舰载机着陆起落架受冲击分析

舰载机着陆起落架受冲击分析
摘要：本文针对航母舰载机不同于陆基战斗机的起降方式和着陆条件。

建立舰载机起落架的简化模型，并基于ＭＡＴＬＡＢ软件模拟在一个周期内航空母舰纵摇角度，从而计算分析舰载机在航母上着陆时所受到的冲击载荷。

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关键字：起落架 冲击 Ｍａｔｌａｂ 舰载机
引言：在航空母舰上起降舰载机不同于陆基飞机， 由于航空母舰上的着陆区跑道距离只有２００～３００米，所以舰载机通常采用的是固定角无“平飘”方式降落，通俗意义上就是“硬着陆”，同时航母在受到航洋风浪的影响下，会产生甲板的各种运动。

这些运动都在不同程度上影响舰载机的着陆。

考虑到舰载机着舰尾钩未能勾住拦阻索的情况，所以飞机在下降过程中仍然要保持２２０～２８０ｋｍ／ｈ的固定角下滑速度。

这就对舰载机起落架的强度提出了更高的要求。

1、 舰载机起落架的简化模型。

为了保证飞机能有足够的速度复飞，同时也要降低航母和舰载机的相对速度。

舰载机采用逆风着陆，而航母仍然要保持至少２０节与舰载机同向的速度。

这样气流在经过航母上甲
板受到舰岛等不规则建筑的影响产生紊流，所以舰载机在着陆时很难做到对称着陆，通常都是主起落架的某单轮先着陆。

(右图中美制F14在着陆时上演的单轮着舰)。

典型的前起落架由气腔、液腔、油针、外筒、活塞、上下扭力臂、轮胎组成。

由于本文只是针对起落架外筒强度的分析，可以将起落架简化为液压缓冲结构，主体杆件结构和轮胎缓冲结构。

（1）缓冲器为装有有针的变油空缓冲器，由于缓冲器受冲击是的行程变化对起落架受到冲击的强度分析有重要影响，而油针的形状又决定着缓冲器受冲击时的行程变化。

【1】
行程变量 0
s 1s
2s
3s
4s
5s
6s
行程/m
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
油针面积/cm^2 0 0.486 0.945 1.26 1.55 1.96 2.485
（2）起落架的结构中占有重要地位的当属其主要承力杆件，即气缸、液缸的外壁、外筒的构建的材料，在美欧等国家常用的起落架材料为300M 高强度钢。

【2】300M 钢是当前世界上强度水平最高、综合性能最好的飞机起落架用钢． 美国90% 以上的军民用飞机起落架
都用该钢制造。

其牌号为4OCrNi2Si2MoVA 。

Cr 主要作用是提高300M 超高强度钢的淬硬
性，改善强韧性; Ni 能够显著降低材料的缺口敏感性，避免脆性解理断裂; Si 主要提高300M 超高强度钢的屈服强度和抗拉强度，【3】尤其是Ni 元素的大量存在提高300M 超高强度钢的硬度和强度。

其机械性能见表2
表2
、 300M 钢机械性能
/b MP σ
/p MP σ
/%δ
/%ψ
/E GPa
1963 1615
11.3
46.9
199
（3）轮胎在起落架受到冲击时也能吸收部分能量。

为防止反行程时由于轮胎的剧烈反弹引起机轮跳离地面的情况，应要求轮胎吸收的能量E 不超过总冲击能量的25％ ，一般情况在l0％左右 。

【4】
2、甲板纵摇的数学模型。

舰船有六种运动： 纵荡、横荡、垂荡、纵摇、横摇、艏摇. 除了纵摇外。

可以利用舵鳍联合控制器使船体趋于稳定. 目前, 还没有一种有效的办法去解决船的纵摇。

甲板的运动可分解为质心的平动和绕质心的转动( 把航空母舰视为刚体)。

则甲板纵摇角可用正弦级数表示为:【5】
n 0
2=
sin(
)N
n n n
t T π
θθϕ=+∑纵摇 考虑到纵摇角对飞机起降的影响，将上式进一步简化为：
002sin(
)t T
π
θθφ=+纵摇 其中：0θ为振幅，T 为周期，ϕ为相位，
对于一般5万吨级的航空母舰摇摆0θ的最大角度为4，而振动周期为4S 。

