舰载机拦阻着舰载荷谱编制技术

2019-04-22闵强王斌团王亚芳雷晓欣

航空学报 2019年4期

闵强，王斌团，王亚芳，雷晓欣

航空工业第一飞机设计研究院强度设计研究所，西安 710089

舰载机的拦阻着舰受到严格的着舰距离限制，具有极短时间内大功量和动态冲击的特点，这使舰载机舰面载荷谱要比类似陆基飞机着陆载荷谱严重和复杂。

舰载机通常以固定下滑角进行着舰，在该过程中，飞机的下沉速度比陆基飞机的大，导致撞击式着舰(也称硬着舰)[1]。随后，为使飞机在约100 m距离内迅速减速制动，在机体尾部下方设计、安装拦阻钩，通过拦阻钩钩住横置于航母甲板上的拦阻索来迅速制动。着舰过程中的冲击载荷、拦阻索强制制动载荷比陆基飞机着陆受载更加严酷，使得舰载机的起落架以及连接的机体结构需要进行加强设计。

由于舰载机采用索网拦阻着舰的方式，飞机受到起落架与舰面之间的冲击载荷以及拦阻索的强制制动载荷，在短时间内，飞机过载能达到5g左右，这比常规飞机由于打开减速伞、减速板造成的过载大得多。

舰载机的设计不仅要考虑飞机的安全着舰，还要满足飞机在航母与海洋服役环境中结构长寿命指标要求，而载荷谱编制是飞机结构进行耐久性与损伤容限设计的基本前提，其中飞机拦阻着舰舰面载荷谱又是其中的难点与关键。

国内载荷谱编制工作在国军标[2]和适航规章中都有明确要求，一般是以航空主机所为依托，结合型号对飞机结构元件、部件、整机开展载荷谱编制工作，同时很多专家在该领域对理论基础、编制方法做了大量的研究贡献。蒋祖国[3]提出了编制飞机使用载荷谱通用的基本方法——任务分析法，后续该方法的主要内容编入了国军标(GJB 67.6)。张福泽院士在20世纪90年代初提出了编制飞机实测载荷谱的代表起落随机载荷谱编制方法[4]，把实测载荷谱编制直接与飞机疲劳损伤联系起来，克服了传统均值载荷谱方法的缺点，又能直接编制出以飞―续―飞形式给出的随机载荷谱用于耐久性试验和分析。隋福成建立了由飞―续―飞随机疲劳载荷谱编制与其损伤等效的等幅载荷谱的方法[5]。闫楚良和高镇同借助于当量寿命概率分布，在满足高置信度(90%以上)条件下，提出了中值随机疲劳载荷谱的编制原理[6-8]。《飞机设计手册》[9]对各类飞机的规范谱进行了详细的论述。

在国内舰载机拦阻着舰载荷谱编制方面，主要开展的是操作规范[10]、功能性[11]、动力学仿真[12-15]和载荷特性[16-18]方面的研究，没有拦阻着舰载荷谱编制方面的研究成果。

国外对载荷谱的研究、编制和试验工作起始于20世纪40年代。20世纪40～50年代期间，采用等幅度载荷谱进行疲劳试验并进行寿命估算；20世纪50～60年代期间，常采用程序块载荷谱；从20世纪70年代至今，广泛采用飞―续―飞载荷谱进行飞机耐久性/损伤容限试验和疲劳/断裂分析，该谱能较好地模拟飞机的使用载荷历程。荷兰国家航空航天实验室(NLR)和西德操作强度实验室(LBF)于1973年合作研究得到了运输机标准的TWIST编谱方法[19]，该方法也成功在国内飞机上得到了应用，结合国内的实测数据，编写了适用于民机的设计手册[20]。但国外对于军用飞机载荷谱编制工作存在一定的技术封锁，部分文献[21]也仅给出了最终的结果和中间的粗略过程。

