李霄 劉小川 白春玉 楊正權(quán) 成竹

摘要：相對(duì)于陸基飛機(jī)，艦載機(jī)苛刻的使用環(huán)境對(duì)起落架、攔阻鉤等系統(tǒng)及其機(jī)載設(shè)備的強(qiáng)度設(shè)計(jì)提出了更為苛刻的要求。需要有更完善的試驗(yàn)驗(yàn)證手段，對(duì)機(jī)載系統(tǒng)在彈射、著艦與攔阻沖擊載荷作用下的動(dòng)強(qiáng)度設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估，對(duì)系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行考核。依據(jù)現(xiàn)有規(guī)范和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，從艦載機(jī)彈射/攔阻沖擊環(huán)境和試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建入手，研究了試驗(yàn)條件由來、試驗(yàn)方案實(shí)施和控制策略優(yōu)化過程中的關(guān)鍵參數(shù)，可為機(jī)載設(shè)備彈射/攔阻沖擊試驗(yàn)提供規(guī)范指導(dǎo)和理論支撐，為結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計(jì)、耐久性設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)周期指定提供重要參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：艦載機(jī)；彈射攔阻；沖擊環(huán)境；機(jī)載系統(tǒng)；液壓振動(dòng)臺(tái)

中圖分類號(hào)：V216.5+5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2022.01.010

艦載機(jī)服役期間約2/3會(huì)采用彈射/攔阻進(jìn)行起降，依據(jù)動(dòng)力學(xué)特征可劃分為彈、撞、攔三個(gè)典型階段，由此產(chǎn)生的彈射加速度、著艦下沉速度是陸基飛機(jī)的兩倍以上，承受的沖擊能量也更大。在頻繁的大幅度、長(zhǎng)周期沖擊環(huán)境下，機(jī)載設(shè)備可靠性、機(jī)體結(jié)構(gòu)功能完整性與起降裝置材料的沖擊疲勞特性是艦載機(jī)研制中需著重關(guān)注的方面。國(guó)外對(duì)于艦載機(jī)彈射/攔阻的報(bào)道主要集中在20世紀(jì)60—70年代，美國(guó)軍方對(duì)XAJ-1和E-2A采用整機(jī)彈射進(jìn)行了162次試驗(yàn)，對(duì)E-2B飛機(jī)進(jìn)行了總計(jì)8000次沖擊疲勞試驗(yàn)，在全尺寸飛機(jī)上積累龐大的彈射/攔阻中的靜、動(dòng)載荷以及動(dòng)態(tài)響應(yīng)數(shù)據(jù)[1-2]。國(guó)內(nèi)艦機(jī)近幾年的研究取得了一定成果，但大多局限于理論研究，尚缺乏系統(tǒng)的試驗(yàn)研究[3-6]。

依據(jù)GJB 150.18A——程序VIII，為考核安裝在固定翼飛機(jī)上或內(nèi)部設(shè)備的功能、結(jié)構(gòu)完好性，需要進(jìn)行彈射/攔阻沖擊試驗(yàn)，該試驗(yàn)程序?qū)_擊位移有一定的幅值要求。本文依據(jù)有、無實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)試驗(yàn)條件、試驗(yàn)方法及其控制要求進(jìn)行梳理；基于液壓控制理論對(duì)電液激振臺(tái)的顯著優(yōu)勢(shì)和彈射/攔阻沖擊模擬的專用性進(jìn)行詳細(xì)探討，并提出考慮機(jī)、電、液傳遞函數(shù)下，改善波形控制品質(zhì)的方法。本文提出的面向彈射/攔阻過程的機(jī)載系統(tǒng)抗沖擊試驗(yàn)方法，還可以通過等級(jí)劃分，通過研究機(jī)載設(shè)備上低周動(dòng)態(tài)疲勞損傷的累積效應(yīng)，為結(jié)構(gòu)損傷容限設(shè)計(jì)、耐久性設(shè)計(jì)、檢驗(yàn)周期指定提供重要參考依據(jù)[7]。

