飛行器攔阻著陸沖擊試驗分析

孫建勇，張建軍

（中國航空綜合技術研究所，北京 100028）

飛行器攔阻著陸沖擊試驗主要用于模擬飛行器以大下沉速度著陸、并使用攔阻索進行快速減速，以實現(xiàn)短距離滑行的情況。目前國內對該環(huán)境特性尚不了解，基于上述情況，筆者對飛行器攔阻著陸沖擊試驗及其免除方法進行分析，為GJB 150.18 的貫徹實施提供參考。

1 飛行器攔阻著陸的動力學環(huán)境特征

飛行器攔阻著陸主要發(fā)生在艦載飛機上。由于艦面跑道相對較短，為確保飛機著艦成功，艦載飛機常采用大下沉速度著陸，因此著陸瞬間將承受比飛機正常著陸大得多的沖擊載荷；著艦后采用攔阻索來使飛機迅速減速，由于攔阻索的柔性特征，在攔阻過程中飛機將經(jīng)受較大的負向過載，同時還將經(jīng)受持續(xù)時間較長的瞬態(tài)振動。

典型攔阻著陸的加速度時間歷程如圖1所示[1]。圖1 為安裝在飛機掛架上的外掛艙體結構的垂向、側向及縱向上的典型加速度響應，對應的測量數(shù)據(jù)為直流耦合，并通過截止頻率為70 Hz 的低通濾波。這3 個時間歷程都表明：開始時是一瞬態(tài)沖擊過程，接著是持續(xù)大約3 s 的瞬態(tài)振動。很明顯，縱向的時間歷程有較大的負向穩(wěn)態(tài)分量，其物理意義為經(jīng)受了較為穩(wěn)定的負向攔阻加速度，用于飛機快速減速。

圖1 飛機外掛艙體結構上測量記錄的攔阻著陸3 個軸向加速度響應時間歷程Fig. 1 Measured three axis acceleration response time histories of outer store component during arrested landing

從圖1中縱向加速度時間歷程還可以觀察出與飛機攔阻著陸事件相關的物理特征：整個著陸過程分為3 個階段，第1 階段為著陸前250 ms 左右，這時飛機處于加速狀態(tài)，其加速度約為3g；第2階段飛機開始以大下沉速度著陸，外掛艙體3 個方向均經(jīng)受較大的沖擊，其持續(xù)時間約為800 ms；第3階段攔阻索開始起明顯作用，外掛艙體開始經(jīng)受近似穩(wěn)定的負向加速度，飛機開始迅速減速，持續(xù)時間約3 s。

綜上所述，由于采取大下沉速度著艦，著艦后又受到攔阻索和跑道的聯(lián)合作用，飛機的攔阻著陸經(jīng)受的動力學環(huán)境呈現(xiàn)為先經(jīng)受較大的瞬態(tài)沖擊，再經(jīng)受一個持續(xù)時間較長的瞬態(tài)振動。

飛機攔阻著陸過程中，對機體結構和機載設備影響較大的階段為量值較大的瞬態(tài)沖擊階段。以圖1 為例觀察時域波形，瞬態(tài)沖擊階段近似為正弦波形，正弦波的頻率約為5～10 Hz，其y 軸向最大加速度為10 g，最大位移近似為：

即 y 軸向振幅在 25 ～100 mm 之間，此振幅遠大于常規(guī)的沖擊試驗，因此攔阻著陸沖擊本質上為低頻大位移沖擊。

由于飛機著陸頻繁，長時間和高頻率經(jīng)受這種低頻大位移沖擊，將會在設計不當?shù)臋C載設備上累積起明顯的低周動態(tài)疲勞損傷。另外，大的振幅還可能超出材料的彈性范圍，進入材料的塑性區(qū)，從而引起材料的塑性變形，造成產(chǎn)品結構的破壞。

2 攔阻著陸沖擊和正常著陸沖擊對比

圖2為固定翼飛機正常著陸情況下測得的典型加速度響應[2]。由圖2 可知，在正常著陸情況下，飛機經(jīng)受的沖擊加速度峰值較低，多數(shù)情況下該峰值低于飛機正常飛行過程中誘發(fā)的振動，因此，多數(shù)著陸沖擊造成的破壞效應是可以忽略不計的。這也是機載設備一般按GJB 150 規(guī)定的基本設計沖擊進行沖擊試驗的主要原因，因為該條件完全能夠覆蓋由著陸沖擊環(huán)境條件誘發(fā)的峰值破壞效應。

圖2 正常著陸沖擊響應Fig.2 Normal landing shock response

對比圖1和圖2可以看出，攔阻著陸造成的沖擊加速度響應遠大于正常著陸沖擊，其加速度峰值一般比飛機正常飛行過程中誘發(fā)的振動大，因此，其沖擊環(huán)境效應不能忽略。對于艦載飛機來說，一般情況下每年都經(jīng)受數(shù)百次的攔阻著陸，攔阻著陸沖擊效應不能忽略。

