基于PAM-CRASH 的飛機著艦攔阻系統動力學仿真分析

黨曉艷，黃超廣，馮震宙

（航空工業第一飛機設計研究院，西安 710089）

艦載飛機的彈射起飛及攔阻著艦是典型的結構動力學問題之一，也是關系到航母及艦載飛機的關鍵安全因素。攔阻著艦過程（圖1）通常被認為是艦載飛機事故率最高的階段，因此，攔阻著艦動力學一直備受關注[1]。艦載飛機通常通過尾鉤鉤住攔阻索，攔阻裝置產生阻尼力，飛機在阻尼力的攔阻索產生的阻尼力作用下滑行至停止最終制動。在此種復雜情況下著艦，很可能出現上索失效，結構或載荷問題導致攔阻鉤或者索損壞。據相關文獻統計，進場階段事故中由于著艦末端過程產生的動力學問題導致的事故占40%以上[2]。

美國的 “尼米茲” 號航母，號稱是世界上最大的航空母艦，其甲板長度也不過300 m，而真正能用于著陸的實際長度大約200 m 左右[3]。艦載飛機要成功降落，合理可靠安全的攔阻系統設計至關重要，攔阻系統的設計初源正是基于艦載意外原因沖出跑道的飛機進行攔阻而產生，最終達到正常著陸。攔阻鉤（圖2）主要用于捕捉并鉤住艦上攔阻裝置的攔阻索，保證飛機的短距離制動。

攔阻鉤的特點是沿飛機航向過載極大，飛機的著艦沖擊載荷及動能會通過攔阻鉤將沖擊載荷梁傳遞到艦載機的機體[4-5]。最早進行艦上攔阻的美國人采用兩端放置砂包的方式而產生了第一代重力型攔阻裝置MK1。

由于艦載飛機的著陸方式是撞擊式的，因此攔阻鉤會承受很大的沖擊載荷，高強度鋼絲[6]可以保證攔阻過程的載荷傳遞且不會產生斷裂破壞，并且在使用數十次后就進行更換[7]。一般來說，攔阻索直徑為35 mm。1955 年美國超級航母的攔阻系統已經可以攔停以150 節速度嚙合、20 t 的著艦質量。

圖1 艦載機典型攔阻過程Fig.1 Typical arresting process of carrier aircraft

圖2 F-35 的A 型空軍型和C 型海軍型攔阻鉤Fig.2 Arresting hook with config A for the air force andconfig C for the navy of F-35

1 攔阻鉤工作原理

目前最具有代表性的是美國的MK7 系列液壓緩沖式攔阻裝置[8]，其系統組成有：攔阻索、攔阻索支撐系統、攔阻機系統、滑輪緩沖系統、鋼索尾端緩沖系統、鋼索系統、定長沖跑控制系統、復位系統以及油液冷卻系統等。圖3 為MK7 型攔阻系統示意圖。

圖3 MK7 型攔阻系統示意Fig.3 Schematic di agram of arresting system of MK7

攔阻鉤在飛機著陸時在很短的時間內放下，并由縱向緩沖器壓緊在道面上，然后鉤住繩索，隨后帶動攔阻機工作，在規定的時間或距離內耗散掉飛機的動能，以使其很快停下來。柔性繩索與艦載機的攔阻鉤在瞬間接觸過程中，由自由狀態開始張緊，這是由于攔阻鉤在接觸點產生了攔阻拉力，但由于飛機的前向運動，使得攔阻鉤拉力垂直于繩索。著艦時攔阻鉤嚙合攔阻索的速度和著艦姿態不僅關系到作用在飛機結構上的載荷大小，還關系到飛機在著艦甲板上滑行制動能力和座艙視角以及逃逸復飛的能力。

2 理論基礎

繩索動力學問題是高度非線性的問題。1956 年Ringleb[8]建立的應力傳播的波動方程是通過研究柔性繩索端部突然受縱向沖擊后的行為，在此過程中，得到了應力波縱波速度傳播的速度，以及求應力以及質點運動速度的公式。

式中：c為縱波速度；E為索的彈性模量；ρ0為索在零應變時的密度；σ0為索的初始應力。

式中：u為質點運動速度；σ為索的應力。

當繩索受到斜碰撞時，繩索的運動及應力傳播行為，彎折波傳播的波速以及橫波波速，繩索中的應力及碰撞角度、初始應力、碰撞速度以及繩索參數則存在以下關系：

式中：V0為碰撞速度；φ為碰撞角度。

通常由于攔阻鉤在繩索上會產生滑移，波由于阻尼作用的衰減效應以及非無限加載率時繩索張力的峰值，繩索的不同構造形式等相關因素對繩索峰值應力的影響，最終得到峰值應力與繩索彈性模量和繩索密度與金屬橫截面積之比的關系：

在計算中繩索材料采用鋼制。在PAM-CRASH中，提供了一種專門模擬繩索的材料模型（非線性拉伸桿單元）。該材料定義中有兩個重要參數，一個是剛度系數K=EA（E為材料的彈性模量，A為桿單元的橫截面積）。另一個是初始應變值ε0，當ε0為負值時表示攔阻索處于松弛狀態，ε0為正值時表示攔阻索處于張緊狀態。

