鋼制阻攔索與合成纖維制阻攔索性能分析

2019-03-07 09:28:42鄧文力王悅民耿海泉

艦船科學技術 2019年2期

鄧文力，王悅民，耿海泉

(海軍工程大學動力工程學院，湖北武漢 430033)

0 引言

艦載機是航母的核心戰斗力之一，保障艦載機的起飛和安全回收是當今海軍研究的重點課題。航母阻攔系統的研究始于19世紀初，經歷了100多年的發展與使用，但阻攔索安全事故時有發生。2003年9月，美軍“華盛頓”號1架F-18“大黃蜂”在著艦時阻攔索斷裂為2段，飛機落入海中，斷裂的阻攔索在甲板掃動造成多名工作人員受傷；2005年12月，美軍“獨立”號上1架A6戰斗機著艦時阻攔索斷裂，飛機沖出甲板；2016年，美軍“艾森豪威爾”號上E-2C“鷹眼”預警機拉斷阻攔索，沖出甲板，卻又重新拉起復飛；同年，俄羅斯“庫茲涅佐夫”號接連發生2起阻攔索安全事故等，引起了人們極大關注。目前，國際上現役航母大多采用液壓式阻攔系統，以美軍采用的MK7-3型阻攔系統為例，該系統采用鋼制阻攔索[1]，其系統結構如圖1所示。液壓式阻攔系統經過多年發展，但根據實際使用情況，現有阻攔系統的安全性仍有待進一步提高，并且在使用條件上受到艦載機重量范圍的限制，要求艦載機重量不能過大或者過小，對于重量過大的艦載機，或者出現滿載彈藥的艦載機可能要舍棄部分彈藥才能安全阻攔，而對于輕質無人機的阻攔也存在一定困難。目前，美軍正在研制“先進阻攔裝置”（AAG），該系統主要包括阻攔機和軟件控制系統，采用合成纖維制阻攔索，其系統結構如圖2所示，阻攔機是吸能部件，包括阻攔索、水力渦輪等結構，而軟件控制系統則控制飛機著艦過程。“先進阻攔裝置”結構簡單，減少了工作人員數量及運行保養成本；在阻攔過程中能夠主動采取措施降低阻攔索張力峰值，控制艦載機停留位置；在艦載機要求上，能回收重量范圍更大、類型更多的艦載機。

圖 1 MK7-3阻攔裝置系統Fig. 1 MK7-3 aircraft carrier system

圖 2 先進阻攔裝置系統Fig. 2 Advanced aircraft carrier system

阻攔索是航母阻攔系統與艦載機阻攔鉤直接接觸的關鍵構件，也是最易發生安全事故的部位之一，對阻攔索健康狀況的研究，其重要性不言而喻。鋼制阻攔索抗沖擊能力及抗拉能力良好，并在使用中積累了大量的經驗，但其自身重量大、易腐蝕、使用壽命較短，并且由于其結構特性在健康狀態檢測上有一定的困難。在研究下一代阻攔系統的同時，研究者們希望發展新型的合成纖維制阻攔索[2]。合成纖維制阻攔索具有良好的強度重量比，使用壽命較長，在維護、更換上相對操作簡單，在阻攔系統中減小了系統總慣性，降低了結構載荷，縮小了滑輪減震器尺寸。本文分別對鋼制阻攔索及合成纖維制阻攔索的特點進行分析，并著重從鋼制阻攔索應變荷載及合成纖維阻攔索所受拉伸力的角度進行對比計算研究。

