一種艦載機著艦攔阻地面模擬沖擊試驗方法

李 昕，何肇雄，劉曉明，張浩成

(1.成都飛機工業(集團)有限責任公司技術中心， 成都 610000；2.海軍研究所 艦載機作戰研究與評估中心， 北京 100000)

艦載機是航空母艦的主要攻防武器，而艦載機起降技術是影響艦載機作戰性能的關鍵問題，也是影響航空母艦戰斗力的重要因素[1-2]。由于航母上飛行甲板跑道長度有限，對艦載機的降落滑跑距離提出了極高的要求。為了解決這一難題，航母普遍使用攔阻系統縮短飛機降落的滑跑距離。飛機在攔阻鉤掛索的過程中，飛機機身經歷復雜受力條件下的動響應過程，掌握飛機掛索攔阻時的過載、應力及應變響應過程，這對指導飛機設計，保證攔阻階段安全有重要意義。

國外對艦載機攔阻過程的研究起步較早，有較多的理論、仿真及試驗成果，并通過這些成果建立了軍標[3-9]。其主要關注點集中在兩方面：一方面是導致攔阻著艦過程的復雜性的原因上，如分析攔阻鉤裝置、攔阻裝置的工作原理、所受載荷等；另一是如何通過提升攔阻性能以提高艦載飛機的著艦成功率。Thomlinson[10]、Billec[11-12]等對攔阻鉤的動力學性能做了較深入的研究，美軍標MIL-STD-2066在大量實驗數據的基礎上給出了不同攔組系統中不同質量、速度的艦載飛機的攔阻鉤載荷變化規律；Ringleb[13]、Gibson[14]、Leask[15]等對攔阻索的動力學理論及模型做了詳細研究；Montgomery和 Granda[16]創建了可以模擬攔阻全過程的仿真方法。

國內相關研究尚處于起步狀態，缺少試驗數據，主要是利用國外公布的試驗數據對艦載機攔阻著艦進行理論和仿真計算研究分析。柳剛[17]運用碰撞理論建立了攔阻鉤-道面的碰撞模型；高澤迥[18]運用波動傳載理論，分析了飛機攔阻偏心程度和不同索材料對索應變動載的影響，并對阻中出現的攔阻鉤振動作了闡明和分析；柳剛、朱琳[19]、張卓坤[20]等都對非對稱攔阻時起落架上載荷變化進行了深入研究；高華鋒[21]對艦載機攔阻的剛柔耦合動力學進行了研究。

綜上所述，現有研究主要集中在動力學仿真等內容，而對相關地面攔阻的模擬試驗開展較少，本研究對攔阻著艦地面模擬沖擊試驗的試驗裝置、試驗件、加載方法及載荷選擇做了研究分析，通過對試驗加載數據特性和實測過載結果的分析，驗證了該試驗能夠較好地模擬艦載機攔阻著陸過程，為飛機結構設計及動強度校核提供數據支撐。

1 試驗原理

現有技術中通常采用靜力試驗研究攔阻著陸對艦載機的影響，如圖1所示，靜力試驗是將前機身進行固支約束，并在攔阻鉤頭處逐級施加攔阻載荷并測量機體結構應變的方法來驗證機體結構強度，這種試驗方法存在兩個問題:

圖1 靜力試驗裝置示意圖

1) 此處加載的攔阻載荷并不能反映真實的攔阻著艦載荷。真實的攔阻著艦載荷在沖擊的瞬間迅速增大，然后很快衰減。如果將真實的攔阻著艦載荷的峰值作為攔阻工況靜力試驗的載荷，對結構逐級加載，使載荷持續作用于結構，明顯不符合沖擊的特點，且結構更容易破壞；按該載荷條件來設計的結構過強，亦不符合結構設計的要求。

2) 對前機身進行固支約束，導致整個試驗件不能夠運動，明顯不符合艦載機攔阻著陸過程中的運動狀態，會導致整個機體受力狀態不準確。

為了改善以上所述問題，需要設計一套能夠在攔阻鉤頭處施加沖擊載荷，使得試驗件在受到沖擊載荷時，能夠自由運動的試驗裝置，以較準確地模擬攔阻著陸過程中主傳力和關鍵連接部位的受力情況。

