面向弹射/拦阻过程的机载系统抗冲击试验方法

李霄 刘小川 白春玉 杨正权 成竹

摘要：相对于陆基飞机，舰载机苛刻的使用环境对起落架、拦阻钩等系统及其机载设备的强度设计提出了更为苛刻的要求。需要有更完善的试验验证手段，对机载系统在弹射、着舰与拦阻冲击载荷作用下的动强度设计進行评估，对系统的可靠性进行考核。依据现有规范和实测数据，从舰载机弹射/拦阻冲击环境和试验系统构建入手，研究了试验条件由来、试验方案实施和控制策略优化过程中的关键参数，可为机载设备弹射/拦阻冲击试验提供规范指导和理论支撑，为结构损伤容限设计、耐久性设计、检验周期指定提供重要参考依据。

关键词：舰载机；弹射拦阻；冲击环境；机载系统；液压振动台

中图分类号：V216.5+5文献标识码：ADOI：10.19452/j.issn1007-5453.2022.01.010

舰载机服役期间约2/3会采用弹射/拦阻进行起降，依据动力学特征可划分为弹、撞、拦三个典型阶段，由此产生的弹射加速度、着舰下沉速度是陆基飞机的两倍以上，承受的冲击能量也更大。在频繁的大幅度、长周期冲击环境下，机载设备可靠性、机体结构功能完整性与起降装置材料的冲击疲劳特性是舰载机研制中需着重关注的方面。国外对于舰载机弹射/拦阻的报道主要集中在20世纪60—70年代，美国军方对XAJ-1和E-2A采用整机弹射进行了162次试验，对E-2B飞机进行了总计8000次冲击疲劳试验，在全尺寸飞机上积累庞大的弹射/拦阻中的静、动载荷以及动态响应数据[1-2]。国内舰机近几年的研究取得了一定成果，但大多局限于理论研究，尚缺乏系统的试验研究[3-6]。

依据GJB 150.18A——程序VIII，为考核安装在固定翼飞机上或内部设备的功能、结构完好性，需要进行弹射/拦阻冲击试验，该试验程序对冲击位移有一定的幅值要求。本文依据有、无实测数据，对试验条件、试验方法及其控制要求进行梳理；基于液压控制理论对电液激振台的显著优势和弹射/拦阻冲击模拟的专用性进行详细探讨，并提出考虑机、电、液传递函数下，改善波形控制品质的方法。本文提出的面向弹射/拦阻过程的机载系统抗冲击试验方法，还可以通过等级划分，通过研究机载设备上低周动态疲劳损伤的累积效应，为结构损伤容限设计、耐久性设计、检验周期指定提供重要参考依据[7]。

1舰载机弹射/拦阻冲击过程

舰载机在舰上起降中受到弹射/拦阻载荷、发动机推力、风阻、弹射杆、拦阻钩结构等因素共同作用，美国军方经过大量试验总结归纳了多型弹射/拦阻装置性能，并绘制了大量实测数据曲线，详见MIL-STD-2066。由表1可看出，舰载机载荷冲击峰值分别达到了1346kN和1222kN。

在理想的弹射起飞/拦阻着舰过程中，机载设备受到冲击时域的历程如图1所示。在弹射开始时，弹射器持续加载，达到释放载荷定力，螺栓被拉断，机体产生大约300ms瞬态冲击；弹射行程结束时，飞机脱离弹射杆的约束，产生250ms瞬态冲击后，进入甲板自由滑跑阶段。在初始拦阻冲击后，机身三个方向均经受较大的冲击，其持续时间约为800ms，随后舰载机经受近似稳定的负向加速度，直至拦停。能够看出，弹射/拦阻冲击是沿起落架或拦阻钩传递给机载系统的，由于起落架的阻尼特性缓冲了高频分量，使机载系统的低阶固有频率不超过20Hz，表现出长周期阻尼正弦的响应特性。

