一种航空母舰飞机起降磁流变液助力/阻尼跑道的制作方法

本发明涉及一种用于航空母舰飞机起降磁流变液助力/阻尼跑道，属于航空技术领域。

背景技术：

2016年3月20日，美国“艾森豪威尔”号重型核动力航母上，一架e2预警机降落时阻拦索断裂，断裂的拦阻索瞬间扫向了地勤人员。据统计，8名地勤人员拦阻索抽断双腿，落下了不可恢复的残疾，有两人更是被打得差点丧命。2016年12月，俄罗斯国防部5日宣布，俄罗斯一架苏-33舰载战斗机在结束一次战斗任务返回时在库兹涅佐夫号降落失败，坠入地中海，飞行员被弹射出战机并最终获救，并未受伤。俄国防部还在一份声明中称，事故原因是战机降落过程中航母拦阻索突然发生断裂。

现代的喷气式战斗机在降落速度一般为200～300千米/小时，飞机自重达到20-40吨，如果不拦阻，跑道至少需要上千米，要让舰载机安全地降落，进行拦阻作业是必需的。现代航母一般设置有4道阻拦索，每道阻拦索之间相隔12～18米，阻拦索离开甲板30～50厘米，飞行员着舰前放下尾钩，着舰后飞机滑行，尾钩在甲板上拖行，能钩住第2道或第3道阻拦索最为理想，这种情况只占62%～64%。在航母的各项操作流程中，舰载机航母降落被视为最危险的一个环节。舰载机着舰需要飞行员，空管员，地勤员配合完成。首先，飞行员要向空管人员发送着舰请求，得到答复后，在空管人员的指挥下进入备降空域。在该空域，飞行员依空管指令在指定高度沿椭圆型飞行轨迹排队降落。战时，航母舰载机的起降间隔为25秒，所以对航母空域的划分和管理必须要精确到米，精确到秒。在飞行甲板上每隔15米就有一根捕捉钢缆，一般共有四根，离船尾最近的钢缆为1号缆，最远端的是4号缆。当飞机着舰的瞬间，飞行员要将飞机引擎推高至最大功率（这个有点意思，主要为防止着舰失败）。如果钢缆捕获了飞机，2秒内就能将飞机停下来。飞行员大都选择3号缆降落。着舰后，地勤人员要迅速牵引飞机离开跑道至指定区域，整个流程需要在25秒内完成。至此飞机着舰成功。

由此可见，飞机在降落的时候顺利的挂上阻拦索并不是一件容易的事情，如果在飞机降落的时候，不再使用阻拦索，飞机在航母甲板上滑行的时候，甲板能将飞机的动量吸收掉，让飞机的速度迅速降低，这样就可避免飞机冲出甲板，地勤人员也不会因为阻拦索的断裂而产生意外，这是一个亟待解决的问题。另外一方面，航空母舰。在战斗中，有可能遭到流弹袭击，而损坏跑道，导致飞机无法正常起降，如果装有撞击引信类的流弹在撞击甲板跑道的时候，能够瞬间吸收掉流弹的动能，则流弹不会发生爆炸，这样就不会造成跑道的损伤和人员伤亡。这样的问题也需要得到解决。

技术实现要素：

本发明涉及一种用于航空母舰飞机起降磁流变液助力/阻尼跑道，特别是一种磁流变液阻尼跑道，用于吸收飞机降落的巨大动能以及流弹撞击飞机跑道的动量。

本发明由磁流变液助力/阻尼单元（20）拼装构成航空母舰飞机起降磁流变液助力/阻尼跑道；每一个磁流变液助力/阻尼单元（20）由雷达探测头（1）、阻尼磁流变液包（2）、保护垫（3）、形变控制范围拉线（4）、磁流变液控制装置（5）、闭合侧护板（6）、磁流变液输送管（7）、设备固定平台（8）、蓄电池（9）、控制ecu（10）、电动/发电液力泵（11）、回储磁流变液包（12）、浮力气囊（13）、回储磁流变液包电磁挤压装置（14）、回储磁流变液包收纳筒（15）、闭合侧护板浮力环（16）、压力支撑板（17）、压力传感器（18）、承压板（21）构成；

磁流变液助力/阻尼单元（20）的阻尼磁流变液包（2）具有长方体结构，阻尼磁流变液包（2）采用高强度柔性纤维制作，其内部设有形变控制范围拉线（4），上表面铺设有耐磨柔性保护膜垫（3），阻尼磁流变液包（2）整体安放在承压板（21）之上，承压板（21）上安装压力传感器（18），阻尼磁流变液包（2）的四周为闭合侧护板（6），闭合侧护板（6）的长度大于阻尼磁流变液包（2）厚度的2倍；闭合侧护板（6）的底端设有闭合侧护板浮力环（6）；

