面向彈射/攔阻過程的機載系統(tǒng)抗沖擊試驗方法

李霄 劉小川 白春玉 楊正權(quán) 成竹

摘要：相對于陸基飛機，艦載機苛刻的使用環(huán)境對起落架、攔阻鉤等系統(tǒng)及其機載設(shè)備的強度設(shè)計提出了更為苛刻的要求。需要有更完善的試驗驗證手段，對機載系統(tǒng)在彈射、著艦與攔阻沖擊載荷作用下的動強度設(shè)計進行評估，對系統(tǒng)的可靠性進行考核。依據(jù)現(xiàn)有規(guī)范和實測數(shù)據(jù)，從艦載機彈射/攔阻沖擊環(huán)境和試驗系統(tǒng)構(gòu)建入手，研究了試驗條件由來、試驗方案實施和控制策略優(yōu)化過程中的關(guān)鍵參數(shù)，可為機載設(shè)備彈射/攔阻沖擊試驗提供規(guī)范指導(dǎo)和理論支撐，為結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計、耐久性設(shè)計、檢驗周期指定提供重要參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：艦載機；彈射攔阻；沖擊環(huán)境；機載系統(tǒng)；液壓振動臺

中圖分類號：V216.5+5文獻標識碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2022.01.010

艦載機服役期間約2/3會采用彈射/攔阻進行起降，依據(jù)動力學(xué)特征可劃分為彈、撞、攔三個典型階段，由此產(chǎn)生的彈射加速度、著艦下沉速度是陸基飛機的兩倍以上，承受的沖擊能量也更大。在頻繁的大幅度、長周期沖擊環(huán)境下，機載設(shè)備可靠性、機體結(jié)構(gòu)功能完整性與起降裝置材料的沖擊疲勞特性是艦載機研制中需著重關(guān)注的方面。國外對于艦載機彈射/攔阻的報道主要集中在20世紀60—70年代，美國軍方對XAJ-1和E-2A采用整機彈射進行了162次試驗，對E-2B飛機進行了總計8000次沖擊疲勞試驗，在全尺寸飛機上積累龐大的彈射/攔阻中的靜、動載荷以及動態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)[1-2]。國內(nèi)艦機近幾年的研究取得了一定成果，但大多局限于理論研究，尚缺乏系統(tǒng)的試驗研究[3-6]。

依據(jù)GJB 150.18A——程序VIII，為考核安裝在固定翼飛機上或內(nèi)部設(shè)備的功能、結(jié)構(gòu)完好性，需要進行彈射/攔阻沖擊試驗，該試驗程序?qū)_擊位移有一定的幅值要求。本文依據(jù)有、無實測數(shù)據(jù)，對試驗條件、試驗方法及其控制要求進行梳理；基于液壓控制理論對電液激振臺的顯著優(yōu)勢和彈射/攔阻沖擊模擬的專用性進行詳細探討，并提出考慮機、電、液傳遞函數(shù)下，改善波形控制品質(zhì)的方法。本文提出的面向彈射/攔阻過程的機載系統(tǒng)抗沖擊試驗方法，還可以通過等級劃分，通過研究機載設(shè)備上低周動態(tài)疲勞損傷的累積效應(yīng)，為結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計、耐久性設(shè)計、檢驗周期指定提供重要參考依據(jù)[7]。

1艦載機彈射/攔阻沖擊過程

艦載機在艦上起降中受到彈射/攔阻載荷、發(fā)動機推力、風阻、彈射桿、攔阻鉤結(jié)構(gòu)等因素共同作用，美國軍方經(jīng)過大量試驗總結(jié)歸納了多型彈射/攔阻裝置性能，并繪制了大量實測數(shù)據(jù)曲線，詳見MIL-STD-2066。由表1可看出，艦載機載荷沖擊峰值分別達到了1346kN和1222kN。