1艦載機(jī)彈射/攔阻沖擊過程

艦載機(jī)在艦上起降中受到彈射/攔阻載荷、發(fā)動(dòng)機(jī)推力、風(fēng)阻、彈射桿、攔阻鉤結(jié)構(gòu)等因素共同作用，美國(guó)軍方經(jīng)過大量試驗(yàn)總結(jié)歸納了多型彈射/攔阻裝置性能，并繪制了大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)曲線，詳見MIL-STD-2066。由表1可看出，艦載機(jī)載荷沖擊峰值分別達(dá)到了1346kN和1222kN。

在理想的彈射起飛/攔阻著艦過程中，機(jī)載設(shè)備受到?jīng)_擊時(shí)域的歷程如圖1所示。在彈射開始時(shí)，彈射器持續(xù)加載，達(dá)到釋放載荷定力，螺栓被拉斷，機(jī)體產(chǎn)生大約300ms瞬態(tài)沖擊；彈射行程結(jié)束時(shí)，飛機(jī)脫離彈射桿的約束，產(chǎn)生250ms瞬態(tài)沖擊后，進(jìn)入甲板自由滑跑階段。在初始攔阻沖擊后，機(jī)身三個(gè)方向均經(jīng)受較大的沖擊，其持續(xù)時(shí)間約為800ms，隨后艦載機(jī)經(jīng)受近似穩(wěn)定的負(fù)向加速度，直至攔停。能夠看出，彈射/攔阻沖擊是沿起落架或攔阻鉤傳遞給機(jī)載系統(tǒng)的，由于起落架的阻尼特性緩沖了高頻分量，使機(jī)載系統(tǒng)的低階固有頻率不超過20Hz，表現(xiàn)出長(zhǎng)周期阻尼正弦的響應(yīng)特性。

當(dāng)前，針對(duì)機(jī)載設(shè)備的設(shè)計(jì)研發(fā)，應(yīng)首先考慮根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)施沖擊試驗(yàn)，通常采用時(shí)域波形復(fù)制（time wave replication，TWR）和沖激響應(yīng)譜（shork response spectrum，SRS）兩種試驗(yàn)方案。在實(shí)際情況中，準(zhǔn)確獲取實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)難度大、成本高，或樣本不足以歸納典型實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)[6]。因此，在未提供典型實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的條件下，應(yīng)最大程度根據(jù)相似沖擊環(huán)境數(shù)據(jù)，生成沖擊波形。在沒有任何測(cè)量數(shù)據(jù)或相似參考數(shù)據(jù)條件下，則通過典型脈沖復(fù)現(xiàn)沖擊波形。由于艦載機(jī)彈射/攔阻沖擊是典型非平穩(wěn)振動(dòng)，都需要一定規(guī)模實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)樣本支持統(tǒng)計(jì)分析，彈射/攔阻沖擊試驗(yàn)實(shí)施方案如圖2所示。

2彈射/攔阻沖擊試驗(yàn)方案實(shí)施

彈射/攔阻沖擊是艦載機(jī)壽命期內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)程序之一，通常使用加速度來描述沖擊環(huán)境。彈射/攔阻沖擊具有峰值變化大、頻譜連續(xù)、沖擊持續(xù)時(shí)間介于250～800ms之間且難以用數(shù)學(xué)函數(shù)表達(dá)的特點(diǎn)?？紤]到?jīng)_擊的強(qiáng)瞬時(shí)性，一般會(huì)對(duì)沖擊環(huán)境實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行假趨勢(shì)項(xiàng)辨識(shí)和干擾信號(hào)剔除的預(yù)處理。然后根據(jù)對(duì)沖擊的不同描述方式，將實(shí)施方案劃分為沖擊激勵(lì)試驗(yàn)法（描述沖擊激勵(lì)三要素）和響應(yīng)特性參數(shù)法（描述沖擊激勵(lì)的響應(yīng)）。

