一種航空母艦飛機起降磁流變液助力/阻尼跑道的制作方法

文檔序號：11763088閱讀：415來源：國知局

本發明涉及一種用于航空母艦飛機起降磁流變液助力/阻尼跑道，屬于航空技術領域。

背景技術：

2016年3月20日，美國“艾森豪威爾”號重型核動力航母上，一架e2預警機降落時阻攔索斷裂，斷裂的攔阻索瞬間掃向了地勤人員。據統計，8名地勤人員攔阻索抽斷雙腿，落下了不可恢復的殘疾，有兩人更是被打得差點喪命。2016年12月，俄羅斯國防部5日宣布，俄羅斯一架蘇-33艦載戰斗機在結束一次戰斗任務返回時在庫茲涅佐夫號降落失敗，墜入地中海，飛行員被彈射出戰機并最終獲救，并未受傷。俄國防部還在一份聲明中稱，事故原因是戰機降落過程中航母攔阻索突然發生斷裂。

現代的噴氣式戰斗機在降落速度一般為200～300千米/小時，飛機自重達到20-40噸，如果不攔阻，跑道至少需要上千米，要讓艦載機安全地降落，進行攔阻作業是必需的。現代航母一般設置有4道阻攔索，每道阻攔索之間相隔12～18米，阻攔索離開甲板30～50厘米，飛行員著艦前放下尾鉤，著艦后飛機滑行，尾鉤在甲板上拖行，能鉤住第2道或第3道阻攔索最為理想，這種情況只占62%～64%。在航母的各項操作流程中，艦載機航母降落被視為最危險的一個環節。艦載機著艦需要飛行員，空管員，地勤員配合完成。首先，飛行員要向空管人員發送著艦請求，得到答復后，在空管人員的指揮下進入備降空域。在該空域，飛行員依空管指令在指定高度沿橢圓型飛行軌跡排隊降落。戰時，航母艦載機的起降間隔為25秒，所以對航母空域的劃分和管理必須要精確到米，精確到秒。在飛行甲板上每隔15米就有一根捕捉鋼纜，一般共有四根，離船尾最近的鋼纜為1號纜，最遠端的是4號纜。當飛機著艦的瞬間，飛行員要將飛機引擎推高至最大功率（這個有點意思，主要為防止著艦失敗）。如果鋼纜捕獲了飛機，2秒內就能將飛機停下來。飛行員大都選擇3號纜降落。著艦后，地勤人員要迅速牽引飛機離開跑道至指定區域，整個流程需要在25秒內完成。至此飛機著艦成功。

由此可見，飛機在降落的時候順利的掛上阻攔索并不是一件容易的事情，如果在飛機降落的時候，不再使用阻攔索，飛機在航母甲板上滑行的時候，甲板能將飛機的動量吸收掉，讓飛機的速度迅速降低，這樣就可避免飛機沖出甲板，地勤人員也不會因為阻攔索的斷裂而產生意外，這是一個亟待解決的問題。另外一方面，航空母艦。在戰斗中，有可能遭到流彈襲擊，而損壞跑道，導致飛機無法正常起降，如果裝有撞擊引信類的流彈在撞擊甲板跑道的時候，能夠瞬間吸收掉流彈的動能，則流彈不會發生爆炸，這樣就不會造成跑道的損傷和人員傷亡。這樣的問題也需要得到解決。

技術實現要素：

本發明涉及一種用于航空母艦飛機起降磁流變液助力/阻尼跑道，特別是一種磁流變液阻尼跑道，用于吸收飛機降落的巨大動能以及流彈撞擊飛機跑道的動量。

本發明由磁流變液助力/阻尼單元（20）拼裝構成航空母艦飛機起降磁流變液助力/阻尼跑道；每一個磁流變液助力/阻尼單元（20）由雷達探測頭（1）、阻尼磁流變液包（2）、保護墊（3）、形變控制范圍拉線（4）、磁流變液控制裝置（5）、閉合側護板（6）、磁流變液輸送管（7）、設備固定平臺（8）、蓄電池（9）、控制ecu（10）、電動/發電液力泵（11）、回儲磁流變液包（12）、浮力氣囊（13）、回儲磁流變液包電磁擠壓裝置（14）、回儲磁流變液包收納筒（15）、閉合側護板浮力環（16）、壓力支撐板（17）、壓力傳感器（18）、承壓板（21）構成；

