李 昕，何肇雄，劉曉明，張浩成

(1.成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司技術(shù)中心， 成都 610000；2.海軍研究所 艦載機(jī)作戰(zhàn)研究與評估中心， 北京 100000)

艦載機(jī)是航空母艦的主要攻防武器，而艦載機(jī)起降技術(shù)是影響艦載機(jī)作戰(zhàn)性能的關(guān)鍵問題，也是影響航空母艦戰(zhàn)斗力的重要因素[1-2]。由于航母上飛行甲板跑道長度有限，對艦載機(jī)的降落滑跑距離提出了極高的要求。為了解決這一難題，航母普遍使用攔阻系統(tǒng)縮短飛機(jī)降落的滑跑距離。飛機(jī)在攔阻鉤掛索的過程中，飛機(jī)機(jī)身經(jīng)歷復(fù)雜受力條件下的動(dòng)響應(yīng)過程，掌握飛機(jī)掛索攔阻時(shí)的過載、應(yīng)力及應(yīng)變響應(yīng)過程，這對指導(dǎo)飛機(jī)設(shè)計(jì)，保證攔阻階段安全有重要意義。

國外對艦載機(jī)攔阻過程的研究起步較早，有較多的理論、仿真及試驗(yàn)成果，并通過這些成果建立了軍標(biāo)[3-9]。其主要關(guān)注點(diǎn)集中在兩方面：一方面是導(dǎo)致攔阻著艦過程的復(fù)雜性的原因上，如分析攔阻鉤裝置、攔阻裝置的工作原理、所受載荷等；另一是如何通過提升攔阻性能以提高艦載飛機(jī)的著艦成功率。Thomlinson[10]、Billec[11-12]等對攔阻鉤的動(dòng)力學(xué)性能做了較深入的研究，美軍標(biāo)MIL-STD-2066在大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上給出了不同攔組系統(tǒng)中不同質(zhì)量、速度的艦載飛機(jī)的攔阻鉤載荷變化規(guī)律；Ringleb[13]、Gibson[14]、Leask[15]等對攔阻索的動(dòng)力學(xué)理論及模型做了詳細(xì)研究；Montgomery和 Granda[16]創(chuàng)建了可以模擬攔阻全過程的仿真方法。

國內(nèi)相關(guān)研究尚處于起步狀態(tài)，缺少試驗(yàn)數(shù)據(jù)，主要是利用國外公布的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對艦載機(jī)攔阻著艦進(jìn)行理論和仿真計(jì)算研究分析。柳剛[17]運(yùn)用碰撞理論建立了攔阻鉤-道面的碰撞模型；高澤迥[18]運(yùn)用波動(dòng)傳載理論，分析了飛機(jī)攔阻偏心程度和不同索材料對索應(yīng)變動(dòng)載的影響，并對阻中出現(xiàn)的攔阻鉤振動(dòng)作了闡明和分析；柳剛、朱琳[19]、張卓坤[20]等都對非對稱攔阻時(shí)起落架上載荷變化進(jìn)行了深入研究；高華鋒[21]對艦載機(jī)攔阻的剛?cè)狁詈蟿?dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究。

綜上所述，現(xiàn)有研究主要集中在動(dòng)力學(xué)仿真等內(nèi)容，而對相關(guān)地面攔阻的模擬試驗(yàn)開展較少，本研究對攔阻著艦地面模擬沖擊試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置、試驗(yàn)件、加載方法及載荷選擇做了研究分析，通過對試驗(yàn)加載數(shù)據(jù)特性和實(shí)測過載結(jié)果的分析，驗(yàn)證了該試驗(yàn)?zāi)軌蜉^好地模擬艦載機(jī)攔阻著陸過程，為飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及動(dòng)強(qiáng)度校核提供數(shù)據(jù)支撐。

1 試驗(yàn)原理

現(xiàn)有技術(shù)中通常采用靜力試驗(yàn)研究攔阻著陸對艦載機(jī)的影響，如圖1所示，靜力試驗(yàn)是將前機(jī)身進(jìn)行固支約束，并在攔阻鉤頭處逐級施加攔阻載荷并測量機(jī)體結(jié)構(gòu)應(yīng)變的方法來驗(yàn)證機(jī)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，這種試驗(yàn)方法存在兩個(gè)問題:

