王 鹏，王平安

（中国电子科技集团公司第三十八研究所 工程技术研发中心，安徽 合肥 230088）

0 引言

浮空器是一种轻于空气，主要依靠空气浮力来克服自身重力和有效载重的飞行器。飞艇作为浮空器的一种形式，具有续航时间长、载重量大、使用成本低、使用维护方便、起降场地要求低、绿色环保等优点，可以通过搭载不同的任务载荷，广泛应用于军用、民用等领域[1]。

系留锁紧装置是飞艇的重要组成部分，一般安装于地面系留设施系留塔上，通过系留锁紧装置可实现飞艇俯仰、横滚和自由顺桨要求[2]。目前国内外对系留锁紧装置的总体结构设计研究较少，文献[3]中对系留锁紧装置的功能及安装位置做了相应的研究，文献[4]中整体分析了系留系统的正常使用程序，确定系留锁紧装置在程序中的使用顺序。综合来看，目前国内外对系留锁紧装置的研究主要侧重在功能性上，对该装置的结构设计研究较少，本文主要介绍了一种新型的系留锁紧装置结构设计思路，可实现飞艇系留、放飞的基本需求，同时具有可靠性高，便于安装和拆卸等优点。

1 设计原则

在进行系留锁紧装置结构设计时，始终按照如下原则进行，力争使设计更完美。

1.1 合理性

系留锁紧装置作为地面系留设施的一部分，因满足飞艇头锥部件的系留要求，结构件在关联处能够快速可达，连接可靠，载荷传递方式合理[5]。

1.2 轻量化设计

设计时应尽量选用轻质、高强度材料，保证结构可在满足相应规定的载荷状态下具有足够的刚度、强度、寿命，在上述前提下，使整个结构质量尽可能轻。

1.3 工艺性

结构工艺性的好坏直接关系到加工周期的长短和成本的高低。应少使新材料和新工艺、减少材料和紧固件的类型并且尽量选用标准件。

1.4 维修性

要合理布置分离面和开口，以保证寿命周期内快速、可靠的进行维护、检修工作。

1.5 先进的设计手段

采用先进的计算机设计手段和分析软件，对系留锁紧装置进行力学分析和验证[6]。

2 设计要求

飞艇系留锁紧装置主要是完成系留缆绳导向并实现飞艇同地面系留塔间的固定。由于受重量、风速、任务载荷等因素的制约，对系留锁紧装置结构设计提出如下要求：

（1）在飞艇系留状态下确保飞艇与地面系留塔间连接牢固，并使飞艇在在地面系留状态360°自由顺桨。

（2）飞艇入锁后，系留锁紧装置应同飞艇间留有一定合适距离，确保在露天环境下不会对飞艇囊体造成损伤。

（2）便于实现飞艇与地面系留塔的分离。

（3）系留锁紧装置应设有防脱所锁装置，防止飞艇系留状态下意外脱锁。

3 结构设计方案

通过系留锁紧装置可实现飞艇俯仰、横滚和自由顺桨要求。系留锁紧装置通过连接轴与系留塔旋转轴连接，通过系留塔旋转轴，实现飞艇在地面系留状态360°来回自由顺桨[7]。为满足功能使用需求，将系留锁紧装置划分为锁体、连接轴、挡轴、导向轮、锁挡、锁口和锁销，具体结构形式见图1。飞艇系留入锁过程中，首先将两处快卸销拔出，向外侧拉动锁销，将锁挡打开。其次将系留拉索穿过锁口，经过导向轮后同地面系留设施固定，挡轴对系留拉索入锁过程进行限位，防止系留拉索在飞艇地面自由顺桨过程中出现缠绳状态出现，因此导向轮与挡轴间的间隙应在一合适的范围内。同时，该间隙应同锁挡的固定孔保持在一条线上，然后闭合锁挡，如图2 所示。飞艇导向管前端设计有环形卡槽，通过锁挡与飞艇头部导向管的间隙配合，实现飞艇同系留锁紧装置间的固定，最后将两处快卸销复位；飞艇放飞出锁过程与入锁过程相反，首先将系留拉索松开，将快卸销拔出后，打开锁挡，拉动飞艇头部导向管，直至飞艇同系留锁脱离，从而完成飞艇放飞操作[8]。

图1 系留锁紧装置具体结构

图2 飞艇入锁结构

3.1 锁体设计

锁体作为整个系留锁紧装置的主承力单元，应在满足设计载荷指标的基础上，考虑当飞艇系留后，地面系留设施与飞艇之间的安全距离，防止飞艇撞塔。综合考虑采用偏心式结构设计，一方面增加安全距离，另一方面通过强度计算仿真确保系留锁紧装置满足强度设计要求。锁体与连接轴配合处，因受到锁体偏心距的影响，因此需要对连接轴及其配合处进行相应的强度校核计算。结合系留锁紧装置的实际使用工况，该锁紧装置同时承受拉伸载荷、弯曲载荷、扭转载荷工况，依据结构的轻量化通用设计准则可得：