磁流變液助力/阻尼單元（20）的阻尼磁流變液包（2）具有長方體結構，阻尼磁流變液包（2）采用高強度柔性纖維制作，其內部設有形變控制范圍拉線（4），上表面鋪設有耐磨柔性保護膜墊（3），阻尼磁流變液包（2）整體安放在承壓板（21）之上，承壓板（21）上安裝壓力傳感器（18），阻尼磁流變液包（2）的四周為閉合側護板（6），閉合側護板（6）的長度大于阻尼磁流變液包（2）厚度的2倍；閉合側護板（6）的底端設有閉合側護板浮力環（6）；

在閉合側護板（6）上端邊緣設有由雷達探測頭（1）；

阻尼磁流變液包（2）的底面連通磁流變液輸送管（7），磁流變液輸送管（7）穿過磁流變液控制裝置（5），串接電動/發電液力泵（11）后連通回儲磁流變液包（12）；

承壓板（21）為長方形，嵌套在閉合側護板（6）內，閉合側護板（6）相對于承壓板（21）可以相互自由運動，壓板（21）通過三個壓力支撐柱（17）固定連接在航母甲板（19）之上，承壓板（21）和航母甲板（19）之間注水構成浮力水層；

阻尼磁流變液包（2）圓柱形結構，回儲磁流變液包（12）回儲磁流變液包電磁擠壓裝置（14）和浮力氣囊（13）均做防水處理，均放置在回儲磁流變液包收納筒（15）內，阻尼磁流變液包（2）上端面緊貼承壓板（21），阻尼磁流變液包（2）下端面緊貼回儲磁流變液包電磁擠壓裝置（14），儲磁流變液包電磁擠壓裝置（14）放置在浮力氣囊（13）上；

所述雷達探測器的輸出信號輸入到控制ecu（10）的rxd端口；電動/發電機液力泵（11）連接到控制ecu（10）的pwm端口；磁流變液電流控制5到連接到控制ecu（10）的i/o3端口；回儲磁流變液包電磁擠壓裝置（14）連接到控制ecu（10）的i/o2端口；壓力傳感器（18）和磁流變液溫度采集到的信號經過模數轉換之后輸入到控制ecu（10）的ad1端口；電磁擠壓裝置（14）連接到控制ecu（10）的spi端口，led警示控制ecu（10）的i/o1端口連接；所有的控制ecu（10）均通過txd串口連接，實現相互通訊，參見圖5。

在回儲磁流變液包收納筒（15）與相鄰壓力支撐柱（17）之間設有設備固定平臺（8），設備固定平臺（8）上固定安裝蓄電池（9）、控制ecu（10）、電動/發電液力泵（11）和磁流變液控制裝置，這些設備均做防水處理；

控制ecu（10）控制線連接電動/發電液力泵（11）、9-蓄電池、回儲磁流變液包電磁擠壓裝置（14）、磁流變液控制裝置（5）、雷達探測頭（1）、壓力傳感器（18）以及磁流變液溫度傳感器，蓄電池電源線連接上述所有設備。

保護墊（3）的表面可以覆蓋太陽能薄膜，并在太陽能薄膜薄膜上在加設透明耐磨的材料，太陽能薄膜的輸電線串接穩壓器之后連接蓄電池（9）。

工作原理：

本發明是由很多個磁流變液助力/阻尼單元（20）拼裝構成航空母艦飛機起降磁流變液助力/阻尼跑道，飛機降落的時候還未觸碰到跑道的時候，探測雷達探測到飛機降落的速度，根據程序預先確定所需要吸收的動量，當飛機輪子碾壓跑道的時候，擠壓磁流變液助力/阻尼單元（20）的阻尼磁流變液包（2），吸收飛機碾壓的動量，如同飛機降落在沙地上一樣，使得飛機的速度迅速降低，實現飛機安全降落。

