飛機彈射桿與母艦緩沖鉤的沖擊載荷計算

姚念奎 王成波 白春玉 陳熠 楊強

摘要：在彈射型艦載機牽制就位之前，彈射桿觸發緩沖鉤產生沖擊載荷。相關構件應能承受該載荷而不喪失功能或發生結構破壞。基于局部變形及能量守恒原理，本文對此問題進行了理論分析，提出了一種計算沖擊載荷的方法，并通過試飛實測數據驗證了算法的合理性。本研究可為機/艦結構抗沖擊設計提供參考。

關鍵詞：沖擊載荷；艦載機；彈射桿；航空母艦；緩沖鉤；能量守恒

中圖分類號：V215文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2022.01.004

彈射型固定翼艦載機進入飛行甲板的起飛初始站位，在與滑軌往復車嚙合之前，需要利用彈射桿觸發母艦牽制系統的緩沖鉤，使之翻轉上翹，即由復位狀態變為待嚙合狀態，以便于飛機牽制桿與母艦緩沖鉤的成功嚙合[1-2]。在觸發過程中，彈射桿和緩沖鉤之間將產生一個瞬態沖擊載荷，可能對相關構件造成斷裂、變形、磨損、失穩或疲勞等多種形式的沖擊失效，特別是在飛機進入速度過快的情況下。因此，對這類沖擊情況進行載荷定量分析，對于研究上述失效行為非常必要[3-4]。另外，機、艦雙方在進行各自功能構件的結構設計時，同樣需要了解彈射桿與緩沖鉤的沖擊載荷，從而將其作為一項重要的設計輸入參數，進行構件材料選擇、零件應力/變形計算、機構運動仿真和系統動態響應分析。由于問題的專業性和特殊性，目前國內外關于該類沖擊載荷算法的相關研究較少，是亟待填補的技術空白。

1基本原理

艦載機彈射桿和航空母艦緩沖鉤的沖擊如圖1所示，可視為兩個彈性體的碰撞問題。利用彈性體變形勢能等于碰撞動能損失的原理，可建立最大沖擊載荷的算法。實際上，緩沖鉤在母艦彈射滑軌導入槽的安裝座處還設有緩沖阻尼彈簧，但緩沖鉤本體結構剛度遠遠大于該彈簧的勁度系數。因此，在沖擊載荷計算時，緩沖阻尼彈簧的影響可以忽略不計。

沖擊載荷實際上是接觸區域的內力[5]，在瞬態沖擊情況下，作為平衡沖擊載荷F的彈射桿軸力集度qb呈定常均布，而緩沖鉤剪力集度qh則呈三角形分布[6-7]。由此，建立簡化彈性碰撞載荷計算模型，如圖2所示。

由圖2可知，彈射桿與緩沖鉤的線性載荷集度分別為：

4試飛數據對比

某型艦載機在陸基試驗場進行正常彈射起飛訓練時，對采集的彈射桿軸力測量貼片的壓應變數據進行回歸處理[11]，共篩選獲得4次彈射桿與緩沖鉤沖擊載荷的有效結果。按飛機滑行速度升序排列，將其與本文計算方法得出的理論數據進行對比分析，誤差見表2。

由表2可見，利用本文方法得出的理論計算值與試飛實測值的符合性較好，特別是在較低水平速度的情況下。但是，由于彈射桿與緩沖鉤的沖擊載荷很容易受到其他擾動因素的影響，如機體振蕩、偏心偏航、水平突風、推力波動等，在航空母艦上操作時還要受到甲板運動的影響[12-14]。另外，試飛實測數據在測試方法、采樣率和處理方式（主要是濾波處理方式）等方面存在局限性，上述諸因素使得沖擊載荷實測結果呈現一定程度的隨機性和離散性。

5結論

在航空母艦上服役的艦載機，其機體結構通常要遭遇比陸基飛機更為苛刻的沖擊載荷使用環境，如典型的彈射沖擊、著艦沖擊和攔阻沖擊等。此類沖擊的共性特征是載荷峰值高、作用時間短、加載速率快。從飛機結構動強度和沖擊疲勞強度領域的研究角度來看，上述沖擊情況均屬于亟待攻克的現實技術難題，同時也是新型號研制階段面臨的設計障礙[15]。本文從解決飛機彈射桿與母艦緩沖鉤沖擊載荷問題入手，在理論算法方面取得了技術突破，并得出如下結論：

（1）本文基于能量守恒原理及局部彈性變形條件，建立了適用飛機彈射桿與母艦緩沖鉤的沖擊載荷計算方法；與試飛實測數據的對比結果表明，其精度滿足工程應用，可為機/艦相關起降結構設計提供載荷輸入，也可用于飛行前快速、有效地預判沖擊載荷。

（2）沖擊載荷精確的解析算法極為復雜，除了本文算法涉及的各項參數外，還與具體研究工況的邊界條件、動態材料屬性、結構尺寸效應密切相關[16]，也可能受到意外擾動因素的影響。因此，在應用本算法進行結構設計時，須考慮適當的載荷不確定系數。

（3）本文算法可拓展應用其他艦載機起降系統結構與母艦設施的撞擊情況，如攔阻鉤與甲板凸起物的碰撞、艦面保障設備與飛機接口的碰撞。應當指出的是，本算法不適用材質差異比較懸殊的碰撞問題，如飛機輪胎與甲板障礙物的碰撞、飛濺的跑道碎石與飛機蒙皮的撞擊、鳥與風擋玻璃的碰撞等。

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Impact Load Calculation Between Aircraft Launch Bar and Carrier Buffer Hook

Yao Niankui1，Wang Chengbo1，Bai Chunyu2，Chen Yi2，Yang Qiang2

1. AVIC Shenyang Aircraft Design and Research Institute，Shenyang 110035，China

2. Aircraft Strength Research Institute of China，Xi’an 710065，China

Abstract： Before catapulting-style carrier-based aircraft is tracked into the holdback engagement fitting， the launch bar will trigger the buffer hook of the deck hardware at limited speed，which will cause a impact load. The structural components involved must withstand the impact load without malfunction or structural fail. Based on effect of local deformations and law of conservation of energy， the paper analyzes the problem theoretically， and then presents a resolving method about the impact load. The flight test results confirm that it is feasible to use the algorithm to resolve the impact load problem between launch bar and buffer hook. This study can provide useful reference for aircraft/ carrier structures anti-impact design.

Key Words： impact load； carrier-based aircraft； launch bar； carrier； buffer hook； conservation of energy

3446500338206