本文研究的是运输类舰载机，其拦阻着舰方式的特殊性和过程的复杂性导致该任务段载荷谱不能直接应用已有的载荷谱编制方法，因此开展舰载机舰面载荷谱编制技术方法研究十分迫切、必要，具有重要的意义。

1 载荷谱编制方法及思路

对于军用飞机，从形成法向过载超越曲线和确定典型载荷状态的技术途径来看，有3类编谱方法[9]，即：按规范(GJB 67.6)编谱；采用实测数据编谱；采用飞行模拟法编谱。由于目前规范上没有舰载机的相关统计数据和寿命指标、无实测数据可用、飞行模拟法也不具备条件，需要新的研究思路和方法来解决这一难题。

舰载机由于采用不同于陆基飞机的起降方式(滑跃或弹射起飞、拦阻着舰方式)，其起飞与着舰段的载荷特点与陆基飞机有较大区别。大下沉速度产生的着舰撞击，大过载拦阻以及复杂载荷环境使得机体结构动态响应更加显著，载荷对机体结构造成的损伤已经不能忽略。因此类似的陆基飞机地面载荷谱不能直接用于舰面载荷谱。由于目前缺乏舰载飞机的载荷统计数据和载荷谱编制经验，本文提出了一种基于载荷历程仿真的编制舰面载荷谱的新途径，图1给出了飞机舰面载荷谱编制的基本流程。

图1 舰面载荷谱编制基本流程Fig.1 Basic flowchart for compiling ship surface load spectrum

通过对运动过程进行合理简化，建立飞机着舰运动方程；对机体结构、缓冲系统参数进行工程简化，建立多体动力学模型；依据国军标确定飞机拦阻着舰过程中各飞行参数的分布规律，进行合理组合得到典型计算工况；通过动力学模型求解计算得到主要飞行参数的时间历程(其中包括飞机重心加速度-时间曲线)，由重心加速度历程数据导出编谱所需的过载数据；运用目前载荷谱编制方法与当量简化方法，编制出飞机拦阻着舰重心过载谱。

2 拦阻着舰载荷动力学方程

结合飞机的运动过程，建立飞机的运动方程，为动力学仿真模型的建立提供基础。

飞机运动方程主要是针对飞机在着舰过程的运动，为简化研究问题，引入基本假设：

1) 航空母舰相对于地面静止，即不考虑甲板的运动。

2) 不考虑侧向载荷及大气湍流的影响，忽略气动阻力。

3) 飞机以正常对称姿态着舰，且视为刚体运动。

机体坐标系St固连于机体，原点Ot位于飞机质心，xt轴平行于机体纵轴指向后，yt轴在机体对称面内垂直于xt轴指向右翼，zt轴与xt轴、yt轴成右手系。发动机推力在机体坐标系下给出。

飞机的运动具有6个自由度，分别对应于飞机机体质心运动的动力学方程和飞机绕质心转动的动力学方程。

取飞机机体部分进行研究，图2所示为机体所受的载荷，可以得到飞机质心运动的动力学方程。

在机体坐标系下，质心运动动力学方程的矢量表达式为

(1)

式中：dvt/dt为飞机地速矢量在机体坐标系下的导数，即机体坐标系下的加速度矢量；ω为飞机的角速度矢量；P为发动机推力矢量；L为气动升力矢量；G为重力矢量；FG(G=N, L, R)为起落架对机体作用力矢量，具体有前起落架(N)、左(L)右(R)主起落架3个载荷；FH为拦阻力矢量。

在机体坐标系下，根据动量矩定理，绕质心转动的动力学方程为

(2)

