阻攔裝置對艦載機著艦阻攔負(fù)加速度分析*

（91404部隊 秦皇島 066001）

1 引言

航母艦載機一般以240km/h的高速著艦，并在100m的沖跑距離下停下來，在該過程中，艦載機需要承受阻攔裝置較大的阻攔負(fù)加速度。每型艦載機均有自身所能承受的極限阻攔負(fù)加速度，一旦超過該值，艦載機結(jié)構(gòu)會遭到破壞。因此，阻攔過程對阻攔裝置和飛機結(jié)構(gòu)都是巨大考驗。美國有豐富的使用阻攔裝置的經(jīng)驗，積累了大量阻攔裝置的實踐數(shù)據(jù)，本文利用美國已有的經(jīng)驗公式和數(shù)據(jù)，計算了幾型艦載機在不同著艦重量和不同著艦速度時，阻攔裝置對艦載機的阻攔負(fù)加速度，并得出相關(guān)結(jié)論。

2 MK7型阻攔裝置阻攔特點分析［1～2］

MK7型阻攔裝置最早是美國裝在攻擊性航母上的設(shè)備，主要由阻攔機系統(tǒng)、鋼索系統(tǒng)、滑輪緩沖系統(tǒng)、鋼索末端緩沖系統(tǒng)、定長沖跑控制系統(tǒng)、復(fù)位系統(tǒng)、油液冷卻系統(tǒng)等組成。其阻攔原理圖如圖1所示。

阻攔前，工作人員根據(jù)該艦載機的重量將飛機重量選擇器調(diào)整到合適的值。阻攔初始階段，鋼索中的沖擊力引起滑輪緩沖活塞的動作，滑輪緩沖裝置能有效地減小索中的張力波動。隨著阻攔索不斷被拉出，纏繞在動、定滑輪上的滑輪組索迫使動滑輪組向定滑輪組方向移動，柱塞的移動將主液壓缸內(nèi)的油液通過定長沖跑閥擠壓入蓄能器，同時蓄能器內(nèi)的活塞壓縮膨脹氣瓶，將飛機動能存儲在蓄能器及膨脹氣瓶內(nèi)。動滑輪組移動的同時將通過驅(qū)動機構(gòu)帶動定長沖跑系統(tǒng)凸輪轉(zhuǎn)動，凸輪的型線控制錐閥的開口大小。隨著柱塞位移增大，閥口逐漸減小，柱塞到達(dá)最大行程時，閥口完全關(guān)閉，艦載機停止，從而達(dá)到定長沖跑為防止艦載機在阻攔過程中產(chǎn)生過高的阻攔力而影響飛機壽命與飛行員生命安全的目的。一方面通過定長沖跑控制閥的凸輪型線控制阻攔過程中油液阻尼流量，另一方面通過滑輪緩沖油缸和鋼索末端緩沖油缸減少阻攔過程中鋼索的張力峰值。到達(dá)阻攔終點時，鋼索中存留的張力會使飛機往回滑動一小段，此時阻攔索自動從飛機尾鉤上脫離。阻攔結(jié)束后打開復(fù)位閥，此時蓄能器中的大部分高壓油液經(jīng)油液冷卻器流回到主液壓缸使動滑輪組復(fù)位，小部分流入尾端緩沖中使尾端緩沖活塞復(fù)位，動滑輪組的復(fù)位將通過驅(qū)動機構(gòu)將定長沖跑系統(tǒng)復(fù)位，滑輪緩沖系統(tǒng)在自身蓄能器高壓油的作用下復(fù)位，準(zhǔn)下一架艦載機的著艦阻攔。該型阻攔裝置的特點是其配備了定長沖跑控制閥而使阻攔機能使各型掛索的艦載機停在著艦甲板的指定區(qū)域，安裝了滑輪緩沖系統(tǒng)和鋼索末端緩沖系統(tǒng)，以解決現(xiàn)代艦載機要求著艦掛索速度高而產(chǎn)生阻攔索和相關(guān)鋼索工作張力過大、鋼索松弛等問題。

