把飞机从航母甲板上弹射出去时 弹射钩的载荷

寂静回声

弹射钩上的载荷——指将飞机前起落架的弹射杆与弹射滑块连接的连接点——在从航空母舰甲板上发射飞机的过程中会经历几个明显的变化阶段。这一过程通常涉及老式航母（如尼米兹级）上的蒸汽弹射器，或新式航母（如福特级）上的电磁弹射系统（EMALS）。该载荷主要反映弹射器为加速飞机而施加的拉力，但也会受到飞机重量、发动机推力、空气阻力以及弹射器类型等因素的影响。



发射开始前，飞机被定位，其前起落架的弹射杆已与弹射滑块连接。此时，由一根止动杆固定住飞机，同时发动机加速至全推力，弹射器系统开始承受张力。

弹射钩上的载荷从零开始，随着弹射器内蒸汽压力（或电磁力）的增加而逐渐上升。这种张力与止动杆的阻力相平衡，直至达到预设的最大值（通常在20,000至80,000磅之间，具体取决于飞机类型和重量）。止动杆设计为在此阈值时释放或断裂，通常发生在弹射力超过止动杆承受极限的时刻。
当止动杆释放后，全部弹射力作用于飞机，与发动机推力共同克服惯性、摩擦力和初始空气阻力，使飞机开始加速。
载荷迅速上升至峰值，因为净作用力开始转化为加速度。对于蒸汽弹射器而言，初始载荷很高（平均约为20万至30万磅力，加速度峰值可达4g），这是由于弹射开始时蒸汽压力达到最大。测试数据（例如在A-4“天鹰”飞机的弹射钩上测得）显示，释放后不久，弹射钩上的轴向载荷可迅速达到约8万磅，同时系统振动还会产生频率为2–3赫兹的振荡性弯曲力矩。
飞机前起落架会轻微压缩，弹射钩除承受轴向拉力外，还会受到扭转和弯曲载荷的影响。

飞机在约300英尺长的甲板轨道上加速，达到130至180节的起飞速度。
蒸汽弹射器：随着活塞沿汽缸移动，载荷逐渐下降。蒸汽膨胀导致压力降低，从而减小了推力（从初始的高值逐渐减小到末端的较低值）。平均加速度约为3g，但存在波动，力的变化曲线通常表现为初期达到峰值后逐渐下降。这种不均匀性可能导致机体结构承受应力。

电磁弹射系统（EMALS）：载荷更加稳定（峰值与平均值之比约为1.05），提供更平稳的加速过程（平均加速度约为3–4g）。该系统通过实时反馈调节施加的力，保持更平稳的力曲线，从而减少弹射钩上的峰值载荷。
随着速度增加，空气阻力等反向力逐渐增大，略微抵消了部分弹射载荷，但弹射钩主要承受的是逐渐下降（蒸汽弹射）或相对稳定（EMALS）的拉伸力。由于甲板运动和滑块动力学的影响，弯曲载荷的振荡现象持续存在。

当弹射滑块到达轨道末端时，通过水力制动器或拦阻装置迅速减速，同时弹射杆从弹射钩上脱离。
由于突然停止，弹射钩会承受急剧的载荷峰值，尤其是弯曲和扭转载荷（例如，在A-4飞机的测试中，由于弹射拖索拦阻装置的冲击，弯曲力矩最高可达32,000英寸-磅）。随着飞机脱离滑块并升空，轴向拉力迅速降至零。反弹效应可能导致短时间内出现多次载荷峰值。
此阶段对弹射钩和前起落架造成的结构疲劳风险最高。

蒸汽弹射系统在约94米行程内提供约95兆焦耳的能量，而电磁弹射系统（EMALS）在约91米行程内可提供高达122兆焦耳的能量。弹射力会根据飞机类型进行调节（例如，较轻的战斗机如F/A-18所需推力小于较重的预警机如E-2），但为确保安全裕度，通常会加入一定的过载设计。
蒸汽弹射器的载荷曲线变化较大（初始高，随后递减），导致机体磨损更严重；而电磁弹射系统提供受控且近乎恒定的载荷，从而显著降低结构应力。
历史测试中的仪器数据（例如在弹射钩上安装的应变计）证实了载荷振荡和末端峰值的存在，整个过程中载荷从未保持恒定。
当飞机初始位置偏离弹射中心线时，弹射钩会承受额外弯矩和扭矩。逆风可降低飞机所需起飞速度，从而减少弹射钩载荷。


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作者来自北京航空航天大学航空科学与工程学院，北京100191 、天目山实验室，杭州310023、中国航空理工学院，北京100191，中国
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