一种飞轮储能推进装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于推进技术，具体涉及为一种利用飞轮储能系统的推进装置。
【背景技术】
[0002]如果要在3秒钟之内、把几十吨的战机、在100米左右的航空母舰甲板跑道上、以每小时200?300公里以上的速度弹射出去，需要几百兆焦耳的能量。一般的发动机难以在短时间内提供如此大的功率输出。通常采用储能方式，例如用高温蒸汽储能，然后通过长程气缸将蒸汽内能变成机械能将飞机弹射出去；或者通过超级电容储能放电，抑或高速飞轮储能，带动发电机发电，利用直线电机中载流导线在磁场中受力、磁通量巨大的瞬间变化而产生的感应电磁斥力将飞机弹射升空。蒸汽弹射是美国等国家现役航母上普遍采用的技术，电磁弹射尚处于技术研发阶段，还没有真正的现役产品。上述两种弹射方式，各有特点，世界上几个大国正在争相发展。但是，无论是蒸汽弹射还是电磁弹射，技术上的复杂性、设备的可靠性、整体尺寸、造价、维护费用和能量转换效率等，都是长期来人们研究讨论的难题。例如，蒸汽弹射技术具有尺寸大、制造成本高，效率低，配套设施多，系统烦琐，各个环节要求高；使用、维护成本大，U型密封条更换频繁而又十分麻烦，对材质要求高；需消耗大量淡水，美国曾为此考虑过蒸汽冷凝回收装置，终因体积大及效率低而取消。电磁弹射器虽然比蒸汽弹射体积小，但系统非常复杂，对材料、技术、机电控制、维护等方面的要求更高。
【发明内容】
[0003]本发明提出了一种飞轮储能推进装置，能够提供足够的能量完成推进，适用于无人飞机、战斗机、预警机等在航空母舰甲板上的弹射起飞，以及火箭、导弹等的垂直助推等。
[0004]本发明的技术方案为；
[0005]一种飞轮储能推进装置，包括电动机组或内燃机组、传动装置、飞轮储能系统、能量释放装置、导索、滑轮组、滑车、滑车轨道；电动机组或内燃机组通过传动装置向飞轮储能系统提供能量储备，飞轮储能系统通过能量释放装置释放能量，能量释放装置与导索相连，能量释放时，导索沿着滑轮组牵引滑车在滑车轨道上运动，滑车为待推进设备提供推进力。
[0006]飞轮储能系统包括支撑结构、轴、轴承、驱动轮、储能飞轮、能量释放装置耦合轮、冷却系统、润滑系统和状态监测系统，轴通过轴承安装于支撑机构上，轴的一端安装驱动轮、轴的另一端安装能量释放装置耦合轮、轴的中部安装储能飞轮。储能飞轮为两组，两组储能飞轮转速相同、转向相反。
[0007]能量释放装置为卷索机，卷索机由轴体和导索组成，轴体外圈设置导索槽。
[0008]轴体为恒定轴径结构或变轴径结构。
[0009]当轴体为圆台状变轴径结构时，可以有单个或两个变轴径段:分别为小轴径段和大轴径段；与飞轮储能系统的能量释放装置耦合轮相耦合的驱动轮也有两个，分别为低速驱动轮和高速驱动轮；机械和光电传感器监测到钢索在小轴径段和大轴径段之间转换时，通过离合机构切换与飞轮储能系统的能量释放装置耦合轮相耦合的驱动轮。
[0010]一种飞轮储能推进装置的弹射方法，其特征在于:
[0011]待推进设备为飞机时，弹射过程用飞机弹射方程(I)描述:
[0012]ε.dEflywheels (t) +Fpush.dl (t) = dEcoupler (t) +dEaircraft (t) +maircraftg.dl (t) sin Θ (I)
[0013]其中t表示时间、Eflywheels(t)表示储能飞轮总的转动能量、Ecoupler (t)表示变轴径耦合器的转动能量、Eairaaft表示飞机的动能、ε表示能量转换效率、I (t)为飞机在滑行方向上滑行距离。
[0014]一种飞轮储能推进装置的弹射方法，其特征在于:
[0015]待推进设备为火箭或导弹时，其垂直助推过程可以用火箭/导弹的助推方程(2)描述:
[0016]ε.dEflywheels (t) = dEcoupler (t) +dEhoist (t) +dErocket (t) +mrocketg.dl (t) (2)
[0017]其中t表示时间、Eflywheels(t)表示储能飞轮总的转动能量、Ecoupler (t)表示变轴径耦合器的转动能量、ε表示能量转换效率、mMC;krt火箭/导弹的质量，g表示重力加速度值，l(t)为火箭/导弹向上飞行距离。其中Ehtjist (t)表示不变直径卷索机的转动能量。
[0018]本发明与其他形式的储能弹射技术相比，具有以下特点:
[0019](I)储能密度高，可以采用普通钢材或铅。弹射装置体积小，2个50吨重的钢质储能飞轮的体积仅约13立方米，其他附属设备的体积更小。相比目前美军蒸汽弹射器的储气罐体积高达200立方米以上、设备总重500吨以上，本发明的弹射装置总体尺寸和重量显著减小。
[0020](2)变轴径机械的能量耦合方式，能量转换效率高，过程完全可控。
[0021](3)设备易于制造，寿命长，各种部件不需要频繁更换。
[0022](4)低投资，总投资比蒸汽弹射器和电磁弹射器低数倍。
[0023](5)低成本运营，无需淡水，运营成本比蒸汽弹射器和电磁弹射器低数倍。
[0024](6)结构简单，操作复杂度减低，不易出故障，可控性和可靠性高，容易维修，低噪音，安全，容易管理、使用和测试。
[0025](7)使用环境条件要求低，无污染。
[0026](8)即使对弹射装置的结构不做任何改动、参数不变的情况下，马上可以从弹射重型战机模式改为弹射小型无人机模式，模式间转换无任何技术障碍和潜在危害。
[0027](9)适用于无人机、战机、预警机、火箭、导弹等各种质量级别的物体按预定参数变化曲线进行弹射和推进。
[0028](10)弹射过程可控，加速度、速度、滑行距离等的变化过程可以根据需要和飞机、导弹或火箭的质量大小进行优化。
[0029](11)飞机的弹射或火箭、导弹的推进过程中对机载人员和设备的影响小，对船舶主机功率和正常航行的影响小。
【附图说明】
[0030]图1航空母舰舰载飞机弹射装置示意图；
[0031]图2火箭助推装置示意图；
[0032]图3飞轮储能系统结构示意图；
[0033]图4变轴径f禹合系统结构不意图；
[0034]图5不变轴径卷索机结构示意图；
[0035]图6弹射35吨飞机过程参数随时间的变化:(a)变轴径卷索机半径随时间的变化；(b)飞机滑行距离随时间的变化；(c)飞机速度随时间的变化；⑷飞机加速度随时间的变化；
[0036]图7弹射12吨飞机过程参数随时间的变化:(a)变轴径卷索机半径随时间的变化；(b)飞机滑行距离随时间的变化；(c)飞机速度随时间的变化；(d)飞机加速度随时间的变化；
[0037]图8助推100吨火箭过程参数随时间的变化:(a)变轴径卷索机半径随时间的变化；(b)火箭滑行距离随时间的变化；(c)火箭速度随时间的变化；(d)火箭加速度随时间的变化；
[0038]图9弹射40吨飞机过程参数随时间的变化:(a)飞机速度随时间的变化；(b)飞机加速度随时间的变化；
[0039]图10弹射40吨飞机过程参数随时间的变化:(a)飞机速度随时间的变化；(b)飞机加速度随时间的变化。
【具体实施方式】
[0040]下面结合附图通过具体实施例的方式对本发明做进一步阐述:
[0041]如图1所示:推进装置的电动机组I通过传动装置2带动飞轮3转动，将电能或其他机械的能量(如内燃机、汽轮机等)储存在飞轮中。对于航空母舰，为了克服额外角动量和侧向扭矩对船舶航行的影响，通过齿轮组4(包括齿轮