MK7－3型拦阻装置缓冲系统动力学分析

王海东，杨炳恒，毕玉泉，黄葵

（海军航空工程学院青岛分院，山东青岛 266041）

0 引言

美国现役航母上配置的MK7－3型拦阻装置是目前世界上各国海军航母中拦阻能量等级最大的着舰拦阻装备，能量等级达到6 500 t·m。当固定翼舰载机以航速240 km/h着舰时，MK7－3型拦阻装置能保障飞机在102 m内安全着舰。在阻拦过程中，拦阻索上的张力通过滑轮组索和动、定滑轮组传递到主液压缸柱塞上，为着舰的舰载机提供足够的拦阻力，将飞机的绝大部分动能转化为拦阻机主液压缸的液压能。定长冲跑控制阀及驱动系统是MK7－3阻拦装置的心脏，它通过控制定长冲跑控制阀阀口的节流压降，将阻拦机主液压缸的液压能转化为热能，有效控制阻拦机主液压缸的压力变化规律和飞机的阻拦距离，在规定的阻拦距离内，为不同重量和速度的飞机提供理想的阻拦力。为了降低阻拦索的过量振动、减少阻拦初期的阻拦索峰值张力，消除阻拦过程中滑轮组索的松弛现象，减少滑轮组索的抖动，MK7－3型拦阻装置中的滑轮缓冲装置和钢索末端缓冲装置可以改善阻拦索的受力状态，延长阻拦索的使用寿命，保证阻拦装置能更加可靠的工作，同时在偏心偏航阻拦过程中，能起到一定的纠偏作用［1－4］。本文通过研究MK7－3型拦阻装置的工作原理，建立了拦阻过程中MK7－3型拦阻装置滑轮缓冲装置和钢索末端缓冲装置的动力学模型，分析了拦阻过程中滑轮缓冲装置减小阻拦索峰值张力的原因和钢索末端缓冲装置减小钢索颤动的原因。

1 MK7－3型拦阻装置工作原理

如图1所示，当舰载机着舰时，飞机尾钩钩住用钢索支撑系统支撑至甲板面一定高度的阻拦索，飞机前冲力通过阻拦索传递到滑轮组索上，滑轮组索再将该作用力传递到滑轮缓冲装置、阻拦机动滑轮组、定滑轮组、钢索末端缓冲装置上。阻拦索的初始冲击力迫使滑轮缓冲装置动作，减少阻拦索的峰值应力;随着滑轮组索被飞机尾钩不断拉出，阻拦索牵动阻拦机动滑轮组向定滑轮组方向移动从而带动主液压缸柱塞运动，主液压缸中的工作液经定长冲跑控制阀阀口节流降压后流向蓄能器，主液压缸内产生液压力，为飞机提供阻拦力，同时蓄能器内的压力随之也升高，为阻拦索装置的复位提供了压力能。因此，飞机着舰时的动能通过阻拦索装置便转化为工作液体的热能和蓄能器内的压力能而使飞机逐渐停下来［5］。

图1 MK7－3型拦阻装置工作原理Fig.1Operating principle of MK7－3 arresting gear

当着舰飞机的前冲运动停止时，阻拦索和滑轮组索中的应变能将会使飞机稍微往回滑动，阻拦索便自动从飞机尾钩上脱落。打开复位阀，蓄能器内的压力液体通过油液冷却器冷却和油液过滤器过滤后进入主液压缸，将柱塞连同动滑轮组、定长冲跑控制阀驱动系统推至初始待命位置，从而使阻拦索装置又恢复到待阻拦状态，待完全复位后，关闭复位阀，为下次阻拦作准备。

2 滑轮缓冲系统动力学分析

随着航母搭载舰载机着舰速度和重量的提高，早期型号的阻拦装置在阻拦过程中出现阻拦索和滑轮组索张力过大甚至超过最大安全极限的情况，这是由于阻拦索在阻拦过程中产生张力波动和控制阀流量控制不佳、阻拦吸收能力不够等因素引起的［6－7］。

图2 MK7－3型拦阻装置滑轮缓冲系统Fig.2Damper sheave installation of arresting gear

MK7－3型拦阻装置滑轮缓冲系统的结构如图2所示。滑轮缓冲装置中的动滑轮与液压缸活塞杆固连在一起，以其为研究对象，在拦阻初期，建立牛顿力学方程:

其中:θ为钢索与动滑轮轨迹的夹角;F1和F2为钢索的拉力;p为作用在活塞上的液压力;A为液压油作用在活塞的工作面积;D为活塞的直径;d为活塞杆的直径;r为动滑轮的半径;J为动滑轮的转动惯量;为动滑轮的角加速度。由于动滑轮由铝合金材料制成，为简化模型，转动惯量可忽略不计。因此可取F1=F2=F，由式（1）和式（2）得:

从式（4）可以看出，在拦阻初期，随着动滑轮不断被钢索拉出，液压缸中的油液经单向阀进入蓄能器，液压力p不断增大，θ不断减小，因此，钢索的拉力也在不断的变大。

当蓄能器的累积压力大于钢索的拉力时，即:

时，蓄能器中的液压油通过节流阀进入液压缸，动滑轮和活塞杆向回运动。以动滑轮与液压缸活塞杆为研究对象，建立牛顿力学方程:

从式（5）可以看出，在拦阻过程中，由于滑轮缓冲装置蓄能器油液经过节流阀后会产生压力降

其中:Q为流经节流阀的流量;ρ为油液密度;Cq为流量系数;a为节流阀节流口通流面积。因液压力p不断减小，θ不断增大，钢索的拉力也在不断变小，这样MK7－3型拦阻装置通过滑轮缓冲系统可以减小拦阻初期的钢索拉力峰值。

3 钢索末端缓冲装置动力学分析

美国航母上早期安装的拦阻装置型号，在阻拦过程中发现拦阻钢索在系统中会出现大量颤动，研究发现这是由于拦阻机中的滑轮组索在动滑轮组向定滑轮组冲跑的过程中钢索出现松弛导致的。MK7－3型拦阻装置由于加装了钢索末端缓冲装置使这一问题得到解决。

为了说明钢索末端缓冲装置消除滑轮组索的松弛现象，本文给出了MK7－3型拦阻装置钢索的缠绕方式［5］。MK7－3型拦阻装置采用2根滑轮组索一端分别连接阻拦索，另一端分别与左、右舷钢索末端缓冲装置相连，并通过钢索末端缓冲装置水平导向滑轮进入阻拦机穿绕，然后经过水平导向滑轮、垂直导向滑轮、滑轮缓冲装置、穿越甲板滑轮而引到飞行甲板上，绕过甲板升降滑轮后与阻拦索相连。

在阻拦机中，1根滑轮组索分别在动定滑轮组上的9对小滑轮上穿绕完成后引出阻拦机，另1根滑轮组索分别在动定滑轮组上的9对大滑轮上穿绕完成后引出阻拦机，如图3所示。

图3 MK7－3型拦阻装置钢索缠绕方式Fig.3Cable wrapping mode of arresting gear

钢索末端缓冲装置见图4，以钢索末端缓冲装置液压缸操作端活塞为研究对象，建立牛顿力学方程:

式中:F为滑轮钢索拉力;p为钢索末端缓冲装置液压缸操作端活塞处的液压力;A为操作端活塞的工作面积。从图3和式（6）可以看出，只要F＜pA，则动滑轮组和定滑轮组钢索间的松弛就会消除。

当舰载机挂上拦阻索时，动滑轮组向固定滑轮组加速运动，这种运动驱使活塞进入主液压油缸，产生的阻拦力迅速增大，使得油缸和钢索末端缓冲装置中操作端活塞的油液压力pA增加。由于动滑轮组的加速冲跑，在拦阻机滑轮组和钢索末端缓冲装置之间的钢索拉力F迅速减小。当钢索间的瞬时拉紧力小于作用于操作端活塞的液压力，油液压力驱使操作活塞远离原来的初始位置，直到钢索间所有的松弛被消除，钢索拉紧力又重新大于作用在操作端活塞上的油液压力为止。

图4 MK7－3型拦阻装置钢索末端缓冲系统Fig.4Cable anchor damper of MK7－3 arresting gear

4 结语

通过研究MK7－3型拦阻装置的工作原理，建立了拦阻过程中MK7－3型拦阻装置滑轮缓冲装置和钢索末端缓冲装置的动力学模型。分析发现，拦阻装置中滑轮缓冲系统可减小阻拦索的张力峰值，钢索末端缓冲系统可减小动滑轮组和定滑轮组之间钢索的松弛，从而防止拦阻装置在阻拦过程中钢索出现颤动。

［1］吴娟，何长安.某型飞机拦阻系统纠偏仿真分析［J］.系统仿真学报，2002，14（12）:614－616.

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［3］李杰，于川.航空母舰的舰载机着舰装备［J］.现代军事，2006，（10），56－58.

［4］焦方金，靳红生.浅谈舰载机的降落［J］.舰载武器，2005，（6）:82－85.

［5］陆丕义，方志刚.现代航空母舰技术［M］.海潮出版社.

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

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