在航母视为刚体后，航母的质心设在中央，则可以将航母看做在水平面上的平动和围绕质心往复转动。

航母甲板模型可简化为图2
图2、航母甲板拦阻索位置示意图
美国尼米兹级核动力航母甲板长为327米，第一根拦阻索距离舰尾为56米，从第二根拦
阻索开始，每隔14米布置一根拦阻索，一共布置4根拦阻索。

俄罗斯的“库茨捏佐夫号”航母以及中国的“辽宁号”航母与之类似。

舰载机在着舰时，选择钩住第二根或是第三根拦阻索。

其概率约占62%~64%。

则选择第二、三根拦阻索之间的区域作为着陆区，经计算，这个位置距离航母质心的位置为79.5米。

3、 甲板在舰载机着陆区的起伏高度和起伏速度计算。

通过式：02sin(sin(
))79.5h x T
π
θϕ=+ 其中：航母起降舰载机应在6级海况以下，所以0θ取1.8度，一个纵摇周期为4秒，初相位为0。

再通过对高度h 求一次导数，算出航母的起伏速度为：
V=(159*pi^2*cos((pi*x)/2)*cos((pi*sin((pi*x)/2))/100))/400 （matlab 的运算结果） 通过matlab 模拟甲板的波动曲线和起伏速度，如图3所示。

右图中虚线表示甲板随时间做振幅为2.2米的起伏运动，实线代表航母甲板的上下起伏速度。

图3、航母甲板在一个纵摇周期内的起伏曲线
舰载机在着舰时，航母上的着舰指挥官会根据今天的天气、海况、航向等数据向舰载机传达最佳的着舰角度。

通常情况下为3~4，本文中取为3.5。

速度为220~280km/h 。

则设定舰载机相对于海平面的速度为260km/h 。

根据以上数据算出舰载机相对于海平面在竖直方向的下滑速度为
V1=260
sin(3.5)/3.6
x
m s =4.4m/s 舰载机相对于航母在竖直方向上的速度为： r V = V+V1r
V 也是一个随时间变化的速度，其速度波动曲线如图4
图4 舰载机
相对航 母的竖 直下滑 速度
4、起落架所受冲击分析
舰载机在航母上着陆，相当于锻造时锻锤与锻件的短暂接触，冲击物与受冲构件在接触区域内，应力状态非常复杂。

因此在材料力学中介绍了用能量方法求解冲击问题，大致可以估算冲击时的位移和应力。

【6】这种方法也可以借鉴用于舰载机起落架的冲击载荷分析。

以美制F18大黄蜂舰载机为例，正常着陆重量为18吨，其起落架的材料为美制300M 钢，屈服极限为1615Mpa ，弹性模量E 为199GPa ，主起落架长度为1.2m,外径为87mm,内径76mm 【7】
（1）由公式922
180000 1.24
0.7719910(0.0870.076)Fl X X l m EA X X X π
∆=
==- （2）将舰载机相对于航母的竖直下滑速度折算为自由落体的高度。

由 2
2V gh = 则由22V h g =2
2r V g
=
（3）液压缓冲器和轮胎能够起到很好的缓冲作用，这里取油针的面积为1.262
cm ,则由冲击时缓冲器的行程为0.3m ，同时轮胎也能起到缓冲作用，由于降落时不能是主起落架二次跳起，轮胎的行程限制为0.05m 。

由此计算载荷动压系数：
211d st
h K =++
∆211(1+l )h
l =++
∆+∆∆缓轮 （4）由于h 为一个随时间的变量，则通过matlab 作出其变化曲线如图5，并通过计算普
通陆基飞机在同等条件下（飞机质量，起落架材料相同，着陆方式不同）着陆受到得冲击，与之形成对比。

普通战斗机，在机场可以“平飘”方式着陆，减缓下落速度，一般大小为3.7m/s
22
1 3.70.69229.8
V h g X ===m
1
12K 11(1+l )
d h l =++
∆+∆∆缓轮
=3.15
即正常陆基飞机起降时起落架承受的冲击仅为静止状态下的3.15倍，并且飞机在着陆时无复杂紊流影响，可进行“平飘”对称着陆，
使得两个主起落架同时平摊冲击载荷。