3 MK7型阻攔裝置阻攔能力計算［3，5～6］

飛機在阻攔過程中，阻攔系統(tǒng)的力通過阻攔索作用在阻攔鉤上，阻攔索作用在鉤上的力，可以分為沿阻攔鉤的力和垂直于阻攔鉤的力，其中垂直于阻攔鉤的力提供了阻攔鉤繞鉸點旋轉(zhuǎn)的力矩，沿阻攔鉤的力通過鉸接點傳遞給飛機，這一部分力才真正是飛機攔停的力。圖2、圖3給出了MK7-3型阻攔裝置阻攔23t、和18t的飛機時沖程各階段飛機所收到的拉力（其中虛線是飛機在個沖程階段所受最大拉力無綱量載荷曲線）。圖4給出了飛機在MK7-3型阻攔裝置阻攔時各接合速度下的修正因子。

圖2 MK7-3型阻攔裝置阻攔時沖程各階段飛機所受到的拉力

圖3 MK7-3型阻攔裝置阻攔時沖程各階段飛機所受到的拉力

阻攔裝置對艦載機阻攔力如式（1）所示。

其中：L為飛機的最大無量綱載荷；Fmax為彈射器或阻攔索對飛機的最大水平拉力；C為修正因子；R為阻攔或彈射沖程長度；M為飛機斯拉格重量；V為彈射末速度或阻攔結(jié)合速度。

圖4 飛機在受阻攔時個階段接合速度下的修正因子

飛機在阻攔過程中所受到的阻攔索拉力下的最大加速度如式（2）所示。

表1 典型飛機阻攔拉力及最大負(fù)加速度計算

其中，α為飛機在阻攔過程中受到阻攔索拉力下的最大加速度；T為飛機發(fā)動機推力；W為飛機彈射起飛重量或著艦阻攔重量。

通過查圖2和圖3飛機著艦過程中各項參數(shù)，并利用式（1）、式（2）計算了F-18A/B/C/D/E/F攻擊機、E-2C鷹眼預(yù)警機、EA-6B電子戰(zhàn)飛機等機型的最大阻攔拉力及飛機最大負(fù)加速度，如表1所示。表2對比了飛機所受阻攔裝置的最大阻攔負(fù)加速度、飛機本身能夠承受的最大負(fù)加速度。

表2 典型飛機在各種重量下的負(fù)加速度對比

4 結(jié)果分析及啟示

4.1 結(jié)果分析

通過計算及分析表明：

1）F-18A/B/C/D攻擊機著艦時最大負(fù)加速度3.5G左右，小于能承受的最大加速度3.95G，F(xiàn)-18E/F在攻擊機著艦時最大負(fù)加速度3.75G左右，小于能承受的最大加速度4.10G；EA-6B電子戰(zhàn)飛機以及E-2C鷹眼預(yù)警機著艦時最大負(fù)加速度均在其嫩承受的最大加速度范圍內(nèi)。如表2所示。

2）美國MK7-3型阻攔裝置的阻攔范圍比較大，能阻攔4.5t～22.5t等多種重量的飛機。且阻攔裝置的阻攔過程畢竟平穩(wěn)，對飛機的峰值作用力比較小，飛機的最大負(fù)加速度均在其承受范圍內(nèi)［7］。

3）美國MK7型阻攔裝置在阻攔過程中，對各型艦載機產(chǎn)生的最大負(fù)加速度分布范圍較大，從1.5G至4G以上。資料表明裝置的制動距離普遍在100m上下，現(xiàn)在艦載機的著艦速度基本上都保持在240km/h～270km/h，按這個速度計算，平均過載不應(yīng)超過3g，但這種裝置的最大過載通常超過了4g。

4）MK7型阻攔系統(tǒng)控制機構(gòu)采用純機械結(jié)構(gòu)，雖然通過合理設(shè)計系統(tǒng)的定長沖跑系統(tǒng)可使其不受艦載機重量、降落速度的制約，能夠?qū)ε炤d機在阻攔距離指標(biāo)范圍內(nèi)實施安全阻攔，但不能確保各種阻攔情況下各物理量（艦載機加速度、主液壓缸壓力、阻攔力等）變化規(guī)律曲線均達(dá)到理想效果。當(dāng)實際系統(tǒng)參數(shù)發(fā)生變化時，阻攔規(guī)律便會偏離設(shè)計規(guī)律，嚴(yán)重情況下會導(dǎo)致阻攔指標(biāo)不能得到滿足［8～9］。

