張麗偉

摘要：以一道2013重慶高考試題為契機，介紹實際中航母艦載機“阻攔索”的結(jié)構(gòu)、作用、原理，讓讀者對航母艦載機“阻攔索”及其發(fā)展方向有初步的了解。

關(guān)鍵詞：航母；艦載機；阻攔索

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2014）4（S）-0056-3

2013年高考全國新課標(biāo)Ⅰ卷第21題與2013年重慶高考理綜物理部分第6題都是以航母艦載機攔阻著艦為背景的力學(xué)問題。這兩道題的出現(xiàn)引起眾多高中物理教師和學(xué)生的熱議與思考，題目均以當(dāng)前熱點問題為背景，理論聯(lián)系實際，符合高考新課標(biāo)倡導(dǎo)：“探究具有較高科技含量的具有新鮮感的物理問題”。同時也激起更多的人對航母艦載機的著艦攔阻問題的好奇與探知欲，下面筆者以重慶高考物理第6題為契機。簡要介紹實際中航母艦載機著艦中“阻攔索”的作用及原理。

1 分析重慶高考物理第6題

題目我國艦載飛機在“遼寧艦”上成功著艦后。某課外活動小組以艦載飛機利用阻攔索著艦的力學(xué)問題很感興趣。他們找來了木板、鋼球、鐵釘、橡皮條以及墨水，制作了模擬的裝置，準(zhǔn)備定量研究鋼球在橡皮條阻攔下前進(jìn)的距離與被阻攔前速率的關(guān)系。要達(dá)到實驗?zāi)康?，需直接測量的物理量是鋼球由靜止釋放時的____和在橡皮條阻攔下前進(jìn)的距離，還必須增加的一種實驗器材是____。忽略鋼球所受的摩擦力和空氣阻力，重力加速度已知，根據(jù)____定律（定理），可得到鋼球被阻攔前的速率。

該題目用“鋼球”模型替代“艦載機”：用“橡皮條”模型等效“阻攔索”；用“木板”代替“航母甲板”；用“斜面高度控制鋼球速度”等效“艦載機著艦時不同速度”；將研究“艦載機被阻攔后在航母上滑行距離與阻攔前速率的關(guān)系”，抽象為研究“小鋼球在橡皮條阻攔下前進(jìn)的距離與被阻攔前速率的關(guān)系”。這種從實際生活問題中提煉物理模型、抽象物理情景的習(xí)題對大多學(xué)生來說都是一個難點。不僅考察學(xué)生的理性思維、建模能力，對學(xué)生理論聯(lián)系實際、分析物理模型、準(zhǔn)確選擇物理規(guī)律解決問題等多方面能力要求都很高。因此，該題目不失為一道好題。然而，實際用的“阻攔索”究竟是怎么樣呢？

2 阻攔索的結(jié)構(gòu)

航母阻攔索。是應(yīng)用于航母上的攔截裝置系統(tǒng)，位于航母飛行甲板后部，在戰(zhàn)機著艦與尾鉤完全咬合后。阻攔索要在短短數(shù)秒內(nèi)使戰(zhàn)機迅速減速至零，并使戰(zhàn)機滑行距離不超過百米。因此，航母阻攔索成為艦載機名副其實的“生命線”，它的地位之重要不言而喻。歷史上最初的阻攔索只是一根簡單的鋼索，兩頭懸掛著沙袋。這種阻攔索能將滑飛過阻攔索的飛機絆住或起碼卡住飛機的螺旋槳。目前世界各國航母上普遍使用的是液壓式阻攔裝置。以MK7型阻攔裝置為例，其使用的阻攔索有兩種規(guī)格，即6x30平鋼絞大麻纖維芯阻攔索和6x30平鋼絞聚醋芯阻攔索。每根阻攔索是由6股鋼絲繩組成的。每股鋼絲繩又是由12根主鋼絲、12根中間尺度的鋼絲和6根呈三角狀布置的細(xì)鋼絲扭結(jié)成的。每股鋼絲繩之間還有交接鋼絲，每根鋼絲繩芯部還設(shè)有油浸大麻纖維，繩芯中還有表明阻攔索生產(chǎn)廠家的識別帶（圖2）。