在理想的彈射起飛/攔阻著艦過程中，機載設(shè)備受到?jīng)_擊時域的歷程如圖1所示。在彈射開始時，彈射器持續(xù)加載，達到釋放載荷定力，螺栓被拉斷，機體產(chǎn)生大約300ms瞬態(tài)沖擊；彈射行程結(jié)束時，飛機脫離彈射桿的約束，產(chǎn)生250ms瞬態(tài)沖擊后，進入甲板自由滑跑階段。在初始攔阻沖擊后，機身三個方向均經(jīng)受較大的沖擊，其持續(xù)時間約為800ms，隨后艦載機經(jīng)受近似穩(wěn)定的負向加速度，直至攔停。能夠看出，彈射/攔阻沖擊是沿起落架或攔阻鉤傳遞給機載系統(tǒng)的，由于起落架的阻尼特性緩沖了高頻分量，使機載系統(tǒng)的低階固有頻率不超過20Hz，表現(xiàn)出長周期阻尼正弦的響應(yīng)特性。

當前，針對機載設(shè)備的設(shè)計研發(fā)，應(yīng)首先考慮根據(jù)實測數(shù)據(jù)實施沖擊試驗，通常采用時域波形復(fù)制（time wave replication，TWR）和沖激響應(yīng)譜（shork response spectrum，SRS）兩種試驗方案。在實際情況中，準確獲取實測數(shù)據(jù)難度大、成本高，或樣本不足以歸納典型實測數(shù)據(jù)[6]。因此，在未提供典型實測數(shù)據(jù)的條件下，應(yīng)最大程度根據(jù)相似沖擊環(huán)境數(shù)據(jù)，生成沖擊波形。在沒有任何測量數(shù)據(jù)或相似參考數(shù)據(jù)條件下，則通過典型脈沖復(fù)現(xiàn)沖擊波形。由于艦載機彈射/攔阻沖擊是典型非平穩(wěn)振動，都需要一定規(guī)模實測數(shù)據(jù)樣本支持統(tǒng)計分析，彈射/攔阻沖擊試驗實施方案如圖2所示。

2彈射/攔阻沖擊試驗方案實施

彈射/攔阻沖擊是艦載機壽命期內(nèi)的標準試驗程序之一，通常使用加速度來描述沖擊環(huán)境。彈射/攔阻沖擊具有峰值變化大、頻譜連續(xù)、沖擊持續(xù)時間介于250～800ms之間且難以用數(shù)學(xué)函數(shù)表達的特點?？紤]到?jīng)_擊的強瞬時性，一般會對沖擊環(huán)境實測數(shù)據(jù)進行假趨勢項辨識和干擾信號剔除的預(yù)處理。然后根據(jù)對沖擊的不同描述方式，將實施方案劃分為沖擊激勵試驗法（描述沖擊激勵三要素）和響應(yīng)特性參數(shù)法（描述沖擊激勵的響應(yīng)）。

2.1時域波形復(fù)制

在時域波形復(fù)制方法下，與瞬態(tài)振動疊加的沖擊可以更好地復(fù)制。MIL 810H 525.2對彈射/攔阻沖擊適用性做出了規(guī)定：TWR適用于具有時變振幅、頻率或具有中間持續(xù)振動的非平穩(wěn)時間歷程。

2.2沖激響應(yīng)譜

沖激響應(yīng)譜使用響應(yīng)特性參數(shù)描述沖擊。由于某些機載設(shè)備沖擊激勵的瞬態(tài)傳遞過程復(fù)雜，且在環(huán)境參數(shù)隨機影響下，難以找到代表性的時域波形進行TWR，可采用沖擊環(huán)境效應(yīng)等效的模擬方法。

沖激響應(yīng)譜可以看作一系列具有相同阻尼的單自由度系統(tǒng)對給定沖擊信號的最大響應(yīng)的合成。時域分析的理論模型是單自由度系統(tǒng)在任意沖擊激勵下的杜哈梅積分，頻域分析使用絕對加速度模型（多用于規(guī)范沖擊環(huán)境）或相對位移模型（多用于考核沖擊強度和減震設(shè)計）研究其深層規(guī)律。從工程實施角度，一般使用數(shù)字遞歸濾波器來模仿單自由度系統(tǒng)進行沖激響應(yīng)譜實現(xiàn)，如圖4所示。

2.3典型沖擊

在得到參考沖激響應(yīng)譜后，需要通過時域匹配合成加速度波形作為電液振動臺的驅(qū)動信號，遵循分級、逐步提升試驗量級的原則，迭代修正實現(xiàn)沖激響應(yīng)譜控制。

由于沖激響應(yīng)譜時域合成的不唯一性，存在執(zhí)行相同參考ASRS時，機載設(shè)備可能受到的考核嚴酷程度不同。為了保證沖擊特性一致性，還應(yīng)在時域、頻域?qū)μ匦詤?shù)提出特殊要求。沖擊響應(yīng)譜控制流程如圖6所示。

