保载时滞与能量衰减：舰载机起落架双气腔缓冲器突伸性能的临界加载因素研究

现代航母舰载机普遍采用弹射起飞方式，在此过程中，前起落架突伸技术是提高离舰迎角、保障飞行安全的关键环节。舰载机在弹射起飞行程末端，前起落架支柱需要迅速伸出，使机头快速抬升，从而获得足够的起飞迎角。这一特殊需求对起落架缓冲系统提出了与陆基飞机截然不同的设计要求：不仅要满足着舰时高效吸收冲击能量的缓冲需求，还需具备在起飞瞬间迅速释放储存能量的突伸能力。这种看似矛盾的功能需求，促使航空工程师研发了能够兼顾两种工况的双气腔油气式缓冲器。

第一章 舰载机起落架技术背景与研究意义

舰载机起落架缓冲器在设计和验证过程中面临着独特的技术挑战。一方面，着舰过程中飞机需要承受高达每秒7米以上的下沉速度，缓冲器必须在极短时间内吸收巨大动能；另一方面，弹射起飞时又要求缓冲器将储存的能量在0.1-0.2秒内快速释放，推动前起落架迅速伸出。传统单腔缓冲器难以同时满足这两种对立需求，因此双气腔缓冲器应运而生。这种缓冲器通过设置高压腔和低压腔两个独立气室，配合特殊的油路设计，实现了在缓冲和突伸两种工况下的最优性能平衡。

近年来，国内外学者对起落架缓冲系统进行了广泛研究。早期研究主要集中在着舰缓冲过程，如Walls通过落震试验分析了空气弹簧力和油液阻尼力的特性；Wahi探讨了油气混合现象对缓冲性能的影响；豆清波等则研究了落震过程中缓冲器气体多变指数的变化规律。然而，这些研究多集中于着陆缓冲过程，对起飞突伸过程的关注相对不足。随着我国航母事业的发展，舰载机前起落架突伸性能的研究日益受到重视，成为航空领域的前沿课题。

值得注意的是，起落架突伸性能不仅取决于缓冲器本身的设计参数，还受到试验加载条件的显著影响。在实际使用中，舰载机弹射起飞时前起落架受到的加载条件复杂多变，包括加载速率、保载时间、初始压缩量等多个因素。这些因素如何影响突伸性能，以及地面试验条件与实际使用环境的差异如何影响试验结果的有效性，都是亟待解决的科学问题。本文旨在通过系统的试验研究与理论分析，揭示不同加载条件对双气腔缓冲器突伸性能的影响规律，为舰载机起落架设计与试验验证提供科学依据。

第二章 国内舰载机前起落架突伸性能研究进展

随着我国航母事业的快速发展，国内多家科研机构对舰载机前起落架突伸过程动态性能展开了深入研究，取得了丰硕成果。西北工业大学航空学院与中国飞机强度研究所合作，设计了一种适用于弹射起飞舰载机起落架突伸性能测试的试验方案，搭建了完整的试验系统，并对某型飞机前起落架突伸性能进行了试验验证。他们建立了双气腔油气式起落架动力学模型，对典型工况下的突伸性能进行数值模拟，并将计算结果与试验数据进行对比，验证了模型的准确性。研究发现，起落架突伸性能的提升往往以缓冲系统效率降低和最大着舰载荷增加为代价，因此在设计过程中必须综合考虑突伸性能和缓冲性能。

南京航空航天大学魏小辉团队对双腔油气式缓冲器的动力学特性进行了深入研究。他们建立了双腔油气式缓冲器垂向的动力学微分方程组，利用拉普拉斯变换建立了线化方程组的传递函数矩阵，并基于某型双腔油气式缓冲器，用数值方法研究了其在正弦激励下的垂向动力学特性。研究特别关注了低压腔油孔面积对系统性能的影响，发现不同油孔面积会显著改变缓冲器的动态响应特性，原系统的动力学特性与线化系统存在较大差异。这为优化缓冲器设计提供了重要理论依据。

中国飞机强度研究所结构冲击动力学航空科技重点实验室针对舰载机前起落架缓冲性能参数敏感性开展了系统研究。他们以某型机前起落架为研究对象，建立了前起落架缓冲性能分析的动力学模型，并将仿真计算结果与试验结果进行对比验证。通过参数敏感性分析发现，高、低压腔初始充填压力和体积占比对起落架缓冲性能的影响方式与对突伸性能的影响存在显著差异。这一发现表明，舰载机前起落架缓冲器的设计需要不断优化，同时兼顾缓冲和突伸性能，不能简单地将二者视为独立问题处理。