在闭合侧护板（6）上端边缘设有由雷达探测头（1）；

阻尼磁流变液包（2）的底面连通磁流变液输送管（7），磁流变液输送管（7）穿过磁流变液控制装置（5），串接电动/发电液力泵（11）后连通回储磁流变液包（12）；

承压板（21）为长方形，嵌套在闭合侧护板（6）内，闭合侧护板（6）相对于承压板（21）可以相互自由运动，压板（21）通过三个压力支撑柱（17）固定连接在航母甲板（19）之上，承压板（21）和航母甲板（19）之间注水构成浮力水层；

阻尼磁流变液包（2）圆柱形结构，回储磁流变液包（12）回储磁流变液包电磁挤压装置（14）和浮力气囊（13）均做防水处理，均放置在回储磁流变液包收纳筒（15）内，阻尼磁流变液包（2）上端面紧贴承压板（21），阻尼磁流变液包（2）下端面紧贴回储磁流变液包电磁挤压装置（14），储磁流变液包电磁挤压装置（14）放置在浮力气囊（13）上；

所述雷达探测器的输出信号输入到控制ecu（10）的rxd端口；电动/发电机液力泵（11）连接到控制ecu（10）的pwm端口；磁流变液电流控制5到连接到控制ecu（10）的i/o3端口；回储磁流变液包电磁挤压装置（14）连接到控制ecu（10）的i/o2端口；压力传感器（18）和磁流变液温度采集到的信号经过模数转换之后输入到控制ecu（10）的ad1端口；电磁挤压装置（14）连接到控制ecu（10）的spi端口，led警示控制ecu（10）的i/o1端口连接；所有的控制ecu（10）均通过txd串口连接，实现相互通讯，参见图5。

在回储磁流变液包收纳筒（15）与相邻压力支撑柱（17）之间设有设备固定平台（8），设备固定平台（8）上固定安装蓄电池（9）、控制ecu（10）、电动/发电液力泵（11）和磁流变液控制装置，这些设备均做防水处理；

控制ecu（10）控制线连接电动/发电液力泵（11）、9-蓄电池、回储磁流变液包电磁挤压装置（14）、磁流变液控制装置（5）、雷达探测头（1）、压力传感器（18）以及磁流变液温度传感器，蓄电池电源线连接上述所有设备。

保护垫（3）的表面可以覆盖太阳能薄膜，并在太阳能薄膜薄膜上在加设透明耐磨的材料，太阳能薄膜的输电线串接稳压器之后连接蓄电池（9）。

工作原理：

本发明是由很多个磁流变液助力/阻尼单元（20）拼装构成航空母舰飞机起降磁流变液助力/阻尼跑道，飞机降落的时候还未触碰到跑道的时候，探测雷达探测到飞机降落的速度，根据程序预先确定所需要吸收的动量，当飞机轮子碾压跑道的时候，挤压磁流变液助力/阻尼单元（20）的阻尼磁流变液包（2），吸收飞机碾压的动量，如同飞机降落在沙地上一样，使得飞机的速度迅速降低，实现飞机安全降落。

当有流弹撞击跑道的时候，磁流变液助力/阻尼单元（20）的探测雷达探测到流弹下落的速度，根据程序预先确定所需要吸收的动量，使得流弹如同插入沙地里，把动量吸收掉，以避免流弹爆炸。

在飞机要起飞的时候，磁流变液助力/阻尼单元（20）的探测雷达探测到飞机运动的速度，根据起飞程序，控制磁流变液助力/阻尼单元（20）的回储磁流变液包电磁挤压装置（14），通过瞬间挤压提升飞机轮子的高度，使得飞机如同冲下坡道一样，迅速加速，获得动能，实现起飞助力。

具体的工作原理如下：

飞机降落过程：磁流变液助力/阻尼单元（20）的阻尼磁流变液包（2）具有长方体结构，阻尼磁流变液包（2）采用高强度柔性纤维制作，其内部设有形变控制范围拉线（4），上表面铺设有耐磨柔性保护膜垫（3），阻尼磁流变液包（2）整体安放在承压板（21）之上，承压板（21）上安装压力传感器（18），阻尼磁流变液包（2）的四周为闭合侧护板（6），闭合侧护板（6）的长度大于阻尼磁流变液包（2）厚度的2倍；闭合侧护板（6）的底端设有闭合侧护板浮力环（6）。因为有形变控制范围拉线（4）和闭合侧护板（6），这样的结构使得阻尼磁流变液包（2）受到挤压之后会发生形变后，被挤压后磁流变液只能通过磁流变液输送管（7）流入回储磁流变液包（12）内。

