鄧文力，王悅民，耿海泉

(海軍工程大學(xué) 動(dòng)力工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

0 引 言

艦載機(jī)是航母的核心戰(zhàn)斗力之一，保障艦載機(jī)的起飛和安全回收是當(dāng)今海軍研究的重點(diǎn)課題。航母阻攔系統(tǒng)的研究始于19世紀(jì)初，經(jīng)歷了100多年的發(fā)展與使用，但阻攔索安全事故時(shí)有發(fā)生。2003年9月，美軍“華盛頓”號(hào)1架F-18“大黃蜂”在著艦時(shí)阻攔索斷裂為2段，飛機(jī)落入海中，斷裂的阻攔索在甲板掃動(dòng)造成多名工作人員受傷；2005年12月，美軍“獨(dú)立”號(hào)上1架A6戰(zhàn)斗機(jī)著艦時(shí)阻攔索斷裂，飛機(jī)沖出甲板；2016年，美軍“艾森豪威爾”號(hào)上E-2C“鷹眼”預(yù)警機(jī)拉斷阻攔索，沖出甲板，卻又重新拉起復(fù)飛；同年，俄羅斯“庫(kù)茲涅佐夫”號(hào)接連發(fā)生2起阻攔索安全事故等，引起了人們極大關(guān)注。目前，國(guó)際上現(xiàn)役航母大多采用液壓式阻攔系統(tǒng)，以美軍采用的MK7-3型阻攔系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)采用鋼制阻攔索[1]，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。液壓式阻攔系統(tǒng)經(jīng)過多年發(fā)展，但根據(jù)實(shí)際使用情況，現(xiàn)有阻攔系統(tǒng)的安全性仍有待進(jìn)一步提高，并且在使用條件上受到艦載機(jī)重量范圍的限制，要求艦載機(jī)重量不能過大或者過小，對(duì)于重量過大的艦載機(jī)，或者出現(xiàn)滿載彈藥的艦載機(jī)可能要舍棄部分彈藥才能安全阻攔，而對(duì)于輕質(zhì)無人機(jī)的阻攔也存在一定困難。目前，美軍正在研制“先進(jìn)阻攔裝置”（AAG），該系統(tǒng)主要包括阻攔機(jī)和軟件控制系統(tǒng)，采用合成纖維制阻攔索，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，阻攔機(jī)是吸能部件，包括阻攔索、水力渦輪等結(jié)構(gòu)，而軟件控制系統(tǒng)則控制飛機(jī)著艦過程?！跋冗M(jìn)阻攔裝置”結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，減少了工作人員數(shù)量及運(yùn)行保養(yǎng)成本；在阻攔過程中能夠主動(dòng)采取措施降低阻攔索張力峰值，控制艦載機(jī)停留位置；在艦載機(jī)要求上，能回收重量范圍更大、類型更多的艦載機(jī)。

圖 1 MK7-3阻攔裝置系統(tǒng)Fig. 1 MK7-3 aircraft carrier system

圖 2 先進(jìn)阻攔裝置系統(tǒng)Fig. 2 Advanced aircraft carrier system

阻攔索是航母阻攔系統(tǒng)與艦載機(jī)阻攔鉤直接接觸的關(guān)鍵構(gòu)件，也是最易發(fā)生安全事故的部位之一，對(duì)阻攔索健康狀況的研究，其重要性不言而喻。鋼制阻攔索抗沖擊能力及抗拉能力良好，并在使用中積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，但其自身重量大、易腐蝕、使用壽命較短，并且由于其結(jié)構(gòu)特性在健康狀態(tài)檢測(cè)上有一定的困難。在研究下一代阻攔系統(tǒng)的同時(shí)，研究者們希望發(fā)展新型的合成纖維制阻攔索[2]。合成纖維制阻攔索具有良好的強(qiáng)度重量比，使用壽命較長(zhǎng)，在維護(hù)、更換上相對(duì)操作簡(jiǎn)單，在阻攔系統(tǒng)中減小了系統(tǒng)總慣性，降低了結(jié)構(gòu)載荷，縮小了滑輪減震器尺寸。本文分別對(duì)鋼制阻攔索及合成纖維制阻攔索的特點(diǎn)進(jìn)行分析，并著重從鋼制阻攔索應(yīng)變荷載及合成纖維阻攔索所受拉伸力的角度進(jìn)行對(duì)比計(jì)算研究。