2.1時(shí)域波形復(fù)制

在時(shí)域波形復(fù)制方法下，與瞬態(tài)振動(dòng)疊加的沖擊可以更好地復(fù)制。MIL 810H 525.2對(duì)彈射/攔阻沖擊適用性做出了規(guī)定：TWR適用于具有時(shí)變振幅、頻率或具有中間持續(xù)振動(dòng)的非平穩(wěn)時(shí)間歷程。

2.2沖激響應(yīng)譜

沖激響應(yīng)譜使用響應(yīng)特性參數(shù)描述沖擊。由于某些機(jī)載設(shè)備沖擊激勵(lì)的瞬態(tài)傳遞過程復(fù)雜，且在環(huán)境參數(shù)隨機(jī)影響下，難以找到代表性的時(shí)域波形進(jìn)行TWR，可采用沖擊環(huán)境效應(yīng)等效的模擬方法。

沖激響應(yīng)譜可以看作一系列具有相同阻尼的單自由度系統(tǒng)對(duì)給定沖擊信號(hào)的最大響應(yīng)的合成。時(shí)域分析的理論模型是單自由度系統(tǒng)在任意沖擊激勵(lì)下的杜哈梅積分，頻域分析使用絕對(duì)加速度模型（多用于規(guī)范沖擊環(huán)境）或相對(duì)位移模型（多用于考核沖擊強(qiáng)度和減震設(shè)計(jì)）研究其深層規(guī)律。從工程實(shí)施角度，一般使用數(shù)字遞歸濾波器來模仿單自由度系統(tǒng)進(jìn)行沖激響應(yīng)譜實(shí)現(xiàn)，如圖4所示。

2.3典型沖擊

在得到參考沖激響應(yīng)譜后，需要通過時(shí)域匹配合成加速度波形作為電液振動(dòng)臺(tái)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，遵循分級(jí)、逐步提升試驗(yàn)量級(jí)的原則，迭代修正實(shí)現(xiàn)沖激響應(yīng)譜控制。

由于沖激響應(yīng)譜時(shí)域合成的不唯一性，存在執(zhí)行相同參考ASRS時(shí)，機(jī)載設(shè)備可能受到的考核嚴(yán)酷程度不同。為了保證沖擊特性一致性，還應(yīng)在時(shí)域、頻域?qū)μ匦詤?shù)提出特殊要求。沖擊響應(yīng)譜控制流程如圖6所示。

典型沖擊能夠保證沖擊試驗(yàn)的同一性和可重復(fù)性，GJB150.18系列標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定使用半正弦、后峰鋸齒波進(jìn)行基本設(shè)計(jì)試驗(yàn)。根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，選擇能夠較好地包絡(luò)實(shí)測(cè)沖擊譜的典型沖擊作為沖擊模擬；如無實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，參照有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中所推薦的典型沖擊脈沖波形和試驗(yàn)嚴(yán)酷度進(jìn)行沖擊模擬，推薦試驗(yàn)條件見表2，對(duì)應(yīng)沖激響應(yīng)譜如圖7所示。

從圖7可以看出，11ms半正弦和后峰鋸齒波的響應(yīng)譜在10～20Hz頻率范圍內(nèi)低于實(shí)測(cè)沖擊譜，10～90Hz高于 MIL-STD-810H關(guān)于無實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)推薦響應(yīng)譜，出現(xiàn)了考核不足和考核過嚴(yán)的問題。且振動(dòng)臺(tái)一般使用剛性?shī)A具，不能模擬真實(shí)的邊界條件，也會(huì)產(chǎn)生較大的過試驗(yàn)。因此，典型沖擊脈沖不能替代沖激響應(yīng)譜，只能作為條件欠缺時(shí)的替代方案。

