阻攔裝置對(duì)艦載機(jī)著艦阻攔負(fù)加速度分析*

（91404部隊(duì) 秦皇島 066001）

1 引言

航母艦載機(jī)一般以240km/h的高速著艦，并在100m的沖跑距離下停下來(lái)，在該過(guò)程中，艦載機(jī)需要承受阻攔裝置較大的阻攔負(fù)加速度。每型艦載機(jī)均有自身所能承受的極限阻攔負(fù)加速度，一旦超過(guò)該值，艦載機(jī)結(jié)構(gòu)會(huì)遭到破壞。因此，阻攔過(guò)程對(duì)阻攔裝置和飛機(jī)結(jié)構(gòu)都是巨大考驗(yàn)。美國(guó)有豐富的使用阻攔裝置的經(jīng)驗(yàn)，積累了大量阻攔裝置的實(shí)踐數(shù)據(jù)，本文利用美國(guó)已有的經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)據(jù)，計(jì)算了幾型艦載機(jī)在不同著艦重量和不同著艦速度時(shí)，阻攔裝置對(duì)艦載機(jī)的阻攔負(fù)加速度，并得出相關(guān)結(jié)論。

2 MK7型阻攔裝置阻攔特點(diǎn)分析［1～2］

MK7型阻攔裝置最早是美國(guó)裝在攻擊性航母上的設(shè)備，主要由阻攔機(jī)系統(tǒng)、鋼索系統(tǒng)、滑輪緩沖系統(tǒng)、鋼索末端緩沖系統(tǒng)、定長(zhǎng)沖跑控制系統(tǒng)、復(fù)位系統(tǒng)、油液冷卻系統(tǒng)等組成。其阻攔原理圖如圖1所示。

阻攔前，工作人員根據(jù)該艦載機(jī)的重量將飛機(jī)重量選擇器調(diào)整到合適的值。阻攔初始階段，鋼索中的沖擊力引起滑輪緩沖活塞的動(dòng)作，滑輪緩沖裝置能有效地減小索中的張力波動(dòng)。隨著阻攔索不斷被拉出，纏繞在動(dòng)、定滑輪上的滑輪組索迫使動(dòng)滑輪組向定滑輪組方向移動(dòng)，柱塞的移動(dòng)將主液壓缸內(nèi)的油液通過(guò)定長(zhǎng)沖跑閥擠壓入蓄能器，同時(shí)蓄能器內(nèi)的活塞壓縮膨脹氣瓶，將飛機(jī)動(dòng)能存儲(chǔ)在蓄能器及膨脹氣瓶?jī)?nèi)。動(dòng)滑輪組移動(dòng)的同時(shí)將通過(guò)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)定長(zhǎng)沖跑系統(tǒng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪的型線控制錐閥的開(kāi)口大小。隨著柱塞位移增大，閥口逐漸減小，柱塞到達(dá)最大行程時(shí)，閥口完全關(guān)閉，艦載機(jī)停止，從而達(dá)到定長(zhǎng)沖跑為防止艦載機(jī)在阻攔過(guò)程中產(chǎn)生過(guò)高的阻攔力而影響飛機(jī)壽命與飛行員生命安全的目的。一方面通過(guò)定長(zhǎng)沖跑控制閥的凸輪型線控制阻攔過(guò)程中油液阻尼流量，另一方面通過(guò)滑輪緩沖油缸和鋼索末端緩沖油缸減少阻攔過(guò)程中鋼索的張力峰值。到達(dá)阻攔終點(diǎn)時(shí)，鋼索中存留的張力會(huì)使飛機(jī)往回滑動(dòng)一小段，此時(shí)阻攔索自動(dòng)從飛機(jī)尾鉤上脫離。阻攔結(jié)束后打開(kāi)復(fù)位閥，此時(shí)蓄能器中的大部分高壓油液經(jīng)油液冷卻器流回到主液壓缸使動(dòng)滑輪組復(fù)位，小部分流入尾端緩沖中使尾端緩沖活塞復(fù)位，動(dòng)滑輪組的復(fù)位將通過(guò)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)將定長(zhǎng)沖跑系統(tǒng)復(fù)位，滑輪緩沖系統(tǒng)在自身蓄能器高壓油的作用下復(fù)位，準(zhǔn)下一架艦載機(jī)的著艦阻攔。該型阻攔裝置的特點(diǎn)是其配備了定長(zhǎng)沖跑控制閥而使阻攔機(jī)能使各型掛索的艦載機(jī)停在著艦甲板的指定區(qū)域，安裝了滑輪緩沖系統(tǒng)和鋼索末端緩沖系統(tǒng)，以解決現(xiàn)代艦載機(jī)要求著艦掛索速度高而產(chǎn)生阻攔索和相關(guān)鋼索工作張力過(guò)大、鋼索松弛等問(wèn)題。