1 鋼制阻攔索性能分析

1.1 鋼制阻攔索特點(diǎn)

鋼制阻攔索作為飛機(jī)的阻攔索，經(jīng)過了長(zhǎng)時(shí)間的發(fā)展及使用，已積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，在20世紀(jì)70年代，美國(guó)學(xué)者Gibson[3]對(duì)阻攔索的設(shè)計(jì)原理進(jìn)行研究，并且采用6種典型的鋼絲繩結(jié)構(gòu)，模擬阻攔過程進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在阻攔索單絲數(shù)量的選擇上，單絲數(shù)量越多其柔性越好，在橫向沖擊實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)越好，但同時(shí)單絲數(shù)量的增多必然會(huì)造成單絲直徑變小，在沖擊實(shí)驗(yàn)中與阻攔鉤的接觸更易受到損傷；在阻攔索結(jié)構(gòu)的選擇上，采用三角股結(jié)構(gòu)的阻攔索繩股接觸面積大、破斷拉力大，能夠增長(zhǎng)阻攔索的使用壽命，在抗彎曲、扭轉(zhuǎn)的實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)更好，同時(shí)該結(jié)構(gòu)具有更好的表面質(zhì)量，抗磨損能力更強(qiáng)。目前MK7-3型阻攔系統(tǒng)配置鋼制阻攔索，其結(jié)構(gòu)如圖3所示，該種阻攔索由6股繩股組成，每股由12根主鋼絲、12根輔鋼絲及6根較細(xì)的鋼絲纏繞成三角股結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)將阻攔索分為3層，外層由較粗的主鋼絲組成使得阻攔索在沖擊中不輕易受損，中層及內(nèi)層由較細(xì)的鋼絲組成又保證阻攔索有足夠的柔性[4–5]。

圖 3 鋼制阻攔索結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 3 Structure sketch of steel arresting cable

1.2 鋼制阻攔索性能

國(guó)內(nèi)外都對(duì)鋼制阻攔索的動(dòng)力學(xué)做了大量的理論和實(shí)驗(yàn)研究，聶宏等[6]在研究現(xiàn)狀上做了總結(jié)，1956年Ringleb[7]研究了阻攔索受縱向沖擊后的行為，建立了應(yīng)力波傳播的波動(dòng)方程，并逐步形成一套理論體系，此后很多學(xué)者的研究大多以該理論為基礎(chǔ)，但由于阻攔過程復(fù)雜，需考慮因素多，仍需要更深入的研究。為了應(yīng)用于工程實(shí)際應(yīng)用，美國(guó)ADEC公司提出波動(dòng)傳載理論，其計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相比較為吻合[8–9]。

航母阻攔索設(shè)置在甲板上，由艦尾至艦首方向依次鋪設(shè)4道阻攔索，阻攔索由經(jīng)甲板上升降滑輪裝置與阻攔裝置相連，阻攔裝置位于甲板下方艙室內(nèi)[10]。因此，阻攔索與阻攔裝置有一定的距離，當(dāng)艦載機(jī)攔阻上鉤后，阻攔裝置所提供的阻攔力不能立即作用于阻攔鉤上，而是通過較長(zhǎng)的滑輪組索傳遞載荷，形成載荷傳遞滯后。但在傳遞載荷滯后的短暫時(shí)間內(nèi)，飛機(jī)仍然高速向前運(yùn)動(dòng)，引起阻攔索產(chǎn)生應(yīng)變，形成作用于阻攔鉤上的應(yīng)變載荷。

