基于飞行试验的舰载机拦阻着舰建模方法

王 格，谢 帅，闫文辉

（中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089）

舰载战斗机作为航空母舰的主要作战武器，必须具备在航母甲板有限空间内安全起降的能力。舰载机飞行员以高超的驾驶技术操纵飞机，将安装在机体尾部的拦阻钩精准地钩住横跨在甲板上的钢索，实现短距离内迅速制动，这个高难度的过程堪比“穿针引线”。舰载机着舰时产生的过载是陆基飞机的几倍，拦阻钩和拦阻索系统需承受巨大的载荷，这无疑为拦阻系统结构带来很大的考验。拦阻着舰是舰载机飞行过程中最为惊心动魄、事故发生率最高的阶段[1]。

除此之外，着舰时飞机姿态变化、航母的六自由度运动以及舰尾气流等因素进一步增加了拦阻着舰的复杂性和危险性。随着航空技术的发展，飞机的性能和速度不断提高，拦阻着舰技术将面临前所未有的挑战。开展拦阻着舰动力学研究，深入分析拦阻着舰这一复杂过程具有重要意义[2]。

本文建立了舰载机拦阻着舰多体动力学模型，并利用舰载机陆基模拟着舰飞行试验数据对模型进行校验与修正，使模型仿真结果具备一定精度。该模型可用于舰载机着舰拦阻过程中多种问题的研究，具有很高的研究价值。

1 拦阻钩装置多体动力学建模

1.1 拦阻钩工作原理

拦阻钩模型如图1 所示，拦阻钩系统中装有纵向缓冲器和横向缓冲器。其中，纵向缓冲器用于吸收拦阻钩在飞机纵平面内的动能，当钩头碰撞舰面发生弹跳时能够抑制其反弹趋势，提高拦阻钩挂索成功率。

图1 拦阻钩模型

横向缓冲器用于提高拦阻钩航向稳定性，使拦阻钩保持在对中位置，当舰载机发生偏心或偏航拦阻时，将产生横向缓冲力使拦阻钩稳定在航向上[3]。

1.2 拦阻钩装置建模方法

建立拦阻钩装置多体动力学模型。首先，忽略构件变形，建立拦阻钩多刚体动力学模型。拦阻钩的主要构件包括拦阻钩钩头、拦阻钩钩臂、万向接头、纵向缓冲器外筒以及纵向缓冲器活塞杆。为了提高计算效率，降低求解难度，将航母甲板视为空间内位置固定的跑道。此外，假设主起落架着舰发生在拦阻钩挂索之前，定义拦阻钩挂索瞬间为初始时刻。

设置纵向缓冲器和横向缓冲器模型。纵向缓冲器支柱受到的轴向力主要有空气刚度弹簧力Fa和油液阻尼力Fo，摩擦力较小故此处忽略。

式（1）中：Aa为空气腔压气面积；Pair0为空气腔初始压强；V0为空气腔初始体积；S为缓冲器行程；γ为气体多变指数；Patm为标准大气压强。

式（2）中：ρ为油液密度；Ah为有效压油面积；为缓冲器行程速率；Cd为油液缩流系数（通常取0.6～0.98）；An为油孔面积。

除此之外，当缓冲器处于最拉伸和最压缩状态时，产生结构限制力。轴向力Fs表达式如下：

式（3）中：Kspt为结构间隙系数；Smax为最大缓冲行程。

横向缓冲器简化为弹簧结构。在模型中分别输入2个缓冲器的刚度和阻尼公式以实现其功能。另外，拦阻钩钩臂为拦阻钩中变形较大的部件，需进行柔性化处理，将划分好网格的钩臂模型置换到原位置，拦阻钩多刚体模型转化为刚柔耦合的多体动力学模型。

2 拦阻索装置多体动力学建模

2.1 拦阻索装置建模方法

拦阻索装置结构复杂，当拦阻钩钩住钢索向前拉起时，钢索伸长带动动滑轮组朝着定滑轮组移动，活塞进入主液压缸将缸内油液挤压到蓄能器内，从而将动能转化为热能而耗散。

为了提高模型计算效率，在保证能够实现拦阻基本功能的前提下，建模时对拦阻装置结构进行简化。并假设当钢索与拦阻钩发生接触碰撞后，拦阻钩钩头始终挂在钢索的初始啮合点，二者不发生相对滑动。建模时将钢索离散化为若干段经过柔性连接的圆柱刚体单元。该方法能够全面表征绳索特性且计算精度较高。

2.2 舰载机拦阻过程受力分析

由拦阻装置提供给钢索并通过拦阻钩传递到机身上的拦阻力是舰载机拦阻过程中最为关键的作用力，拦阻力变化规律的设计是否合理将决定拦阻过程的成败。拦阻过程中，飞机在纵向受到的力主要包括拦阻索作用在拦阻钩上的拦阻合力Fx、发动机推力FT（为了预防挂索失败随时准备逃逸复飞）以及空气阻力和地面摩擦力Ff。舰载机拦阻过程受力分析如图2 所示。

图2 舰载机拦阻过程受力分析

根据牛顿第二定律可以得到飞机在纵向的运动学关系：

式（4）中：n为飞机纵向过载；m为飞机重量。

2.3 拦阻索拉力的确定方法

参考文献[4]中的方法，基于动能定理，根据舰载机着舰重量、啮合速度以及相关限制条件，从而确定施加在钢索两端的拦阻索拉力的大小。动能定理只涉及飞机着舰时的初始状态和拦停时的结束状态，满足功能关系的拦阻力变化规律有无穷多种解。因此需设计一种性能优良、形式简单的拦阻力变化规律的计算方法。仿真计算某一飞机重量和拦阻速度下的拦阻索拉力曲线，并进一步优化该计算方法，以消除对拦阻索装置使用寿命造成影响的曲线尖峰。最后，将得到的拦阻力曲线施加在钢索左右两端。