式中：H为飞机对质心的动量矩；MP为发动机推力对质心的力矩；MR为气动力矩；MT为轮胎的舰面作用力对质心的力矩；MH为拦阻力对质心的力矩。

图2 机体受力分析示意图Fig.2 Schematic diagram of airframe structure load

方程迭代求解思路如图3所示。图中I为飞机对质心的惯性力矩。

图3 方程迭代求解流程图Fig.3 Flowchart of iterative computation

3 拦阻着舰仿真模型建立

应用LMS Virtual.Lab Motion建立飞机全机模型以及甲板跑道模型，确定并计算相关参数，完成飞机拦阻着舰运动过程分析。

飞机质心运动方程和缓冲参数系统简化模型的建立及相互耦合作用构成了仿真模型。飞机质心运动方程构建了飞机所受外部载荷下的飞机纵向运动过程，缓冲系统参数简化模型则集中于飞机内力作用下的垂向运动过程，2个过程相互独立又相互耦合。

图4 缓冲系统参数建模原理图Fig.4 Schematic diagram of buffer system parameter modeling

全机拦阻着舰仿真模型由前起落架子系统、主起落架子系统、机身子系统模型、拦阻钩子系统模型组成。由于机体结构复杂，相互关联、连接的结构很多，在建模过程中无法建立所有的细节模型，所以对整机模型进行简化处理，基本原则如下：

1) 保留所有关键的结构部位。

2) 模拟关键结构部位的主要承载路线。

3) 关键结构部位的结构、性能参数与真实结构一致。

机身子系统为刚性体模型，与其他子系统之间总共有6个安装点。前起落架与机体有一个连接点，通过一个固定副连接；单个主起落架与机体有2个连接点；主起落架外筒与机体通过一个转动副连接；前撑杆与机体通过一个球铰副连接；拦阻钩与机体有一个连接点，通过一个转动副连接。

4 拦阻着舰仿真结果分析

全机坐标系S原点O位于飞机机头前1 m处平面与构造水平线的交点，x轴与飞机构造水平线重合，方向与航向相反；y轴垂直于飞机对称面指向右，z轴与x轴、y轴成右手系，垂直Oxy平面指向上。仿真计算结果在全机坐标系下进行输出。

图5 工况1和工况17的航向和垂向加速度Fig.5 Heading and vertical accelerations of Cases 1 and 17

5 拦阻着舰任务段载荷谱编制

通过拦阻着舰载荷时间历程的仿真计算，得到了飞机典型工况下主要飞行参数的时间历程，本文重点研究着舰拦阻任务段飞机重心垂向过载谱的编制。

载荷谱编制步骤如下：① 数据预处理；② 数据峰谷值采集；③ 数据滤波压缩处理；④ 循环计数处理；⑤ 各工况载荷谱的生成；⑥ 任务段载荷谱的生成。

把通过仿真得到的重心加速度a换算成过载nz，依次进行滤杂波、去除中间点、峰谷值采集、双参数循环计数，得到过载历程。在对原始重心过载时域曲线进行滤波压缩处理的原则是保证处理后的载荷历程对飞机结构造成的损伤与原始历程基本一致，也就是等损伤原则。以工况1和工况17为例，处理流程如图6所示，去除对损伤影响较小的载荷循环，得到最终损伤计算所需的载荷历程，采用Oding公式进行损伤值计算。

图6 载荷处理流程示意图Fig.6 Schematic diagram for load processing

由于每个工况中低载低幅的循环对相对较多，在工程设计计算及疲劳试验中一般都需要对载荷谱进行简化处理，本文采用Oding损伤当量公式，基于损伤相等原则对各工况载荷谱进行了简化，后续在编制1 000次拦阻着舰任务谱块时，运用乘同余法对载荷谱进行随机，图7为局部载荷谱和局部放大示意图，编制出了着舰拦阻任务段载荷谱的历程。

图7 载荷谱示意图及其局部放大图Fig.7 Schematic diagram of load spectrum and its partial enlarged detail

6 超越曲线绘制

编制中值随机载荷谱本身并不用绘制超越曲线，绘制超越曲线主要为后续载荷谱的进一步离散和研究奠定基础。本文分别采用峰谷值计数法、等谷值计数法对重心过载数据进行计数处理。