圖1 靜力試驗(yàn)裝置示意圖

1) 此處加載的攔阻載荷并不能反映真實(shí)的攔阻著艦載荷。真實(shí)的攔阻著艦載荷在沖擊的瞬間迅速增大，然后很快衰減。如果將真實(shí)的攔阻著艦載荷的峰值作為攔阻工況靜力試驗(yàn)的載荷，對結(jié)構(gòu)逐級加載，使載荷持續(xù)作用于結(jié)構(gòu)，明顯不符合沖擊的特點(diǎn)，且結(jié)構(gòu)更容易破壞；按該載荷條件來設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)過強(qiáng)，亦不符合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。

2) 對前機(jī)身進(jìn)行固支約束，導(dǎo)致整個(gè)試驗(yàn)件不能夠運(yùn)動(dòng)，明顯不符合艦載機(jī)攔阻著陸過程中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)機(jī)體受力狀態(tài)不準(zhǔn)確。

為了改善以上所述問題，需要設(shè)計(jì)一套能夠在攔阻鉤頭處施加沖擊載荷，使得試驗(yàn)件在受到?jīng)_擊載荷時(shí)，能夠自由運(yùn)動(dòng)的試驗(yàn)裝置，以較準(zhǔn)確地模擬攔阻著陸過程中主傳力和關(guān)鍵連接部位的受力情況。

2 試驗(yàn)方法

2.1 試驗(yàn)裝置

為了滿足前文所述試驗(yàn)要求，使飛機(jī)能夠在受到?jīng)_擊載荷時(shí)自由運(yùn)動(dòng)，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)裝置，整套試驗(yàn)裝置包括3個(gè)部分，如圖2所示，分別為：

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖

1) 攔阻裝置，用于試驗(yàn)的加載及攔阻，其中有：

a) 彈簧儲能系統(tǒng)，用于對儲存對試驗(yàn)件加載沖擊載荷的能量，該系統(tǒng)由15根高強(qiáng)度彈簧組成的3×5的彈簧組成，彈簧剛度系數(shù)為11 421 Nm，彈簧儲能系統(tǒng)的變形能力為1.5 m，儲能能力為128 487.4 J。彈簧儲能系統(tǒng)前端固定于地面基礎(chǔ)，后端與加載連桿相連，試驗(yàn)過程通過作動(dòng)筒加載系統(tǒng)壓縮彈簧系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)儲能。

b) 作動(dòng)加載系統(tǒng)，連接彈簧儲能系統(tǒng)與試驗(yàn)件，用于載荷的傳遞，該系統(tǒng)包括加載連桿、張力銷和作動(dòng)筒。整個(gè)加載裝置位于滑軌下方。作動(dòng)筒端部固定，另一端和加載連桿之間通過張力銷相連，加載連桿另一端與彈簧儲能系統(tǒng)相連。加載連桿中的連接橫桿與攔阻鉤相連，兩者之間存在3 mm左右的間隙。

c) 攔阻鉤裝置，與試驗(yàn)件和攔住裝置相連，如圖3所示。

圖3 攔阻鉤裝置

2) 支撐裝置，位于攔阻裝置上方，是用于支撐試驗(yàn)件的水平導(dǎo)軌，水平導(dǎo)軌使用工字粱，通過支架固定于試驗(yàn)室地軌上，以確保攔阻沖擊試驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)件組件可沿水平方向自由運(yùn)動(dòng)，即確保試驗(yàn)件航向?yàn)樽杂蔂顟B(tài)。

3) 阻尼裝置，也就是該套試驗(yàn)裝置的剎車系統(tǒng)，位于彈性組件上方。采用摩擦力原理由兩邊夾板提供壓力，中部頂桿運(yùn)動(dòng)時(shí)可產(chǎn)生摩擦阻力，通過調(diào)節(jié)兩邊的夾板可調(diào)節(jié)摩擦力大小。剎車系統(tǒng)的最大剎車距離為1.5 m，摩擦力控制范圍為10～25 kN運(yùn)動(dòng)的試驗(yàn)件通過后機(jī)身假件端部撞上剎車緩沖系統(tǒng)，在剎車緩沖系統(tǒng)的作用下試驗(yàn)件逐漸減速為零，試驗(yàn)中可能出現(xiàn)二次碰撞的情況。在試驗(yàn)中控制剎車系統(tǒng)提供的摩擦力小于20 kN，保證試驗(yàn)件在剎停過程中的安全。

2.2 試驗(yàn)件

基于上述試驗(yàn)方案，對國外某艦載機(jī)的主傳力及關(guān)鍵連接部位進(jìn)行了試驗(yàn)研究。為減小試驗(yàn)規(guī)模，控制試驗(yàn)成本，適應(yīng)試驗(yàn)場地條件，達(dá)到研究攔阻過程中主傳力及關(guān)鍵連接部位的受力情況的目的，通過對該飛機(jī)的合理假設(shè)簡化，設(shè)計(jì)了試驗(yàn)件，如圖4所示。試驗(yàn)件主要包括3個(gè)部分：

