10 1 3 2 5 X 3. 14 X 0 . 252 = I. 27X IO6N平均加速度取載荷(飛機(jī))總質(zhì)量為50噸，50，OOOkga = I. 27X 106N/5X 104kg = 25. 45M/S250噸的飛機(jī)在加速度25. 45M/S2條件下運(yùn)行2秒鐘，速度達(dá)到50. 9m/s = 183km/h0雖然導(dǎo)入水后，總的能量轉(zhuǎn)化率有所降低，但是，溫度降低到500°C，很多金屬材料完全可以承受，而不需要像汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸外面還要加夾套通冷卻水。氣缸的強(qiáng)度計(jì)算氣缸為無縫鋼管，材質(zhì)使用馬氏體不銹鋼，型號如00Crl INi I IMoTi，常溫拉伸強(qiáng)度為1600MPa，最高使用溫度約1300°C，600°C時(shí)的拉伸強(qiáng)度為[σ ] = 500MPa，取氣缸內(nèi)徑d = 500_，若內(nèi)壓為IOOatm = lOMPa，則壁厚為δ = P · D/2[o ] = IOMPaX500mm/2X500MPa = 5mm。再打個(gè)安全系數(shù)，再考慮到接ロ、磨損等因素，取壁厚為20mm，S卩外徑D = 540mm,不銹鋼的密度取為8g/cm3 = 8000kg/m3，則80米的氣缸總質(zhì)量為3. 14 (0 . 272-0 . 252) X 80 X 80 00 = 10 2 50kg = 21 噸實(shí)施例適用于民航客機(jī)的飛機(jī)助推起飛器基本結(jié)構(gòu)與實(shí)施例I相同，只是氣缸管道需要很長，加速度不要太大，需要數(shù)根并聯(lián)，計(jì)算如下設(shè)氣缸內(nèi)徑為O. 4m，長度為1000m;燃油100kg，在加水IOOOkg的情況下，燃燒平均壓カP = η · R · T/V = (55390+55550) X O. 082 X 829/3. 14 X O. 22 X 1000 X 1000 升 /m=60atm每套氣缸內(nèi)的活塞受到的推力為F = 60X 10 1 3 2 5 X 3. 14 X 0 . 22 = O. 76X IO6N平均加速度如果助推A-380空中客車，起飛最大總質(zhì)量為500噸=500, OOOkg,這時(shí)若用4套裝置，則共燃燒400kg柴油，共蒸發(fā)4噸自來水，總推力為F = 3. 04X IO6Na = 3. 04X 106N/5X105kg = 6. 08M/S2，一般乘客的心臟可能受不了。若用3套裝置，燃燒300kg柴油，蒸發(fā)3噸自來水，總推力為F = 2. 28X IO6N
a = 2. 28X 106N/5X105kg = 4. 56M/S2，此加速度一般乘客應(yīng)能承受。加速度的依據(jù)根據(jù)本人駕駛奔馳小跑車的經(jīng)歷，該車排量3. 5升，其加速性能為從靜止到100km/h需時(shí)5. 6秒,相當(dāng)于加速度a = 5m/s2,對于一般乘客來說已略感不適，所以民航飛機(jī)的加速度不能超過此限度，可暫定為上限為O. 5G。500噸的飛機(jī)在加速度為5M/S2條件下運(yùn)行20秒鐘，速度可達(dá)到100m/s = 360km/h，行程正好1000米。耗用柴油350公斤。而據(jù)說民航客機(jī)A-380起飛耗油量高達(dá)十幾噸。當(dāng)然這可能是包含起飛后爬升到一定高度的油耗。民航飛機(jī)助推起飛對改善安全性的作用如果沒有助推起飛，飛機(jī)就要開足馬力，發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)件在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)磨損加劇，溫升達(dá)到極限，這時(shí)熱氧老化、機(jī)械磨損速度加劇。若有助推起飛，飛機(jī)只需按巡航速度、或經(jīng)濟(jì)速度運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)。由此分析，可以預(yù)見飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命可以顯著提高、事故率可以大大降低。 ·
權(quán)利要求