典型沖擊能夠保證沖擊試驗的同一性和可重復(fù)性，GJB150.18系列標準規(guī)定使用半正弦、后峰鋸齒波進行基本設(shè)計試驗。根據(jù)實測數(shù)據(jù)，選擇能夠較好地包絡(luò)實測沖擊譜的典型沖擊作為沖擊模擬；如無實測數(shù)據(jù)，參照有關(guān)標準中所推薦的典型沖擊脈沖波形和試驗嚴酷度進行沖擊模擬，推薦試驗條件見表2，對應(yīng)沖激響應(yīng)譜如圖7所示。

從圖7可以看出，11ms半正弦和后峰鋸齒波的響應(yīng)譜在10～20Hz頻率范圍內(nèi)低于實測沖擊譜，10～90Hz高于 MIL-STD-810H關(guān)于無實測數(shù)據(jù)推薦響應(yīng)譜，出現(xiàn)了考核不足和考核過嚴的問題。且振動臺一般使用剛性夾具，不能模擬真實的邊界條件，也會產(chǎn)生較大的過試驗。因此，典型沖擊脈沖不能替代沖激響應(yīng)譜，只能作為條件欠缺時的替代方案。

在艦載機服役過程中，飛機彈射/攔阻導(dǎo)致沖擊應(yīng)力通過起落架、攔阻鉤傳遞給機載設(shè)備，該系統(tǒng)最低固有頻率一般小于20Hz，總體振幅相對平穩(wěn)，使機載設(shè)備出現(xiàn)一個近似衰減正弦的瞬態(tài)響應(yīng)。因此，衰減正弦波在MIL-STD-810H、GJB150.18等系列規(guī)范中作為機載設(shè)備彈射/攔阻沖擊環(huán)境，具有明確物理意義。衰減正弦波的時域與響應(yīng)譜如圖8所示。

3彈射/攔阻沖擊波形發(fā)生系統(tǒng)及構(gòu)造

近年來，隨著國內(nèi)艦載飛機的發(fā)展，各研究機構(gòu)對沖擊試驗系統(tǒng)都進行了深入的研究。國內(nèi)外沖擊試驗臺主要應(yīng)用于民用工程領(lǐng)域，幾乎沒有針對艦載機機載設(shè)備的沖擊試驗臺。為模擬機載設(shè)備長周期、大振幅的沖擊環(huán)境，計算機控制的電液沖擊試驗臺是市場上的主流產(chǎn)品，但也存在上限工作頻率低、高頻性能較差、波形失真較大等不足。目前，中國飛機強度研究所、南京航空航天大學(xué)振動研究所、兵器工業(yè)總公司所等單位均已展開了相關(guān)試驗技術(shù)的研究工作。中國飛機強度研究所研制的彈射/攔阻沖擊試驗系統(tǒng)如圖9所示。

沖擊試驗系統(tǒng)是典型的電液反饋控制系統(tǒng)，包含機械、電氣、液壓動力學(xué)子系統(tǒng)，需要通過合理的識別方式，建立機電液聯(lián)合傳遞函數(shù)，優(yōu)化動力學(xué)模型。由于子系統(tǒng)數(shù)學(xué)描述方式的統(tǒng)一，可通過電氣矯正環(huán)節(jié)進行沖擊試驗系統(tǒng)動力學(xué)特性矯正，改善系統(tǒng)動態(tài)圖特性，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性儲備，沖擊試驗系統(tǒng)組成如圖10所示。機載設(shè)備彈射/攔阻沖擊試驗前需進行全系統(tǒng)條件下的系統(tǒng)辨識，需要在不損傷試驗件前提下有效識別系統(tǒng)傳遞函數(shù)，以此作為彈射攔阻沖擊試驗初始頻響特性，迭代調(diào)整驅(qū)動信號，使沖擊環(huán)境模擬精度進一步提高[8-12]。

機載設(shè)備（如翼尖艙、導(dǎo)彈掛架等）需考慮支持結(jié)構(gòu)彈性的試驗件，根據(jù)模態(tài)分析，得出安置于振動臺面上的彈性試件的加速度阻抗，定義視在質(zhì)量為：-M （s） = F（s）/A（s），在電液振動臺固有頻率附近會出現(xiàn)較大的波動，通過三參量伺服控制策略能夠顯著消除視在質(zhì)量波動，使裝載彈性試驗件電液伺服控制系統(tǒng)的頻響特性近似空載特性，顯著提升控制品質(zhì)[13-17]。