当前，针对机载设备的设计研发，应首先考虑根据实测数据实施冲击试验，通常采用时域波形复制（time wave replication，TWR）和冲激响应谱（shork response spectrum，SRS）两种试验方案。在实际情况中，准确获取实测数据难度大、成本高，或样本不足以归纳典型实测数据[6]。因此，在未提供典型实测数据的条件下，应最大程度根据相似冲击环境数据，生成冲击波形。在没有任何测量数据或相似参考数据条件下，则通过典型脉冲复现冲击波形。由于舰载机弹射/拦阻冲击是典型非平稳振动，都需要一定规模实测数据样本支持统计分析，弹射/拦阻冲击试验实施方案如图2所示。

2弹射/拦阻冲击试验方案实施

弹射/拦阻冲击是舰载机寿命期内的标准试验程序之一，通常使用加速度来描述冲击环境。弹射/拦阻冲击具有峰值变化大、频谱连续、冲击持续时间介于250～800ms之间且难以用数学函数表达的特点。考虑到冲击的强瞬时性，一般会对冲击环境实测数据进行假趋势项辨识和干扰信号剔除的预处理。然后根据对冲击的不同描述方式，将实施方案划分为冲击激励试验法（描述冲击激励三要素）和响应特性参数法（描述冲击激励的响应）。

2.1时域波形复制

在时域波形复制方法下，与瞬态振动叠加的冲击可以更好地复制。MIL 810H 525.2对弹射/拦阻冲击适用性做出了规定：TWR适用于具有时变振幅、频率或具有中间持续振动的非平稳时间历程。

2.2冲激响应谱

冲激响应谱使用响应特性参数描述冲击。由于某些机载设备冲击激励的瞬态传递过程复杂，且在环境参数随机影响下，难以找到代表性的时域波形进行TWR，可采用冲击环境效应等效的模拟方法。

冲激响应谱可以看作一系列具有相同阻尼的单自由度系统对给定冲击信号的最大响应的合成。时域分析的理论模型是单自由度系统在任意冲击激励下的杜哈梅积分，频域分析使用绝对加速度模型（多用于规范冲击环境）或相对位移模型（多用于考核冲击强度和减震设计）研究其深层规律。从工程实施角度，一般使用数字递归滤波器来模仿单自由度系统进行冲激响应谱实现，如图4所示。

2.3典型沖击

在得到参考冲激响应谱后，需要通过时域匹配合成加速度波形作为电液振动台的驱动信号，遵循分级、逐步提升试验量级的原则，迭代修正实现冲激响应谱控制。

由于冲激响应谱时域合成的不唯一性，存在执行相同参考ASRS时，机载设备可能受到的考核严酷程度不同。为了保证冲击特性一致性，还应在时域、频域对特性参数提出特殊要求。冲击响应谱控制流程如图6所示。

典型冲击能够保证冲击试验的同一性和可重复性，GJB150.18系列标准规定使用半正弦、后峰锯齿波进行基本设计试验。根据实测数据，选择能够较好地包络实测冲击谱的典型冲击作为冲击模拟；如无实测数据，参照有关标准中所推荐的典型冲击脉冲波形和试验严酷度进行冲击模拟，推荐试验条件见表2，对应冲激响应谱如图7所示。

从图7可以看出，11ms半正弦和后峰锯齿波的响应谱在10～20Hz频率范围内低于实测冲击谱，10～90Hz高于 MIL-STD-810H关于无实测数据推荐响应谱，出现了考核不足和考核过严的问题。且振动台一般使用刚性夹具，不能模拟真实的边界条件，也会产生较大的过试验。因此，典型冲击脉冲不能替代冲激响应谱，只能作为条件欠缺时的替代方案。

在舰载机服役过程中，飞机弹射/拦阻导致冲击应力通过起落架、拦阻钩传递给机载设备，该系统最低固有频率一般小于20Hz，总体振幅相对平稳，使机载设备出现一个近似衰减正弦的瞬态响应。因此，衰减正弦波在MIL-STD-810H、GJB150.18等系列规范中作为机载设备弹射/拦阻冲击环境，具有明确物理意义。衰减正弦波的时域与响应谱如图8所示。

