对航母舰载机“阻拦索”的初步认识

张丽伟

摘要：以一道2013重庆高考试题为契机，介绍实际中航母舰载机“阻拦索”的结构、作用、原理，让读者对航母舰载机“阻拦索”及其发展方向有初步的了解。

关键词：航母；舰载机；阻拦索

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2014）4（S）-0056-3

2013年高考全国新课标Ⅰ卷第21题与2013年重庆高考理综物理部分第6题都是以航母舰载机拦阻着舰为背景的力学问题。这两道题的出现引起众多高中物理教师和学生的热议与思考，题目均以当前热点问题为背景，理论联系实际，符合高考新课标倡导：“探究具有较高科技含量的具有新鲜感的物理问题”。同时也激起更多的人对航母舰载机的着舰拦阻问题的好奇与探知欲，下面笔者以重庆高考物理第6题为契机。简要介绍实际中航母舰载机着舰中“阻拦索”的作用及原理。

1 分析重庆高考物理第6题

题目我国舰载飞机在“辽宁舰”上成功着舰后。某课外活动小组以舰载飞机利用阻拦索着舰的力学问题很感兴趣。他们找来了木板、钢球、铁钉、橡皮条以及墨水，制作了模拟的装置，准备定量研究钢球在橡皮条阻拦下前进的距离与被阻拦前速率的关系。要达到实验目的，需直接测量的物理量是钢球由静止释放时的____和在橡皮条阻拦下前进的距离，还必须增加的一种实验器材是____。忽略钢球所受的摩擦力和空气阻力，重力加速度已知，根据____定律（定理），可得到钢球被阻拦前的速率。

该题目用“钢球”模型替代“舰载机”：用“橡皮条”模型等效“阻拦索”；用“木板”代替“航母甲板”；用“斜面高度控制钢球速度”等效“舰载机着舰时不同速度”；将研究“舰载机被阻拦后在航母上滑行距离与阻拦前速率的关系”，抽象为研究“小钢球在橡皮条阻拦下前进的距离与被阻拦前速率的关系”。这种从实际生活问题中提炼物理模型、抽象物理情景的习题对大多学生来说都是一个难点。不仅考察学生的理性思维、建模能力，对学生理论联系实际、分析物理模型、准确选择物理规律解决问题等多方面能力要求都很高。因此，该题目不失为一道好题。然而，实际用的“阻拦索”究竟是怎么样呢？

2 阻拦索的结构

航母阻拦索。是应用于航母上的拦截装置系统，位于航母飞行甲板后部，在战机着舰与尾钩完全咬合后。阻拦索要在短短数秒内使战机迅速减速至零，并使战机滑行距离不超过百米。因此，航母阻拦索成为舰载机名副其实的“生命线”，它的地位之重要不言而喻。历史上最初的阻拦索只是一根简单的钢索，两头悬挂着沙袋。这种阻拦索能将滑飞过阻拦索的飞机绊住或起码卡住飞机的螺旋桨。目前世界各国航母上普遍使用的是液压式阻拦装置。以MK7型阻拦装置为例，其使用的阻拦索有两种规格，即6x30平钢绞大麻纤维芯阻拦索和6x30平钢绞聚醋芯阻拦索。每根阻拦索是由6股钢丝绳组成的。每股钢丝绳又是由12根主钢丝、12根中间尺度的钢丝和6根呈三角状布置的细钢丝扭结成的。每股钢丝绳之间还有交接钢丝，每根钢丝绳芯部还设有油浸大麻纤维，绳芯中还有表明阻拦索生产厂家的识别带（图2）。

所以，阻拦索并非“橡皮筋”。但是我们可以将其作用用“橡皮筋”等效，将实际问题理想化，以实现用高中物理知识解决实际问题的目的。这种将实际设备抽象为简单的物理模型的方法是值得我们学习和探究的。

3 阻拦索的作用

舰载机阻拦装置是航空母舰上的重要辅助设备，实现了舰载机在有限长度的航母甲板上的安全着舰。阻拦索是阻拦装置中的重要组成部分（图3）。一般为了保证飞机着舰安全，提高飞机尾钩的勾索率。飞行甲板上通常都设有4—6道阻拦索。第一道阻拦索一般设在距飞行甲板尾端36～51米处。每道阻拦索之间的间隔约为12～18米，拦机网设在最后一道阻拦索前面。拦机网平时并不设置，一旦着舰需要。甲板人员在两分钟内即可支起阻拦网，飞机冲进拦机网后迫使其停下来。

当飞机即将降落时，首先放下起落架和襟翼，同时，将装在舰载机上的尾钩放下。飞机俯冲着舰。其尾钩就可能钩住间隔布置在甲板上的多根阻拦索中的一根。通常第二、第三根阻拦索的拦机率最高。飞机尾钩勾住阻拦索继续向前滑跑。阻拦索给飞机施加向后的作用力。使飞机的速度越来越小，之后安全停在甲板上。在飞机停止的瞬间。绳索中存在的应力使飞机向后滑动很小一段位移，阻拦索会自动从飞机的尾钩上脱落，失去拉力的阻拦索恢复到原来的位置，为下一架飞机的降落作好准备。至此，一架飞机在阻拦索的帮助下完成降落。如果着舰时没有钩上阻拦索，飞机则加大发动机油门采取逃逸复飞措施，低空飞行后重新着舰。

