史 炎 史天成

（西南交通大學牽引動力國家重點實驗室 成都 610031）

1 引言

以航空母艦為基地的艦載機是海軍航空兵的主要作戰(zhàn)手段之一，是在海洋戰(zhàn)場上奪取和保持制空權、制海權的重要力量，艦載機的起降能力是一個航母戰(zhàn)斗群戰(zhàn)力的重要指標［1］。目前艦載機的降落方式只能使用攔阻索實現(xiàn)著艦［2］，美國現(xiàn)役航母上配置的MK7-3型攔阻裝置［3～8］是目前世界上各國海軍航母中攔阻能力最大的著艦攔阻裝備。整個液壓阻攔系統(tǒng)由攔阻索、絞盤機、攔阻機、緩沖器、控制系統(tǒng)等構成［6～8］，因為液壓減振器行程有限，鋼索在定滑輪組的纏繞比［9］為18∶1，這樣可把較長的鋼索抽出長度轉化為較小的主液壓缸的行程。

現(xiàn)階段的艦載攔阻機零件種類多、結構復雜，作者對“內外氣缸式蒸汽彈射器”［10］做了一些改變，獲得結構較簡單的液壓緩沖器，理論上活塞行程無限大，并用剛性桿代替了柔索。本文介紹了無限行程液壓緩沖器結構，結合飛機對中攔阻情形，分析了此種攔阻器工作原理。

2 無限行程液壓緩沖器結構

為更好地實施艦載機的攔阻，作者設計了無限行程液壓緩沖器，結構類似于“內外氣缸式蒸汽彈射器”，兩者的開合機構控制方式一樣，只是活塞稍有差別。內、外氣缸及活塞外形參見文獻［10］。無限行程液壓緩沖器的活塞內部結構如圖1所示，活塞端面開有溢流孔和卸荷孔。溢流孔由電磁閥控制孔徑的變化，攔阻過程中卸荷孔常閉合。

圖2所示為無限行程液壓緩沖器雙缸對稱安裝的一種阻攔裝置，無限行程液壓緩導向板上固定一套前置緩沖器，由一組彈簧、液壓缸構成；攔桿鉸接在前置緩沖器上，攔桿為V字型可讓艦載機鉤上后自動對中。同時增加外氣缸的長度和內氣缸的數(shù)量，則活塞行程增加，理論上活塞行程不受限制。

若不想在甲板上開槽，可選用圖3方案，無限行程液壓緩沖器安裝在甲板下方，在甲板上開設兩個出索孔，用兩組定滑輪實現(xiàn)換向，單缸的鋼索長度是活塞行程的兩倍。在初始狀態(tài)及工作過程，鋼索始終都處于拉緊狀態(tài)，用不上絞盤機。

圖2方案的工作過程如下，艦載機鉤上攔桿后先經過前置緩沖器卸荷再帶動活塞前行，開合機構控制內氣缸開口與外氣缸開口重合或錯開；電磁閥在3s內將溢流孔變小，流體流過溢流孔產生熱量消耗動能；在流體的壓迫下卸荷孔緊閉；停車后，前置緩沖器的彈簧復位并將艦載機彈開，艦載機后退并與攔桿分離。拖車將活塞復位，回退過程中流體頂開卸荷孔的蓋板以降低流體阻力。圖3方案的工作過程與之相似。

圖1 活塞內部結構

圖2 彈射器裝配方案1

圖3 彈射器裝配方案2

3 建立模型

因為圖2是對稱的，取其一半作為研究對象。用SIMPACK系統(tǒng)動力學軟件建立活塞、飛機的動力學模型?？紤]甲板摩擦力、活塞摩擦力，流體力作用在活塞上，空氣阻力、飛機升力、發(fā)動機推力作用在飛機上?；钊c飛機用28號元件連接，前置緩沖器用5號力元件表示。動力學模型如圖4所示，參數(shù)見表1。

圖4 動力學模型

表1 主要仿真參數(shù)

溢流孔初始孔徑為5mm，終止孔徑為2mm，由函數(shù)表達式模擬電磁閥動作。飛機起降時的空氣阻力、飛機升力表達式一樣，參照文獻［11～15］在仿真環(huán)境中列函數(shù)表達式。

由于無活塞桿，活塞兩端截面積一樣，參照文獻［16～19］，流體流經小孔的阻尼力為

F為阻尼力（N）；W為活塞截面積（m2）；f為溢流孔截面積（m2）；v為飛機速度（m/s）。

4 分析結果

4.1 著艦速度的影響

著艦速度分別是 100m/s、90m/s、80m/s、70m/s，發(fā)動機全程不關閉，著艦攔阻形式為對中攔阻。如圖5～6所示，著艦速度越大，阻尼力、飛機加速度越大，單缸攔阻力最大為858.45kN，最大加速度為44.64m/s2。如圖7所示，著艦速度越大，飛機速度衰減越快，所需活塞行程越短；著艦速度100m/s，活塞行程123.68 m；著艦速度70m/s，活塞行程128.78 m。不同著艦速度下，活塞行程最多相差5.1 m，攔停距離基本相同。

圖5 單缸攔阻力-位移曲線

圖6 飛機加速度-位移曲線

圖7 飛機速度-位移曲線

4.2 活塞復位性能分析

在拖車的作用下，活塞速度在1s內從靜止加速到20m/s，然后勻速運動。上述動力學模型去掉飛機，回退過程中卸荷孔的蓋板被流體頂開，將卸荷孔與溢流孔的孔徑等效為30mm。計算出無限行程液壓緩沖器最大阻尼力為71.8N，活塞復位過程中阻力很小，如圖8所示。圖9所示，在7s內活塞完成復位，準備下一次攔阻。

5 結語

通過建立無限行程液壓緩沖器的數(shù)學模型分析了彈射過程的動力學響應，得到以下結果。

1）無限行程液壓緩沖器是無源的，適應性強，所用的介質容易得到，極端情況下可以用海水代替。改變溢流孔孔徑就可以調節(jié)流體阻尼力，對攔阻的飛機重量適用范圍廣。

圖8 無限行程液壓緩沖器阻尼力

圖9 活塞復位時間

2）通過特別設計，無限行程液壓緩沖器可以與內外氣缸蒸汽彈射器互換使用，兩者的零件可以相互兼容，提高了裝備的戰(zhàn)場存活率，提供了解決彈射、回收的一攬子方案。

3）溢流孔孔徑的變化直接影響攔阻的性能，為了讓飛機著艦過程更平穩(wěn)需要更深入地研究電磁閥的閉合規(guī)律。

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