4.2 對我國裝備研制的啟示

飛機攔阻系統(tǒng)一直是國外關(guān)注的課題。70年代，美國針對MK7攔阻裝置的飛機負(fù)載特性（攔阻力特性）進(jìn)行了試驗測試，并在這方面投入了大量財力，進(jìn)行了各種試驗、測試和研究，不僅包括攔阻機性能的測試、安裝和研究，而且還包括飛機攔阻鉤的載荷試驗、載荷分析以及新型攔阻索材料的研制等先后研制出了一批高性能的通用型飛機攔阻設(shè)備，基本上滿足了美軍現(xiàn)役飛機重量從6t～40t的絕大部分戰(zhàn)斗機的攔阻要求。國內(nèi)阻攔裝置的理論研究還處于起步階段［5］，西北工業(yè)大學(xué)吳娟、何長安對陸基攔阻系統(tǒng)進(jìn)行了詳細(xì)的研究。高澤迥針對攔阻著陸中出現(xiàn)的攔阻鉤振動和攔阻動載作了闡明和分析。胡孟權(quán)建立了艦載飛機著艦動力學(xué)模型并對著艦攔阻進(jìn)行了仿真研究，柳剛針對艦載機回收攔阻時攔阻鉤的工作原理和設(shè)計要求，設(shè)計了某型攔阻鉤基本組成部分并對在此攔阻鉤下最大軸向載荷下進(jìn)行了有限元強度分析［7］。

MK7型阻攔系統(tǒng)安裝在航空母艦上，海上工作環(huán)境較惡劣，這種裝置的制動過載導(dǎo)致在設(shè)計艦載機時必須考慮采用較大過載作為“保險”，致使幾天付出了過多的結(jié)果增重代價［10］。相比之下，電磁制動去游重量輕、維修容易、制動過程平穩(wěn)等優(yōu)點，再加上用輕質(zhì)高效能材料制作阻攔索，因此可以有效使現(xiàn)在的艦載機制動設(shè)計的過載降低到4g以下。利用電磁制動阻攔艦載機從設(shè)計航母的角度也有相當(dāng)大的意義。為了使阻攔索有角度的偏向偏航容錯能力，現(xiàn)在大多國家的航母使用的阻攔索繃緊后寬度大都在40m以上［10］，由于還要考慮阻攔索不均衡制動引起的飛機滑行偏差，整個降落區(qū)域的寬度就更大，這就造成降落區(qū)面積占航母甲板面積的一半以上的情況。電磁阻攔裝置可以很容易地精確調(diào)節(jié)阻攔索兩頭的制動大小，因此具有較高的容錯能力，因此阻攔索的繃緊寬度可以大幅減小［11］。電磁阻攔裝置童話書還有及時調(diào)整降落飛機滑行方向的能力，可以使著艦飛機準(zhǔn)確的沿著艦跑道中心線滑行，甚至可以通過調(diào)整阻攔索兩頭拉出的長度，把著艦飛機制動到降落區(qū)外的停機位置上去，以便立即進(jìn)行下一架飛機的回收，可大幅提高回收飛機的速度。另外，采用電磁制動裝置，艦載機可以在阻攔增重和起落架加強這兩個方面節(jié)省不少重量，這就意味著，陸基戰(zhàn)術(shù)飛機只要稍加改裝就可以成為艦載機上艦了［12］。因此，發(fā)展電磁阻攔著艦技術(shù)，研制電磁制動阻攔裝置對我國未來航母阻攔技術(shù)的發(fā)展有較高的借鑒意義。

5 結(jié)語

對阻攔系統(tǒng)工作過程的研究與艦載機的運動情況、受力情況息息相關(guān)，而艦載機著艦滑跑過程中的受力情況極其復(fù)雜，隨機氣流場的影響分析非常困難，還應(yīng)考慮到航母的六自由度運動。此外，艦載機掛索阻攔過程中，鋼索存在抖動現(xiàn)象，因此也會引起索中的張力波動，偏心偏航阻攔時，艦載機尾鉤與鋼索之間還可能發(fā)生滑動現(xiàn)象，這些都是需要繼續(xù)研究的方向。