基于電磁理論的航母艦載機(jī)降落阻攔裝置研究

許允之， 方 磊， 陳 龍， 郭治天

（中國礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，江蘇徐州 221116）

0 引言

由于現(xiàn)代噴氣式艦載機(jī)著陸速度很快，如果不經(jīng)阻攔將滑行上千m的距離才能停下來;而一般的航母甲板也就300 m左右，所以現(xiàn)代航母上都安裝了阻攔裝置以縮短艦載機(jī)的制動距離。飛機(jī)在航母上降落時(shí)需要使用阻攔裝置，使飛機(jī)在規(guī)定的距離內(nèi)停下來，傳統(tǒng)的拖動沙包式阻攔索雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是使用起來顯得笨拙。采用電磁設(shè)計(jì)的阻攔鎖見圖1。當(dāng)飛機(jī)降落鉤上阻攔鎖后，我們設(shè)想帶動電磁場中的感應(yīng)體（滑塊）運(yùn)動，利用電磁不能我們設(shè)想突變的原理，使飛機(jī)減速直到停止［1-3］。

1 電磁阻攔鎖設(shè)計(jì)原理

圖1 電磁阻攔鎖示意圖

假設(shè)艦載機(jī)鉤索處為阻攔索正中位置，則艦載機(jī)在減速過程中受到來自阻攔索兩側(cè)的力為等值狀態(tài)［4］。因艦載機(jī)只有鉤索處受力，所以艦載機(jī)的受力狀態(tài)可以以一質(zhì)點(diǎn)分析，取某一時(shí)刻研究，它的主要受力情況如圖2所示。圖中，F(xiàn)e為飛機(jī)推力;Te為阻攔索拉力;θ為阻攔索與兩換向滑輪連線位置的夾角;S為飛機(jī)滑行距離;a為飛機(jī)加速度;Ff為甲板摩擦力;D為空氣阻力;L為跑道中心線距舷側(cè)滑輪距離［5-6］。

根據(jù)方程F=ma，由圖中受力關(guān)系并考慮到a=d2S/dt2，綜合各受力因素，可得：

圖2 艦載機(jī)滑行受力圖

在飛機(jī)鉤住阻攔索并減速過程中，機(jī)輪在飛行甲板上做純滾動，因此，飛機(jī)所受的甲板摩擦阻力Ff非常小，可忽略不計(jì)，即Ff=0。飛機(jī)成功鉤住阻攔索后，發(fā)動機(jī)要關(guān)閉以減小滑跑長度，即飛機(jī)推力Fe=0。因此式（1）可簡化為

經(jīng)整理，可得微分方程：

若空氣阻力忽略，則方程可簡化為

下面由能量守恒分析：

設(shè)飛機(jī)落地的初始速度為v0，飛機(jī)質(zhì)量為M，2個(gè)滑塊的質(zhì)量為2m;某一時(shí)刻飛機(jī)的速度為v，設(shè)密繞的螺線管中初始電流為I0，某一時(shí)刻的電流為I，則根據(jù)能量守恒：

所以線圈供電電流

兩邊積分，得

2 工作原理

2.1 速度與電流的關(guān)系

通過網(wǎng)絡(luò)資源，我們選用某種艦載飛機(jī)作為模型來研究，此艦載飛機(jī)的質(zhì)量為M=3 000 kg，初始速度v0=100 m/s。

越大的電流變化率產(chǎn)生越大的電磁阻力，為了使得電流的變化率盡可能的大，使其初始電流為0。通過感應(yīng)器，在滑塊運(yùn)動的一瞬間接通電源，則電流與速度的關(guān)系如圖3所示［7-9］。

圖3 速度與電流的關(guān)系

由圖可知，速度越大，則電流的變化率也越大，而飛機(jī)在剛剛著陸的時(shí)候速度最大，因此我們需要尋求的是最佳的相反電流變化率來產(chǎn)生相反方向的阻力，讓速度在最短時(shí)間內(nèi)減為零。

2.2 電感線圈伏安特性

電感線圈其電抗特性對電流的突變有抑制作用，在電感線圈中，其電流變化率越高，對導(dǎo)致其改變的因素的阻礙作用越大!