3 MK7型阻攔裝置阻攔能力計(jì)算［3，5～6］

飛機(jī)在阻攔過(guò)程中，阻攔系統(tǒng)的力通過(guò)阻攔索作用在阻攔鉤上，阻攔索作用在鉤上的力，可以分為沿阻攔鉤的力和垂直于阻攔鉤的力，其中垂直于阻攔鉤的力提供了阻攔鉤繞鉸點(diǎn)旋轉(zhuǎn)的力矩，沿阻攔鉤的力通過(guò)鉸接點(diǎn)傳遞給飛機(jī)，這一部分力才真正是飛機(jī)攔停的力。圖2、圖3給出了MK7-3型阻攔裝置阻攔23t、和18t的飛機(jī)時(shí)沖程各階段飛機(jī)所收到的拉力（其中虛線是飛機(jī)在個(gè)沖程階段所受最大拉力無(wú)綱量載荷曲線）。圖4給出了飛機(jī)在MK7-3型阻攔裝置阻攔時(shí)各接合速度下的修正因子。

圖2 MK7-3型阻攔裝置阻攔時(shí)沖程各階段飛機(jī)所受到的拉力

圖3 MK7-3型阻攔裝置阻攔時(shí)沖程各階段飛機(jī)所受到的拉力

阻攔裝置對(duì)艦載機(jī)阻攔力如式（1）所示。

其中：L為飛機(jī)的最大無(wú)量綱載荷；Fmax為彈射器或阻攔索對(duì)飛機(jī)的最大水平拉力；C為修正因子；R為阻攔或彈射沖程長(zhǎng)度；M為飛機(jī)斯拉格重量；V為彈射末速度或阻攔結(jié)合速度。

圖4 飛機(jī)在受阻攔時(shí)個(gè)階段接合速度下的修正因子

飛機(jī)在阻攔過(guò)程中所受到的阻攔索拉力下的最大加速度如式（2）所示。

表1 典型飛機(jī)阻攔拉力及最大負(fù)加速度計(jì)算

其中，α為飛機(jī)在阻攔過(guò)程中受到阻攔索拉力下的最大加速度；T為飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)推力；W為飛機(jī)彈射起飛重量或著艦阻攔重量。

通過(guò)查圖2和圖3飛機(jī)著艦過(guò)程中各項(xiàng)參數(shù)，并利用式（1）、式（2）計(jì)算了F-18A/B/C/D/E/F攻擊機(jī)、E-2C鷹眼預(yù)警機(jī)、EA-6B電子戰(zhàn)飛機(jī)等機(jī)型的最大阻攔拉力及飛機(jī)最大負(fù)加速度，如表1所示。表2對(duì)比了飛機(jī)所受阻攔裝置的最大阻攔負(fù)加速度、飛機(jī)本身能夠承受的最大負(fù)加速度。

表2 典型飛機(jī)在各種重量下的負(fù)加速度對(duì)比

4 結(jié)果分析及啟示

4.1 結(jié)果分析

通過(guò)計(jì)算及分析表明：

1）F-18A/B/C/D攻擊機(jī)著艦時(shí)最大負(fù)加速度3.5G左右，小于能承受的最大加速度3.95G，F(xiàn)-18E/F在攻擊機(jī)著艦時(shí)最大負(fù)加速度3.75G左右，小于能承受的最大加速度4.10G；EA-6B電子戰(zhàn)飛機(jī)以及E-2C鷹眼預(yù)警機(jī)著艦時(shí)最大負(fù)加速度均在其嫩承受的最大加速度范圍內(nèi)。如表2所示。

2）美國(guó)MK7-3型阻攔裝置的阻攔范圍比較大，能阻攔4.5t～22.5t等多種重量的飛機(jī)。且阻攔裝置的阻攔過(guò)程畢竟平穩(wěn)，對(duì)飛機(jī)的峰值作用力比較小，飛機(jī)的最大負(fù)加速度均在其承受范圍內(nèi)［7］。

3）美國(guó)MK7型阻攔裝置在阻攔過(guò)程中，對(duì)各型艦載機(jī)產(chǎn)生的最大負(fù)加速度分布范圍較大，從1.5G至4G以上。資料表明裝置的制動(dòng)距離普遍在100m上下，現(xiàn)在艦載機(jī)的著艦速度基本上都保持在240km/h～270km/h，按這個(gè)速度計(jì)算，平均過(guò)載不應(yīng)超過(guò)3g，但這種裝置的最大過(guò)載通常超過(guò)了4g。

4）MK7型阻攔系統(tǒng)控制機(jī)構(gòu)采用純機(jī)械結(jié)構(gòu)，雖然通過(guò)合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)的定長(zhǎng)沖跑系統(tǒng)可使其不受艦載機(jī)重量、降落速度的制約，能夠?qū)ε炤d機(jī)在阻攔距離指標(biāo)范圍內(nèi)實(shí)施安全阻攔，但不能確保各種阻攔情況下各物理量（艦載機(jī)加速度、主液壓缸壓力、阻攔力等）變化規(guī)律曲線均達(dá)到理想效果。當(dāng)實(shí)際系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，阻攔規(guī)律便會(huì)偏離設(shè)計(jì)規(guī)律，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致阻攔指標(biāo)不能得到滿足［8～9］。