2 試驗方法

2.1 試驗裝置

為了滿足前文所述試驗要求，使飛機能夠在受到沖擊載荷時自由運動，設計了試驗裝置，整套試驗裝置包括3個部分，如圖2所示，分別為：

圖2 試驗裝置示意圖

1) 攔阻裝置，用于試驗的加載及攔阻，其中有：

a) 彈簧儲能系統，用于對儲存對試驗件加載沖擊載荷的能量，該系統由15根高強度彈簧組成的3×5的彈簧組成，彈簧剛度系數為11 421 Nm，彈簧儲能系統的變形能力為1.5 m，儲能能力為128 487.4 J。彈簧儲能系統前端固定于地面基礎，后端與加載連桿相連，試驗過程通過作動筒加載系統壓縮彈簧系統實現儲能。

b) 作動加載系統，連接彈簧儲能系統與試驗件，用于載荷的傳遞，該系統包括加載連桿、張力銷和作動筒。整個加載裝置位于滑軌下方。作動筒端部固定，另一端和加載連桿之間通過張力銷相連，加載連桿另一端與彈簧儲能系統相連。加載連桿中的連接橫桿與攔阻鉤相連，兩者之間存在3 mm左右的間隙。

c) 攔阻鉤裝置，與試驗件和攔住裝置相連，如圖3所示。

圖3 攔阻鉤裝置

2) 支撐裝置，位于攔阻裝置上方，是用于支撐試驗件的水平導軌，水平導軌使用工字粱，通過支架固定于試驗室地軌上，以確保攔阻沖擊試驗時，試驗件組件可沿水平方向自由運動，即確保試驗件航向為自由狀態。

3) 阻尼裝置，也就是該套試驗裝置的剎車系統，位于彈性組件上方。采用摩擦力原理由兩邊夾板提供壓力，中部頂桿運動時可產生摩擦阻力，通過調節兩邊的夾板可調節摩擦力大小。剎車系統的最大剎車距離為1.5 m，摩擦力控制范圍為10～25 kN運動的試驗件通過后機身假件端部撞上剎車緩沖系統，在剎車緩沖系統的作用下試驗件逐漸減速為零，試驗中可能出現二次碰撞的情況。在試驗中控制剎車系統提供的摩擦力小于20 kN，保證試驗件在剎停過程中的安全。

2.2 試驗件

基于上述試驗方案，對國外某艦載機的主傳力及關鍵連接部位進行了試驗研究。為減小試驗規模，控制試驗成本，適應試驗場地條件，達到研究攔阻過程中主傳力及關鍵連接部位的受力情況的目的，通過對該飛機的合理假設簡化，設計了試驗件，如圖4所示。試驗件主要包括3個部分：

圖4 試驗件示意圖

1) 試驗件主結構，通過對國外艦載機的研究，對其主傳力及關鍵連接部位進行了簡化設計，去除了部分蒙皮和口蓋，添加了部分試驗件與試驗裝置的連接組件，以方便試驗件能夠穩定放置在試驗裝置上。

2) 攔阻鉤試驗件，連接試驗件主結構和攔阻裝置。

3) 對國外艦載機的前機身、后機身、機翼和燃油的質量重心進行了合理假設并制造了假件與試驗件主結構相連。前后機身假件通過高強度螺栓與中機身框相連，機翼假件通過在機腹附近預留的螺紋孔與中機身試驗件固接，攔阻鉤通過可旋轉接頭與中機身攔阻接頭連接。

2.3 試驗加載方法

將試驗件放置于支撐裝置的水平導軌上，形成完整的試驗加載裝置，如圖5所示，攔阻鉤鉤頭通過加載連桿，一端連接彈簧系統，另一端通過張力銷連接作動筒，攔阻鉤與地面夾角為4°。試驗開始，作動筒沿航向拉加載連桿，彈簧儲能系統和加載連桿同步運動，同時加載連桿中頂桿推動試驗件也隨作動筒同步運動。在這個過程中，彈簧變形儲能，作動筒與彈簧系統受力平衡，因此試驗件不受力。

圖5 完整試驗加載裝置示意圖

當作動筒加載到達張力銷斷裂載荷時，張力銷剪斷，彈簧儲能系統恢復力帶動加載連桿向逆航向運動，在極短時間內將載荷施加于攔阻鉤頭，攔阻力瞬間達到設計值，攔阻力傳遞給試驗件，同時帶動試驗件沿逆航向加速運動，直到彈恢復原長，加載過程及試驗裝置說明如圖6所示，其中圖6(a)表示加載過程試驗件運動方向，圖6(b)表示張力銷斷裂后試驗件運動方向。在試驗件加速運動期間，通過攔阻鉤裝置上連接的載荷傳感器(型號PSD-30tSJTT)實時采集載荷信息，作為攔阻沖擊載荷。