艦載機(jī)著艦，對(duì)中及偏心程度是阻攔索是否能順利阻攔艦載機(jī)的一個(gè)重要因素。隨著自動(dòng)著艦技術(shù)研究的深入，盡可能要求對(duì)中阻攔，但實(shí)際的阻攔過程情況復(fù)雜，非對(duì)中阻攔也時(shí)有發(fā)生[6,11]。下文分別對(duì)對(duì)中阻攔及偏心阻攔的情況進(jìn)行分析。

對(duì)中阻攔時(shí)，艦載機(jī)沿甲板跑道中心線前進(jìn)，阻攔鉤鉤住阻攔索中點(diǎn)位置，其示意圖如圖4所示。

圖 4 對(duì)中阻攔示意圖Fig. 4 Sketch of centerline engagement

計(jì)算波動(dòng)往返時(shí)間內(nèi)阻攔鉤與右舷滑輪的距離：

計(jì)算波動(dòng)往返時(shí)間內(nèi)攔索的伸長(zhǎng)量：

計(jì)算阻攔索與應(yīng)變相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力：

偏心阻攔時(shí)，艦載機(jī)偏離甲板跑道中心線前進(jìn)，阻攔鉤鉤住阻攔索中點(diǎn)一側(cè)位置，其示意圖如圖5所示。

在偏心阻攔的情況中，應(yīng)變載荷計(jì)算的過程與對(duì)中阻攔的情況類似，現(xiàn)令偏心阻攔時(shí)艦載機(jī)與右舷側(cè)升降滑輪的距離為，則與另一側(cè)的距離為，偏心阻攔應(yīng)變載荷計(jì)算如下：

圖 5 偏心阻攔示意圖Fig. 5 Sketch of off-center engagement

計(jì)算波動(dòng)往返時(shí)間內(nèi)遠(yuǎn)離道面一側(cè)阻攔索被拉伸后的長(zhǎng)度

計(jì)算波動(dòng)往返時(shí)間內(nèi)較大偏心一側(cè)攔索的伸長(zhǎng)量

計(jì)算阻攔索與應(yīng)變相對(duì)應(yīng)的應(yīng)力

通過以上模型的建立，能夠?qū)ε炤d機(jī)對(duì)中阻攔及偏心阻攔情況下，阻攔索所受應(yīng)變載荷進(jìn)行計(jì)算。

1.3 鋼制阻攔索檢測(cè)

艦載機(jī)在回收時(shí)，采用“撞擊式”著艦，發(fā)動(dòng)機(jī)仍保持工作狀態(tài)，禁止平飛減速和飄落，通過阻攔系統(tǒng)強(qiáng)制對(duì)艦載機(jī)減速制動(dòng)，以便若鉤索失敗能夠立即復(fù)飛[12]。阻攔索在與阻攔鉤接觸的瞬間會(huì)受到巨大的橫向沖擊力，在阻攔索上產(chǎn)生應(yīng)力波使阻攔力產(chǎn)生波動(dòng)變化[13]，并且在攔停過程中持續(xù)受力，這種特殊的降落方式使阻攔索成為阻攔系統(tǒng)中最易受損的部位之一。

由于阻攔索工作性質(zhì)特殊，對(duì)其健康狀態(tài)的檢測(cè)十分必要，但阻攔索單絲數(shù)量多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其檢測(cè)技術(shù)是一個(gè)難點(diǎn)。借鑒國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[14]中對(duì)鐵磁性鋼絲繩電磁檢測(cè)方法，可以適用于鋼制阻攔索主要有漏磁、剩磁、磁通等檢測(cè)技術(shù)，根據(jù)工業(yè)鋼絲繩檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，可將漏磁檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用于阻攔索損傷檢測(cè)上。其主要原理是阻攔索發(fā)生損傷時(shí)在外加磁場(chǎng)的作用下會(huì)導(dǎo)致其表面或內(nèi)部磁特性產(chǎn)生變化，通過捕捉或檢測(cè)這種變化信息，即可判斷阻攔索是否存在缺陷或者損傷，其原理如圖6所示[15]。目前，漏磁檢測(cè)技術(shù)在斷絲的檢測(cè)上效果較為明顯，但在腐蝕及疲勞損傷的檢測(cè)上尚有不足，仍需要進(jìn)一步的研究。

