大型水陸兩棲飛機主起落架水中收放載荷研究

邊寶龍

摘要：本文以某大型水陸兩棲飛機（以下簡稱某型飛機）主起落架為例，介紹了一種起落架水中收放載荷的計算方法。結(jié)合實際情況，本文首先給出了起落架水中收放應(yīng)考慮的外載荷，然后利用Virtual.Lab?Motion建立了多體動力學(xué)分析模型，最后通過仿真計算得到了某型飛機主起落架收放系統(tǒng)設(shè)計所需載荷。通過對起落架水中收放載荷的研究，為起落架的設(shè)計和試驗奠定了理論基礎(chǔ)。與試驗結(jié)果對比表明，該方法是有效的。

關(guān)鍵詞：起落架;水載荷;仿真計算;水陸兩棲飛機

前言

由于起落架的工作環(huán)境復(fù)雜，所以起落架是現(xiàn)代飛機出現(xiàn)故障最多的部件之一[1] 。在起落架的所有工作部件中，由收放機構(gòu)引起的故障概率較高。據(jù)統(tǒng)計，從1993年到2003年，飛機發(fā)生的飛行故障中15%是由于飛機起落架的故障導(dǎo)致的，而在起落架的故障中，又有23%是由于起落架收放機構(gòu)導(dǎo)致的[2] 。在飛機飛行時，為了減小阻力應(yīng)將起落架收藏于機身或機翼內(nèi)[4] 。對于復(fù)雜而又有精度要求的控制系統(tǒng)，若需獲取準(zhǔn)確的性能參數(shù)，傳統(tǒng)的方法是進(jìn)行工程試驗。工程試驗具有工作量大、試驗周期長、費用高的特點。進(jìn)人21世紀(jì)后，半物理仿真作為輔助或替代物理樣機試驗與測試的有效手段，貫穿于整個產(chǎn)品生命周期，從方案論證、設(shè)計研制到地面試驗，乃至后續(xù)改型和故障分析，有效地提高了產(chǎn)品開發(fā)效率[5] .

與傳統(tǒng)的運輸類飛機相比，某大型水陸兩棲飛機（簡稱某型飛機）既能在陸上起降，也能在水中起降。當(dāng)飛機從地面通過下滑道進(jìn)入水里滑行并起飛時，需要先把起落架收起來，當(dāng)飛機在水上著水時，需在水中滑行并放下起落架，從而通過下滑道進(jìn)入陸上機場。由于水的密度約為空氣密度的800多倍，因此，在設(shè)計起落架收放系統(tǒng)時，起落架水中收放的受載情況不可忽視。某型飛機的主起落架安裝于中機身兩側(cè)，支柱較高，收放機構(gòu)和軌跡異常復(fù)雜，其中主起落架水中收放載荷的設(shè)計是難點之一。由于國內(nèi)以前從未有大型水陸兩棲飛機起落架的設(shè)計經(jīng)驗，對起落架水中收放載荷的研究尚屬空白。本文以某型飛機主起落架為例說明起落架水中收放載荷計算情況。

1??起落架水中收放載荷計算方法

在起落架劃水收放過程中，收放機構(gòu)的載荷是通過與所有起落架外載荷對起落架旋轉(zhuǎn)軸力矩的平衡條件求得的[3] 。這些載荷包括：起落架的質(zhì)量力、水流產(chǎn)生的迎面阻力、浮力、摩擦力、上鎖阻力等。某型飛機具有起落架護(hù)板，因此還需要考慮護(hù)板的阻力。

a）質(zhì)量力

收放時，質(zhì)量力作用在轉(zhuǎn)動零件的重心上，其方向指向地面。起落架收放承受質(zhì)量力Pm由下式確定：

式中：——轉(zhuǎn)動部分重力，N;

——起落架收放時的使用過載，在湖面上通常取為1.0。

b）水阻力

起落架各零件的氣動阻力作用在壓心上，且指向順?biāo)鞣较颍藭r阻力P為：

其中：起落架各零件上的水阻力系數(shù);

起落架各零件在垂直于水流平面上的投影面積;