通过以上步骤，得到舰载机拦阻着舰多体动力学模型，该模型可用于模拟舰载机拦阻着舰的完整过程，但由于模型经过抽象简化，难以保证模型计算结果的准确性与真实性，因此，利用舰载机陆基模拟着舰飞行试验得到的真实数据对模型进行校验与修正，从而提高模型计算精度。下面来介绍舰载机陆基模拟着舰飞行试验以及拦阻钩载荷实测的方法流程。

3 舰载机拦阻钩载荷飞行实测

3.1 飞行载荷测量方法及原理

飞行试验是在真实的飞行条件和使用环境下进行的，试验结果可以体现风洞实验和理论分析都无法完全准确模拟的飞机实际受载情况，为验证设计载荷、计算结构强度、确定严重受载情况以及结构的改进提供了重要依据。由于舰载机在航母上进行拦阻着舰试验风险极高且费用高昂，陆基试验发挥了尤为关键的作用，在陆地机场上安装拦阻索进行拦阻试验并测量监控拦阻钩受载情况，从而指导拦阻钩系统及拦阻装置的改进。

目前，工程中主要采用应变法实现飞行试验中结构载荷的测量。

3.2 应变法测量拦阻钩载荷步骤

下面将以拦阻钩为例，介绍飞行试验中拦阻钩载荷的测量过程。首先，根据拦阻钩的受力特点制定合适的改装方案。拦阻钩所受外力作用于钩头，可分解为三向力Fx、Fy和Fz，该结构主要承受拉压力、弯矩和剪力的作用。如图3 所示，在拦阻钩钩臂、横向稳定器的小连杆、万向接头处适当位置选取4 个测量剖面。

图3 拦阻钩测量剖面及应变计布置示意图

在制定测量剖面处的应变计布置方案时，尽量排除其他载荷的干扰和影响，使应变计只对欲测的单一载荷敏感。在剖面1-1 布置1 组剪力电桥。在剖面2-2布置剪力电桥、侧向弯矩（由侧向力Fz产生的弯矩）电桥、轴向拉压力电桥和法向弯矩（由法向力Fy产生的弯矩）测量电桥。在横向稳定器小连杆测量剖面3-3处布置拉压力电桥。万向接头为拦阻钩与机身连接并传递载荷的关键部件，为了分析测量其受载特性，在测量剖面4-4 布置法向弯矩测量电桥。在每个剖面上粘贴应变计，并将每4 个应变计组成一个全桥应变电桥。

采用脱机校准的方案，将完成应变电桥改装的拦阻钩安装在试验台架上，用夹具模拟拦阻钩与机身、钩头与钢索的真实连接方式和支持刚度，保证试验中拦阻钩受载形式与实际飞行相同。根据拦阻钩实际受载情况，校准载荷应施加在钩头位置，分别进行轴向、法向、侧向、两向组合以及三向组合等校准工况。将加载载荷作为输入，记录应变电桥的输出响应，经回归分析建立载荷方程。

鉴于在航母甲板上直接进行着舰拦阻飞行试验的风险太高，通常先在陆地机场上进行舰载机陆基着舰试验。最后将飞行试验中读取的应变电桥响应作为输入代入载荷方程中，得到的输出即为实测拦阻钩载荷。结合机载数据采集系统，最终得到包括飞机过载、飞行速度、飞机姿态角、拦阻钩载荷、小连杆拉力、拦阻钩收放角等重要参数在内的时间历程数据。

4 模型修正

为了保证模型计算结果的准确性，利用飞行试验数据对模型进行修正，通过对比分析拦阻钩拉力、缓冲器缓冲力以及飞机过载等参数的试飞结果与模型仿真结果的误差，调整模型相关参数，将仿真误差控制在一定范围内，从而保证模型能够合理描述舰载机拦阻着舰过程。

初始模型出现的比较显著的问题有拦阻钩上下摆动角度过大、横向缓冲力误差较大等。模型修正通过调整纵向缓冲器以及横向缓冲器的缓冲特性来进行，通过分析计算结果误差来源，以合理的方式调整影响纵向缓冲器以及横向缓冲器特性的相关参数，并以“对比分析—修正参数—仿真计算”的反复迭代的模式，选取多组试验数据展开多轮比较，逐渐提高模型精度，直至完成修正。修正后拦阻钩不会异常摆动，如图4所示，拦阻钩收放角曲线极大值与试验结果相近。拦阻钩拉力、缓冲器缓冲力等参数仿真误差均小于10%。该模型能够合理模拟舰载机拦阻着舰过程，结果可靠。

图4 拦阻钩收放角时间历程曲线

5 结束语

本文给出了一种基于飞行试验的舰载机拦阻钩载荷建模方法，建立的舰载机拦阻着舰多体动力学模型经过飞行试验数据的校验与修正，计算精度满足要求。在后续的研究中，将结合国军标中对舰载机拦阻着舰科目的相关规定，利用该模型深入研究分析着舰重量、啮合速度以及带有偏心、偏航的非对称拦阻，对拦阻过程产生的影响。舰载机拦阻着舰多体动力学模型可辅助飞行试验进行拦阻着舰问题的研究，在提高试飞效率的同时大幅度降低试验风险和成本，具有很高的研究价值。