图5、起落架的冲击动荷系数
而取出舰载机冲击动荷系数的最大值max max()d d K k ==5.32，即舰载机主起落架着陆所受的冲击力为在静止状态下的5.32倍。

（5）静止状态下，如果某主起落架单独承受整个飞机的重量则所受到的压应力为：
422
18104127.89(0.0870.076)F X X MP A X σπ
===- a
在着陆冲击下起落架的压应力大小为：
=xK 127.8 5.23668.394d MP σσ=⨯=动a p σ< 陆基飞机在正常平飘对称着陆情况下压应力大小为：
1xK 127.89X3.15
=
=
=201.43Mp 2
2
d σσ陆 a
可见，陆基飞机主起落架在着陆时受到的冲击要比舰载机起落架受到的冲击小的多。

（6）起落架压杆稳定性分析
由舰载机起落架模型知，可将其视为两端铰支细长杆模型。

则由欧拉公式：【8】
42
9
4
2223.140.0870.0763.1419910(1())
640.087F 1599.6()(1 1.2)
cr X X X X X EI KN ul X π-=== 冲击极限载荷力为：
max 1805.23941.4d F FxK x KN === 即 ：max F cr F >
5、 结论
本文通过matlab 利用航母随海浪纵摇的模型拟合甲板在着舰区上下起伏的高度和速度随时间变化的规律，进而分析舰载机主起落架在着舰时受到的冲击。

与正常陆基飞机相比其冲击载荷大小是陆地机场着陆飞机的近3倍多，可知如果称舰载机飞行员是“人中吕布”，那么舰载机本身就是“马中赤兔”，两者都要面临苛刻的战场环境。

尤其是起落架的强度和尺寸都要高于普通陆基飞机。

参考文献：
【1】崔俊华 舰载机起落架缓冲性能设计优化。

．南京航空航天大学飞行器先进设计 技术
国防重点学科实验室，南京21001。

【2】张慧萍 飞机起落架用300M 超高强钢发展及研究现状 哈尔滨理工大学机械动力工程
学院，黑龙江哈尔滨150080
【3】唐华 超高强度钢40CrNi2Si2MoVA 强韧化工艺研究。

成都: 西南交通大学。

【4】魏小辉 舰载机着舰减震新技术研究 南京航空航天大学 210016
【5】苏彬 舰面纵摇对弹射起飞的影响 中国民用航空飞行学院 四川广汉 【6】【8】刘鸿文 《材料力学2》 杆件受冲击时的应力和变形 【7】《兵器知识》 美国舰载机解析 2011年第8期
附录一：
Matlab源程序：
% 't' 航母在一个周期内的运动时间
%‘y’航母在着舰区域的起伏高度
clear
clc
syms x
y=sin(1.8*sin(pi/2*x)*pi/180)*79.5;
v1=diff(y,x)
t=[0:0.01:2*pi];
y2=subs(y,x,t);
V1=subs(v1,x,t); %甲板起伏速度
subplot(2,1,1)
hold on
plot(t,y2,'--k',t,V1,'-r');
legend('甲板起伏高度','甲板起伏速度',1)
v=260/3.6*sin(3.5*pi/180)
V=v+V1; %舰载机相对甲板的垂直运动速度
%plot(t,V,'-.b')
xlabel('航母运动时间（纵摇的一个周期）')
ylabel('舰载机着舰时甲板的起伏高度及速度大小')
hold off
h=V.^2./(2*9.8); %舰载机甲板着陆速度折算成自由落体高度subplot(2,1,2)
hold on
Kd=1+sqrt(1+2.*h*10^3./(0.128+300)); %冲击动荷系数
plot(t,Kd,'--k')
h1=4.27^2/2/9.8;
Kd1=1+sqrt(1+2*h1*10^3/(0.128+300)) %陆基飞机着陆冲击系数
plot(t,Kd1,'--r');
p=240000; %飞机着陆重量
F=Kd*p; %舰载机着陆甲板对起落架的轴向冲击力plot(t,F,'-k')
F1=p*Kd1;
plot(t,F1,'-r')
hold off。