1.內(nèi)燃蒸汽式飛機(jī)助推起飛器，其特征在于包括燃燒室(I)、平衡室(2)、氣缸(3)、電磁活塞⑷、電磁套環(huán)(5)、通氣管(6)、泄氣管(7)、閥門A(8)、閥門B(9)、閥門C(10)、閥門D(ll)、閥門E(12);燃燒室⑴的出口與平衡室⑵通過管路連接；電磁活塞⑷在氣缸⑶的內(nèi)部并可滑移運(yùn)動(dòng)；電磁套環(huán)(5)套在氣缸(3)的外面；電磁套環(huán)(5)在電磁活塞(4)的電磁力的作用下跟動(dòng)；在平衡室(2)的左端有一個(gè)閥門A(8)，在氣缸(3)的側(cè)壁上有4個(gè)閥門分別為閥門B(9)、閥門C(10)、閥門D(ll)、閥門E(12);在氣缸⑶的最左端與平衡室(2)通過法蘭連接；燃燒室(I)是ー個(gè)圓筒體或橢圓球體，中間有一道催化劑網(wǎng)(13)，催化劑網(wǎng)(13)的下面有噴油孔(14)和噴氣孔(15)，高壓油料通過噴油孔(14)進(jìn)入到燃燒室(I)中，高壓氧氣或空氣通過噴氣孔(15)進(jìn)入到燃燒室(I)中，高壓油料和高壓氧氣或空氣混合后在燃燒室(I)中燃燒產(chǎn)生高溫高壓燃?xì)?，通過催化劑網(wǎng)(13)使燃燒更充分，在催化劑網(wǎng)(13)的上面有噴水孔(16)，高壓水通過噴水孔(16)進(jìn)入到燃燒室(I)后立即蒸發(fā)變成水蒸氣，使做功氣體體積增加而溫度降低；高溫高壓燃?xì)馀c水蒸氣的混合物進(jìn)入平衡室(2)，在此水分充分蒸發(fā)，達(dá)到化學(xué)平衡后，推動(dòng)氣缸(3)內(nèi)的電磁活塞(4)由左向右移動(dòng)，電磁活塞⑷是ー種電磁鐵，靠電磁場的作用帶動(dòng)電磁套環(huán)(5)跟動(dòng)； 氣缸(3)是ー根很長的管道，它由數(shù)根單管連接而成，單管的一端為楔形陰槽(17)，另一端為楔形陽槽(18)，兩根單管對接后內(nèi)外壁都是平滑的；每根單管的下部還有ー個(gè)支撐腿(19)，支撐腿(19)上有螺孔；支撐腿(19)插入地面上的凹形槽軌道(20)中，并固定在凹型槽軌道(20)中； 電磁活塞(4)包括電磁線圈室(21)、液氮室(22)、電池盒(23)、密封圈槽24和蓋板(25)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的內(nèi)燃蒸汽式飛機(jī)助推起飛器，其特征在干電磁活塞(4)為超導(dǎo)電磁鐵。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的內(nèi)燃蒸汽式飛機(jī)助推起飛器，其特征在干電磁活塞(4)靠平衡室(2)的一側(cè)的端面是封閉的，略有凹陷型，并涂覆ー層耐高溫隔熱材料；電磁活塞(4)的右端面與蓋板(25)相連，蓋板(25)通過螺釘與電磁活塞⑷相連，電磁活塞⑷的最中間的圓柱形的槽是電池盒(23);電池盒(23)的外圈是液氮室(22)，液氮室(22)是ー個(gè)環(huán)形空腔，在電池盒(23)與液氮室(22)之間有保溫隔熱涂層；液氮室(22)的外圈是電磁線圈室(21)，也是氮?dú)庹舭l(fā)室，在液氮室(22)與電磁線圈室(21)之間的壁上有許多個(gè)微孔，液氮通過微孔進(jìn)入電磁線圈室(21)，并蒸發(fā)使線圈溫度降低，獲得超導(dǎo)狀態(tài)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的內(nèi)燃蒸汽式飛機(jī)助推起飛器，其特征在于耐高溫隔熱材料為無機(jī)粘合劑涂料、有機(jī)硅類涂料或有機(jī)-無機(jī)雜化耐溫涂料。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的內(nèi)燃蒸汽式飛機(jī)助推起飛器，其特征在于蓋板(25)上有電池盒蓋板孔(26)、充氮孔(27)和放氮孔(28);蓋板(25)最中心的大孔為電池盒蓋板(26)，在電池盒蓋板(26)的外圍ー圈8個(gè)小孔是充氮孔(27)，充氮孔(27)為單向氣閥，液氮只能注入，不能跑出； 在充氮孔(27)外的ー圈8個(gè)小孔為放氮孔(28)，氮?dú)馔ㄟ^放氮孔(28)再一次膨脹進(jìn)入氣缸(3)，并對氣缸(3)產(chǎn)生降溫作用。
全文摘要
本發(fā)明涉及內(nèi)燃蒸汽式飛機(jī)助推起飛器，屬于飛機(jī)助推起飛技術(shù)領(lǐng)域。包括燃燒室、平衡室、氣缸、電磁活塞、電磁套環(huán)、通氣管、泄氣管、五個(gè)閥門；燃燒室的出口與平衡室通過管路連接；電磁活塞在氣缸的內(nèi)部并可滑移運(yùn)動(dòng)；電磁套環(huán)套在氣缸的外面；電磁套環(huán)在電磁活塞的電磁力的作用下跟動(dòng)；在平衡室的左端有一個(gè)閥門，在氣缸的側(cè)壁上有4個(gè)閥門；燃燒室上有催化劑網(wǎng)、噴油孔、噴氣孔和噴水孔，高壓油料和高壓氧氣在燃燒室燃燒產(chǎn)生燃?xì)?，高壓水通過噴水孔進(jìn)入到燃燒室后蒸發(fā)變成水蒸氣，然后與燃?xì)膺M(jìn)入平衡室，推動(dòng)電磁活塞移動(dòng)，電磁套環(huán)跟動(dòng)。本發(fā)明的電磁能量消耗小，設(shè)備輕巧簡單；本發(fā)明的能量轉(zhuǎn)化率很高，節(jié)能，經(jīng)濟(jì)，環(huán)保。
文檔編號B64D41/00GK102745333SQ201210267029
公開日2012年10月24日 申請日期2012年7月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月31日
發(fā)明者尹建鋒, 李宬, 李文鐸 申請人:李文鐸