圖 6 鋼絲繩漏磁檢測(cè)原理Fig. 6 Principle of wire rope magnetic flux leakage testing structure diagram

2 合成纖維制阻攔索性能分析

2.1 合成纖維制阻攔索特點(diǎn)

鋼絲繩在較多工業(yè)領(lǐng)域中得到應(yīng)用，已有較長(zhǎng)歷史，但由于自身重量大、易腐蝕、易磨損等缺點(diǎn)，容易受到一些使用環(huán)境的限制。隨著近年來合成材料的迅猛發(fā)展，合成纖維繩索在部分領(lǐng)域得到應(yīng)用。根據(jù)E Mendoza[2]的研究表明，美軍正在研發(fā)下一代，合成纖維制阻攔索，并對(duì)合成纖維制阻攔索健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)做了一定研究，實(shí)驗(yàn)中所用合成纖維制阻攔索樣品如圖7所示。

圖 7 合成纖維制阻攔索樣品[16]Fig. 7 Specimen of synthetic material arresting cable[16]

合成纖維制阻攔索密度小、耐腐蝕、壽命較長(zhǎng)，便于保存、運(yùn)輸以及更換，減輕了工作量。在阻攔系統(tǒng)中減小了系統(tǒng)總慣性，降低了結(jié)構(gòu)載荷，縮小了滑輪減震器尺寸。同時(shí)，合成纖維制阻攔索具備良好的強(qiáng)度重量比及柔性，能夠滿足阻攔過程中對(duì)阻攔索強(qiáng)度的需求，受沖擊載荷及振動(dòng)載荷的影響較小，與阻攔鉤接觸部位所受的彎曲內(nèi)應(yīng)力較小[3]，沈文厚等[5]在對(duì)阻攔索沖擊研究中指出，將鋼制阻攔索使用輕質(zhì)材料代替能較大幅度的減弱繩索的波動(dòng)，降低阻攔鉤對(duì)阻攔索沖擊而產(chǎn)生的應(yīng)力峰值。

在將合成纖維繩索應(yīng)用作為阻攔索時(shí)，也需要考慮其耐磨損性以及抗機(jī)械撕扭力較差等因素，同時(shí)合成纖維制阻攔索缺少實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，未知的失效模式使其仍然具有一定的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 合成纖維制阻攔索檢測(cè)

為了對(duì)新型阻攔索健康狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，美軍SBIR項(xiàng)目對(duì)阻攔索監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行研究，該研究建立了一個(gè)嵌入式分布光纖傳感器系統(tǒng)[16]，如圖8所示，該系統(tǒng)能夠?qū)ψ钄r索進(jìn)行實(shí)時(shí)的結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)、損傷評(píng)估、使用壽命預(yù)測(cè)。其基本原理是在阻攔索的制作過程中將光纖傳感器預(yù)埋于阻攔索中，當(dāng)阻攔索受到損傷時(shí)，受損部位受力及溫度等參數(shù)將會(huì)發(fā)生變化，從而引起光纖的反射譜和投射譜發(fā)生變化，檢測(cè)對(duì)應(yīng)的反射和投射的波長(zhǎng)變化，通過對(duì)應(yīng)關(guān)系即可獲取阻攔索的損傷狀況。

圖 8 嵌入式分布光纖傳感器系統(tǒng)[16]Fig. 8 Embedded distributed fiber optic sensor (EDIFOSTM) system

嵌入式分布光纖傳感器系統(tǒng)在原理上具有以下優(yōu)勢(shì)：

1）該技術(shù)將光纖傳感器預(yù)埋于阻攔索中，由于光纖傳感器傳輸容量大，能夠構(gòu)成多形式的光線傳感網(wǎng)絡(luò)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)阻攔索全長(zhǎng)度范圍的損傷監(jiān)測(cè)。