3 攔阻著陸沖擊和基本設計沖擊對比分析

當前，對機載設備進行沖擊試驗一般按GJB 150.18-86[3]進行，該標準規(guī)定使用基本設計沖擊試驗對機載設備耐沖擊能力進行考核，其沖擊試驗條件為：

1）沖擊波形：半正弦波；

2）沖擊加速度峰值：15g；

3）沖擊脈沖持續(xù)時間：11 ms；

4）沖擊方向：三軸六向；

5）沖擊次數(shù)：每方向3次，共進行18次沖擊。

圖3為半正弦波沖擊響應譜對應的廣義頻率曲線（沖擊響應譜），該曲線對應的品質因子Q=20。

圖3 半正弦沖擊廣義頻率曲線Fig.3 General frequency curve of half sine shock

假定機載設備經(jīng)受了上述基本設計沖擊，其脈寬D=11 ms，分析其響應情況。以圖1所示沖擊響應為例，假定圖1 外掛瞬態(tài)沖擊響應的頻率為10 Hz，顯然該頻率是飛機或外掛的固有模態(tài)頻率。根據(jù)圖3，其歸一化頻率fd=0.11 Hz，對應的最大響應系數(shù)約為0.4，如果響應為圖1中的10g，則要求經(jīng)受的半正弦波的峰值為25g，顯然GJB 150.18-86 規(guī)定的15g的基本設計沖擊不能覆蓋飛行器的攔阻著陸沖擊。

因此，對于飛行器來說，當前常用的基本設計沖擊不能充分覆蓋攔阻著陸沖擊，攔阻沖擊試驗是否免除必須根據(jù)產(chǎn)品的響應情況，需要通過響應等效分析的手段來確定。

4 攔阻沖擊試驗免除

攔阻沖擊試驗項目的免除包括2種情況：

1）該機載設備經(jīng)歷了非常嚴酷的振動試驗，振動試驗條件能夠覆蓋攔阻沖擊環(huán)境效應；

2）該機載設備經(jīng)歷的其它沖擊試驗項目，如基本設計沖擊試驗項目，其量值能夠充分覆蓋攔阻沖擊環(huán)境效應。

4.1 隨機振動試驗后免去攔阻沖擊試驗條件分析

新版GJB 150.18A[4]規(guī)定：“如果對系統(tǒng)完好性的要求相當，在進行過任一足夠嚴酷的隨機振動試驗的軸向上，就不需要再沿這些軸向進行任何沖擊試驗程序。如果有關標準規(guī)定裝備要進行隨機振動試驗和沖擊試驗，根據(jù)規(guī)定的隨機振動激勵譜求得的單自由度系統(tǒng)的高斯3σ加速度響應譜，在指定的固有頻率范圍內每一處都超過根據(jù)規(guī)定的沖擊激勵求得的最大加速度沖擊響應譜，則認為隨機振動試驗是足夠嚴酷的，可用一個相對比較高量級的隨機振動試驗來替代相對較低量級的沖擊試驗?！?/p>

機載設備受沖擊激勵造成的破壞效應，主要取決于其響應的最大值，其次才是衰減振蕩的各個峰值。隨機振動激勵造成的破壞也是由較大的峰值造成的。一般機載設備受沖擊次數(shù)較少，而隨機振動的峰值按正態(tài)分布，其峰值等于3σ的概率雖然較少，若振動時間較長，累積起來后大于等于3σ的次數(shù)必然比沖擊次數(shù)多；若沖擊響應譜處處小于隨機振動3σ響應譜，那么進行隨機振動考核產(chǎn)品性能時已覆蓋了沖擊考核作用，因此隨機振動試驗后可免去沖擊試驗。至于沖擊的多個小峰值造成的疲勞損傷，則遠小于振動引起的疲勞損傷，振動覆蓋沖擊更不成問題。

隨機振動試驗的3σ響應譜為單自由度系統(tǒng)的固有頻率的函數(shù)，可由下式給出：

式中：A（f）為隨機振動試驗3σ響應譜在頻率f處的幅值；G（f）為在頻率f 處的加速度譜密度值；Q為品質因數(shù)，一般取10，可通過振動測試手段獲得。

舉例說明隨機振動3σ響應譜的計算。圖4 為某一隨機振動試驗譜，取圖4中拐點來確定其3σ響應譜，計算結果如圖5所示。

圖4 隨機振動試驗譜Fig.4 Random vibration test spectrum

圖5 與圖4隨機振動試驗譜對應的3σ響應譜Fig.5 Equivalent 3σ response spectrum corresponding to random test spectrum shown on fig.4

