钢制阻拦索与合成纤维制阻拦索性能分析

2019-03-07邓文力王悦民耿海泉

舰船科学技术 2019年2期

邓文力，王悦民，耿海泉

(海军工程大学动力工程学院，湖北武汉 430033)

0 引言

舰载机是航母的核心战斗力之一，保障舰载机的起飞和安全回收是当今海军研究的重点课题。航母阻拦系统的研究始于19世纪初，经历了100多年的发展与使用，但阻拦索安全事故时有发生。2003年9月，美军“华盛顿”号1架F-18“大黄蜂”在着舰时阻拦索断裂为2段，飞机落入海中，断裂的阻拦索在甲板扫动造成多名工作人员受伤；2005年12月，美军“独立”号上1架A6战斗机着舰时阻拦索断裂，飞机冲出甲板；2016年，美军“艾森豪威尔”号上E-2C“鹰眼”预警机拉断阻拦索，冲出甲板，却又重新拉起复飞；同年，俄罗斯“库兹涅佐夫”号接连发生2起阻拦索安全事故等，引起了人们极大关注。目前，国际上现役航母大多采用液压式阻拦系统，以美军采用的MK7-3型阻拦系统为例，该系统采用钢制阻拦索[1]，其系统结构如图1所示。液压式阻拦系统经过多年发展，但根据实际使用情况，现有阻拦系统的安全性仍有待进一步提高，并且在使用条件上受到舰载机重量范围的限制，要求舰载机重量不能过大或者过小，对于重量过大的舰载机，或者出现满载弹药的舰载机可能要舍弃部分弹药才能安全阻拦，而对于轻质无人机的阻拦也存在一定困难。目前，美军正在研制“先进阻拦装置”（AAG），该系统主要包括阻拦机和软件控制系统，采用合成纤维制阻拦索，其系统结构如图2所示，阻拦机是吸能部件，包括阻拦索、水力涡轮等结构，而软件控制系统则控制飞机着舰过程。“先进阻拦装置”结构简单，减少了工作人员数量及运行保养成本；在阻拦过程中能够主动采取措施降低阻拦索张力峰值，控制舰载机停留位置；在舰载机要求上，能回收重量范围更大、类型更多的舰载机。

图 1 MK7-3阻拦装置系统Fig. 1 MK7-3 aircraft carrier system

图 2 先进阻拦装置系统Fig. 2 Advanced aircraft carrier system

阻拦索是航母阻拦系统与舰载机阻拦钩直接接触的关键构件，也是最易发生安全事故的部位之一，对阻拦索健康状况的研究，其重要性不言而喻。钢制阻拦索抗冲击能力及抗拉能力良好，并在使用中积累了大量的经验，但其自身重量大、易腐蚀、使用寿命较短，并且由于其结构特性在健康状态检测上有一定的困难。在研究下一代阻拦系统的同时，研究者们希望发展新型的合成纤维制阻拦索[2]。合成纤维制阻拦索具有良好的强度重量比，使用寿命较长，在维护、更换上相对操作简单，在阻拦系统中减小了系统总惯性，降低了结构载荷，缩小了滑轮减震器尺寸。本文分别对钢制阻拦索及合成纤维制阻拦索的特点进行分析，并着重从钢制阻拦索应变荷载及合成纤维阻拦索所受拉伸力的角度进行对比计算研究。

1 钢制阻拦索性能分析

1.1 钢制阻拦索特点

钢制阻拦索作为飞机的阻拦索，经过了长时间的发展及使用，已积累了大量的经验，在20世纪70年代，美国学者Gibson[3]对阻拦索的设计原理进行研究，并且采用6种典型的钢丝绳结构，模拟阻拦过程进行了大量实验，其实验结果表明在阻拦索单丝数量的选择上，单丝数量越多其柔性越好，在横向冲击实验中表现越好，但同时单丝数量的增多必然会造成单丝直径变小，在冲击实验中与阻拦钩的接触更易受到损伤；在阻拦索结构的选择上，采用三角股结构的阻拦索绳股接触面积大、破断拉力大，能够增长阻拦索的使用寿命，在抗弯曲、扭转的实验中表现更好，同时该结构具有更好的表面质量，抗磨损能力更强。目前MK7-3型阻拦系统配置钢制阻拦索，其结构如图3所示，该种阻拦索由6股绳股组成，每股由12根主钢丝、12根辅钢丝及6根较细的钢丝缠绕成三角股结构，这种结构将阻拦索分为3层，外层由较粗的主钢丝组成使得阻拦索在冲击中不轻易受损，中层及内层由较细的钢丝组成又保证阻拦索有足够的柔性[4–5]。

图 3 钢制阻拦索结构示意图Fig. 3 Structure sketch of steel arresting cable

1.2 钢制阻拦索性能

国内外都对钢制阻拦索的动力学做了大量的理论和实验研究，聂宏等[6]在研究现状上做了总结，1956年Ringleb[7]研究了阻拦索受纵向冲击后的行为，建立了应力波传播的波动方程，并逐步形成一套理论体系，此后很多学者的研究大多以该理论为基础，但由于阻拦过程复杂，需考虑因素多，仍需要更深入的研究。为了应用于工程实际应用，美国ADEC公司提出波动传载理论，其计算结果与试验结果相比较为吻合[8–9]。