1 鋼制阻攔索性能分析

1.1 鋼制阻攔索特點

鋼制阻攔索作為飛機的阻攔索，經過了長時間的發展及使用，已積累了大量的經驗，在20世紀70年代，美國學者Gibson[3]對阻攔索的設計原理進行研究，并且采用6種典型的鋼絲繩結構，模擬阻攔過程進行了大量實驗，其實驗結果表明在阻攔索單絲數量的選擇上，單絲數量越多其柔性越好，在橫向沖擊實驗中表現越好，但同時單絲數量的增多必然會造成單絲直徑變小，在沖擊實驗中與阻攔鉤的接觸更易受到損傷；在阻攔索結構的選擇上，采用三角股結構的阻攔索繩股接觸面積大、破斷拉力大，能夠增長阻攔索的使用壽命，在抗彎曲、扭轉的實驗中表現更好，同時該結構具有更好的表面質量，抗磨損能力更強。目前MK7-3型阻攔系統配置鋼制阻攔索，其結構如圖3所示，該種阻攔索由6股繩股組成，每股由12根主鋼絲、12根輔鋼絲及6根較細的鋼絲纏繞成三角股結構，這種結構將阻攔索分為3層，外層由較粗的主鋼絲組成使得阻攔索在沖擊中不輕易受損，中層及內層由較細的鋼絲組成又保證阻攔索有足夠的柔性[4–5]。

圖 3 鋼制阻攔索結構示意圖Fig. 3 Structure sketch of steel arresting cable

1.2 鋼制阻攔索性能

國內外都對鋼制阻攔索的動力學做了大量的理論和實驗研究，聶宏等[6]在研究現狀上做了總結，1956年Ringleb[7]研究了阻攔索受縱向沖擊后的行為，建立了應力波傳播的波動方程，并逐步形成一套理論體系，此后很多學者的研究大多以該理論為基礎，但由于阻攔過程復雜，需考慮因素多，仍需要更深入的研究。為了應用于工程實際應用，美國ADEC公司提出波動傳載理論，其計算結果與試驗結果相比較為吻合[8–9]。

航母阻攔索設置在甲板上，由艦尾至艦首方向依次鋪設4道阻攔索，阻攔索由經甲板上升降滑輪裝置與阻攔裝置相連，阻攔裝置位于甲板下方艙室內[10]。因此，阻攔索與阻攔裝置有一定的距離，當艦載機攔阻上鉤后，阻攔裝置所提供的阻攔力不能立即作用于阻攔鉤上，而是通過較長的滑輪組索傳遞載荷，形成載荷傳遞滯后。但在傳遞載荷滯后的短暫時間內，飛機仍然高速向前運動，引起阻攔索產生應變，形成作用于阻攔鉤上的應變載荷。

艦載機著艦，對中及偏心程度是阻攔索是否能順利阻攔艦載機的一個重要因素。隨著自動著艦技術研究的深入，盡可能要求對中阻攔，但實際的阻攔過程情況復雜，非對中阻攔也時有發生[6,11]。下文分別對對中阻攔及偏心阻攔的情況進行分析。

對中阻攔時，艦載機沿甲板跑道中心線前進，阻攔鉤鉤住阻攔索中點位置，其示意圖如圖4所示。

圖 4 對中阻攔示意圖Fig. 4 Sketch of centerline engagement

計算波動往返時間內阻攔鉤與右舷滑輪的距離：

計算波動往返時間內攔索的伸長量：

計算阻攔索與應變相對應的應力：

偏心阻攔時，艦載機偏離甲板跑道中心線前進，阻攔鉤鉤住阻攔索中點一側位置，其示意圖如圖5所示。

在偏心阻攔的情況中，應變載荷計算的過程與對中阻攔的情況類似，現令偏心阻攔時艦載機與右舷側升降滑輪的距離為，則與另一側的距離為，偏心阻攔應變載荷計算如下：

圖 5 偏心阻攔示意圖Fig. 5 Sketch of off-center engagement

計算波動往返時間內遠離道面一側阻攔索被拉伸后的長度

計算波動往返時間內較大偏心一側攔索的伸長量

計算阻攔索與應變相對應的應力

通過以上模型的建立，能夠對艦載機對中阻攔及偏心阻攔情況下，阻攔索所受應變載荷進行計算。

1.3 鋼制阻攔索檢測

艦載機在回收時，采用“撞擊式”著艦，發動機仍保持工作狀態，禁止平飛減速和飄落，通過阻攔系統強制對艦載機減速制動，以便若鉤索失敗能夠立即復飛[12]。阻攔索在與阻攔鉤接觸的瞬間會受到巨大的橫向沖擊力，在阻攔索上產生應力波使阻攔力產生波動變化[13]，并且在攔停過程中持續受力，這種特殊的降落方式使阻攔索成為阻攔系統中最易受損的部位之一。

