基于飛行試驗的艦載機攔阻著艦建模方法

王 格，謝 帥，閆文輝

（中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089）

艦載戰(zhàn)斗機作為航空母艦的主要作戰(zhàn)武器，必須具備在航母甲板有限空間內(nèi)安全起降的能力。艦載機飛行員以高超的駕駛技術(shù)操縱飛機，將安裝在機體尾部的攔阻鉤精準地鉤住橫跨在甲板上的鋼索，實現(xiàn)短距離內(nèi)迅速制動，這個高難度的過程堪比“穿針引線”。艦載機著艦時產(chǎn)生的過載是陸基飛機的幾倍，攔阻鉤和攔阻索系統(tǒng)需承受巨大的載荷，這無疑為攔阻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)帶來很大的考驗。攔阻著艦是艦載機飛行過程中最為驚心動魄、事故發(fā)生率最高的階段[1]。

除此之外，著艦時飛機姿態(tài)變化、航母的六自由度運動以及艦尾氣流等因素進一步增加了攔阻著艦的復(fù)雜性和危險性。隨著航空技術(shù)的發(fā)展，飛機的性能和速度不斷提高，攔阻著艦技術(shù)將面臨前所未有的挑戰(zhàn)。開展攔阻著艦動力學(xué)研究，深入分析攔阻著艦這一復(fù)雜過程具有重要意義[2]。

本文建立了艦載機攔阻著艦多體動力學(xué)模型，并利用艦載機陸基模擬著艦飛行試驗數(shù)據(jù)對模型進行校驗與修正，使模型仿真結(jié)果具備一定精度。該模型可用于艦載機著艦攔阻過程中多種問題的研究，具有很高的研究價值。

1 攔阻鉤裝置多體動力學(xué)建模

1.1 攔阻鉤工作原理

攔阻鉤模型如圖1 所示，攔阻鉤系統(tǒng)中裝有縱向緩沖器和橫向緩沖器。其中，縱向緩沖器用于吸收攔阻鉤在飛機縱平面內(nèi)的動能，當鉤頭碰撞艦面發(fā)生彈跳時能夠抑制其反彈趨勢，提高攔阻鉤掛索成功率。

圖1 攔阻鉤模型

橫向緩沖器用于提高攔阻鉤航向穩(wěn)定性，使攔阻鉤保持在對中位置，當艦載機發(fā)生偏心或偏航攔阻時，將產(chǎn)生橫向緩沖力使攔阻鉤穩(wěn)定在航向上[3]。

1.2 攔阻鉤裝置建模方法

建立攔阻鉤裝置多體動力學(xué)模型。首先，忽略構(gòu)件變形，建立攔阻鉤多剛體動力學(xué)模型。攔阻鉤的主要構(gòu)件包括攔阻鉤鉤頭、攔阻鉤鉤臂、萬向接頭、縱向緩沖器外筒以及縱向緩沖器活塞桿。為了提高計算效率，降低求解難度，將航母甲板視為空間內(nèi)位置固定的跑道。此外，假設(shè)主起落架著艦發(fā)生在攔阻鉤掛索之前，定義攔阻鉤掛索瞬間為初始時刻。

設(shè)置縱向緩沖器和橫向緩沖器模型?？v向緩沖器支柱受到的軸向力主要有空氣剛度彈簧力Fa和油液阻尼力Fo，摩擦力較小故此處忽略。

式（1）中：Aa為空氣腔壓氣面積；Pair0為空氣腔初始壓強；V0為空氣腔初始體積；S為緩沖器行程；γ為氣體多變指數(shù)；Patm為標準大氣壓強。

式（2）中：ρ為油液密度；Ah為有效壓油面積；為緩沖器行程速率；Cd為油液縮流系數(shù)（通常取0.6～0.98）；An為油孔面積。

除此之外，當緩沖器處于最拉伸和最壓縮狀態(tài)時，產(chǎn)生結(jié)構(gòu)限制力。軸向力Fs表達式如下：

式（3）中：Kspt為結(jié)構(gòu)間隙系數(shù)；Smax為最大緩沖行程。

橫向緩沖器簡化為彈簧結(jié)構(gòu)。在模型中分別輸入2個緩沖器的剛度和阻尼公式以實現(xiàn)其功能。另外，攔阻鉤鉤臂為攔阻鉤中變形較大的部件，需進行柔性化處理，將劃分好網(wǎng)格的鉤臂模型置換到原位置，攔阻鉤多剛體模型轉(zhuǎn)化為剛?cè)狁詈系亩囿w動力學(xué)模型。