速壓，

允許收放起落架的最大滑行速度。

起落架水阻力系數(shù)可按以下三部分計算：

（1）支柱水阻力

支柱水阻力作用在壓心上，指向順?biāo)鞣较颍枇ο禂?shù)按下表差值：

（2）機輪水阻力

機輪迎面阻力系數(shù)Cxw可按圖1曲線查取。其中W/D為輪胎的寬徑比。對于雙輪或多輪同軸起落架，其Cxw值與機輪空隙有關(guān)，當(dāng)空隙大于機輪的寬度時，可按單輪選取系數(shù)。機輪側(cè)面阻力系數(shù)取平板阻力系數(shù)。

（3）護(hù)板阻力

對于固定在起落架上的護(hù)板、艙門等板狀零件，垂直于板平面的迎面阻力系數(shù)按平板阻力系數(shù)計算，即1.28。

c）浮力

起落架在水中收放時，受到浮力的作用。根據(jù)阿基米德原理，浮力：

式中：——水的密度;

g——重力加速度;

V——排水體積，取起落架沒入水中的體積;

2??起落架水中放下外載荷計算

由于某型飛機主起落架為向后收起，向前放下，因此滑行產(chǎn)生的向后的水載荷幫助起落架收起，阻礙起落架放下，水中收起過程收放機構(gòu)載荷可以被空中收起情況所覆蓋，因此，此處主要研究起落架水中放下情況。

表1為某一段時間內(nèi)的水中滑行主起落架放下過程中飛機速度變化實測數(shù)據(jù)，速度為地速（由于是在天氣好時的湖中試飛，可忽略水流速度）。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，飛機在放下過程中速度是降低的，且起落架在開始放與起落架放下的速度差不小于5km/h。由于該速度對載荷影響較大，需加以考慮。

在起落架放下過程中，機輪剛完全沒入水中時起落架上的阻力總載荷最大，因此選擇此時的載荷作為起落架收放的外載荷，飛機以15km/h滑行時收放起落架過程中，左主起外載荷匯總?cè)缦卤恚碇屑虞d點坐標(biāo)為起落架放下鎖定時飛機坐標(biāo)系下得到。

3??起落架水中放下作動筒載荷計算模型

采用多體動力學(xué)仿真的方法計算，建立的多體動力學(xué)模型如圖2所示。載荷施加于起落架上，通過動力學(xué)仿真得到收放作動筒的載荷，用于起落架設(shè)計。

4??起落架收放作動筒載荷計算結(jié)果分析

通過試飛可以獲得起落架收放作動筒的載荷，與計算結(jié)果對比如圖3所示。

上圖中，負(fù)值代表起落架在放下過程中作動筒上的力是拉力，而正值表示作動筒是推力。由于系統(tǒng)壓力控制邏輯的原因，故顯示初始0.5s的作動筒載荷較大，但并非實際作動筒載荷。

5??結(jié)論

通過以上分析可得下述結(jié)論：

1.起落架水中收放承受的外載荷的計算方法是有效的，在缺少更詳細(xì)的試驗數(shù)據(jù)的情況下用于起落架設(shè)計是可行的。

2.在起落架水中收放過程中必須記及速度變化對載荷的影響。

3.在起落架水中收放過程中，浮力對收放系統(tǒng)載荷的影響比較明顯。

4.多體動力學(xué)仿真計算方法對起落架水中收放的計算是有效的。

參考文獻(xiàn)：

[1] 姜澄宇.從國外民機重大研究計劃看大型民機發(fā)展的重大關(guān)鍵技術(shù)[C]中國航空學(xué)會2007年學(xué)術(shù)年會論文集：總體設(shè)計綜合技術(shù)O1[A].深圳，2007.

[2] 陳琳.飛機起落架收放運動與動態(tài)性能仿真分析[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2007.

[3] 航空航天工業(yè)部科學(xué)技術(shù)委員會.飛機起落架強度設(shè)計指南[M].四川科學(xué)技術(shù)出版社，1989.

[4] 強于輝，童明波.某型飛機起落架收放過程仿真[J].流體傳動與控制，2009，7（2）：29—31.

[5] 諾曼·斯·柯里.起落架設(shè)計手冊[M].北京：航空工業(yè)部，1982.

[6] 《飛機設(shè)計手冊》總編委會?編.機設(shè)計手冊（14）[M].航空工業(yè)出版社，2001.

（作者單位：中航通用飛機有限責(zé)任公司）