在艦載機(jī)服役過程中，飛機(jī)彈射/攔阻導(dǎo)致沖擊應(yīng)力通過起落架、攔阻鉤傳遞給機(jī)載設(shè)備，該系統(tǒng)最低固有頻率一般小于20Hz，總體振幅相對(duì)平穩(wěn)，使機(jī)載設(shè)備出現(xiàn)一個(gè)近似衰減正弦的瞬態(tài)響應(yīng)。因此，衰減正弦波在MIL-STD-810H、GJB150.18等系列規(guī)范中作為機(jī)載設(shè)備彈射/攔阻沖擊環(huán)境，具有明確物理意義。衰減正弦波的時(shí)域與響應(yīng)譜如圖8所示。

3彈射/攔阻沖擊波形發(fā)生系統(tǒng)及構(gòu)造

近年來，隨著國(guó)內(nèi)艦載飛機(jī)的發(fā)展，各研究機(jī)構(gòu)對(duì)沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)都進(jìn)行了深入的研究。國(guó)內(nèi)外沖擊試驗(yàn)臺(tái)主要應(yīng)用于民用工程領(lǐng)域，幾乎沒有針對(duì)艦載機(jī)機(jī)載設(shè)備的沖擊試驗(yàn)臺(tái)。為模擬機(jī)載設(shè)備長(zhǎng)周期、大振幅的沖擊環(huán)境，計(jì)算機(jī)控制的電液沖擊試驗(yàn)臺(tái)是市場(chǎng)上的主流產(chǎn)品，但也存在上限工作頻率低、高頻性能較差、波形失真較大等不足。目前，中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所、南京航空航天大學(xué)振動(dòng)研究所、兵器工業(yè)總公司所等單位均已展開了相關(guān)試驗(yàn)技術(shù)的研究工作。中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所研制的彈射/攔阻沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)如圖9所示。

沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)是典型的電液反饋控制系統(tǒng)，包含機(jī)械、電氣、液壓動(dòng)力學(xué)子系統(tǒng)，需要通過合理的識(shí)別方式，建立機(jī)電液聯(lián)合傳遞函數(shù)，優(yōu)化動(dòng)力學(xué)模型。由于子系統(tǒng)數(shù)學(xué)描述方式的統(tǒng)一，可通過電氣矯正環(huán)節(jié)進(jìn)行沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性矯正，改善系統(tǒng)動(dòng)態(tài)圖特性，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性儲(chǔ)備，沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)組成如圖10所示。機(jī)載設(shè)備彈射/攔阻沖擊試驗(yàn)前需進(jìn)行全系統(tǒng)條件下的系統(tǒng)辨識(shí)，需要在不損傷試驗(yàn)件前提下有效識(shí)別系統(tǒng)傳遞函數(shù)，以此作為彈射攔阻沖擊試驗(yàn)初始頻響特性，迭代調(diào)整驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使沖擊環(huán)境模擬精度進(jìn)一步提高[8-12]。

機(jī)載設(shè)備（如翼尖艙、導(dǎo)彈掛架等）需考慮支持結(jié)構(gòu)彈性的試驗(yàn)件，根據(jù)模態(tài)分析，得出安置于振動(dòng)臺(tái)面上的彈性試件的加速度阻抗，定義視在質(zhì)量為：-M （s） = F（s）/A（s），在電液振動(dòng)臺(tái)固有頻率附近會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)，通過三參量伺服控制策略能夠顯著消除視在質(zhì)量波動(dòng)，使裝載彈性試驗(yàn)件電液伺服控制系統(tǒng)的頻響特性近似空載特性，顯著提升控制品質(zhì)[13-17]。

4結(jié)論

由于國(guó)外對(duì)中國(guó)的技術(shù)封鎖，關(guān)于艦載機(jī)彈射/攔阻試驗(yàn)技術(shù)的詳細(xì)資料非常少。國(guó)內(nèi)各研究機(jī)構(gòu)基于現(xiàn)有公開文獻(xiàn)和試驗(yàn)裝置進(jìn)行的探索性研究，獲取了部分整機(jī)級(jí)、部件級(jí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，但尚未形成體系完善的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，還不能對(duì)艦載機(jī)彈射/攔阻裝置、機(jī)載設(shè)備提供精確的設(shè)計(jì)指導(dǎo)。本文基于國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、文獻(xiàn)及其現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，分析了彈射起飛和攔阻著陸沖擊的特征，針對(duì)機(jī)載設(shè)備沖擊試驗(yàn)實(shí)施程序和試驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)建進(jìn)行了簡(jiǎn)單討論，獲得了以下結(jié)論：