2 攔阻索裝置多體動力學(xué)建模

2.1 攔阻索裝置建模方法

攔阻索裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，當攔阻鉤鉤住鋼索向前拉起時，鋼索伸長帶動動滑輪組朝著定滑輪組移動，活塞進入主液壓缸將缸內(nèi)油液擠壓到蓄能器內(nèi)，從而將動能轉(zhuǎn)化為熱能而耗散。

為了提高模型計算效率，在保證能夠?qū)崿F(xiàn)攔阻基本功能的前提下，建模時對攔阻裝置結(jié)構(gòu)進行簡化。并假設(shè)當鋼索與攔阻鉤發(fā)生接觸碰撞后，攔阻鉤鉤頭始終掛在鋼索的初始嚙合點，二者不發(fā)生相對滑動。建模時將鋼索離散化為若干段經(jīng)過柔性連接的圓柱剛體單元。該方法能夠全面表征繩索特性且計算精度較高。

2.2 艦載機攔阻過程受力分析

由攔阻裝置提供給鋼索并通過攔阻鉤傳遞到機身上的攔阻力是艦載機攔阻過程中最為關(guān)鍵的作用力，攔阻力變化規(guī)律的設(shè)計是否合理將決定攔阻過程的成敗。攔阻過程中，飛機在縱向受到的力主要包括攔阻索作用在攔阻鉤上的攔阻合力Fx、發(fā)動機推力FT（為了預(yù)防掛索失敗隨時準備逃逸復(fù)飛）以及空氣阻力和地面摩擦力Ff。艦載機攔阻過程受力分析如圖2 所示。

圖2 艦載機攔阻過程受力分析

根據(jù)牛頓第二定律可以得到飛機在縱向的運動學(xué)關(guān)系：

式（4）中：n為飛機縱向過載；m為飛機重量。

2.3 攔阻索拉力的確定方法

參考文獻[4]中的方法，基于動能定理，根據(jù)艦載機著艦重量、嚙合速度以及相關(guān)限制條件，從而確定施加在鋼索兩端的攔阻索拉力的大小。動能定理只涉及飛機著艦時的初始狀態(tài)和攔停時的結(jié)束狀態(tài)，滿足功能關(guān)系的攔阻力變化規(guī)律有無窮多種解。因此需設(shè)計一種性能優(yōu)良、形式簡單的攔阻力變化規(guī)律的計算方法。仿真計算某一飛機重量和攔阻速度下的攔阻索拉力曲線，并進一步優(yōu)化該計算方法，以消除對攔阻索裝置使用壽命造成影響的曲線尖峰。最后，將得到的攔阻力曲線施加在鋼索左右兩端。

通過以上步驟，得到艦載機攔阻著艦多體動力學(xué)模型，該模型可用于模擬艦載機攔阻著艦的完整過程，但由于模型經(jīng)過抽象簡化，難以保證模型計算結(jié)果的準確性與真實性，因此，利用艦載機陸基模擬著艦飛行試驗得到的真實數(shù)據(jù)對模型進行校驗與修正，從而提高模型計算精度。下面來介紹艦載機陸基模擬著艦飛行試驗以及攔阻鉤載荷實測的方法流程。

3 艦載機攔阻鉤載荷飛行實測

3.1 飛行載荷測量方法及原理

飛行試驗是在真實的飛行條件和使用環(huán)境下進行的，試驗結(jié)果可以體現(xiàn)風洞實驗和理論分析都無法完全準確模擬的飛機實際受載情況，為驗證設(shè)計載荷、計算結(jié)構(gòu)強度、確定嚴重受載情況以及結(jié)構(gòu)的改進提供了重要依據(jù)。由于艦載機在航母上進行攔阻著艦試驗風險極高且費用高昂，陸基試驗發(fā)揮了尤為關(guān)鍵的作用，在陸地機場上安裝攔阻索進行攔阻試驗并測量監(jiān)控攔阻鉤受載情況，從而指導(dǎo)攔阻鉤系統(tǒng)及攔阻裝置的改進。

目前，工程中主要采用應(yīng)變法實現(xiàn)飛行試驗中結(jié)構(gòu)載荷的測量。

3.2 應(yīng)變法測量攔阻鉤載荷步驟

下面將以攔阻鉤為例，介紹飛行試驗中攔阻鉤載荷的測量過程。首先，根據(jù)攔阻鉤的受力特點制定合適的改裝方案。攔阻鉤所受外力作用于鉤頭，可分解為三向力Fx、Fy和Fz，該結(jié)構(gòu)主要承受拉壓力、彎矩和剪力的作用。如圖3 所示，在攔阻鉤鉤臂、橫向穩(wěn)定器的小連桿、萬向接頭處適當位置選取4 個測量剖面。

