MK7－3型攔阻裝置緩沖系統(tǒng)動力學(xué)分析

王海東，楊炳恒，畢玉泉，黃葵

（海軍航空工程學(xué)院青島分院，山東青島 266041）

0 引言

美國現(xiàn)役航母上配置的MK7－3型攔阻裝置是目前世界上各國海軍航母中攔阻能量等級最大的著艦攔阻裝備，能量等級達到6 500 t·m。當(dāng)固定翼艦載機以航速240 km/h著艦時，MK7－3型攔阻裝置能保障飛機在102 m內(nèi)安全著艦。在阻攔過程中，攔阻索上的張力通過滑輪組索和動、定滑輪組傳遞到主液壓缸柱塞上，為著艦的艦載機提供足夠的攔阻力，將飛機的絕大部分動能轉(zhuǎn)化為攔阻機主液壓缸的液壓能。定長沖跑控制閥及驅(qū)動系統(tǒng)是MK7－3阻攔裝置的心臟，它通過控制定長沖跑控制閥閥口的節(jié)流壓降，將阻攔機主液壓缸的液壓能轉(zhuǎn)化為熱能，有效控制阻攔機主液壓缸的壓力變化規(guī)律和飛機的阻攔距離，在規(guī)定的阻攔距離內(nèi)，為不同重量和速度的飛機提供理想的阻攔力。為了降低阻攔索的過量振動、減少阻攔初期的阻攔索峰值張力，消除阻攔過程中滑輪組索的松弛現(xiàn)象，減少滑輪組索的抖動，MK7－3型攔阻裝置中的滑輪緩沖裝置和鋼索末端緩沖裝置可以改善阻攔索的受力狀態(tài)，延長阻攔索的使用壽命，保證阻攔裝置能更加可靠的工作，同時在偏心偏航阻攔過程中，能起到一定的糾偏作用［1－4］。本文通過研究MK7－3型攔阻裝置的工作原理，建立了攔阻過程中MK7－3型攔阻裝置滑輪緩沖裝置和鋼索末端緩沖裝置的動力學(xué)模型，分析了攔阻過程中滑輪緩沖裝置減小阻攔索峰值張力的原因和鋼索末端緩沖裝置減小鋼索顫動的原因。

1 MK7－3型攔阻裝置工作原理

如圖1所示，當(dāng)艦載機著艦時，飛機尾鉤鉤住用鋼索支撐系統(tǒng)支撐至甲板面一定高度的阻攔索，飛機前沖力通過阻攔索傳遞到滑輪組索上，滑輪組索再將該作用力傳遞到滑輪緩沖裝置、阻攔機動滑輪組、定滑輪組、鋼索末端緩沖裝置上。阻攔索的初始沖擊力迫使滑輪緩沖裝置動作，減少阻攔索的峰值應(yīng)力;隨著滑輪組索被飛機尾鉤不斷拉出，阻攔索牽動阻攔機動滑輪組向定滑輪組方向移動從而帶動主液壓缸柱塞運動，主液壓缸中的工作液經(jīng)定長沖跑控制閥閥口節(jié)流降壓后流向蓄能器，主液壓缸內(nèi)產(chǎn)生液壓力，為飛機提供阻攔力，同時蓄能器內(nèi)的壓力隨之也升高，為阻攔索裝置的復(fù)位提供了壓力能。因此，飛機著艦時的動能通過阻攔索裝置便轉(zhuǎn)化為工作液體的熱能和蓄能器內(nèi)的壓力能而使飛機逐漸停下來［5］。

圖1 MK7－3型攔阻裝置工作原理Fig.1Operating principle of MK7－3 arresting gear

當(dāng)著艦飛機的前沖運動停止時，阻攔索和滑輪組索中的應(yīng)變能將會使飛機稍微往回滑動，阻攔索便自動從飛機尾鉤上脫落。打開復(fù)位閥，蓄能器內(nèi)的壓力液體通過油液冷卻器冷卻和油液過濾器過濾后進入主液壓缸，將柱塞連同動滑輪組、定長沖跑控制閥驅(qū)動系統(tǒng)推至初始待命位置，從而使阻攔索裝置又恢復(fù)到待阻攔狀態(tài)，待完全復(fù)位后，關(guān)閉復(fù)位閥，為下次阻攔作準備。

2 滑輪緩沖系統(tǒng)動力學(xué)分析

隨著航母搭載艦載機著艦速度和重量的提高，早期型號的阻攔裝置在阻攔過程中出現(xiàn)阻攔索和滑輪組索張力過大甚至超過最大安全極限的情況，這是由于阻攔索在阻攔過程中產(chǎn)生張力波動和控制閥流量控制不佳、阻攔吸收能力不夠等因素引起的［6－7］。

圖2 MK7－3型攔阻裝置滑輪緩沖系統(tǒng)Fig.2Damper sheave installation of arresting gear

MK7－3型攔阻裝置滑輪緩沖系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。滑輪緩沖裝置中的動滑輪與液壓缸活塞桿固連在一起，以其為研究對象，在攔阻初期，建立牛頓力學(xué)方程:

其中:θ為鋼索與動滑輪軌跡的夾角;F1和F2為鋼索的拉力;p為作用在活塞上的液壓力;A為液壓油作用在活塞的工作面積;D為活塞的直徑;d為活塞桿的直徑;r為動滑輪的半徑;J為動滑輪的轉(zhuǎn)動慣量;為動滑輪的角加速度。由于動滑輪由鋁合金材料制成，為簡化模型，轉(zhuǎn)動慣量可忽略不計。因此可取F1=F2=F，由式（1）和式（2）得:

從式（4）可以看出，在攔阻初期，隨著動滑輪不斷被鋼索拉出，液壓缸中的油液經(jīng)單向閥進入蓄能器，液壓力p不斷增大，θ不斷減小，因此，鋼索的拉力也在不斷的變大。

當(dāng)蓄能器的累積壓力大于鋼索的拉力時，即:

時，蓄能器中的液壓油通過節(jié)流閥進入液壓缸，動滑輪和活塞桿向回運動。以動滑輪與液壓缸活塞桿為研究對象，建立牛頓力學(xué)方程:

從式（5）可以看出，在攔阻過程中，由于滑輪緩沖裝置蓄能器油液經(jīng)過節(jié)流閥后會產(chǎn)生壓力降

其中:Q為流經(jīng)節(jié)流閥的流量;ρ為油液密度;Cq為流量系數(shù);a為節(jié)流閥節(jié)流口通流面積。因液壓力p不斷減小，θ不斷增大，鋼索的拉力也在不斷變小，這樣MK7－3型攔阻裝置通過滑輪緩沖系統(tǒng)可以減小攔阻初期的鋼索拉力峰值。

3 鋼索末端緩沖裝置動力學(xué)分析

美國航母上早期安裝的攔阻裝置型號，在阻攔過程中發(fā)現(xiàn)攔阻鋼索在系統(tǒng)中會出現(xiàn)大量顫動，研究發(fā)現(xiàn)這是由于攔阻機中的滑輪組索在動滑輪組向定滑輪組沖跑的過程中鋼索出現(xiàn)松弛導(dǎo)致的。MK7－3型攔阻裝置由于加裝了鋼索末端緩沖裝置使這一問題得到解決。

為了說明鋼索末端緩沖裝置消除滑輪組索的松弛現(xiàn)象，本文給出了MK7－3型攔阻裝置鋼索的纏繞方式［5］。MK7－3型攔阻裝置采用2根滑輪組索一端分別連接阻攔索，另一端分別與左、右舷鋼索末端緩沖裝置相連，并通過鋼索末端緩沖裝置水平導(dǎo)向滑輪進入阻攔機穿繞，然后經(jīng)過水平導(dǎo)向滑輪、垂直導(dǎo)向滑輪、滑輪緩沖裝置、穿越甲板滑輪而引到飛行甲板上，繞過甲板升降滑輪后與阻攔索相連。

在阻攔機中，1根滑輪組索分別在動定滑輪組上的9對小滑輪上穿繞完成后引出阻攔機，另1根滑輪組索分別在動定滑輪組上的9對大滑輪上穿繞完成后引出阻攔機，如圖3所示。

圖3 MK7－3型攔阻裝置鋼索纏繞方式Fig.3Cable wrapping mode of arresting gear

鋼索末端緩沖裝置見圖4，以鋼索末端緩沖裝置液壓缸操作端活塞為研究對象，建立牛頓力學(xué)方程:

式中:F為滑輪鋼索拉力;p為鋼索末端緩沖裝置液壓缸操作端活塞處的液壓力;A為操作端活塞的工作面積。從圖3和式（6）可以看出，只要F＜pA，則動滑輪組和定滑輪組鋼索間的松弛就會消除。

當(dāng)艦載機掛上攔阻索時，動滑輪組向固定滑輪組加速運動，這種運動驅(qū)使活塞進入主液壓油缸，產(chǎn)生的阻攔力迅速增大，使得油缸和鋼索末端緩沖裝置中操作端活塞的油液壓力pA增加。由于動滑輪組的加速沖跑，在攔阻機滑輪組和鋼索末端緩沖裝置之間的鋼索拉力F迅速減小。當(dāng)鋼索間的瞬時拉緊力小于作用于操作端活塞的液壓力，油液壓力驅(qū)使操作活塞遠離原來的初始位置，直到鋼索間所有的松弛被消除，鋼索拉緊力又重新大于作用在操作端活塞上的油液壓力為止。

圖4 MK7－3型攔阻裝置鋼索末端緩沖系統(tǒng)Fig.4Cable anchor damper of MK7－3 arresting gear

4 結(jié)語

通過研究MK7－3型攔阻裝置的工作原理，建立了攔阻過程中MK7－3型攔阻裝置滑輪緩沖裝置和鋼索末端緩沖裝置的動力學(xué)模型。分析發(fā)現(xiàn)，攔阻裝置中滑輪緩沖系統(tǒng)可減小阻攔索的張力峰值，鋼索末端緩沖系統(tǒng)可減小動滑輪組和定滑輪組之間鋼索的松弛，從而防止攔阻裝置在阻攔過程中鋼索出現(xiàn)顫動。

［1］吳娟，何長安.某型飛機攔阻系統(tǒng)糾偏仿真分析［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報，2002，14（12）:614－616.

［2］歐訊.航母的攔阻裝置［J］.現(xiàn)代艦船，2005，（9）:45－47.

［3］李杰，于川.航空母艦的艦載機著艦裝備［J］.現(xiàn)代軍事，2006，（10），56－58.

［4］焦方金，靳紅生.淺談艦載機的降落［J］.艦載武器，2005，（6）:82－85.

［5］陸丕義，方志剛.現(xiàn)代航空母艦技術(shù)［M］.海潮出版社.

［6］LEASK G M.Development of a mathmatical performance prediction model for rotary－h(huán)ydraulic－type arresting gears［R］.AD 893157，1972.

［7］MIKHALUK D，VOINOV I，et al.Finite element modeling of the arresting gear and simulation of the aircraft deck landing dynamics［R］.European LS－DYNA Conference，2009.