3弹射/拦阻冲击波形发生系统及构造

近年来，随着国内舰载飞机的发展，各研究机构对冲击试验系统都进行了深入的研究。国内外冲击试验台主要应用于民用工程领域，几乎没有针对舰载机机载设备的冲击试验台。为模拟机载设备长周期、大振幅的冲击环境，计算机控制的电液冲击试验台是市场上的主流产品，但也存在上限工作频率低、高频性能较差、波形失真较大等不足。目前，中国飞机强度研究所、南京航空航天大学振动研究所、兵器工业总公司所等单位均已展开了相关试验技术的研究工作。中国飞机强度研究所研制的弹射/拦阻冲击试验系统如图9所示。

冲击试验系统是典型的电液反馈控制系统，包含机械、电气、液压动力学子系统，需要通过合理的识别方式，建立机电液联合传递函数，优化动力学模型。由于子系统数学描述方式的统一，可通过电气矫正环节进行冲击试验系统动力学特性矫正，改善系统动态图特性，提高系统的稳定性储备，冲击试验系统组成如图10所示。机载设备弹射/拦阻冲击试验前需进行全系统条件下的系统辨识，需要在不损伤试验件前提下有效识别系统传递函数，以此作为弹射拦阻冲击试验初始频响特性，迭代调整驱动信号，使冲击环境模拟精度进一步提高[8-12]。

机载设备（如翼尖舱、导弹挂架等）需考虑支持结构弹性的试验件，根据模态分析，得出安置于振动台面上的弹性试件的加速度阻抗，定义视在质量为：-M （s） = F（s）/A（s），在电液振动台固有频率附近会出现较大的波动，通过三参量伺服控制策略能够显著消除视在质量波动，使装载弹性试验件电液伺服控制系统的频响特性近似空载特性，显著提升控制品质[13-17]。

4结论

由于国外对中国的技术封锁，关于舰载机弹射/拦阻试验技术的详细资料非常少。国内各研究机构基于现有公开文献和试验装置进行的探索性研究，获取了部分整机级、部件级的实测数据，但尚未形成体系完善的标准规范，还不能对舰载机弹射/拦阻装置、机载设备提供精确的设计指导。本文基于国内外相关标准、文献及其现场实测数据，分析了弹射起飞和拦阻着陆冲击的特征，针对机载设备冲击试验实施程序和试验系统构建进行了简单讨论，获得了以下结论：

（1）从标准提供的实测数据看，舰载机的弹射拦阻冲击具有明显的分段特性，具有低频、大位移、高速度、由瞬态冲击与瞬态振动间隔合成的非平稳时间历程。

（2）从冲击试验实施优先级来看，依据典型实测数据的时域波形复制技术（TWR）为最优。随着计算方法的完善，冲击响应谱作为试验规范，广泛应用于机载设备耐冲击和环境模拟，体系日趋完善；无实测数据典型脉冲冲击工程实施最简便，保证了控制试验的再现性，但实施过程中，应避免出现过试验或欠试验。

（3）舰载机弹射/拦阻导致冲击应力沿起落架、拦阻钩等路径传递给机载设备，该系统最低固有频率一般小于20Hz，电液振动台的低频段信噪比和行程控制对实施弹射/拦阻冲击试验具有显著优势。弹射/拦阻加速度时域复现的前提是位移伺服控制闭环，中国飞机强度研究所研制了高载、大行程弹射/拦阻冲击试验系统，提出了弹性试验件视在质量补偿算法，大大降低了波形失真度，提高了控制质量。

依靠国内舰载机型号任务和位于兴城基地的地面弹射装置，各大主机所获取了宝贵的弹射拦阻实测数据，应尽快开展振动、冲击环境测量数据的归纳，提出基于实测数据的弹射拦阻冲击试验规范，指导弹射/拦阻装置、机载设备的损伤容限、耐久性设计。

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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

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