大连理工大学团队从可靠性角度对舰载机起落架性能进行了创新性研究。考虑到起落架参数在设计制造中的随机不确定性，他们建立了舰载机主起落架着陆振动的动力学模型，基于直接概率积分法（DPIM）分析了起落架缓冲性能的随机响应。研究表明，尽管这些响应的分布集中在均值附近，但仍存在导致系统失效的显著响应的可能性。通过定义基于缓冲行程、垂向轮胎力和支柱轴向力的功能函数，他们对不同阈值下的起落架结构进行了可靠性评估研究。这种概率分析方法为起落架设计提供了更全面的评估框架。

除了传统的被动式缓冲器研究，国内学者也在积极探索半主动和主动控制技术在起落架系统中的应用。西北工业大学团队设计了带开关控制的磁流变起落架缓冲器，通过调节励磁线圈电流改变缓冲器阻尼特性，实现了对落震载荷的有效减缓。实验结果表明，采用带局部负反馈的开关控制方法，与常规油-气式缓冲器相比，落震载荷峰值可降低10.3%。这种智能缓冲技术为未来舰载机起落架的发展指明了新方向。

第三章 突伸试验方案设计与试验系统构建

3.1 专用试验台架系统

为准确模拟舰载机弹射起飞时前起落架的真实工作环境，本文详细的介绍一套专业化突伸性能试验台架。该系统由四个主要部分组成：试验台架主体结构、仿升系统、弹射载荷加载/释放装置以及高精度测试系统。试验台架主体采用高强度钢结构，能够承受突伸过程中产生的动态载荷；仿升系统通过液压或气压装置模拟飞机在弹射过程中受到的升力变化；弹射载荷加载/释放装置则精确模拟弹射杆对起落架的牵制与突然释放过程。

测试系统是试验台架的核心组成部分，包括多类型传感器和高速数据采集设备。缓冲支柱的压缩量通过安装在起落架上部质量和下部质量之间的高精度位移传感器实时测量，精度可达0.1毫米；缓冲器内部气体压力和温度则通过在气嘴处安装的特殊温度压力一体化传感器监测，能够耐受高压和快速温度变化环境；关键部位的加速度通过三轴加速度传感器测量，频响范围覆盖0-2000Hz；上部质量的垂直速度通过非接触式激光位移传感器获取；地面载荷数据则由安装在机轮正下方的三向测力平台采集，该平台可同时测量垂直、纵向和横向三个方向的力。

3.2 试验准备工作与流程设计

试验开始前，需进行周密的准备工作。首先，检查起落架缓冲器及轮胎的充气压力，确保其符合试验要求。双气腔缓冲器的充填参数对突伸性能有显著影响，包括高压腔初始压力、低压腔初始压力以及两腔体积比等。然后，利用吊篮和配置质量块调节起落架上部突伸质量，精确模拟飞机前部的质量特性。接着，在吊篮下方安装仿升筒，通过调节气压模拟不同飞行阶段的升力条件。

试验正式开始时，弹射载荷加载/释放装置对起落架弹射杆施加水平方向加载。加载速率可通过伺服控制系统精确调节，以模拟不同弹射条件下的加载情况。当缓冲支柱压缩量达到预定值后，加载装置突然卸载，模拟弹射杆释放过程。起落架随即开始突伸，测试系统同步触发，以高采样率（通常不低于10kHz）记录各项参数变化。整个突伸过程持续时间极短，通常在0.1-0.3秒内完成，因此对数据采集系统的实时性和精度提出了极高要求。

3.3 试验条件设计与变量控制

为系统研究加载条件对突伸性能的影响，系统设计了多组对比试验。加载速率设置为三个不同水平：低速加载（模拟温和弹射条件）、中速加载（模拟正常弹射条件）和高速加载（模拟紧急弹射条件）。保载时间也设置为三个水平：瞬时释放（加载后立即释放）、短时保载（2.5秒后释放）和长时保载（30.0秒后释放）。此外，还考虑了不同初始压缩量的影响，覆盖从小压缩量到最大设计压缩量的全范围。

每个试验条件下至少进行三次重复试验，以评估结果的重复性和可靠性。试验顺序采用随机化设计，减少系统误差的影响。所有试验均在恒温环境下进行，环境温度控制在20±2℃范围内，以消除温度变化对缓冲器性能的影响。通过这种系统的试验设计，能够全面评估不同加载条件对双气腔缓冲器突伸性能的影响，为工程应用提供可靠数据支持。