圖4 試驗(yàn)件示意圖

1) 試驗(yàn)件主結(jié)構(gòu)，通過對國外艦載機(jī)的研究，對其主傳力及關(guān)鍵連接部位進(jìn)行了簡化設(shè)計(jì)，去除了部分蒙皮和口蓋，添加了部分試驗(yàn)件與試驗(yàn)裝置的連接組件，以方便試驗(yàn)件能夠穩(wěn)定放置在試驗(yàn)裝置上。

2) 攔阻鉤試驗(yàn)件，連接試驗(yàn)件主結(jié)構(gòu)和攔阻裝置。

3) 對國外艦載機(jī)的前機(jī)身、后機(jī)身、機(jī)翼和燃油的質(zhì)量重心進(jìn)行了合理假設(shè)并制造了假件與試驗(yàn)件主結(jié)構(gòu)相連。前后機(jī)身假件通過高強(qiáng)度螺栓與中機(jī)身框相連，機(jī)翼假件通過在機(jī)腹附近預(yù)留的螺紋孔與中機(jī)身試驗(yàn)件固接，攔阻鉤通過可旋轉(zhuǎn)接頭與中機(jī)身攔阻接頭連接。

2.3 試驗(yàn)加載方法

將試驗(yàn)件放置于支撐裝置的水平導(dǎo)軌上，形成完整的試驗(yàn)加載裝置，如圖5所示，攔阻鉤鉤頭通過加載連桿，一端連接彈簧系統(tǒng)，另一端通過張力銷連接作動(dòng)筒，攔阻鉤與地面夾角為4°。試驗(yàn)開始，作動(dòng)筒沿航向拉加載連桿，彈簧儲能系統(tǒng)和加載連桿同步運(yùn)動(dòng)，同時(shí)加載連桿中頂桿推動(dòng)試驗(yàn)件也隨作動(dòng)筒同步運(yùn)動(dòng)。在這個(gè)過程中，彈簧變形儲能，作動(dòng)筒與彈簧系統(tǒng)受力平衡，因此試驗(yàn)件不受力。

圖5 完整試驗(yàn)加載裝置示意圖

當(dāng)作動(dòng)筒加載到達(dá)張力銷斷裂載荷時(shí)，張力銷剪斷，彈簧儲能系統(tǒng)恢復(fù)力帶動(dòng)加載連桿向逆航向運(yùn)動(dòng)，在極短時(shí)間內(nèi)將載荷施加于攔阻鉤頭，攔阻力瞬間達(dá)到設(shè)計(jì)值，攔阻力傳遞給試驗(yàn)件，同時(shí)帶動(dòng)試驗(yàn)件沿逆航向加速運(yùn)動(dòng)，直到彈恢復(fù)原長，加載過程及試驗(yàn)裝置說明如圖6所示，其中圖6(a)表示加載過程試驗(yàn)件運(yùn)動(dòng)方向，圖6(b)表示張力銷斷裂后試驗(yàn)件運(yùn)動(dòng)方向。在試驗(yàn)件加速運(yùn)動(dòng)期間，通過攔阻鉤裝置上連接的載荷傳感器(型號PSD-30tSJTT)實(shí)時(shí)采集載荷信息，作為攔阻沖擊載荷。

圖6 加載過程示意圖

要控制攔阻沖擊載荷達(dá)到目標(biāo)值，需要控制張力銷斷裂載荷。通過控制張力銷直徑可控制張力銷斷裂載荷。試驗(yàn)過程中要實(shí)現(xiàn)載荷加載到攔阻鉤時(shí)，推動(dòng)試驗(yàn)件的隨動(dòng)推桿要與攔阻鉤脫離的目的，因此，試驗(yàn)開始前加載連桿中的連接橫桿與攔阻鉤頭間需要有3 mm左右的間隙。由于間隙的存在，導(dǎo)致張力銷斷裂后，加到攔阻鉤頭上的載荷為沖擊載荷，大于張力銷斷裂的載荷。在加載連桿與攔阻鉤之間加橡膠墊來調(diào)整加載速率，如圖7所示。

3 試驗(yàn)載荷研究

根據(jù)試驗(yàn)要求，需要讓試驗(yàn)件達(dá)到A、B兩種過載狀態(tài)(以下稱為A工況、B工況)，根據(jù)牛頓第二定律，試驗(yàn)件質(zhì)量與試驗(yàn)過載的乘積即為理論試驗(yàn)載荷。由于攔阻鉤與地面有4°的夾角，得到理論計(jì)算載荷如表1所示。