飞机轮子碾压阻尼磁流变液包（2），阻尼磁流变液包（2）内的磁流变液通过磁流变液输送管（7）穿过磁流变液控制装置（5），在流动的过程中，通过控制磁流变液控制装置（5）的电流，这样就改变了磁流变液控制装置（5）内部的磁场强弱，而磁场强弱直接决定了磁流变液的粘稠度，这样就改变了阻尼磁流变液包（2）形变的速率，使得阻尼磁流变液包（2）具有塑性形变的性质，迅速吸收飞机轮子运动碾压的动量，产生精确可控的阻尼效应；而是磁流变液通过串接电动/发电液力泵（11）后连通回储磁流变液包（12），在整个流动的过程当中，高速流动带动电动/发电液力泵（11）（在降落的时候处于发电模式）发电，所发出来的电力对本磁流变液助力/阻尼单元（20）对蓄电池进行充电。

飞机轮子碾压阻尼磁流变液包（2）要产生良好的塑性形变效应，需要阻尼磁流变液包（2）不会产生反弹效应，这就需要阻尼磁流变液包（2）在整个磁流变液流入回储磁流变液包（12）的过程中，塑性形变力不会因为形变量的大小而改变其塑性特性，换言之，没有弹性形变的特性。而在本发明中，阻尼磁流变液包（2）圆柱形结构，回储磁流变液包（12）回储磁流变液包电磁挤压装置（14）和浮力气囊（13）均做防水处理，均放置在回储磁流变液包收纳筒（15）内，阻尼磁流变液包（2）上端面紧贴承压板（21），阻尼磁流变液包（2）下端面紧贴回储磁流变液包电磁挤压装置（14），储磁流变液包电磁挤压装置（14）放置在浮力气囊（13）上。在整个过程中，浮力气囊（13）所施加到的回储磁流变液包（12）浮力是恒定的，这就消除了采用弹簧所具有的弹性力特性。这种恒力特性是的磁流变液控制装置（5）对电流的控制更为简单，排出了非线性的主要因素，参见图2。

承压板（21）为长方形，嵌套在闭合侧护板（6）内，闭合侧护板（6）相对于承压板（21）可以相互自由运动，承压板（21）通过三个压力支撑柱（17）固定连接在航母甲板（19）之上；这样的结构使得每一个磁流变液助力/阻尼单元（20）维修变得非常简单，参见图3。

对于一个磁流变液助力/阻尼单元（20）而言，完成阻尼之后，碾压阻尼磁流变液包（2）和闭合侧护板浮力环（6）需要恢复原状，浮力气囊（13）的作用下，回储磁流变液包（12）的磁流变液被浮力气囊施加的浮力通过磁流变液输送管（7）挤压回到碾压阻尼磁流变液包（2）内，闭合侧护板浮力环（6）也通过闭合侧护板浮力环（16）抬升到初始位置，每一个磁流变液助力/阻尼单元（20）的保护垫（3）相互连接，保证了闭合侧护板浮力环（16）抬升位置相同。

在回储磁流变液包收纳筒（15）与相邻压力支撑柱（17）之间设有设备固定平台（8），设备固定平台（8）上固定安装蓄电池（9）、控制ecu（10）、电动/发电液力泵（11）和磁流变液控制装置，这些设备均做防水处理，承压板（21）和航母甲板（19）之间注水构成浮力水层，用于提供恒定的浮力，并实现设备降温；这些装置被安装固定在每一个磁流变液助力/阻尼单元（20）体内，构成一个独立的子系统，每一个子系统的单片机相互连接，实现相互通讯。在闭合侧护板（6）上端边缘设有由雷达探测头（1）；控制ecu（10）控制线连接电动/发电液力泵（11）、蓄电池（9）、回储磁流变液包电磁挤压装置（14）、磁流变液控制装置（5）、雷达探测头（1）、压力传感器（18）以及磁流变液温度传感器，蓄电池电源线连接上述所有设备。