圖6 加載過程示意圖

要控制攔阻沖擊載荷達到目標值，需要控制張力銷斷裂載荷。通過控制張力銷直徑可控制張力銷斷裂載荷。試驗過程中要實現載荷加載到攔阻鉤時，推動試驗件的隨動推桿要與攔阻鉤脫離的目的，因此，試驗開始前加載連桿中的連接橫桿與攔阻鉤頭間需要有3 mm左右的間隙。由于間隙的存在，導致張力銷斷裂后，加到攔阻鉤頭上的載荷為沖擊載荷，大于張力銷斷裂的載荷。在加載連桿與攔阻鉤之間加橡膠墊來調整加載速率，如圖7所示。

3 試驗載荷研究

根據試驗要求，需要讓試驗件達到A、B兩種過載狀態(以下稱為A工況、B工況)，根據牛頓第二定律，試驗件質量與試驗過載的乘積即為理論試驗載荷。由于攔阻鉤與地面有4°的夾角，得到理論計算載荷如表1所示。

圖7 攔阻鉤與加載連桿之間加橡膠墊

表1 理論計算載荷

在實際試驗中，通過張力銷斷裂瞬間對試驗件施加沖擊載荷。多次小載荷試驗的結果如表2所示，由數據可以發現以下兩個特點：

1) 由于沖擊過程中會產生動量的累積效果，攔阻鉤處的實測載荷峰值大于張力銷的斷裂載荷。張力銷斷裂載荷與張力銷直徑直接相關。

2) 在張力銷斷裂載荷相同的情祝下攔阻載荷到達峰值時間越短，攔阻鉤處實測載荷峰值越大。攔阻載荷到達峰值時間與攔阻鉤和加載連桿間的橡膠墊厚度相關。

表2 小載荷實測值

通過前期小載荷試驗的摸索，大致得到了A工況和B工況所需的張力銷直徑范圍和橡膠墊厚度范圍，通過對兩種工況的數次打靶試驗，針對每種過載狀態選出了一次加載最準確的試驗，其試驗載荷數據如表3所示，載荷時程曲線如圖8所示。

表3 實測試驗載荷數據

圖8 加載時程曲線

由圖8可見，整個沖擊加載過程分為3個階段：載荷上升階段(圖8左中A所示)、載荷下降階段(圖8左中B所示)以及二次沖擊階段(圖8左中C所示).載荷上升階段時長0.012～0.015 s，載荷下降階段時長0.1～0.11 s，二次沖擊階段時長0.13～0.14 s。其中載荷上升階段和載荷下降階段為重點考察階段。整個過程中，載荷先短時間急劇增大，再振蕩下降，經歷二次碰撞后逐漸衰減接近零值，符合瞬態沖擊的特點。B工況與A工況變化趨勢基本一致。

綜上所述，由于實測載荷峰值接近理論載荷，載荷時程曲線變化趨勢符合預期特征，可以認為A和B兩次試驗可以較真實地反正實際艦載機攔阻著艦沖擊中所受攔阻力的情況。

4 試驗結果

試驗的加速度測量采用DH5922N系統，傳感器采用型號B&K三軸向智能加速度計4525B和B&K單軸向智能加速度計333B30，采樣頻率設定為10 000 Hz。

試驗采集到的加速度時域信號包含高頻干擾信號，因此采用巴特沃斯濾波器，根據輸入信號頻譜，綜合考慮采樣頻率和載荷信息對加速度信號進行低通濾波處理。A工況和B工況，攔阻鉤接頭濾波前后航向加速度響應時程曲線如圖9所示。

由圖9可見，攔阻接頭航向加速度瞬間增大，并很快衰減，符合瞬態沖擊特點，也進一步表明了攔阻著艦地面模擬沖擊試驗對于模擬實際艦載機著艦攔阻受力情況的可行性。

圖9 加速度時程曲線

5 結論

1) 制定了使用彈簧儲能，張力銷斷裂施加沖擊載荷模擬艦載機著艦攔阻瞬間工況的試驗方法。

2) 通過對國外艦載機的研究，對其主傳力及關鍵連接部位和飛機的其他部件進行了合理的假設簡化，縮小了試驗規模、控制了試驗成本、達到了試驗目的。

3) 探索了試驗載荷影響因素，通過控制張力銷直徑和加載時間滿足預設載荷。

4) 載荷和過載的時程曲線符合瞬態沖擊特征，即迅速達到峰值，并在隨后一段時間衰減，證明該試驗方法具有較高的合理性，能夠模擬攔阻沖擊工況。