1) 峰谷值计数法统计

峰谷值计数法是对雨流前、滤波压缩后的过载数据进行峰、谷值单独统计，并进行曲线绘制，超越曲线如图8(a)所示。

2) 等谷值计数

该方法按如下步骤实施计数处理：① 以一次起落(拦阻着舰)作为计数单位；② 找出该起落(拦阻着舰)中主参数历程中的最大峰值，并从该最大峰值断开，重新组成一个从最大峰值开始到最大峰值结束的新的主峰值历程；③ 对新的主参数历程用双参数循环计数法进行统计，每计数一个全循环就给出其峰值和谷值；④ 按上述方法直到给出该起落(拦阻着舰)所有全循环的峰值和谷值为止。

对采用双参数峰值计数法得到的峰值和谷值统计结果进行分析处理，当判断所计数的谷值不为1时，则令其谷值等于1，并使相应的正峰值按等损伤公式进行当量折算，再按折算后的正峰值计数，最终对所有的峰值和谷值进行统计，该种方法在传统研究方法上作了一定的修正，主要是方便后续任务段载荷谱严重程度的比较分析。超越曲线如图8(b)所示，形成了舰载机的超越曲线，可对曲线进一步离散分级形成离散载荷谱。

图9是根据对运输类飞机在地面滑跑和空中机动过程中重心垂直过载系数增量的统计结果所绘制的超越曲线[20]，其中横坐标为正负过载增量±Δnz，纵坐标为为飞机1次飞行过载增量的超越次数N，超越曲线数据常用于运输机地面滑行和空中机动载荷谱编制，为将图9中曲线与图8曲线进行对比，需按Oding公式进行等损伤折算，具体计算如下所述。

图8 超越曲线示意图Fig.8 Schematic diagram of transcendental curves

图9 运输类飞机地面滑跑和空中机动的超越曲线示意图[20]Fig.9 Schematic diagram of transport aircrafts’ ground taxiing and air maneuvering transcendental curves[20]

在图9中着陆滑跑情况的超越曲线上取一数据点(±Δnz0,N0),将其等损伤折算为峰值增量为Δnz、谷值增量为0的循环，2个循环次数均取为1，则有

(3)

(4)

对着陆滑跑曲线上的5个点(±0.165g, 8)、(±0.2g, 5)、(±0.4g, 0.1)、(±0.5g, 0.02)、(±0.678g, 0.001)进行折算处理，再进行最小二乘拟合，最终绘制出拦阻着舰超越曲线与着陆滑跑超越曲线，如图10所示。

从图10可知，对于相同超越次数，拦阻着舰过载大于着陆滑跑过载，通过损伤计算，拦阻着舰过载对机体结构造成的损伤大于着陆滑跑过载造成的损伤，因此舰载机舰面载荷谱要比常规运输类飞机地面滑跑载荷谱严重。

对图9中空中机动过载超越曲线进行类似换算，机动过载超越曲线在对数坐标系下为直线段，进行线性拟合得到式(5)，曲线绘制如图11所示。

lgN=-7.038 27Δnz+1.618 05

(5)

图10 拦阻着舰与着陆滑跑超越曲线对比Fig.10 Comparison of transcendental curves during arrested landing and taxiing

图11 拦阻着舰和空中机动超越曲线对比Fig.11 Comparison diagram of transcendental curves during arrested landing and air maneuvering

从图11可知，对于相同超越次数，拦阻着舰过载大于空中机动过载，通过损伤计算，拦阻着舰过载对机体结构造成的损伤大于空中机动过载造成的损伤，因此舰载机舰面载荷谱要比常规运输类飞机空中机动载荷谱严重。但对于阵风载荷占主导地位的运输类飞机，暂不能定量比较拦阻着舰任务段与空中飞行段损伤大小，这与飞机飞行高度、距离和重量等因素有关，后续将进一步对该部分内容进行研究。