所以，阻攔索并非“橡皮筋”。但是我們可以將其作用用“橡皮筋”等效，將實際問題理想化，以實現(xiàn)用高中物理知識解決實際問題的目的。這種將實際設(shè)備抽象為簡單的物理模型的方法是值得我們學(xué)習(xí)和探究的。

3 阻攔索的作用

艦載機阻攔裝置是航空母艦上的重要輔助設(shè)備，實現(xiàn)了艦載機在有限長度的航母甲板上的安全著艦。阻攔索是阻攔裝置中的重要組成部分（圖3）。一般為了保證飛機著艦安全，提高飛機尾鉤的勾索率。飛行甲板上通常都設(shè)有4—6道阻攔索。第一道阻攔索一般設(shè)在距飛行甲板尾端36～51米處。每道阻攔索之間的間隔約為12～18米，攔機網(wǎng)設(shè)在最后一道阻攔索前面。攔機網(wǎng)平時并不設(shè)置，一旦著艦需要。甲板人員在兩分鐘內(nèi)即可支起阻攔網(wǎng)，飛機沖進(jìn)攔機網(wǎng)后迫使其停下來。

當(dāng)飛機即將降落時，首先放下起落架和襟翼，同時，將裝在艦載機上的尾鉤放下。飛機俯沖著艦。其尾鉤就可能鉤住間隔布置在甲板上的多根阻攔索中的一根。通常第二、第三根阻攔索的攔機率最高。飛機尾鉤勾住阻攔索繼續(xù)向前滑跑。阻攔索給飛機施加向后的作用力。使飛機的速度越來越小，之后安全停在甲板上。在飛機停止的瞬間。繩索中存在的應(yīng)力使飛機向后滑動很小一段位移，阻攔索會自動從飛機的尾鉤上脫落，失去拉力的阻攔索恢復(fù)到原來的位置，為下一架飛機的降落作好準(zhǔn)備。至此，一架飛機在阻攔索的幫助下完成降落。如果著艦時沒有鉤上阻攔索，飛機則加大發(fā)動機油門采取逃逸復(fù)飛措施，低空飛行后重新著艦。

4 阻攔鎖裝置的工作原理

國內(nèi)外現(xiàn)役航空母艦上普遍使用的攔阻裝置為MK7型液壓緩沖式攔阻系統(tǒng)，其組成主要包括艦上的阻攔索和支撐機構(gòu)，艦下的攔阻索系統(tǒng)、滑輪緩沖系統(tǒng)、攔阻器系統(tǒng)、鋼索末端緩沖系統(tǒng)、復(fù)位系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等。攔阻器系統(tǒng)又由主液壓缸、定長沖跑控制系統(tǒng)、蓄能器、膨脹氣瓶、定滑輪組等組成（圖4）。

當(dāng)艦載機尾鉤掛上攔阻索后，拉動滑輪索，攔阻索經(jīng)過滑輪緩沖系統(tǒng)和一系列動滑輪組帶動主液壓缸的柱塞，將主液壓缸里的油液經(jīng)定長沖跑控制系統(tǒng)擠壓進(jìn)蓄能器，液體通過控制閥時會產(chǎn)生壓力損失，對液壓油缸中的流動液體產(chǎn)生阻尼，對飛機產(chǎn)生阻攔力，使飛機逐漸減速。在沖跑的末端，控制閥開口完全封閉，柱塞和其相連的運動滑輪組停止下來，進(jìn)而控制飛機停止。當(dāng)飛機被攔停且攔阻索與飛機尾鉤脫離后，復(fù)位閥打開，蓄能器中高壓油液經(jīng)冷卻器回流到主液壓缸，實現(xiàn)攔阻索復(fù)位（圖5）。其中滑輪緩沖裝置可充分消減飛機掛索時鋼索的張力峰值和應(yīng)力波動：蓄能器主要用于吸收并存儲阻攔過程中的艦載機動能：鋼索末端緩沖裝置可充分消除由于攔阻機中滑輪轉(zhuǎn)速不同引起鋼索的振顫：定長沖跑控制系統(tǒng)控制主液壓缸油液流入儲能器的流量。亦即控制阻攔過程主液壓缸的壓力、阻攔鎖張力、艦載機承受的攔阻力。可根據(jù)飛機重量通過重量選擇器調(diào)節(jié)控制閥的初始開口面積，以實現(xiàn)在基本相同距離上攔阻不同重量飛機。