4 阻拦锁装置的工作原理

国内外现役航空母舰上普遍使用的拦阻装置为MK7型液压缓冲式拦阻系统，其组成主要包括舰上的阻拦索和支撑机构，舰下的拦阻索系统、滑轮缓冲系统、拦阻器系统、钢索末端缓冲系统、复位系统、冷却系统等。拦阻器系统又由主液压缸、定长冲跑控制系统、蓄能器、膨胀气瓶、定滑轮组等组成（图4）。

当舰载机尾钩挂上拦阻索后，拉动滑轮索，拦阻索经过滑轮缓冲系统和一系列动滑轮组带动主液压缸的柱塞，将主液压缸里的油液经定长冲跑控制系统挤压进蓄能器，液体通过控制阀时会产生压力损失，对液压油缸中的流动液体产生阻尼，对飞机产生阻拦力，使飞机逐渐减速。在冲跑的末端，控制阀开口完全封闭，柱塞和其相连的运动滑轮组停止下来，进而控制飞机停止。当飞机被拦停且拦阻索与飞机尾钩脱离后，复位阀打开，蓄能器中高压油液经冷却器回流到主液压缸，实现拦阻索复位（图5）。其中滑轮缓冲装置可充分消减飞机挂索时钢索的张力峰值和应力波动：蓄能器主要用于吸收并存储阻拦过程中的舰载机动能：钢索末端缓冲装置可充分消除由于拦阻机中滑轮转速不同引起钢索的振颤：定长冲跑控制系统控制主液压缸油液流入储能器的流量。亦即控制阻拦过程主液压缸的压力、阻拦锁张力、舰载机承受的拦阻力。可根据飞机重量通过重量选择器调节控制阀的初始开口面积，以实现在基本相同距离上拦阻不同重量飞机。

诚然，阻拦索阻拦装置涉及机械、电气、液压等诸多高新技术，是硕大而庞杂的大工程。其工作原理中所包含的高科技含量远比上述描述复杂的多。

5 舰载机阻拦索的发展方向

从西方多数国家应用和发展趋势看，拦阻系统拦阻形式以索式为主，网索混合式并用。从技术性能看，主要进行高性能。大能量通用型机动式飞机拦阻设备的研制，重点突出在通用性、机动性、一机多能以及高性能等方面。包括：改进阻拦装置。使拦阻过程更平稳。拦阻力超调量减小。并提高系统的鲁棒特性及提高系统的纠偏能力，使系统能适应更多种类的飞机机型（重量）及更宽的着舰速度，在安全的前提条件下缩短停机距离：最大限度不受机场环境和客观条件限制。进一步提高整机灵活性、机动性，以适应于快速部署、转移，使得系统在最短时间内完成安装、拆卸、运输等。

随着舰载机和无人机日新月异的发展，对航母阻拦系统提出愈来愈高的要求。美国未来航母将采用现代化的全电力推进系统，将舰上动力机械能源改变成电力能源。该系统有足够的功率储备，可为电磁式弹射装置、电磁式阻拦装置（图6）、舰载机升降平台和高能武器等提供充足的电力。目前，美、英、法、德国、等国家在这方面正积极的研究，并取得了一些研究进展。其中美国在“福特”级航母上就使用的AAG电磁阻拦系统。在该系统中，滑轮阻尼器多了两个测量拉力的传感器。它可以直接把不同的拉力信号传送给中央集中控制器。提醒其启动相应的控制程序。从而有效防止过载：钢丝绳卷筒替代了压缩汽缸，它能通过控制初始电流和最终电流。达到均匀过载的效果。此外，美国通用原子公司提出了一种“涡轮电力系统”的先进阻拦装置技术方案。该系统在水涡轮机系统的基础上改进而来，采用更轻的合成电缆系统和电机，以满足美国海军对舰载机以162～313千米每小时的速度着舰时挂住舰载机的阻拦索能将其拉回，安全着舰的高性能要求。

总之，未来的航母舰载机着舰阻拦系统不仅要具备更好的运行可靠性，还将降低对人员的需求，减少维护设备费用；不仅可以回收重量更大、速度更快的舰载机，还能安全的回收无人机。作为高中教师，我们有必要了解并向学生介绍高科技领域的一些知识。增加学生的学习兴趣及爱国热情。我们真心地期待祖国的航海事业能早日跻身于世界前列。

参考文献：

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[5]许允之，方磊，陈龙，郭治天.基于电磁理论的航母舰载机降落阻拦装置研究[J].实验室研究与探索，2013，（2）：57

[6]李书常.航母阻拦系统比较[N].http：∥blog.sina.com.cn/s/blog_4946a9f50101g371.html，2012.12.3

（栏目编辑 王柏庐）