當有流彈撞擊跑道的時候，磁流變液助力/阻尼單元（20）的探測雷達探測到流彈下落的速度，根據程序預先確定所需要吸收的動量，使得流彈如同插入沙地里，把動量吸收掉，以避免流彈爆炸。

在飛機要起飛的時候，磁流變液助力/阻尼單元（20）的探測雷達探測到飛機運動的速度，根據起飛程序，控制磁流變液助力/阻尼單元（20）的回儲磁流變液包電磁擠壓裝置（14），通過瞬間擠壓提升飛機輪子的高度，使得飛機如同沖下坡道一樣，迅速加速，獲得動能，實現起飛助力。

具體的工作原理如下：

飛機降落過程：磁流變液助力/阻尼單元（20）的阻尼磁流變液包（2）具有長方體結構，阻尼磁流變液包（2）采用高強度柔性纖維制作，其內部設有形變控制范圍拉線（4），上表面鋪設有耐磨柔性保護膜墊（3），阻尼磁流變液包（2）整體安放在承壓板（21）之上，承壓板（21）上安裝壓力傳感器（18），阻尼磁流變液包（2）的四周為閉合側護板（6），閉合側護板（6）的長度大于阻尼磁流變液包（2）厚度的2倍；閉合側護板（6）的底端設有閉合側護板浮力環（6）。因為有形變控制范圍拉線（4）和閉合側護板（6），這樣的結構使得阻尼磁流變液包（2）受到擠壓之后會發生形變后，被擠壓后磁流變液只能通過磁流變液輸送管（7）流入回儲磁流變液包（12）內。

飛機輪子碾壓阻尼磁流變液包（2），阻尼磁流變液包（2）內的磁流變液通過磁流變液輸送管（7）穿過磁流變液控制裝置（5），在流動的過程中，通過控制磁流變液控制裝置（5）的電流，這樣就改變了磁流變液控制裝置（5）內部的磁場強弱，而磁場強弱直接決定了磁流變液的粘稠度，這樣就改變了阻尼磁流變液包（2）形變的速率，使得阻尼磁流變液包（2）具有塑性形變的性質，迅速吸收飛機輪子運動碾壓的動量，產生精確可控的阻尼效應；而是磁流變液通過串接電動/發電液力泵（11）后連通回儲磁流變液包（12），在整個流動的過程當中，高速流動帶動電動/發電液力泵（11）（在降落的時候處于發電模式）發電，所發出來的電力對本磁流變液助力/阻尼單元（20）對蓄電池進行充電。

飛機輪子碾壓阻尼磁流變液包（2）要產生良好的塑性形變效應，需要阻尼磁流變液包（2）不會產生反彈效應，這就需要阻尼磁流變液包（2）在整個磁流變液流入回儲磁流變液包（12）的過程中，塑性形變力不會因為形變量的大小而改變其塑性特性，換言之，沒有彈性形變的特性。而在本發明中，阻尼磁流變液包（2）圓柱形結構，回儲磁流變液包（12）回儲磁流變液包電磁擠壓裝置（14）和浮力氣囊（13）均做防水處理，均放置在回儲磁流變液包收納筒（15）內，阻尼磁流變液包（2）上端面緊貼承壓板（21），阻尼磁流變液包（2）下端面緊貼回儲磁流變液包電磁擠壓裝置（14），儲磁流變液包電磁擠壓裝置（14）放置在浮力氣囊（13）上。在整個過程中，浮力氣囊（13）所施加到的回儲磁流變液包（12）浮力是恒定的，這就消除了采用彈簧所具有的彈性力特性。這種恒力特性是的磁流變液控制裝置（5）對電流的控制更為簡單，排出了非線性的主要因素，參見圖2。