3 仿真分析

3.1 著艦沖擊分析

對攔阻鉤著艦進行了動力學建模[9-11]，見圖4。模型中飛機取最大著艦質量，考慮航向嚙合速度和下沉速度，當飛機迎角為0°時，攔阻鉤與艦面夾角取58.60°。表1 為著艦過程中攔阻鉤上的應力應變情況，圖4 為鉤臂上的應力時間歷程，圖5 為著艦瞬間緩沖器的載荷時間歷程，圖6 為著艦瞬間作用在緩沖器上的載荷時間歷程。

圖4 著艦狀態沖擊模型Fig4 Impact model of landing status

表1 鉤臂在著艦過程中的應力應變情況Tab.1 Stress and strain of the hook arm during landing

圖5 鉤臂上的應力時間歷程Fig.5 Stress-time of the hook arm

圖6 著艦瞬間緩沖器載荷時間歷程Fig.6 Force-time of the absorber at landing moment

3.2 攔阻沖擊分析

針對某型預警機試驗狀態攔阻過程進行了瞬態沖擊分析，建立的有限元模型見圖7。緩沖器載荷采用和著艦沖擊一致的狀態，攔阻索長度取1 m，兩端固支。

圖8 和圖9 所示為攔阻瞬間鉤彎根處和繩索上的應力云圖。

圖7 攔阻瞬態沖擊有限元模型Fig.7 Finite element model for arresting transient impact

3.3 著艦攔阻沖擊分析

攔阻著艦過程中的計算狀態同3.1 小節一致。圖10 為著艦攔阻全過程的動力學模型。圖11 為攔阻過程動態示意圖。圖12 和為攔阻過程中鉤彎跟處的應力云圖。在此次計算中，銷子和攔阻鉤設置接觸。

圖8 接觸瞬間鉤彎根處應力云圖Fig.8 Stress cloud of the hook root at contact moment

圖9 接觸瞬間繩索軸向力云圖Fig.9 Axial force cloud of the cable at contact moment

在攔阻過程中，攔阻鉤和中間的銷子因為存在間隙，嚙合過程中首先接觸，待鉤頭接觸繩索，鉤頭彎曲部分產生較大應力。表2 為最終的計算結果，最大應力發生的位置有兩處，一處在鉤頭彎曲和繩索接觸位置，一處在攔阻鉤和中間的銷子接合處，最大應力值為1620 MPa。

鉤彎根處在0.06 ms 時出現沖擊應力峰值，接觸后大約39 ms 時應力峰值銳減，可認為機體緩沖裝置起到作用。但是在鉤頭桿位置的應力時間歷程完全不同，其中的間隙和嚙合使得此處產生連續沖擊。

圖10 著艦攔阻模型Fig.10 Landing arresting model

圖11 著艦攔阻過程示意Fig.11 Landing arresting process

圖12 鉤彎根處的最大應力狀態Fig.12 Maximum stress of the hook root

表2 計算結果Tab.2 Calculation result

攔阻沖擊全過程的分段計算為3.1 小節的著艦沖擊和3.2 小節的攔阻沖擊，3.1 小節為未考慮攔阻的情況，而3.2 小節則未考慮攔阻索的應力波傳遞及長度影響。其計算結果具有局限性。

4 結論

1）著艦沖擊過程中，鉤臂處最大應力發生在鉤臂靠近銷子連接處。

2）著艦沖擊過程中，鉤頭最大應力發生在鉤頭彎鉤兩側，最大值為1467.89 MPa，未超過材料的極限應力。

3）在著艦過程中，艦體較剛硬，因此計算結果可能偏大。

4）緩沖器在著艦過程中起到了一定作用，承受的瞬間載荷大小為53 000 N 左右。

5）攔阻沖擊過程中，材料的變形均發生在彈性段。

6）攔阻過程中，最大應力發生的位置有兩處，一處在鉤頭彎曲和繩索接觸位置，一處在攔阻鉤和中間的銷子接合處，最大應力值為1620 MPa。

5 展望

艦載機的著艦攔阻沖擊是一個非常嚴酷的過程，對飛機的攔阻鉤、起落架、機體以及艦上攔阻系統都是極其嚴峻的考驗，攔阻鉤和繩索的沖擊，攔阻索內應力波的傳播等都是需要進一步討論的問題[12-15]。本文的攔阻鉤和機體連接為彈性模型，因此在隨后的工作中還需要進行進一步深入研究以下問題：

完成全歷程攔阻仿真，目前因為計算規模巨大，僅完成75 ms 的計算歷程；

基于仿真數據，結合試驗數據對比，進行模型修正，對模型的動態特性進行分析，研究攔阻過程中飛機的攔阻索拉力等相關參數之間的內在聯系[16]；

將波動傳載理論與計算仿真相結合，分析飛機尾鉤掛索后應力波在攔阻索中的傳播過程，以及應力波在甲板滑輪處的反射與傳播[17-19]；

進一步建立全機彈性體攔阻模型，了解攔阻對機體結構的影響[20]。