如果某產(chǎn)品按圖4給出的譜形進行隨機振動試驗，其沖擊試驗對應的沖擊響應譜在20～2 000 Hz頻率范圍內處處小于圖5 對應的值，則隨機振動試驗可以代替該沖擊試驗，沖擊試驗可以免去。

4.2 基本設計沖擊試驗后免除攔阻沖擊試驗條件分析

鑒于機載設備均會按GJB 150.18-86 規(guī)定的基本設計試驗進行考核，并且沖擊產(chǎn)生的破壞效應與產(chǎn)品上產(chǎn)生的最大加速度響應相關，因此，可以通過對比加速度響應峰值的方法來分析基本設計沖擊試驗能否覆蓋攔阻著陸沖擊[5]。

一般情況下攔阻著陸沖擊在機體結構上產(chǎn)生的響應峰值不會超過15g，因此，假定攔阻著陸沖擊在機體某位置產(chǎn)生的響應峰值為15g，其對應的響應頻率為10 Hz，其響應近似為瞬態(tài)正弦波，正弦波持續(xù)時間較長（例如1 000 ms，即持續(xù)了10 個周期的正弦振動），分析了安裝在其上的機載設備的最大響應。

圖6 為10 個周期正弦波的沖擊響應譜（其它瞬態(tài)正弦波的沖擊響應譜類似）。由圖6可知，當機載設備一階固有頻率大于等于瞬態(tài)沖擊頻率的5 倍時，其最大響應系數(shù)保持為1，沖擊響應峰值不發(fā)生放大，和激勵峰值保持一致，即15g的激勵峰值在機載設備上引起的響應峰值也將保持在15g；對于基本設計沖擊，由圖3 可知其廣義頻率大于0.3 Hz，即機載設備一階固有頻率大于30 Hz時，其最大響應系數(shù)大于等于1，這時基本設計沖擊在機載設備上引起的加速度響應峰值大于等于15g。因此，當攔阻著陸沖擊在機體結構上產(chǎn)生的響應峰值不超過15g 時，如果機載設備一階固有頻率不低于瞬態(tài)沖擊頻率的5倍，并且該固有頻率大于等于30 Hz，基本設計沖擊能夠覆蓋攔阻著陸沖擊。

圖6 瞬態(tài)正弦波沖擊響應譜Fig.6 Shock response spectrum of transient sine wave

實際情況可能與上述假設不完全相符，這時仍然可以使用沖擊響應譜對比方法來確定基本設計沖擊條件能否覆蓋攔阻著陸沖擊試驗條件。

分析過程如下：

1）根據(jù)攔阻沖擊試驗時間歷程波形，計算其沖擊響應譜并繪成圖形；

2）計算基本設計沖擊對應的沖擊響應譜并繪成圖形；

3）分析受試機載設備的各個固有頻率；

4）查看沖擊響應譜曲線，確定2 種沖擊響應譜在該機載設備各個固有頻率處的最大響應，如果基本設計沖擊對應的最大響應值均大于攔阻沖擊對應的最大響應值，則攔阻沖擊試驗可免除。

5 結論

攔阻著陸沖擊是一種低頻大位移沖擊，在機身或機翼上產(chǎn)生的加速度響應通常呈現(xiàn)為阻尼正弦波特性，正弦波的頻率一般為機體的固有模態(tài)頻率。在機體不同部位的響應峰值通常與機體的模態(tài)形狀有關，在模態(tài)波峰處的沖擊加速度響應較大，而在模態(tài)節(jié)線附近的沖擊加速度響應最小。

與正常著陸沖擊相比，攔阻著陸會誘發(fā)出更大的沖擊能量，對機載設備會產(chǎn)生更大的影響?；跀r阻著陸沖擊環(huán)境特性，對比分析了基本設計沖擊和攔阻沖擊產(chǎn)生的加速度響應特性，提出了免除攔阻沖擊試驗的條件和分析方法，使用的沖擊響應等效分析方法可以用于其它沖擊環(huán)境的分析。

由于國內對攔阻著陸沖擊研究較少，尚缺少該方面的實測數(shù)據(jù)，現(xiàn)有標準規(guī)范中也沒有給出其沖擊環(huán)境條件，因此，在實施攔阻沖擊試驗時尚存在難以準確確定試驗條件的問題，亟待加以研究解決。

[1]MIL-STD-810F，Environmental Engineering Considerations and Laboratory Tests[S].

[2]Environmental Handbook for Defence Materiel，Environmental Condition[K].Geneva：ASVE，2006.（余不詳）

[3]GJB 150.18-86，軍用設備環(huán)境試驗方法沖擊試驗[S].

[4]GJB 150.18A-2009，軍用裝備實驗室環(huán)境試驗方法沖擊試驗[S].

[5]HB 5830.2-1982，機載設備環(huán)境條件及試驗方法沖擊[S].