承壓板（21）為長方形，嵌套在閉合側護板（6）內，閉合側護板（6）相對于承壓板（21）可以相互自由運動，承壓板（21）通過三個壓力支撐柱（17）固定連接在航母甲板（19）之上；這樣的結構使得每一個磁流變液助力/阻尼單元（20）維修變得非常簡單，參見圖3。

對于一個磁流變液助力/阻尼單元（20）而言，完成阻尼之后，碾壓阻尼磁流變液包（2）和閉合側護板浮力環（6）需要恢復原狀，浮力氣囊（13）的作用下，回儲磁流變液包（12）的磁流變液被浮力氣囊施加的浮力通過磁流變液輸送管（7）擠壓回到碾壓阻尼磁流變液包（2）內，閉合側護板浮力環（6）也通過閉合側護板浮力環（16）抬升到初始位置，每一個磁流變液助力/阻尼單元（20）的保護墊（3）相互連接，保證了閉合側護板浮力環（16）抬升位置相同。

在回儲磁流變液包收納筒（15）與相鄰壓力支撐柱（17）之間設有設備固定平臺（8），設備固定平臺（8）上固定安裝蓄電池（9）、控制ecu（10）、電動/發電液力泵（11）和磁流變液控制裝置，這些設備均做防水處理，承壓板（21）和航母甲板（19）之間注水構成浮力水層，用于提供恒定的浮力，并實現設備降溫；這些裝置被安裝固定在每一個磁流變液助力/阻尼單元（20）體內，構成一個獨立的子系統，每一個子系統的單片機相互連接，實現相互通訊。在閉合側護板（6）上端邊緣設有由雷達探測頭（1）；控制ecu（10）控制線連接電動/發電液力泵（11）、蓄電池（9）、回儲磁流變液包電磁擠壓裝置（14）、磁流變液控制裝置（5）、雷達探測頭（1）、壓力傳感器（18）以及磁流變液溫度傳感器，蓄電池電源線連接上述所有設備。

回儲磁流變液包電磁擠壓裝置（14）由回儲磁流變液包收納筒（15）、鐵磁鎖緊頭（22）、鐵磁鎖緊頭電磁線圈（23）、斥力底座電磁線圈（24）和斥力擠壓電磁線圈（25）構成；斥力底座電磁線圈（24）設置在回儲磁流變液包收納筒（15）內部，斥力底座電磁線圈（24）軸對稱分布設置3至6個鐵磁鎖緊頭電磁線圈（23），鐵磁鎖緊頭電磁線圈（23）內部設有鐵磁鎖緊頭（22），鐵磁鎖緊頭（22）后端設有復位彈簧，在未通電的情況下，斥力底座電磁線圈（24）可以上下自由運動；斥力底座電磁線圈（24）的上方設置有圓盤形的斥力擠壓電磁線圈（25）。

如果出現流彈，其基本的工作原理和飛機降落工作原理類似，有必要說明的是探測雷達不僅能夠探測來襲目標的速度，還可以判斷來襲目標的大小，由于每個磁流變液助力/阻尼單元（20）都安裝有一個探測雷達，探測雷達的工作原理參見圖6，這樣就構成了一個巨大的探測面，飛行軌跡和飛行速度能夠精確進行判斷，提前做好應對，精確設定磁流變液控制裝置的電流，將來襲目標的動量吸收掉。