第四章 双气腔缓冲器结构与工作原理

4.1 双气腔缓冲器的结构设计

双气腔油气式缓冲器是舰载机前起落架的核心功能部件，其结构设计充分考虑了同时满足缓冲和突伸两种对立需求。典型的双气腔缓冲器包含四个主要腔室：低压气腔、高压气腔、主油腔和回油腔。这些腔室通过精密设计的油孔和阀门相互连接，构成一个复杂而高效的液压气动系统。

缓冲器的主要结构组件包括外筒、活塞杆、柱塞、浮动活塞和端盖等。外筒作为缓冲器的外壳，承受主要的结构载荷；活塞杆与飞机前起落架连接，传递地面反作用力；柱塞内部设有分隔结构，将空间划分为高压腔和低压腔；浮动活塞则用于隔离油气，防止油气混合影响系统性能。创新性的设计在于采用外柱塞内设置隔板的结构，将外柱塞内部分为第一腔和第二腔，内柱塞置于第一腔中，与隔板连接。这种嵌套式结构不仅节省了空间，还提高了系统的可靠性和可维护性。

近年来，专利技术进一步发展了双气腔缓冲器的设计。一种新型设计采用在柱塞内部内置一个内柱塞结构，将低压气腔的充填通道设置在内柱塞的顶部，有效解决了传统设计中存在的充填不均衡问题。这种设计通过优化内部流体通道，提高了能量转换效率，使缓冲器在突伸过程中能够更快速、更平稳地释放储存的能量。

4.2 工作过程与能量转换机制

双气腔缓冲器的工作过程可分为两个主要阶段：压缩储能阶段和释放突伸阶段。在压缩储能阶段（对应着舰过程或地面加载过程），地面载荷通过机轮传递至活塞杆，活塞杆被压入外筒，主油腔体积减小，油液通过柱塞上的主油孔高速流向低压气腔，同时部分油液通过回油孔流向回油腔，产生阻尼耗散能量。低压气腔体积随之压缩，气体被压缩吸收能量。当地面载荷进一步增大，低压气腔压力与高压气腔压力相等时，浮动活塞开始工作，高压气腔也被压缩，系统进入高刚度工作阶段。

在释放突伸阶段（对应弹射起飞过程），外部约束突然解除，高压气腔中储存的能量迅速释放，推动活塞杆快速伸出。这一过程中，能量转换效率是衡量缓冲器性能的关键指标。高压气腔内的压缩气体膨胀做功，推动油液通过特定设计的油路返回主油腔，同时推动活塞杆向外运动。低压气腔在此阶段主要起辅助调节作用，确保突伸过程的平稳可控。

双气腔缓冲器的独特之处在于其非线性刚度特性，这一特性通过高低压腔的协调工作实现。在初始压缩阶段，主要依靠低压气腔工作，系统刚度较低，能够有效吸收冲击能量；当压缩量增大到一定程度后，高压气腔开始参与工作，系统刚度显著增加，防止缓冲器“触底”。这种变刚度特性使缓冲器能够在不同冲击强度下都保持高效的能量吸收能力，同时在突伸时能够提供足够的推力。

4.3 核心技术参数与性能指标

评估双气腔缓冲器性能的核心技术参数包括能量吸收效率、突伸速度、最大压缩载荷和回弹控制等。能量吸收效率指缓冲器在着舰过程中吸收动能的能力，通常以吸收能量与输入能量的比值表示；突伸速度则反映缓冲器在弹射起飞时快速伸出的能力，直接关系到离舰迎角的建立速度；最大压缩载荷是缓冲器在最大压缩状态下承受的载荷，影响起落架结构强度设计；回弹控制则关乎突伸过程的平稳性，过大的回弹会导致飞机姿态剧烈变化，影响起飞安全。

缓冲器的性能受多个设计参数影响，其中最重要的是高低压腔初始压力比、体积分配比和油孔面积等。研究表明，高低压腔初始充填压力和体积比对起落架缓冲性能的影响方式与对突伸性能的影响存在显著差异。高压腔参数主要影响突伸性能，而低压腔参数则更多地影响缓冲性能。油孔面积直接影响油液流动阻力，进而改变系统的阻尼特性。优化这些参数需要综合考虑缓冲和突伸两种工况的需求，找到最佳平衡点。