（1）從標(biāo)準(zhǔn)提供的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)看，艦載機(jī)的彈射攔阻沖擊具有明顯的分段特性，具有低頻、大位移、高速度、由瞬態(tài)沖擊與瞬態(tài)振動(dòng)間隔合成的非平穩(wěn)時(shí)間歷程。

（2）從沖擊試驗(yàn)實(shí)施優(yōu)先級(jí)來看，依據(jù)典型實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)域波形復(fù)制技術(shù)（TWR）為最優(yōu)。隨著計(jì)算方法的完善，沖擊響應(yīng)譜作為試驗(yàn)規(guī)范，廣泛應(yīng)用于機(jī)載設(shè)備耐沖擊和環(huán)境模擬，體系日趨完善；無實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)典型脈沖沖擊工程實(shí)施最簡(jiǎn)便，保證了控制試驗(yàn)的再現(xiàn)性，但實(shí)施過程中，應(yīng)避免出現(xiàn)過試驗(yàn)或欠試驗(yàn)。

（3）艦載機(jī)彈射/攔阻導(dǎo)致沖擊應(yīng)力沿起落架、攔阻鉤等路徑傳遞給機(jī)載設(shè)備，該系統(tǒng)最低固有頻率一般小于20Hz，電液振動(dòng)臺(tái)的低頻段信噪比和行程控制對(duì)實(shí)施彈射/攔阻沖擊試驗(yàn)具有顯著優(yōu)勢(shì)。彈射/攔阻加速度時(shí)域復(fù)現(xiàn)的前提是位移伺服控制閉環(huán)，中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所研制了高載、大行程彈射/攔阻沖擊試驗(yàn)系統(tǒng)，提出了彈性試驗(yàn)件視在質(zhì)量補(bǔ)償算法，大大降低了波形失真度，提高了控制質(zhì)量。

依靠國(guó)內(nèi)艦載機(jī)型號(hào)任務(wù)和位于興城基地的地面彈射裝置，各大主機(jī)所獲取了寶貴的彈射攔阻實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，應(yīng)盡快開展振動(dòng)、沖擊環(huán)境測(cè)量數(shù)據(jù)的歸納，提出基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的彈射攔阻沖擊試驗(yàn)規(guī)范，指導(dǎo)彈射/攔阻裝置、機(jī)載設(shè)備的損傷容限、耐久性設(shè)計(jì)。

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Impact Resistance Test Method of Airborne System for Ejection/Interception Process

Li Xiao，Liu Xiaochuan，Bai Chunyu，Yang Zhengquan，Cheng Zhu

Key Laboratory of Structural Impact Dynamics，Aerospace Science and Technology，Aircraft Strength Research Institute of China，Xi’an 710065，China

Abstract： Compared with land-based aircraft， the harsh service environment of carrier aircraft puts forward more stringent requirements for the strength design of landing gear， arresting hook and other systems and their airborne equipment. More perfect experimental verification means are needed to evaluate the dynamic strength design of the airborne system under the impact loads of ejection， landing and arresting， and to assess the reliability of the system. Based on the existing specifications and measured data， starting with the construction of launch / arresting impact environment and test system of shipborne aircraft， this paper studies the origin of test conditions， the implementation of test scheme and the key parameters in the optimization of control strategy， which can provide normative guidance and theoretical support for the launch/arresting impact test of airborne equipment， and provide reference for structural damage tolerance design， durability design and the designation of inspection cycle.

Key Words： carrier aircraft； ejection interception； impact environment； airborne system； hydraulic vibrator

3628500338227