處于阻尼動量吸收狀態下，電動/發電液力泵（11）處于發電機狀態。

飛機起飛助力：在飛機要起飛的時候，磁流變液助力/阻尼單元（20）的探測雷達探測到飛機運動的速度，根據起飛程序，當飛機的輪子碾壓到控制磁流變液助力/阻尼單元（20）之上，要根據壓力傳感器（18）信號，控制磁流變液助力/阻尼單元（20）的回儲磁流變液包電磁擠壓裝置（14），通過瞬間擠壓提升飛機輪子的高度，飛機輪子每經過一個磁流變液助力/阻尼單元（20）就會得到一次抬升，使得飛機如同沖下坡道一樣，迅速加速，獲得動能，實現起飛助力。如果擠壓助力不夠，單片機程序控制電動/發電液力泵（11）處于電機狀態，強制將磁流變液從回儲磁流變液包（12）輸送到阻尼磁流變液包（2），提升助力強度。

回儲磁流變液包電磁擠壓裝置（14）的工作原理：鐵磁鎖緊頭電磁線圈（23）通電之后，鐵磁鎖緊頭（22）構成一個電磁鐵，緊緊吸住回儲磁流變液包收納筒（15）內壁，使得整個回儲磁流變液包電磁擠壓裝置（14）無法移動，與此同時，斥力底座電磁線圈（24）和斥力擠壓電磁線圈（25）同時通電，兩個線圈的電流相反，產生一對相互排斥的磁場，構成排斥力，由于斥力底座電磁線圈（24）被固定，斥力擠壓電磁線圈（25）整體向上移動，擠壓回儲磁流變液包（12），其結構參見圖4。

磁流變液助力/阻尼單元（20）的工作流程（參見圖7）：磁流變液助力/阻尼單元（20）開始工作的時候，首先對雷達探測器進行檢測，是否工作正常如果工作正常則進入下一個環節，對電磁擠壓裝置(14)、電動/發電機液力泵（11）、磁流變液電流控制(5)、控制ecu通訊進行檢測，檢測工作正常之后，則初始化完成，如果設備檢測不正常，led閃爍警示。雷達探測到飛機正在降落，根據雷達探測飛機降落速度確定初始磁流變液阻尼變化值；如果飛機起飛，那么根據起飛助力值確定初始回儲磁流變液包電磁擠壓強度；如果有流彈或者是彈片下落到飛行甲板，根據雷達探測到流彈降落速度確定磁流變液阻尼變化值，，根據這些電流設定值磁流變液電流變化控制阻尼磁流變液包（2）內的壓力會按理論值發生改變，如果壓力檢測不合理，說明設備有問題；另外，飛機輪是會移動的，單片機之間實現了通訊，可以相互交換信息，磁流變液電流控制數據傳輸至相鄰，以便相鄰控制ecu實現最優控制，該磁流變液助力/阻尼單元（20）的工作完成之后，再對重新對外圍設備電磁擠壓裝置(14)、電動/發電機液力泵（11）、磁流變液電流控制(5)、控制ecu通訊檢測，檢測合格之后，重新進入待命狀態。

本發明的有益效果：本發明由多個獨立的磁流變液助力/阻尼單元（20）構成，能夠實現飛機起飛助力、飛機降落阻尼、吸收流彈即彈片的瞬間沖擊動量、動量吸收后通過循環液流發電系統，通過穩壓后可以給負載供電或給電池充電，免去了另外鋪設電纜的麻煩。單體組合方式可以為已經構建完成航母進行安裝，不會對航母的本體結構造成損害，避免傷筋動骨，相對于現在的航母阻攔索而言，結構更為簡單，不會發生人員傷亡，具有良好的研發前景。

附圖說明

圖1為本發明外觀意圖；

圖2為本發明側剖面結構示意圖；

圖3為本發明俯視剖示意圖；

圖4儲磁流變液包電磁擠壓裝置剖面結構示意圖；

圖5為本發明電控示意圖；

圖6為本發明基于單片機的探測雷達原理框圖；

圖7為本發明的工作邏輯圖。

圖中：1-雷達探測頭、2-阻尼磁流變液包、3-保護膜、4-形變控制范圍拉線、5-磁流變液控制裝置、6-閉合側護板、7-磁流變液輸送管、8-設備固定平臺、9-蓄電池、10-控制ecu、11-電動/發電液力泵、12-回儲磁流變液包、13-浮力氣囊、14-回儲磁流變液包電磁擠壓裝置、15-回儲磁流變液包收納筒、16-閉合側護板浮力環、17-壓力支撐板、18-壓力傳感器、19-航母甲板、20-磁流變液助力/阻尼單元、21-承壓板、22-鐵磁鎖緊頭、23-鐵磁鎖緊頭電磁線圈、24-磁線圈、25-斥力擠壓電磁線圈。