4結(jié)論

由于國外對中國的技術(shù)封鎖，關(guān)于艦載機彈射/攔阻試驗技術(shù)的詳細資料非常少。國內(nèi)各研究機構(gòu)基于現(xiàn)有公開文獻和試驗裝置進行的探索性研究，獲取了部分整機級、部件級的實測數(shù)據(jù)，但尚未形成體系完善的標準規(guī)范，還不能對艦載機彈射/攔阻裝置、機載設(shè)備提供精確的設(shè)計指導(dǎo)。本文基于國內(nèi)外相關(guān)標準、文獻及其現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，分析了彈射起飛和攔阻著陸沖擊的特征，針對機載設(shè)備沖擊試驗實施程序和試驗系統(tǒng)構(gòu)建進行了簡單討論，獲得了以下結(jié)論：

（1）從標準提供的實測數(shù)據(jù)看，艦載機的彈射攔阻沖擊具有明顯的分段特性，具有低頻、大位移、高速度、由瞬態(tài)沖擊與瞬態(tài)振動間隔合成的非平穩(wěn)時間歷程。

（2）從沖擊試驗實施優(yōu)先級來看，依據(jù)典型實測數(shù)據(jù)的時域波形復(fù)制技術(shù)（TWR）為最優(yōu)。隨著計算方法的完善，沖擊響應(yīng)譜作為試驗規(guī)范，廣泛應(yīng)用于機載設(shè)備耐沖擊和環(huán)境模擬，體系日趨完善；無實測數(shù)據(jù)典型脈沖沖擊工程實施最簡便，保證了控制試驗的再現(xiàn)性，但實施過程中，應(yīng)避免出現(xiàn)過試驗或欠試驗。

（3）艦載機彈射/攔阻導(dǎo)致沖擊應(yīng)力沿起落架、攔阻鉤等路徑傳遞給機載設(shè)備，該系統(tǒng)最低固有頻率一般小于20Hz，電液振動臺的低頻段信噪比和行程控制對實施彈射/攔阻沖擊試驗具有顯著優(yōu)勢。彈射/攔阻加速度時域復(fù)現(xiàn)的前提是位移伺服控制閉環(huán)，中國飛機強度研究所研制了高載、大行程彈射/攔阻沖擊試驗系統(tǒng)，提出了彈性試驗件視在質(zhì)量補償算法，大大降低了波形失真度，提高了控制質(zhì)量。

依靠國內(nèi)艦載機型號任務(wù)和位于興城基地的地面彈射裝置，各大主機所獲取了寶貴的彈射攔阻實測數(shù)據(jù)，應(yīng)盡快開展振動、沖擊環(huán)境測量數(shù)據(jù)的歸納，提出基于實測數(shù)據(jù)的彈射攔阻沖擊試驗規(guī)范，指導(dǎo)彈射/攔阻裝置、機載設(shè)備的損傷容限、耐久性設(shè)計。

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Impact Resistance Test Method of Airborne System for Ejection/Interception Process

Li Xiao，Liu Xiaochuan，Bai Chunyu，Yang Zhengquan，Cheng Zhu

Key Laboratory of Structural Impact Dynamics，Aerospace Science and Technology，Aircraft Strength Research Institute of China，Xi’an 710065，China

Abstract： Compared with land-based aircraft， the harsh service environment of carrier aircraft puts forward more stringent requirements for the strength design of landing gear， arresting hook and other systems and their airborne equipment. More perfect experimental verification means are needed to evaluate the dynamic strength design of the airborne system under the impact loads of ejection， landing and arresting， and to assess the reliability of the system. Based on the existing specifications and measured data， starting with the construction of launch / arresting impact environment and test system of shipborne aircraft， this paper studies the origin of test conditions， the implementation of test scheme and the key parameters in the optimization of control strategy， which can provide normative guidance and theoretical support for the launch/arresting impact test of airborne equipment， and provide reference for structural damage tolerance design， durability design and the designation of inspection cycle.

Key Words： carrier aircraft； ejection interception； impact environment； airborne system； hydraulic vibrator

3628500338227