無限行程液壓緩沖器阻攔設計與仿真?

史 炎 史天成

（西南交通大學牽引動力國家重點實驗室 成都 610031）

1 引言

以航空母艦為基地的艦載機是海軍航空兵的主要作戰(zhàn)手段之一，是在海洋戰(zhàn)場上奪取和保持制空權、制海權的重要力量，艦載機的起降能力是一個航母戰(zhàn)斗群戰(zhàn)力的重要指標［1］。目前艦載機的降落方式只能使用攔阻索實現著艦［2］，美國現役航母上配置的MK7-3型攔阻裝置［3～8］是目前世界上各國海軍航母中攔阻能力最大的著艦攔阻裝備。整個液壓阻攔系統(tǒng)由攔阻索、絞盤機、攔阻機、緩沖器、控制系統(tǒng)等構成［6～8］，因為液壓減振器行程有限，鋼索在定滑輪組的纏繞比［9］為18∶1，這樣可把較長的鋼索抽出長度轉化為較小的主液壓缸的行程。

現階段的艦載攔阻機零件種類多、結構復雜，作者對“內外氣缸式蒸汽彈射器”［10］做了一些改變，獲得結構較簡單的液壓緩沖器，理論上活塞行程無限大，并用剛性桿代替了柔索。本文介紹了無限行程液壓緩沖器結構，結合飛機對中攔阻情形，分析了此種攔阻器工作原理。

2 無限行程液壓緩沖器結構

為更好地實施艦載機的攔阻，作者設計了無限行程液壓緩沖器，結構類似于“內外氣缸式蒸汽彈射器”，兩者的開合機構控制方式一樣，只是活塞稍有差別。內、外氣缸及活塞外形參見文獻［10］。無限行程液壓緩沖器的活塞內部結構如圖1所示，活塞端面開有溢流孔和卸荷孔。溢流孔由電磁閥控制孔徑的變化，攔阻過程中卸荷孔常閉合。

圖2所示為無限行程液壓緩沖器雙缸對稱安裝的一種阻攔裝置，無限行程液壓緩導向板上固定一套前置緩沖器，由一組彈簧、液壓缸構成；攔桿鉸接在前置緩沖器上，攔桿為V字型可讓艦載機鉤上后自動對中。同時增加外氣缸的長度和內氣缸的數量，則活塞行程增加，理論上活塞行程不受限制。

若不想在甲板上開槽，可選用圖3方案，無限行程液壓緩沖器安裝在甲板下方，在甲板上開設兩個出索孔，用兩組定滑輪實現換向，單缸的鋼索長度是活塞行程的兩倍。在初始狀態(tài)及工作過程，鋼索始終都處于拉緊狀態(tài)，用不上絞盤機。

圖2方案的工作過程如下，艦載機鉤上攔桿后先經過前置緩沖器卸荷再帶動活塞前行，開合機構控制內氣缸開口與外氣缸開口重合或錯開；電磁閥在3s內將溢流孔變小，流體流過溢流孔產生熱量消耗動能；在流體的壓迫下卸荷孔緊閉；停車后，前置緩沖器的彈簧復位并將艦載機彈開，艦載機后退并與攔桿分離。拖車將活塞復位，回退過程中流體頂開卸荷孔的蓋板以降低流體阻力。圖3方案的工作過程與之相似。

圖1 活塞內部結構

圖2 彈射器裝配方案1

圖3 彈射器裝配方案2

3 建立模型

因為圖2是對稱的，取其一半作為研究對象。用SIMPACK系統(tǒng)動力學軟件建立活塞、飛機的動力學模型。考慮甲板摩擦力、活塞摩擦力，流體力作用在活塞上，空氣阻力、飛機升力、發(fā)動機推力作用在飛機上。活塞與飛機用28號元件連接，前置緩沖器用5號力元件表示。動力學模型如圖4所示，參數見表1。

圖4 動力學模型

表1 主要仿真參數

溢流孔初始孔徑為5mm，終止孔徑為2mm，由函數表達式模擬電磁閥動作。飛機起降時的空氣阻力、飛機升力表達式一樣，參照文獻［11～15］在仿真環(huán)境中列函數表達式。

由于無活塞桿，活塞兩端截面積一樣，參照文獻［16～19］，流體流經小孔的阻尼力為

F為阻尼力（N）；W為活塞截面積（m2）；f為溢流孔截面積（m2）；v為飛機速度（m/s）。

4 分析結果

4.1 著艦速度的影響

著艦速度分別是 100m/s、90m/s、80m/s、70m/s，發(fā)動機全程不關閉，著艦攔阻形式為對中攔阻。如圖5～6所示，著艦速度越大，阻尼力、飛機加速度越大，單缸攔阻力最大為858.45kN，最大加速度為44.64m/s2。如圖7所示，著艦速度越大，飛機速度衰減越快，所需活塞行程越短；著艦速度100m/s，活塞行程123.68 m；著艦速度70m/s，活塞行程128.78 m。不同著艦速度下，活塞行程最多相差5.1 m，攔停距離基本相同。

圖5 單缸攔阻力-位移曲線

圖6 飛機加速度-位移曲線

圖7 飛機速度-位移曲線

4.2 活塞復位性能分析

在拖車的作用下，活塞速度在1s內從靜止加速到20m/s，然后勻速運動。上述動力學模型去掉飛機，回退過程中卸荷孔的蓋板被流體頂開，將卸荷孔與溢流孔的孔徑等效為30mm。計算出無限行程液壓緩沖器最大阻尼力為71.8N，活塞復位過程中阻力很小，如圖8所示。圖9所示，在7s內活塞完成復位，準備下一次攔阻。

5 結語

通過建立無限行程液壓緩沖器的數學模型分析了彈射過程的動力學響應，得到以下結果。

1）無限行程液壓緩沖器是無源的，適應性強，所用的介質容易得到，極端情況下可以用海水代替。改變溢流孔孔徑就可以調節(jié)流體阻尼力，對攔阻的飛機重量適用范圍廣。

圖8 無限行程液壓緩沖器阻尼力

圖9 活塞復位時間

2）通過特別設計，無限行程液壓緩沖器可以與內外氣缸蒸汽彈射器互換使用，兩者的零件可以相互兼容，提高了裝備的戰(zhàn)場存活率，提供了解決彈射、回收的一攬子方案。

3）溢流孔孔徑的變化直接影響攔阻的性能，為了讓飛機著艦過程更平穩(wěn)需要更深入地研究電磁閥的閉合規(guī)律。

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