3.2 其他结构设计

锁口设计应与飞艇头锥系留管尺寸相配合，保证入锁方便可靠，同时为提高系留锁紧装置整体结构强度，将锁口与锁体焊接成形优化为一体成形。锁挡、锁销配合使用确保操作方便，锁挡、锁销是防止飞艇脱锁情况发生的主要锁定部件，其中锁销通过其内部配有的专用弹簧使其与锁挡紧密配合。为防止脱锁情形产生，增加两处快卸销，其中，为防止误操作情况发生，在锁销前端开一快卸销安装孔，通过穿过该孔的快卸销避免意外脱锁。为防止在露天环境下震动造成锁销与锁挡分离，在锁体上额外设计有单耳形式安装孔，通过其上的快卸销，增加防脱锁措施。连接轴、挡轴、导向轮分别与系留塔旋转轴、头锥拉索配合。

3.3 材料选取及工艺确定

根据使用要求，系留锁紧装置结构应具备良好的防潮湿、防盐雾和防霉菌性能。系留锁紧装置为露天工作状态，工作环境比较恶劣，因此需要选用合适的材料和适合的表面涂覆方法，主要有下述设计手段：

（1）锁体、锁挡、锁口、连接轴采用30CrMnSiA，并进行调质处理，提高强度和韧性，从整体强度考虑将锁体、锁口采用整体模锻件形式进行加工。挡轴、导向轮、锁销采用45#钢，并进行调质处理，上述零件完成调质处理后进行镀锌处理进行表面防护。

（2）所有紧固件均采用经过钝化处理的不锈钢材料制作，钝化后的紧固件具有良好的“三防”性能。

3.4 轻量化举措

在保证钢强度的基础上，采用高强度钢材强度等代设计方法，主要承力部件材料由传统的普通钢材料更改为30CrMnSiA 材料，根据强度分析结果，对锁体厚度进行缩减，并在非关键部位开有快卸销防丢孔，对锁体进行进一步的减重。经测试及实物验证，系留锁紧装置结构轻量化设计后质量为30 kg，轻量化率为85%，有效减轻了该装置的结构质量。

4 有限元分析

有限元分析前处理软件采用HypeMesh，有限元分析计算软件采用Abaqus。依据系留锁紧装置的结构形式和实际应用工况，建立有限元分析模型，对系留锁紧装置在限制载荷工况下的结构强度和刚度响应进行有限元仿真校核分析。

4.1 结构材料

系留锁紧装置结构主要由锁体、连接轴、挡轴、导向轮、锁挡、锁口和锁销组成，各部件型号及材料性能见表1。

表1 系留锁紧装置结构参数及材料性能

4.2 载荷工况

以飞艇在地面系留状态，25 m/s 风速计算载荷工况，作用在系留锁紧装置上的外载荷可分为轴向载荷Fx、侧向载荷Fy和垂向载荷Fz，各载荷大小见表2。

表2 系留锁紧装置载荷

4.3 有限元分析结果

计算结果表明，在地面系留状态，系留锁紧装置的最大应力位于装置与头锥系留管配合处，其应力云图如图3 所示。系留锁紧装置应力分析结果见表3。装置最大安全系数1.96 大于1.5 倍的设计要求，小于材料屈服强度。系留锁紧装置最大变形量为1.29 mm，位于系留锁紧装置锁体支架侧，变形云图如图4所示。

表3 系留锁紧装置分析结果

图3 应力云图

图4 变形云图

5 静力试验

为验证系留锁紧装置的刚强度是否满足要求，需模拟实际使用情况对系留锁紧装置进行静力试验[9]。静力试验时，使用作动筒进行载荷加载，在试验件可能发生破坏区域贴应力片，在试验过程中测量应变数据，检验是否发生破坏，如图5 所示。

图5 系留锁紧装置静力试验

试验时载荷逐级施加，以10%级数加载至限制载荷，保持30 s，逐级采集数据并拍照记录，以10%级数卸载至0，逐级采集数据。试验过程中，各测量点的应变随载荷基本呈线性变化的趋势。其中，以装置与头锥系留管配合处应变峰值最大，试验过程中系留锁紧装置无异常现象，卸载后，系留锁紧装置可以恢复至初始位置，且无损坏。

试验结果表明系留锁紧装置满足刚强度设计要求。

6 结语

本文提出了一种新型的系留锁紧装置结构设计方案，详细阐述了系留锁紧装置的结构形式和工艺实现过程，对结构的刚度和强度进行有限元分析，并经过强度试验测试。分析结果表明，系留锁紧装置的结构尺寸符合相关标准要求，整体牢固可靠，“三防”性能优良，完全满足工程设计要求，具有广泛的工程应用前景。