圖7 攔阻鉤與加載連桿之間加橡膠墊

表1 理論計(jì)算載荷

在實(shí)際試驗(yàn)中，通過張力銷斷裂瞬間對試驗(yàn)件施加沖擊載荷。多次小載荷試驗(yàn)的結(jié)果如表2所示，由數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)以下兩個(gè)特點(diǎn)：

1) 由于沖擊過程中會(huì)產(chǎn)生動(dòng)量的累積效果，攔阻鉤處的實(shí)測載荷峰值大于張力銷的斷裂載荷。張力銷斷裂載荷與張力銷直徑直接相關(guān)。

2) 在張力銷斷裂載荷相同的情祝下攔阻載荷到達(dá)峰值時(shí)間越短，攔阻鉤處實(shí)測載荷峰值越大。攔阻載荷到達(dá)峰值時(shí)間與攔阻鉤和加載連桿間的橡膠墊厚度相關(guān)。

表2 小載荷實(shí)測值

通過前期小載荷試驗(yàn)的摸索，大致得到了A工況和B工況所需的張力銷直徑范圍和橡膠墊厚度范圍，通過對兩種工況的數(shù)次打靶試驗(yàn)，針對每種過載狀態(tài)選出了一次加載最準(zhǔn)確的試驗(yàn)，其試驗(yàn)載荷數(shù)據(jù)如表3所示，載荷時(shí)程曲線如圖8所示。

表3 實(shí)測試驗(yàn)載荷數(shù)據(jù)

圖8 加載時(shí)程曲線

由圖8可見，整個(gè)沖擊加載過程分為3個(gè)階段：載荷上升階段(圖8左中A所示)、載荷下降階段(圖8左中B所示)以及二次沖擊階段(圖8左中C所示).載荷上升階段時(shí)長0.012～0.015 s，載荷下降階段時(shí)長0.1～0.11 s，二次沖擊階段時(shí)長0.13～0.14 s。其中載荷上升階段和載荷下降階段為重點(diǎn)考察階段。整個(gè)過程中，載荷先短時(shí)間急劇增大，再振蕩下降，經(jīng)歷二次碰撞后逐漸衰減接近零值，符合瞬態(tài)沖擊的特點(diǎn)。B工況與A工況變化趨勢基本一致。

綜上所述，由于實(shí)測載荷峰值接近理論載荷，載荷時(shí)程曲線變化趨勢符合預(yù)期特征，可以認(rèn)為A和B兩次試驗(yàn)可以較真實(shí)地反正實(shí)際艦載機(jī)攔阻著艦沖擊中所受攔阻力的情況。

4 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)的加速度測量采用DH5922N系統(tǒng)，傳感器采用型號B&K三軸向智能加速度計(jì)4525B和B&K單軸向智能加速度計(jì)333B30，采樣頻率設(shè)定為10 000 Hz。

試驗(yàn)采集到的加速度時(shí)域信號包含高頻干擾信號，因此采用巴特沃斯濾波器，根據(jù)輸入信號頻譜，綜合考慮采樣頻率和載荷信息對加速度信號進(jìn)行低通濾波處理。A工況和B工況，攔阻鉤接頭濾波前后航向加速度響應(yīng)時(shí)程曲線如圖9所示。

由圖9可見，攔阻接頭航向加速度瞬間增大，并很快衰減，符合瞬態(tài)沖擊特點(diǎn)，也進(jìn)一步表明了攔阻著艦地面模擬沖擊試驗(yàn)對于模擬實(shí)際艦載機(jī)著艦攔阻受力情況的可行性。

圖9 加速度時(shí)程曲線

5 結(jié)論

1) 制定了使用彈簧儲能，張力銷斷裂施加沖擊載荷模擬艦載機(jī)著艦攔阻瞬間工況的試驗(yàn)方法。

2) 通過對國外艦載機(jī)的研究，對其主傳力及關(guān)鍵連接部位和飛機(jī)的其他部件進(jìn)行了合理的假設(shè)簡化，縮小了試驗(yàn)規(guī)模、控制了試驗(yàn)成本、達(dá)到了試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

3) 探索了試驗(yàn)載荷影響因素，通過控制張力銷直徑和加載時(shí)間滿足預(yù)設(shè)載荷。

4) 載荷和過載的時(shí)程曲線符合瞬態(tài)沖擊特征，即迅速達(dá)到峰值，并在隨后一段時(shí)間衰減，證明該試驗(yàn)方法具有較高的合理性，能夠模擬攔阻沖擊工況。