誠然，阻攔索阻攔裝置涉及機械、電氣、液壓等諸多高新技術(shù)，是碩大而龐雜的大工程。其工作原理中所包含的高科技含量遠(yuǎn)比上述描述復(fù)雜的多。

5 艦載機阻攔索的發(fā)展方向

從西方多數(shù)國家應(yīng)用和發(fā)展趨勢看，攔阻系統(tǒng)攔阻形式以索式為主，網(wǎng)索混合式并用。從技術(shù)性能看，主要進(jìn)行高性能。大能量通用型機動式飛機攔阻設(shè)備的研制，重點突出在通用性、機動性、一機多能以及高性能等方面。包括：改進(jìn)阻攔裝置。使攔阻過程更平穩(wěn)。攔阻力超調(diào)量減小。并提高系統(tǒng)的魯棒特性及提高系統(tǒng)的糾偏能力，使系統(tǒng)能適應(yīng)更多種類的飛機機型（重量）及更寬的著艦速度，在安全的前提條件下縮短停機距離：最大限度不受機場環(huán)境和客觀條件限制。進(jìn)一步提高整機靈活性、機動性，以適應(yīng)于快速部署、轉(zhuǎn)移，使得系統(tǒng)在最短時間內(nèi)完成安裝、拆卸、運輸?shù)取?/p>

隨著艦載機和無人機日新月異的發(fā)展，對航母阻攔系統(tǒng)提出愈來愈高的要求。美國未來航母將采用現(xiàn)代化的全電力推進(jìn)系統(tǒng)，將艦上動力機械能源改變成電力能源。該系統(tǒng)有足夠的功率儲備，可為電磁式彈射裝置、電磁式阻攔裝置（圖6）、艦載機升降平臺和高能武器等提供充足的電力。目前，美、英、法、德國、等國家在這方面正積極的研究，并取得了一些研究進(jìn)展。其中美國在“福特”級航母上就使用的AAG電磁阻攔系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，滑輪阻尼器多了兩個測量拉力的傳感器。它可以直接把不同的拉力信號傳送給中央集中控制器。提醒其啟動相應(yīng)的控制程序。從而有效防止過載：鋼絲繩卷筒替代了壓縮汽缸，它能通過控制初始電流和最終電流。達(dá)到均勻過載的效果。此外，美國通用原子公司提出了一種“渦輪電力系統(tǒng)”的先進(jìn)阻攔裝置技術(shù)方案。該系統(tǒng)在水渦輪機系統(tǒng)的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來，采用更輕的合成電纜系統(tǒng)和電機，以滿足美國海軍對艦載機以162～313千米每小時的速度著艦時掛住艦載機的阻攔索能將其拉回，安全著艦的高性能要求。

總之，未來的航母艦載機著艦阻攔系統(tǒng)不僅要具備更好的運行可靠性，還將降低對人員的需求，減少維護設(shè)備費用；不僅可以回收重量更大、速度更快的艦載機，還能安全的回收無人機。作為高中教師，我們有必要了解并向?qū)W生介紹高科技領(lǐng)域的一些知識。增加學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及愛國熱情。我們真心地期待祖國的航海事業(yè)能早日躋身于世界前列。

參考文獻(xiàn)：

[1]教育部.普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（實驗）[S].北京：人民教育出版社，2008.

[2]張新禹.阻攔索的動力學(xué)特性分析及仿真研究[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)自動化學(xué)院工學(xué)碩士學(xué)位論文。2011.

[3]朱承邦.現(xiàn)代航空母艦阻攔裝置[J].兵器大觀，2009，（10）：79.

[4]張明暉，袁理，洪冠新.航空母艦液壓攔阻系統(tǒng)攔阻力建模與仿真[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2010，（1）：101

[5]許允之，方磊，陳龍，郭治天.基于電磁理論的航母艦載機降落阻攔裝置研究[J].實驗室研究與探索，2013，（2）：57

[6]李書常.航母阻攔系統(tǒng)比較[N].http：∥blog.sina.com.cn/s/blog_4946a9f50101g371.html，2012.12.3

（欄目編輯 王柏廬）