温度效应对双气腔缓冲器性能也有重要影响。在快速压缩和膨胀过程中，气体温度会发生显著变化，遵循多变过程规律。高压腔内气体在突伸过程中温度变化尤为剧烈，而低压腔内部气体温度基本保持稳定。这种温度差异会影响气体的压力变化特性，进而影响缓冲器的动态响应。在实际应用中，需要考虑温度变化对系统性能的影响，特别是在连续多次使用情况下，缓冲器内部温度累积升高可能导致性能变化。

第五章 试验结果分析与加载条件影响研究

5.1 突伸过程动态特性分析

通过对某型飞机前起落架的系统性试验研究，揭示了双气腔缓冲器在突伸过程中的复杂动态行为。试验数据显示，起落架突伸时，外筒带动上部质量向上运动，而起落架支柱则迅速向下伸出，两者运动存在明显的相位差。上部质量在0.12秒内达到最大速度，这一时间特性与舰载机弹射起飞的关键时间窗口高度吻合，表明缓冲器设计能够满足实际使用需求。

在突伸过程中，高低压腔的温度变化呈现显著差异。低压气腔内部气体温度基本保持不变，而高压气腔内部气体温度则在突伸初期迅速降低，最低点温度甚至低于低压气腔温度。这一现象源于高压腔内气体在快速膨胀过程中对外做功，内能减少导致温度下降。突伸结束后，高压腔温度逐渐回升，与环境温度达到平衡。这种温度变化特性反映了能量转换过程中的热力学效应，对理解缓冲器工作机理具有重要意义。

地面载荷变化曲线揭示了突伸过程中的力传递特性。当弹射杆加载载荷突然卸载时，作用在轮轴处的载荷合力短暂大于轮胎所受的地面反力，导致地面载荷出现小幅增加。随后缓冲器突伸，高压气腔储存的势能迅速释放，地面载荷在0.12秒内降至最小值。整个突伸过程持续时间极短，表明缓冲器能够在短时间内完成能量转换，满足舰载机快速离舰的需求。

5.2 加载速率对突伸性能的影响

试验通过改变弹射载荷加载装置的加载速率，系统研究了加载速率对缓冲器突伸性能的影响。结果令人意外地显示，加载速率变化对起落架突伸总能量的影响并不显著。在相同的支柱压缩行程下，随着加载速率从低速增加到高速，起落架突伸能量基本保持稳定，变化范围在测试误差允许范围内（通常小于1%）。这一发现表明，对于双气腔式缓冲器，突伸能量主要由高压气腔的最终储能状态决定，而与达到这一状态的加载路径关系不大。

不同加载速率下支柱压缩量的变化曲线进一步证实了这一结论。无论加载速率如何变化，起落架突伸速度和突伸能量的变化范围均未超过1%。在起落架突伸的前0.12秒内，上部质量速度达到第一个峰值，此时缓冲支柱持续伸出，伸出速率基本保持一致。只有当支柱伸出量达到停机压缩量时，上部质量速度才达到最大值，此后缓冲支柱伸出速率开始发生变化。这一动力学特性表明，缓冲器的突伸过程主要受内部能量释放机制控制，对外部加载历史不敏感。

这一发现对地面试验验证具有重要意义。传统观点认为，试验加载条件应尽可能模拟实际使用环境，包括加载速率。但本研究结果表明，对于双气腔缓冲器的突伸性能测试，加载速率的影响可以忽略，这大大简化了试验设计，降低了试验成本。在实际工程应用中，可以适当放宽对加载速率精度的要求，专注于更关键的参数控制，如最终压缩量和保载时间。

5.3 保载时间对突伸性能的影响

与加载速率的影响不同，保载时间对起落架突伸性能有显著影响。试验设置了三种保载条件：加载后瞬时释放、保持2.5秒后释放和保持30.0秒后释放。结果显示，保载时间的影响随着支柱行程的增加而增强。当缓冲支柱压缩行程较小时，突伸能量受保持时间影响不大；但当压缩量较大时，不同保载时间下的突伸能量差异可达10%左右。

从上部质量突伸速度的变化可以更直观地看到保载时间的影响。不同保载时间下，上部质量达到第一个峰值速度的时间点基本一致，但速度值存在约2.5%的差异。当上部质量达到最大速度时，瞬时释放和保持30秒后释放两种情况下的速度最大值差异达5.3%。这种性能衰减主要源于系统在保载过程中与周围环境的热交换导致的能量损失。

