飞机弹射杆与母舰缓冲钩的冲击载荷计算

姚念奎 王成波 白春玉 陈熠 杨强

摘要：在弹射型舰载机牵制就位之前，弹射杆触发缓冲钩产生冲击载荷。相关构件应能承受该载荷而不丧失功能或发生结构破坏。基于局部变形及能量守恒原理，本文对此问题进行了理论分析，提出了一种计算冲击载荷的方法，并通过试飞实测数据验证了算法的合理性。本研究可为机/舰结构抗冲击设计提供参考。

关键词：冲击载荷；舰载机；弹射杆；航空母舰；缓冲钩；能量守恒

中图分类号：V215文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2022.01.004

弹射型固定翼舰载机进入飞行甲板的起飞初始站位，在与滑轨往复车啮合之前，需要利用弹射杆触发母舰牵制系统的缓冲钩，使之翻转上翘，即由复位状态变为待啮合状态，以便于飞机牵制杆与母舰缓冲钩的成功啮合[1-2]。在触发过程中，弹射杆和缓冲钩之间将产生一个瞬态冲击载荷，可能对相关构件造成断裂、变形、磨损、失稳或疲劳等多种形式的冲击失效，特别是在飞机进入速度过快的情况下。因此，对这类冲击情况进行载荷定量分析，对于研究上述失效行为非常必要[3-4]。另外，机、舰双方在进行各自功能构件的结构设计时，同样需要了解弹射杆与缓冲钩的冲击载荷，从而将其作为一项重要的设计输入参数，进行构件材料选择、零件应力/变形计算、机构运动仿真和系统动态响应分析。由于问题的专业性和特殊性，目前国内外关于该类冲击载荷算法的相关研究较少，是亟待填补的技术空白。

1基本原理

舰载机弹射杆和航空母舰缓冲钩的冲击如图1所示，可视为两个弹性体的碰撞问题。利用弹性体变形势能等于碰撞动能损失的原理，可建立最大冲击载荷的算法。实际上，缓冲钩在母舰弹射滑轨导入槽的安装座处还设有缓冲阻尼弹簧，但缓冲钩本体结构刚度远远大于该弹簧的劲度系数。因此，在冲击载荷计算时，缓冲阻尼弹簧的影响可以忽略不计。

冲击载荷实际上是接触区域的内力[5]，在瞬态冲击情况下，作为平衡冲击载荷F的弹射杆轴力集度qb呈定常均布，而缓冲钩剪力集度qh则呈三角形分布[6-7]。由此，建立简化弹性碰撞载荷计算模型，如图2所示。

由图2可知，弹射杆与缓冲钩的线性载荷集度分别为：

4试飞数据对比

某型舰载机在陆基试验场进行正常弹射起飞训练时，对采集的弹射杆轴力测量贴片的压应变数据进行回归处理[11]，共筛选获得4次弹射杆与缓冲钩沖击载荷的有效结果。按飞机滑行速度升序排列，将其与本文计算方法得出的理论数据进行对比分析，误差见表2。

由表2可见，利用本文方法得出的理论计算值与试飞实测值的符合性较好，特别是在较低水平速度的情况下。但是，由于弹射杆与缓冲钩的冲击载荷很容易受到其他扰动因素的影响，如机体振荡、偏心偏航、水平突风、推力波动等，在航空母舰上操作时还要受到甲板运动的影响[12-14]。另外，试飞实测数据在测试方法、采样率和处理方式（主要是滤波处理方式）等方面存在局限性，上述诸因素使得冲击载荷实测结果呈现一定程度的随机性和离散性。

5结论

在航空母舰上服役的舰载机，其机体结构通常要遭遇比陆基飞机更为苛刻的冲击载荷使用环境，如典型的弹射冲击、着舰冲击和拦阻冲击等。此类冲击的共性特征是载荷峰值高、作用时间短、加载速率快。从飞机结构动强度和冲击疲劳强度领域的研究角度来看，上述冲击情况均属于亟待攻克的现实技术难题，同时也是新型号研制阶段面临的设计障碍[15]。本文从解决飞机弹射杆与母舰缓冲钩冲击载荷问题入手，在理论算法方面取得了技术突破，并得出如下结论：

（1）本文基于能量守恒原理及局部弹性变形条件，建立了适用飞机弹射杆与母舰缓冲钩的冲击载荷计算方法；与试飞实测数据的对比结果表明，其精度满足工程应用，可为机/舰相关起降结构设计提供载荷输入，也可用于飞行前快速、有效地预判冲击载荷。

（2）冲击载荷精确的解析算法极为复杂，除了本文算法涉及的各项参数外，还与具体研究工况的边界条件、动态材料属性、结构尺寸效应密切相关[16]，也可能受到意外扰动因素的影响。因此，在应用本算法进行结构设计时，须考虑适当的载荷不确定系数。

（3）本文算法可拓展应用其他舰载机起降系统结构与母舰设施的撞击情况，如拦阻钩与甲板凸起物的碰撞、舰面保障设备与飞机接口的碰撞。应当指出的是，本算法不适用材质差异比较悬殊的碰撞问题，如飞机轮胎与甲板障碍物的碰撞、飞溅的跑道碎石与飞机蒙皮的撞击、鸟与风挡玻璃的碰撞等。

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Impact Load Calculation Between Aircraft Launch Bar and Carrier Buffer Hook

Yao Niankui1，Wang Chengbo1，Bai Chunyu2，Chen Yi2，Yang Qiang2

1. AVIC Shenyang Aircraft Design and Research Institute，Shenyang 110035，China

2. Aircraft Strength Research Institute of China，Xi’an 710065，China

Abstract： Before catapulting-style carrier-based aircraft is tracked into the holdback engagement fitting， the launch bar will trigger the buffer hook of the deck hardware at limited speed，which will cause a impact load. The structural components involved must withstand the impact load without malfunction or structural fail. Based on effect of local deformations and law of conservation of energy， the paper analyzes the problem theoretically， and then presents a resolving method about the impact load. The flight test results confirm that it is feasible to use the algorithm to resolve the impact load problem between launch bar and buffer hook. This study can provide useful reference for aircraft/ carrier structures anti-impact design.

Key Words： impact load； carrier-based aircraft； launch bar； carrier； buffer hook； conservation of energy

3446500338206