航母阻拦索设置在甲板上，由舰尾至舰首方向依次铺设4道阻拦索，阻拦索由经甲板上升降滑轮装置与阻拦装置相连，阻拦装置位于甲板下方舱室内[10]。因此，阻拦索与阻拦装置有一定的距离，当舰载机拦阻上钩后，阻拦装置所提供的阻拦力不能立即作用于阻拦钩上，而是通过较长的滑轮组索传递载荷，形成载荷传递滞后。但在传递载荷滞后的短暂时间内，飞机仍然高速向前运动，引起阻拦索产生应变，形成作用于阻拦钩上的应变载荷。

舰载机着舰，对中及偏心程度是阻拦索是否能顺利阻拦舰载机的一个重要因素。随着自动着舰技术研究的深入，尽可能要求对中阻拦，但实际的阻拦过程情况复杂，非对中阻拦也时有发生[6,11]。下文分别对对中阻拦及偏心阻拦的情况进行分析。

对中阻拦时，舰载机沿甲板跑道中心线前进，阻拦钩钩住阻拦索中点位置，其示意图如图4所示。

图 4 对中阻拦示意图Fig. 4 Sketch of centerline engagement

计算波动往返时间内阻拦钩与右舷滑轮的距离：

计算波动往返时间内拦索的伸长量：

计算阻拦索与应变相对应的应力：

偏心阻拦时，舰载机偏离甲板跑道中心线前进，阻拦钩钩住阻拦索中点一侧位置，其示意图如图5所示。

在偏心阻拦的情况中，应变载荷计算的过程与对中阻拦的情况类似，现令偏心阻拦时舰载机与右舷侧升降滑轮的距离为，则与另一侧的距离为，偏心阻拦应变载荷计算如下：

图 5 偏心阻拦示意图Fig. 5 Sketch of off-center engagement

计算波动往返时间内远离道面一侧阻拦索被拉伸后的长度

计算波动往返时间内较大偏心一侧拦索的伸长量

计算阻拦索与应变相对应的应力

通过以上模型的建立，能够对舰载机对中阻拦及偏心阻拦情况下，阻拦索所受应变载荷进行计算。

1.3 钢制阻拦索检测

舰载机在回收时，采用“撞击式”着舰，发动机仍保持工作状态，禁止平飞减速和飘落，通过阻拦系统强制对舰载机减速制动，以便若钩索失败能够立即复飞[12]。阻拦索在与阻拦钩接触的瞬间会受到巨大的横向冲击力，在阻拦索上产生应力波使阻拦力产生波动变化[13]，并且在拦停过程中持续受力，这种特殊的降落方式使阻拦索成为阻拦系统中最易受损的部位之一。

由于阻拦索工作性质特殊，对其健康状态的检测十分必要，但阻拦索单丝数量多，结构复杂，其检测技术是一个难点。借鉴国家标准[14]中对铁磁性钢丝绳电磁检测方法，可以适用于钢制阻拦索主要有漏磁、剩磁、磁通等检测技术，根据工业钢丝绳检测经验，可将漏磁检测技术应用于阻拦索损伤检测上。其主要原理是阻拦索发生损伤时在外加磁场的作用下会导致其表面或内部磁特性产生变化，通过捕捉或检测这种变化信息，即可判断阻拦索是否存在缺陷或者损伤，其原理如图6所示[15]。目前，漏磁检测技术在断丝的检测上效果较为明显，但在腐蚀及疲劳损伤的检测上尚有不足，仍需要进一步的研究。

图 6 钢丝绳漏磁检测原理Fig. 6 Principle of wire rope magnetic flux leakage testing structure diagram

2 合成纤维制阻拦索性能分析

2.1 合成纤维制阻拦索特点

钢丝绳在较多工业领域中得到应用，已有较长历史，但由于自身重量大、易腐蚀、易磨损等缺点，容易受到一些使用环境的限制。随着近年来合成材料的迅猛发展，合成纤维绳索在部分领域得到应用。根据E Mendoza[2]的研究表明，美军正在研发下一代，合成纤维制阻拦索，并对合成纤维制阻拦索健康状态监测技术做了一定研究，实验中所用合成纤维制阻拦索样品如图7所示。

图 7 合成纤维制阻拦索样品[16]Fig. 7 Specimen of synthetic material arresting cable[16]

合成纤维制阻拦索密度小、耐腐蚀、寿命较长，便于保存、运输以及更换，减轻了工作量。在阻拦系统中减小了系统总惯性，降低了结构载荷，缩小了滑轮减震器尺寸。同时，合成纤维制阻拦索具备良好的强度重量比及柔性，能够满足阻拦过程中对阻拦索强度的需求，受冲击载荷及振动载荷的影响较小，与阻拦钩接触部位所受的弯曲内应力较小[3]，沈文厚等[5]在对阻拦索冲击研究中指出，将钢制阻拦索使用轻质材料代替能较大幅度的减弱绳索的波动，降低阻拦钩对阻拦索冲击而产生的应力峰值。

在将合成纤维绳索应用作为阻拦索时，也需要考虑其耐磨损性以及抗机械撕扭力较差等因素，同时合成纤维制阻拦索缺少实际使用经验，未知的失效模式使其仍然具有一定的技术风险。

2.2 合成纤维制阻拦索检测

为了对新型阻拦索健康状态进行实时监测，美军SBIR项目对阻拦索监测技术进行研究，该研究建立了一个嵌入式分布光纤传感器系统[16]，如图8所示，该系统能够对阻拦索进行实时的结构监测、损伤评估、使用寿命预测。其基本原理是在阻拦索的制作过程中将光纤传感器预埋于阻拦索中，当阻拦索受到损伤时，受损部位受力及温度等参数将会发生变化，从而引起光纤的反射谱和投射谱发生变化，检测对应的反射和投射的波长变化，通过对应关系即可获取阻拦索的损伤状况。