分析電感線圈特性的電路如圖4所示。

圖4 特性研究

此分析系統(tǒng)的電源為可控電源，通過改變電源系統(tǒng)，來研究不同的電源系統(tǒng)下的電感效應(yīng)。通過改變可控電壓源的電壓形式（恒壓、斜率為1、斜率為2、二次形式），得到一組電感中電流與端電壓的曲線關(guān)系，如圖5～8所示。

通過改變線圈電流大小或電磁滑塊的質(zhì)量達(dá)到控制艦載機(jī)滑行距離的目的。

圖5 電壓源為恒壓源

圖6 電壓源為斜率為1

圖7 電壓源為斜率為2

圖8 電壓源為二次形式

2.3 小 結(jié)

由式（5）中的能量守恒可等價(jià)出如下能量守恒的關(guān)系式：

式中，W=UIt。

根據(jù)上面列出有限的電流狀態(tài)可以知道，圖8中的電流變化率最大，而且其后期的電流變化率也最為理想。然后我們想要尋求的是最優(yōu)的解，可是理論上電流的變化率越大，固然其阻礙性越好，但在實(shí)際應(yīng)用中，其電流的變化率并不可以無限大，而是根據(jù)線圈的特性有一個(gè)可以承受的最大值。

但是，根據(jù)圖8的特性曲線，顯而易見電流在電壓更大的時(shí)候其變化率更大，因此我們之前讓電流從零開始反向增大最優(yōu)的假設(shè)不合理，應(yīng)該修改成從最大電流開始，正向減小，此方案最優(yōu)［11］。

當(dāng)艦載機(jī)著陸勾上阻攔鎖后，滑塊在起始位置以速度v1向上運(yùn)動，通過圖1中的控制器改變線圈電流的大小，以增加電磁阻力，達(dá)到使艦載機(jī)減速之目的。當(dāng)滑塊升至終止位置后，艦載機(jī)滑行停止，控制器控制線圈實(shí)行電磁制動。當(dāng)阻攔鎖掛鉤自動脫落后，滑塊在控制器的控制和作用下，以速度v2回到起始位置。

3 裝置的優(yōu)化

傳統(tǒng)的阻攔索需要人工或者借助其他外力使其復(fù)位，這無疑增加了工作量，而且也需要一定的反應(yīng)時(shí)間，導(dǎo)致需要緊急著落的飛機(jī)需要等待［12］。

如果對電磁式阻攔裝置作如下改進(jìn)，圖9中省略了電磁裝置，其工作原理如下：

（1）對照圖1，滑塊1、2的初始位置為電磁鐵芯最靠近C、D滑輪端;

（2）當(dāng)飛機(jī)勾住拉緊的繩索時(shí)，此電磁裝置開始工作，直到飛機(jī)完全停止;通過控制器的調(diào)節(jié)，此時(shí)滑塊1、2停在最靠近A、B滑輪處;脫鉤，斷電;

（3）此時(shí)原本松弛的繩子開始拉直，由于通過滑輪連接，因此可以支持不同方向阻攔。

圖9 改進(jìn)的裝置示意草圖

4 結(jié)語

飛機(jī)的升力、摩擦力、空氣阻力、由于氣流不對稱帶來的側(cè)力都沒有考慮在內(nèi)。飛機(jī)的下降過程中尾鉤受到阻攔索的拉力是XYZ三個(gè)軸向的力，且阻攔索自身的彈性、伸縮度、阻攔索上的波動變化也都視為了理想質(zhì)點(diǎn)在絕對質(zhì)桿的拉力下的運(yùn)動。其實(shí)際的分析結(jié)果需要與現(xiàn)場實(shí)際相結(jié)合，需要研究的內(nèi)容還有很多。其次，電磁制動部分的具體結(jié)構(gòu)還有待研究與探索，所以能否將其看成導(dǎo)體切割磁感線或者視為楞次定律的作用效果有待航空專家的評判［13-14］。

而我們在此只是尋求了一個(gè)更優(yōu)化的方案來解決本問題。通過分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)用已經(jīng)通電的線圈通過控制器迅速減小電流來阻礙艦載機(jī)拖動的導(dǎo)體在其中運(yùn)動以達(dá)到阻攔艦載機(jī)的方案是可行并有效的。其最優(yōu)解與選擇的線圈特性以及運(yùn)動在其中的導(dǎo)體決定，這個(gè)需要就實(shí)際物理特性再做詳細(xì)研究。此外，艦載機(jī)的阻攔系統(tǒng)有多種方式;我們正在嘗試研究利用空氣動力學(xué)原理的艦載機(jī)彈射助飛與降落阻攔綜合系統(tǒng)［15］。

航母的建設(shè)，激起我們的愛國心。這個(gè)課題的研究只是學(xué)術(shù)上的探索，希望達(dá)到拋磚引玉的效果，讓我們集思廣益，參加討論，支持我們國家的國防建設(shè)。

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