由于阻攔索工作性質特殊，對其健康狀態的檢測十分必要，但阻攔索單絲數量多，結構復雜，其檢測技術是一個難點。借鑒國家標準[14]中對鐵磁性鋼絲繩電磁檢測方法，可以適用于鋼制阻攔索主要有漏磁、剩磁、磁通等檢測技術，根據工業鋼絲繩檢測經驗，可將漏磁檢測技術應用于阻攔索損傷檢測上。其主要原理是阻攔索發生損傷時在外加磁場的作用下會導致其表面或內部磁特性產生變化，通過捕捉或檢測這種變化信息，即可判斷阻攔索是否存在缺陷或者損傷，其原理如圖6所示[15]。目前，漏磁檢測技術在斷絲的檢測上效果較為明顯，但在腐蝕及疲勞損傷的檢測上尚有不足，仍需要進一步的研究。

圖 6 鋼絲繩漏磁檢測原理Fig. 6 Principle of wire rope magnetic flux leakage testing structure diagram

2 合成纖維制阻攔索性能分析

2.1 合成纖維制阻攔索特點

鋼絲繩在較多工業領域中得到應用，已有較長歷史，但由于自身重量大、易腐蝕、易磨損等缺點，容易受到一些使用環境的限制。隨著近年來合成材料的迅猛發展，合成纖維繩索在部分領域得到應用。根據E Mendoza[2]的研究表明，美軍正在研發下一代，合成纖維制阻攔索，并對合成纖維制阻攔索健康狀態監測技術做了一定研究，實驗中所用合成纖維制阻攔索樣品如圖7所示。

圖 7 合成纖維制阻攔索樣品[16]Fig. 7 Specimen of synthetic material arresting cable[16]

合成纖維制阻攔索密度小、耐腐蝕、壽命較長，便于保存、運輸以及更換，減輕了工作量。在阻攔系統中減小了系統總慣性，降低了結構載荷，縮小了滑輪減震器尺寸。同時，合成纖維制阻攔索具備良好的強度重量比及柔性，能夠滿足阻攔過程中對阻攔索強度的需求，受沖擊載荷及振動載荷的影響較小，與阻攔鉤接觸部位所受的彎曲內應力較小[3]，沈文厚等[5]在對阻攔索沖擊研究中指出，將鋼制阻攔索使用輕質材料代替能較大幅度的減弱繩索的波動，降低阻攔鉤對阻攔索沖擊而產生的應力峰值。

在將合成纖維繩索應用作為阻攔索時，也需要考慮其耐磨損性以及抗機械撕扭力較差等因素，同時合成纖維制阻攔索缺少實際使用經驗，未知的失效模式使其仍然具有一定的技術風險。

2.2 合成纖維制阻攔索檢測

為了對新型阻攔索健康狀態進行實時監測，美軍SBIR項目對阻攔索監測技術進行研究，該研究建立了一個嵌入式分布光纖傳感器系統[16]，如圖8所示，該系統能夠對阻攔索進行實時的結構監測、損傷評估、使用壽命預測。其基本原理是在阻攔索的制作過程中將光纖傳感器預埋于阻攔索中，當阻攔索受到損傷時，受損部位受力及溫度等參數將會發生變化，從而引起光纖的反射譜和投射譜發生變化，檢測對應的反射和投射的波長變化，通過對應關系即可獲取阻攔索的損傷狀況。