高压气腔温度变化曲线进一步解释了保载时间影响的物理机制。试验加载过程本质是对系统做功，使缓冲器存储足够的能量。当高压气腔压缩储能时，内部气体温度显著升高。在压缩量较小时，系统保载时间对突伸过程中气腔内气体温度变化影响较小；但当压缩量较大时，瞬时释放与保持2.5秒释放的温度差异不大，而保持30秒后释放则导致明显温度下降。这种温度衰减直接导致气体压力降低，进而减少可用能量，影响突伸性能。

第六章总结与展望

6.1 主要研究发现与设计启示

本文章通过系统的试验分析，深入揭示了试验加载条件对双气腔缓冲器突伸性能的影响规律，对工程实践有重要指导意义的发现。最值得关注的是加载速率与保载时间影响的差异性：加载速率对突伸性能的影响微乎其微，而保载时间则对突伸性能特别是大压缩量工况下的性能有显著影响。这一发现颠覆了传统认知，对优化地面试验方案具有重要价值。在实际试验中，可以适当降低对加载速率模拟精度的要求，而更加严格控制保载时间的一致性，从而提高试验效率和结果可靠性。

还揭示了双气腔缓冲器在突伸过程中的能量转换特性。高压气腔在突伸过程中温度变化剧烈，而低压气腔温度基本稳定，这种差异反映了两者在能量储存和释放中的不同角色。高压气腔是突伸能量的主要来源，其热力学状态直接影响突伸性能；而低压气腔则主要起辅助调节作用，确保突伸过程的平稳可控。这一认识为优化缓冲器设计提供了方向：可以通过改进高压腔结构和材料，减少热损失，提高能量转换效率。

从参数敏感性角度看，高低压腔初始充填压力和体积比对缓冲性能与突伸性能的影响方式存在显著差异。这解释了为何双气腔缓冲器的设计优化如此困难，需要在多个相互冲突的目标间寻求平衡。在实际工程设计中，应采用多目标优化方法，综合考虑各种使用工况下的性能需求，找到全局最优解，而不是单独优化某个性能指标。

6.2 未来技术发展趋势

展望未来，舰载机起落架缓冲技术将朝着智能化、自适应化方向发展。传统被动式缓冲器已难以满足日益提高的性能需求，半主动和主动控制技术将成为研究热点。磁流变缓冲器技术已显示出巨大潜力，通过调节励磁线圈电流可以实时改变阻尼特性，在落震载荷减缓实验中已实现峰值载荷降低10.3%的效果。未来可将类似技术应用于突伸过程控制，实现缓冲和突伸性能的最优协调。

多物理场耦合分析将成为缓冲器设计的重要工具。起落架工作环境复杂，涉及气动、液压、热力学和结构力学等多个物理场的相互作用。传统单一学科分析方法难以准确预测系统性能，需要发展多场耦合仿真技术。特别是考虑气穴效应、油气混合、温度变化等复杂现象的动态模型，将大大提高设计精度和可靠性。基于直接概率积分法的随机响应分析也为考虑参数不确定性的可靠性设计提供了新途径。

新材料和新工艺的应用将推动缓冲器性能的进一步提升。轻量化高强度材料可以减轻缓冲器重量，提高能量密度；新型密封材料和表面处理技术可以延长使用寿命，减少维护需求；增材制造技术则可以实现传统加工方法难以完成的复杂内部结构，优化流体通道设计。这些技术进步将共同推动舰载机起落架缓冲系统向着更高效、更可靠、更智能的方向发展。

6.3 研究局限性及后续工作

目前虽然取得了重要发现，但仍存在一定局限性，为后续研究指明了方向。当前试验主要在实验室理想条件下进行，与实际舰载环境存在差异。海上高湿、高盐雾环境可能影响缓冲器密封性能和材料特性；甲板运动带来的额外激励可能改变加载条件；连续弹射作业导致的热积累效应也需要进一步研究。未来应加强环境适应性试验，验证实验室结论在实际使用条件下的有效性。

试验采用的加载控制方法仍有改进空间。当前研究主要关注准静态加载条件，而实际弹射过程可能包含更复杂的动态成分。弹射器加速曲线不是简单的线性过程，而是包含初始冲击、平稳加速和末端释放等多个阶段。未来可以研究更真实的动态加载条件对突伸性能的影响，特别是考虑与飞机其他系统的耦合效应。

此外，研究主要关注前起落架单支柱的突伸性能，而实际起飞过程是整机多系统协调工作的结果。主起落架动态响应、飞机气动特性、飞行员操作等因素都会影响离舰过程。未来需要发展全机系统级仿真模型，将前起落架突伸性能置于更完整的系统环境中评估，为舰载机起飞性能优化提供更全面的技术支持。

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