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2017年度材料力学竞赛视频解析

作者:工程力学系 马红艳   时间:2017-11-22   点击:[]

2017年度材料力学竞赛包括客观题和主观题,主观题是现场播放飞机在航母甲板上降落时拦阻索工作视频,要求参赛者根据所学的材料力学知识给出解释或联想发挥。阐述相关问题,以提高参赛学生的主观能动性。

视频地址:

http://www.le.com/ptv/vplay/27228676.html?ch=360_kandsp

 航母的飞机降落主要用拦阻索(用于正常降落),拦阻网(用于紧急降落)。正常降落主要用拦阻索,以美国航母为例:其航母甲板通常备有4道拦阻索,第一道设在距斜甲板尾端55米处,然后每隔14cm设一道,由弓形弹簧张起,高出飞行甲板30-50cm。 当舰载机降落时,飞机的尾钩放下,其位置比起落架还低,着舰点在1、2道拦阻索之间为好,这就要求飞行员有很高的操纵技术。据美军统计,白天着舰的舰载机尾钩挂住2、3道拦阻索的合计约占62-64%,尾钩挂住第4道索的约为18%,尾钩挂到第1道索的约为16%。在夜间尾钩多挂住第3、4道索。如尾钩未挂住拦阻索,着舰机必须拉起复飞,这在白天约为5%,夜间则高达12-15%。

美国航母的MK-73型拦阻索缓冲器可使30吨重的舰载机以140节的速度着舰后滑跑91.5米停止。舰载机停下后,拦阻索自动复位,迎接下一架着舰机的到来。 当飞机出现故障无法正常降落时,就要紧采取急降落方式,只能使用拦阻网。拦阻网是钢质、类似于鱼网。使用时要把整个拦阻网撑起来,从而兜住故障飞机。

航空母舰上降落,尤其是在夜间或在天气不好的情况下,是最困难的飞行技巧了。以美国航空母舰为例,降落过程是这样的:首先回归的飞机要进入环绕母舰的环型航线以降低飞行高度和速度,有些时候可能还需要脱离等待中的降落航线去进行空中加油。在降落时飞机的速度要降低到几乎失速的地步。飞行员将放下起落架、襟翼与空气减速板,将捕捉钩伸出,维持一定的速度和下滑速率。航舰上的降落官指挥飞机降落,他不断地告诉飞行员,他离最佳情况的偏差是多少;航空母舰上的灯光提示飞行员,下降时的角度是否正确。在航空母舰的飞行甲板后部有四条拦截索(尼米兹级航母第九艘CVN76“罗纳德里根”号只有三根)。降落的飞行员必须让捕捉钩挂上其中一条。在最佳情况下他应该挂上第三条,假如他挂上前两条,那么他的下降角度太平,假如他挂上最后一条,那么他的下降角度太陡。在着陆时飞行员必须将飞机完全压低,这样他可以保证钩住一条拦截索。同时他必须将发动机开到最大,这样假如他没有挂上拦截索的话他可以在最短的时间之内加速离开甲板,重新回到降落航线。拦截索是由液压制动的,它可以在两秒钟和50米内使飞机停下来。飞行员会依照甲板上的地勤人员的指示将发动机的推力降低到慢车并且离开降落区。在紧急情况下,比如飞机的挂钩损坏了,飞机无法使用拦截索停下来,在甲板上可以拉起拦截网来协助飞机迫降。又或者飞机会再次拉起,重新降落。

在拦阻系统中,与舰载机直接接触的是拦阻索。美国海军航母一般设有4道拦阻索,第一道设在距斜甲板尾端55米处,然后每隔14米设一道,由弓形弹簧张起,高出飞行甲板30-50厘米。舰载机着舰时,飞机尾钩钩上甲板上间隔布置的一根拦阻索,随后在惯性作用下拖着拦阻索前行。这时甲板下的滑轮与液压阻尼缓冲器的缓冲吸能使舰载机在2-3秒内减速为零。飞机停止后,拦阻索解脱下落,自动复位,准备迎接下一架着舰机的到来。

随着舰载机重量和飞行速度的不断增加,航母的拦阻系统进一步改进和升级,目前液压缓冲式拦阻装置是现役航母的主力,其中最具代表性的便是美国海军MK7型拦阻系统。它主要由拦阻机、拦阻机驱动、拦阻索支撑以及钢索固定缓冲等系统组成。最新型的MK7-3型能够回收时速130千米、重约23吨的舰载机,拦阻距离约为100米,可以满足西方国家现役舰载机的着舰需求。

经过数十年的发展和改进,目前美国海军的MK7系列拦阻系统已经非常成熟。不过,该系统依然存在很多短板,难以满足美军下一代航母和F-35舰载机的需求。首先,这套系统结构复杂,体积比较大,日常维护保养困难,需耗费大量人力、物力和财力,这与美国新型航母削减人员编制、提升自动化水平和效费比的要求背道而驰;其次,这套系统的拦阻力量比较生硬,不能精确控制,巨大的拉拽力导致舰载机的尾钩以及与尾钩相连的机体部件容易疲劳老化,缩短舰载机的服役寿命。最为关键的是,这套系统对着舰战机的重量和速度的限制区间比较窄,导致舰载机必须放掉多余的燃油,抛掉弹药“瘦身”后才能安全降落,这显然会造成很大的浪费。为此,2003年,美国海军委托诺斯罗普·格鲁曼和通用原子公司分别研制先进着舰拦阻系统,经过竞争和评估,通用原子公司的涡轮电力拦阻方案胜出。与MK7型拦阻装置相比,涡轮电力拦阻的体积更加紧凑,智能化、自动化水平更高,具有明显优势。一方面,它通过采用更轻的合成电缆系统和电机,扩展了舰载机的着舰重量和着舰速度的范围,可以满足质量更大、速度更快的新一代舰载机着舰需求。另一方面,这个系统可以根据舰载机的不同,自动设定拦阻索的张力峰值,精确控制舰载机尾钩负载及舰载机在甲板上的停留位置,实现了精确控制,有助于延长舰载机使用寿命,并可以回收无人机。除此之外,涡轮电力拦阻系统还具备自我诊断和维护提醒功能,内置程序能自动跟踪拦阻索磨损情况,帮助舰员及时发现和修复系统故障,显著提升拦阻装置的可靠性,并且仅需要4名操控员即可完成回收作业,减少了40多名操作和维护人员,有效降低了系统的全寿命费用。

由于要承受舰载机的巨大冲击力、甲板的摩擦力,以及各种化学物品和海水的腐蚀,拦阻索不仅要有很高的强度,还需保持很好的柔韧性和耐腐蚀性,对索体材料和编织工艺要求极高。美军航母的拦阻索直径约35毫米,由6股钢丝绳组成,每股由12根主钢丝和12根辅钢丝紧密缠绕,最大可承受约85万牛顿的拉力。因此,拦阻索是不折不扣的高科技产品。

下面是一些参赛同学的精彩解答。

 

 

 

 

 

 


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