2）該技術(shù)能夠?qū)崟r(shí)獲取阻攔索內(nèi)部溫度及受力等信息，對(duì)結(jié)構(gòu)的完整性、損傷程度等狀態(tài)進(jìn)行連續(xù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，結(jié)合損傷評(píng)估，能夠?qū)ψ钄r索健康狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并對(duì)使用壽命作出預(yù)測(cè)。

3)該技術(shù)采用將傳感器預(yù)埋的方式，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)阻攔索健康狀態(tài)，節(jié)省了人工檢測(cè)過程，為阻攔索緊張的復(fù)位工作節(jié)省時(shí)間。

2.3 合成纖維制阻攔索性能

與鋼制阻攔索在阻攔艦載機(jī)過程中所受應(yīng)變載荷對(duì)應(yīng)，合成纖維制阻攔索受到拉伸力，其計(jì)算的基本原理相同。

對(duì)中阻攔時(shí)：

計(jì)算波動(dòng)往返時(shí)間

波動(dòng)往返時(shí)間內(nèi)艦載機(jī)前進(jìn)的縱向距離

計(jì)算合成纖維制阻攔索的拉伸力

偏心阻攔時(shí)，計(jì)算合成纖維制阻攔索的拉伸力

在阻攔索攔截艦載機(jī)的過程中，鋼制阻攔索受到應(yīng)變載荷作用，而合成纖維制阻攔索則承受與之相對(duì)應(yīng)的拉伸力，為了便于直觀分析兩者受力情況，現(xiàn)將2種阻攔索進(jìn)行對(duì)比計(jì)算分析。

圖 9 對(duì)中阻攔時(shí)G-L曲線Fig. 9 The G-L curves at centerline engagement

圖 10 應(yīng)力與偏心程度關(guān)系G-n曲線Fig. 10 The G-L curves at off-center engagement

通過計(jì)算結(jié)果可知：

1）在同樣的偏心及對(duì)中阻攔情況下，使用鋼制阻攔索所受應(yīng)力載荷比使用合成纖維繩制阻攔索所受拉伸力大很多。

2）阻攔索與阻攔裝置距離越遠(yuǎn)，受到的應(yīng)力越大，但由于實(shí)際結(jié)構(gòu)的需求，兩者之間需要有一定的距離，使用合成纖維作為阻攔索也能減少這一拉伸力的增大。

3）偏心阻攔時(shí)，阻攔索所受應(yīng)力會(huì)急劇增大，但相對(duì)而言，使用合成纖維制阻攔索會(huì)減小這一拉伸力的增大。

3 結(jié) 語

對(duì)2種航母阻攔索的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、檢測(cè)技術(shù)做了概述，結(jié)合阻攔索實(shí)際使用環(huán)境分別對(duì)鋼制阻攔索及合成纖維制阻攔索進(jìn)行了性能分析，基于波動(dòng)傳載理論建立了數(shù)學(xué)模型，對(duì)鋼制阻攔索的應(yīng)變載荷及合成纖維制阻攔索的拉伸力進(jìn)行對(duì)比計(jì)算研究，得出主要結(jié)論如下：

1）鋼制阻攔索具有良好的抗拉強(qiáng)度及抗沖擊能力，經(jīng)過使用和發(fā)展積累了大量的經(jīng)驗(yàn)，但其健康狀態(tài)檢測(cè)技術(shù)仍然是一個(gè)難點(diǎn)。

2）合成纖維制阻攔索具有良好的強(qiáng)度重量比及柔性，降低了系統(tǒng)總慣性，有對(duì)應(yīng)的健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)，但其未知的失效模式仍需要進(jìn)一步深入研究。

3）從目前研究現(xiàn)狀看，2種阻攔索各有優(yōu)缺點(diǎn)，為了滿足海軍未來的發(fā)展需求，加大阻攔索及其檢測(cè)技術(shù)的研究具有重要意義。