圖3 攔阻鉤測量剖面及應(yīng)變計布置示意圖

在制定測量剖面處的應(yīng)變計布置方案時，盡量排除其他載荷的干擾和影響，使應(yīng)變計只對欲測的單一載荷敏感。在剖面1-1 布置1 組剪力電橋。在剖面2-2布置剪力電橋、側(cè)向彎矩（由側(cè)向力Fz產(chǎn)生的彎矩）電橋、軸向拉壓力電橋和法向彎矩（由法向力Fy產(chǎn)生的彎矩）測量電橋。在橫向穩(wěn)定器小連桿測量剖面3-3處布置拉壓力電橋。萬向接頭為攔阻鉤與機身連接并傳遞載荷的關(guān)鍵部件，為了分析測量其受載特性，在測量剖面4-4 布置法向彎矩測量電橋。在每個剖面上粘貼應(yīng)變計，并將每4 個應(yīng)變計組成一個全橋應(yīng)變電橋。

采用脫機校準的方案，將完成應(yīng)變電橋改裝的攔阻鉤安裝在試驗臺架上，用夾具模擬攔阻鉤與機身、鉤頭與鋼索的真實連接方式和支持剛度，保證試驗中攔阻鉤受載形式與實際飛行相同。根據(jù)攔阻鉤實際受載情況，校準載荷應(yīng)施加在鉤頭位置，分別進行軸向、法向、側(cè)向、兩向組合以及三向組合等校準工況。將加載載荷作為輸入，記錄應(yīng)變電橋的輸出響應(yīng)，經(jīng)回歸分析建立載荷方程。

鑒于在航母甲板上直接進行著艦攔阻飛行試驗的風險太高，通常先在陸地機場上進行艦載機陸基著艦試驗。最后將飛行試驗中讀取的應(yīng)變電橋響應(yīng)作為輸入代入載荷方程中，得到的輸出即為實測攔阻鉤載荷。結(jié)合機載數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，最終得到包括飛機過載、飛行速度、飛機姿態(tài)角、攔阻鉤載荷、小連桿拉力、攔阻鉤收放角等重要參數(shù)在內(nèi)的時間歷程數(shù)據(jù)。

4 模型修正

為了保證模型計算結(jié)果的準確性，利用飛行試驗數(shù)據(jù)對模型進行修正，通過對比分析攔阻鉤拉力、緩沖器緩沖力以及飛機過載等參數(shù)的試飛結(jié)果與模型仿真結(jié)果的誤差，調(diào)整模型相關(guān)參數(shù)，將仿真誤差控制在一定范圍內(nèi)，從而保證模型能夠合理描述艦載機攔阻著艦過程。

初始模型出現(xiàn)的比較顯著的問題有攔阻鉤上下擺動角度過大、橫向緩沖力誤差較大等。模型修正通過調(diào)整縱向緩沖器以及橫向緩沖器的緩沖特性來進行，通過分析計算結(jié)果誤差來源，以合理的方式調(diào)整影響縱向緩沖器以及橫向緩沖器特性的相關(guān)參數(shù)，并以“對比分析—修正參數(shù)—仿真計算”的反復(fù)迭代的模式，選取多組試驗數(shù)據(jù)展開多輪比較，逐漸提高模型精度，直至完成修正。修正后攔阻鉤不會異常擺動，如圖4所示，攔阻鉤收放角曲線極大值與試驗結(jié)果相近。攔阻鉤拉力、緩沖器緩沖力等參數(shù)仿真誤差均小于10%。該模型能夠合理模擬艦載機攔阻著艦過程，結(jié)果可靠。

圖4 攔阻鉤收放角時間歷程曲線

5 結(jié)束語

本文給出了一種基于飛行試驗的艦載機攔阻鉤載荷建模方法，建立的艦載機攔阻著艦多體動力學(xué)模型經(jīng)過飛行試驗數(shù)據(jù)的校驗與修正，計算精度滿足要求。在后續(xù)的研究中，將結(jié)合國軍標中對艦載機攔阻著艦科目的相關(guān)規(guī)定，利用該模型深入研究分析著艦重量、嚙合速度以及帶有偏心、偏航的非對稱攔阻，對攔阻過程產(chǎn)生的影響。艦載機攔阻著艦多體動力學(xué)模型可輔助飛行試驗進行攔阻著艦問題的研究，在提高試飛效率的同時大幅度降低試驗風險和成本，具有很高的研究價值。