回储磁流变液包电磁挤压装置（14）由回储磁流变液包收纳筒（15）、铁磁锁紧头（22）、铁磁锁紧头电磁线圈（23）、斥力底座电磁线圈（24）和斥力挤压电磁线圈（25）构成；斥力底座电磁线圈（24）设置在回储磁流变液包收纳筒（15）内部，斥力底座电磁线圈（24）轴对称分布设置3至6个铁磁锁紧头电磁线圈（23），铁磁锁紧头电磁线圈（23）内部设有铁磁锁紧头（22），铁磁锁紧头（22）后端设有复位弹簧，在未通电的情况下，斥力底座电磁线圈（24）可以上下自由运动；斥力底座电磁线圈（24）的上方设置有圆盘形的斥力挤压电磁线圈（25）。

如果出现流弹，其基本的工作原理和飞机降落工作原理类似，有必要说明的是探测雷达不仅能够探测来袭目标的速度，还可以判断来袭目标的大小，由于每个磁流变液助力/阻尼单元（20）都安装有一个探测雷达，探测雷达的工作原理参见图6，这样就构成了一个巨大的探测面，飞行轨迹和飞行速度能够精确进行判断，提前做好应对，精确设定磁流变液控制装置的电流，将来袭目标的动量吸收掉。

处于阻尼动量吸收状态下，电动/发电液力泵（11）处于发电机状态。

飞机起飞助力：在飞机要起飞的时候，磁流变液助力/阻尼单元（20）的探测雷达探测到飞机运动的速度，根据起飞程序，当飞机的轮子碾压到控制磁流变液助力/阻尼单元（20）之上，要根据压力传感器（18）信号，控制磁流变液助力/阻尼单元（20）的回储磁流变液包电磁挤压装置（14），通过瞬间挤压提升飞机轮子的高度，飞机轮子每经过一个磁流变液助力/阻尼单元（20）就会得到一次抬升，使得飞机如同冲下坡道一样，迅速加速，获得动能，实现起飞助力。如果挤压助力不够，单片机程序控制电动/发电液力泵（11）处于电机状态，强制将磁流变液从回储磁流变液包（12）输送到阻尼磁流变液包（2），提升助力强度。

回储磁流变液包电磁挤压装置（14）的工作原理：铁磁锁紧头电磁线圈（23）通电之后，铁磁锁紧头（22）构成一个电磁铁，紧紧吸住回储磁流变液包收纳筒（15）内壁，使得整个回储磁流变液包电磁挤压装置（14）无法移动，与此同时，斥力底座电磁线圈（24）和斥力挤压电磁线圈（25）同时通电，两个线圈的电流相反，产生一对相互排斥的磁场，构成排斥力，由于斥力底座电磁线圈（24）被固定，斥力挤压电磁线圈（25）整体向上移动，挤压回储磁流变液包（12），其结构参见图4。

磁流变液助力/阻尼单元（20）的工作流程（参见图7）：磁流变液助力/阻尼单元（20）开始工作的时候，首先对雷达探测器进行检测，是否工作正常如果工作正常则进入下一个环节，对电磁挤压装置(14)、电动/发电机液力泵（11）、磁流变液电流控制(5)、控制ecu通讯进行检测，检测工作正常之后，则初始化完成，如果设备检测不正常，led闪烁警示。雷达探测到飞机正在降落，根据雷达探测飞机降落速度确定初始磁流变液阻尼变化值；如果飞机起飞，那么根据起飞助力值确定初始回储磁流变液包电磁挤压强度；如果有流弹或者是弹片下落到飞行甲板，根据雷达探测到流弹降落速度确定磁流变液阻尼变化值，，根据这些电流设定值磁流变液电流变化控制阻尼磁流变液包（2）内的压力会按理论值发生改变，如果压力检测不合理，说明设备有问题；另外，飞机轮是会移动的，单片机之间实现了通讯，可以相互交换信息，磁流变液电流控制数据传输至相邻，以便相邻控制ecu实现最优控制，该磁流变液助力/阻尼单元（20）的工作完成之后，再对重新对外围设备电磁挤压装置(14)、电动/发电机液力泵（11）、磁流变液电流控制(5)、控制ecu通讯检测，检测合格之后，重新进入待命状态。

本发明的有益效果：本发明由多个独立的磁流变液助力/阻尼单元（20）构成，能够实现飞机起飞助力、飞机降落阻尼、吸收流弹即弹片的瞬间冲击动量、动量吸收后通过循环液流发电系统，通过稳压后可以给负载供电或给电池充电，免去了另外铺设电缆的麻烦。单体组合方式可以为已经构建完成航母进行安装，不会对航母的本体结构造成损害，避免伤筋动骨，相对于现在的航母阻拦索而言，结构更为简单，不会发生人员伤亡，具有良好的研发前景。