4.2 對(duì)我國(guó)裝備研制的啟示

飛機(jī)攔阻系統(tǒng)一直是國(guó)外關(guān)注的課題。70年代，美國(guó)針對(duì)MK7攔阻裝置的飛機(jī)負(fù)載特性（攔阻力特性）進(jìn)行了試驗(yàn)測(cè)試，并在這方面投入了大量財(cái)力，進(jìn)行了各種試驗(yàn)、測(cè)試和研究，不僅包括攔阻機(jī)性能的測(cè)試、安裝和研究，而且還包括飛機(jī)攔阻鉤的載荷試驗(yàn)、載荷分析以及新型攔阻索材料的研制等先后研制出了一批高性能的通用型飛機(jī)攔阻設(shè)備，基本上滿足了美軍現(xiàn)役飛機(jī)重量從6t～40t的絕大部分戰(zhàn)斗機(jī)的攔阻要求。國(guó)內(nèi)阻攔裝置的理論研究還處于起步階段［5］，西北工業(yè)大學(xué)吳娟、何長(zhǎng)安對(duì)陸基攔阻系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的研究。高澤迥針對(duì)攔阻著陸中出現(xiàn)的攔阻鉤振動(dòng)和攔阻動(dòng)載作了闡明和分析。胡孟權(quán)建立了艦載飛機(jī)著艦動(dòng)力學(xué)模型并對(duì)著艦攔阻進(jìn)行了仿真研究，柳剛針對(duì)艦載機(jī)回收攔阻時(shí)攔阻鉤的工作原理和設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)了某型攔阻鉤基本組成部分并對(duì)在此攔阻鉤下最大軸向載荷下進(jìn)行了有限元強(qiáng)度分析［7］。

MK7型阻攔系統(tǒng)安裝在航空母艦上，海上工作環(huán)境較惡劣，這種裝置的制動(dòng)過(guò)載導(dǎo)致在設(shè)計(jì)艦載機(jī)時(shí)必須考慮采用較大過(guò)載作為“保險(xiǎn)”，致使幾天付出了過(guò)多的結(jié)果增重代價(jià)［10］。相比之下，電磁制動(dòng)去游重量輕、維修容易、制動(dòng)過(guò)程平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，再加上用輕質(zhì)高效能材料制作阻攔索，因此可以有效使現(xiàn)在的艦載機(jī)制動(dòng)設(shè)計(jì)的過(guò)載降低到4g以下。利用電磁制動(dòng)阻攔艦載機(jī)從設(shè)計(jì)航母的角度也有相當(dāng)大的意義。為了使阻攔索有角度的偏向偏航容錯(cuò)能力，現(xiàn)在大多國(guó)家的航母使用的阻攔索繃緊后寬度大都在40m以上［10］，由于還要考慮阻攔索不均衡制動(dòng)引起的飛機(jī)滑行偏差，整個(gè)降落區(qū)域的寬度就更大，這就造成降落區(qū)面積占航母甲板面積的一半以上的情況。電磁阻攔裝置可以很容易地精確調(diào)節(jié)阻攔索兩頭的制動(dòng)大小，因此具有較高的容錯(cuò)能力，因此阻攔索的繃緊寬度可以大幅減小［11］。電磁阻攔裝置童話書(shū)還有及時(shí)調(diào)整降落飛機(jī)滑行方向的能力，可以使著艦飛機(jī)準(zhǔn)確的沿著艦跑道中心線滑行，甚至可以通過(guò)調(diào)整阻攔索兩頭拉出的長(zhǎng)度，把著艦飛機(jī)制動(dòng)到降落區(qū)外的停機(jī)位置上去，以便立即進(jìn)行下一架飛機(jī)的回收，可大幅提高回收飛機(jī)的速度。另外，采用電磁制動(dòng)裝置，艦載機(jī)可以在阻攔增重和起落架加強(qiáng)這兩個(gè)方面節(jié)省不少重量，這就意味著，陸基戰(zhàn)術(shù)飛機(jī)只要稍加改裝就可以成為艦載機(jī)上艦了［12］。因此，發(fā)展電磁阻攔著艦技術(shù)，研制電磁制動(dòng)阻攔裝置對(duì)我國(guó)未來(lái)航母阻攔技術(shù)的發(fā)展有較高的借鑒意義。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)阻攔系統(tǒng)工作過(guò)程的研究與艦載機(jī)的運(yùn)動(dòng)情況、受力情況息息相關(guān)，而艦載機(jī)著艦滑跑過(guò)程中的受力情況極其復(fù)雜，隨機(jī)氣流場(chǎng)的影響分析非常困難，還應(yīng)考慮到航母的六自由度運(yùn)動(dòng)。此外，艦載機(jī)掛索阻攔過(guò)程中，鋼索存在抖動(dòng)現(xiàn)象，因此也會(huì)引起索中的張力波動(dòng)，偏心偏航阻攔時(shí)，艦載機(jī)尾鉤與鋼索之間還可能發(fā)生滑動(dòng)現(xiàn)象，這些都是需要繼續(xù)研究的方向。