具體實施方式

本發明所有的控制ecu（10）通過通訊串口txd相互連接，實現相互通訊之后，可以極大的提升對目標探測的準確性以及數據之間的相互傳送，避免單個磁流變液助力/阻尼單元（20）出現問題而導致整體無法工作的問題。

本發明的核心器件可采用atmel公司的at89c2051單片機，它雖然只有20個引腳,卻集成了51系列單片機的標準內核,其中包括2k程序存儲器、128字節數據存儲器、2個16位定時計數器、一個標準全雙工uart和一個精確的模擬比較器，而這個模擬比較器是以前產品所沒有的。這里即利用其模擬比較器檢測是否接收到回波，利用定時器精確測量聲波往返時間和控制發射及檢測回波的循環周期，利用uart的模式0(同步移位寄存器方式)擴展了并行輸出口。單片機電路如圖4所示。圖4單片機電路圖中p1.2-p1.5口用來產生40khz脈沖串，p1.7口用于輸出警示音，p1.1(模擬比較器的輸入端)用于檢測回波p1.0接基準電壓(回波的閥值)。兩片74ls164級聯擴展的16位并行口用于兩位數碼管的距離顯示,74ls164是串入并出的移位寄存器,數據輸入端接單片機的rxd，時鐘端接txd，復位端接int1(p3.3)端。

本發明的雷達探測器可以選用德國法蘭克福市的一家研究機構研制出一種僅有8x8毫米大小的微型芯片雷達。其工作頻率為120ghz，探測半徑3米并且擁有1毫米的解析度，甚至可以利用多普勒效應測得探測半徑內物體的移動速度及方向。另外此種微型芯片的生產成本極低，僅為每單位1歐元。如此微小的體積、強大的功能，加上低廉的價格，可以大幅降低設備制造費用。

本發明阻尼磁流變液包（2）可以采用凱夫拉纖維面料來制作，該材料目前用于制作防彈背心，強度極高，極其堅韌，使用壽命長，可以有效防止流彈或者彈片下落的高速撞擊，避免航母甲板跑道受到損傷。

磁流變液輸送管（7）的選擇和設計：根據流體力學，磁流變液輸送管（7）流量系數與磁流變液輸送管（7）結構、幾何尺寸、壁面粗糙度及液流入流出的相鄰零件有關。為了使可流動液能在飛機的碾壓下都流動起來，磁流變液輸送管（7）的流量系數要超過1.87。由于發電磁流變液輸送管（7）的橫截面積a本來就影響發電磁流變液輸送管（7）的流量系數u，a和u又單獨對流速有影響。因此根據q=u×a×（2×p/ρ）^1/2，令ua=β，則q=β（2×p/ρ）^1/2。發電機發電的條件為0.0095l/s≤q≤0.2l/s（即，小于0.0095l/s發電機不能運轉，大于0.2l/s發電機的功率不再增加）。實驗中，當q=0.0095l/s時，計算得β1=0.0149×10^-3當q=0.2l/s時，計算出β2=0.314×10^-3,因此流量系數與橫截面積的乘積須滿足0.0149×10^-3≤β≤0.314×10^-3。在磁流體流動時，磁流體經過磁流變液輸送管（7）推動電動/發電液力泵發電。在保證可流動水流都能流入回儲磁流變液包（12）的情況下，飛機重與運動速度的關系為：m=(ρsq²v²)/(ku²a²g)。