附图说明

图1为本发明外观意图；

图2为本发明侧剖面结构示意图；

图3为本发明俯视剖示意图；

图4储磁流变液包电磁挤压装置剖面结构示意图；

图5为本发明电控示意图；

图6为本发明基于单片机的探测雷达原理框图；

图7为本发明的工作逻辑图。

图中：1-雷达探测头、2-阻尼磁流变液包、3-保护膜、4-形变控制范围拉线、5-磁流变液控制装置、6-闭合侧护板、7-磁流变液输送管、8-设备固定平台、9-蓄电池、10-控制ecu、11-电动/发电液力泵、12-回储磁流变液包、13-浮力气囊、14-回储磁流变液包电磁挤压装置、15-回储磁流变液包收纳筒、16-闭合侧护板浮力环、17-压力支撑板、18-压力传感器、19-航母甲板、20-磁流变液助力/阻尼单元、21-承压板、22-铁磁锁紧头、23-铁磁锁紧头电磁线圈、24-磁线圈、25-斥力挤压电磁线圈。

具体实施方式

本发明所有的控制ecu（10）通过通讯串口txd相互连接，实现相互通讯之后，可以极大的提升对目标探测的准确性以及数据之间的相互传送，避免单个磁流变液助力/阻尼单元（20）出现问题而导致整体无法工作的问题。

本发明的核心器件可采用atmel公司的at89c2051单片机，它虽然只有20个引脚,却集成了51系列单片机的标准内核,其中包括2k程序存储器、128字节数据存储器、2个16位定时计数器、一个标准全双工uart和一个精确的模拟比较器，而这个模拟比较器是以前产品所没有的。这里即利用其模拟比较器检测是否接收到回波，利用定时器精确测量声波往返时间和控制发射及检测回波的循环周期，利用uart的模式0(同步移位寄存器方式)扩展了并行输出口。单片机电路如图4所示。图4单片机电路图中p1.2-p1.5口用来产生40khz脉冲串，p1.7口用于输出警示音，p1.1(模拟比较器的输入端)用于检测回波p1.0接基准电压(回波的阀值)。两片74ls164级联扩展的16位并行口用于两位数码管的距离显示,74ls164是串入并出的移位寄存器,数据输入端接单片机的rxd，时钟端接txd，复位端接int1(p3.3)端。

本发明的雷达探测器可以选用德国法兰克福市的一家研究机构研制出一种仅有8x8毫米大小的微型芯片雷达。其工作频率为120ghz，探测半径3米并且拥有1毫米的解析度，甚至可以利用多普勒效应测得探测半径内物体的移动速度及方向。另外此种微型芯片的生产成本极低，仅为每单位1欧元。如此微小的体积、强大的功能，加上低廉的价格，可以大幅降低设备制造费用。

本发明阻尼磁流变液包（2）可以采用凯夫拉纤维面料来制作，该材料目前用于制作防弹背心，强度极高，极其坚韧，使用寿命长，可以有效防止流弹或者弹片下落的高速撞击，避免航母甲板跑道受到损伤。

磁流变液输送管（7）的选择和设计：根据流体力学，磁流变液输送管（7）流量系数与磁流变液输送管（7）结构、几何尺寸、壁面粗糙度及液流入流出的相邻零件有关。为了使可流动液能在飞机的碾压下都流动起来，磁流变液输送管（7）的流量系数要超过1.87。由于发电磁流变液输送管（7）的横截面积a本来就影响发电磁流变液输送管（7）的流量系数u，a和u又单独对流速有影响。因此根据q=u×a×（2×p/ρ）^1/2，令ua=β，则q=β（2×p/ρ）^1/2。发电机发电的条件为0.0095l/s≤q≤0.2l/s（即，小于0.0095l/s发电机不能运转，大于0.2l/s发电机的功率不再增加）。实验中，当q=0.0095l/s时，计算得β1=0.0149×10^-3当q=0.2l/s时，计算出β2=0.314×10^-3,因此流量系数与横截面积的乘积须满足0.0149×10^-3≤β≤0.314×10^-3。在磁流体流动时，磁流体经过磁流变液输送管（7）推动电动/发电液力泵发电。在保证可流动水流都能流入回储磁流变液包（12）的情况下，飞机重与运动速度的关系为：m=(ρsq²v²)/(ku²a²g)。

上面结合附图对本发明的具体实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。