直升機滑橇式起落架總體布局參數確定及軟件開發

侯雅瓊，周琪琛

（航空工業直升機設計研究所，天津，300000）

0 引言

直升機憑借卓越的機動性能在航空領域中發揮著越來越重要的作用，是現代軍用立體合成作戰和民用運輸、搜索、救援中不可缺少的高技術裝備。而起落架是直升機在地面停放、起飛、著陸時用于支撐機體重量，承受相應載荷的裝置，其能消耗和吸收直升機在著陸和滑跑時的撞擊能量。直升機起落架一般分為輪式和滑橇式兩種，輪式起落架又有多種細分方式：按照布局位置的不同可分為前三點和后三點式，按照能否收放可分為可收放式和不可收放式起落架。合理的起落架形式的選擇對直升機的起落安全至關重要，不同噸位、功能的直升機選擇起落架的型式、總體參數不同。

輪式起落架多用于中型、重型直升機，能承載更大的降落壓力，降低了移動直升機的難度，可實現滑跑起飛和滑跑著陸。不可收放式輪式起落架也有增強硬著陸緩沖的效果。可收放式優點更多的是減輕阻力，或增強隱身效果。滑橇式起落架一般用于輕型直升機，其結構簡單可靠，重量輕，成本低，維護簡單，著陸時靠滑橇起落架結構的彈性變形來吸收撞擊能量，起到緩沖的作用。

輪式起落架主要由緩沖裝置、機輪、輪胎等結構組成，目前已有大量設計方法和文獻對起落架壓力、尺寸、抗墜毀等參數進行描述。滑橇式起落架因適用范圍較小，尚沒有完整的設計流程，對起落架進行從全局考慮的、系統的總體參數設計。本文首先從直升機整體需求角度確定滑橇式起落架總體參數確定流程；其次用反復迭代的思想選取其最優組合；在此基礎上，開發應用于滑橇式起落架總體參數設計軟件；并在已有型號的直升機上進行起落架設計驗證。

1 滑橇式起落架總體參數確定方法

■1.1 滑橇式起落架總體布局參數介紹

滑橇式起落架主要由左/右滑管、前/后橫管組成，示意圖見圖1，其總體布局參數主要有：

圖1 滑橇式起落架示意圖

(a)停機角φ：直升機停放時，機身縱軸和地面之間夾角；

(b)縱向跨距b：左右滑管的長度；

(c)橫向跨距B：左/右滑管之間的橫向距離；

(d)結構離地最小距離h0：機體最低點離地距離；

(e)后罩角β：停機時，通過重心和左右滑管地面后接觸點所形成的平面，與重心垂向之間的夾角；

(f)前罩角γ：停機時，通過重心和左右管地面前接觸點所形成的平面，與重心垂向之間的夾角。

(g)側罩角ε：停機時，通過重心和滑管所形成的平面，與重心垂向之間的夾角；

(h)自轉著陸角θ：機輪未壓縮時，通過滑橇后著地點和尾橇的切面與停機地面之間的夾角。

■1.2 滑橇式起落架總體布局參數確定流程

1.2.1 確定直升機的停機角

為使直升機前飛時機身姿態基本水平，直升機旋翼平面往往不平行于機身水平線，前傾一定角度γ。但在直升機停落在地面時，旋翼軸的前傾角產生朝前的拉力，導致直升機有向前滑行的趨勢。為避免此現象，在停機時使機身后仰一定角度，減小甚至抵消旋翼產生的朝前拉力分量，機身在停機時后仰的角度為停機角。

停機角一般取值：0≤φ≤γ。過大的后仰角會造成旋翼拉力水平分力朝后，直升機向后滑行。

1.2.2 確定滑橇與地面接觸點離機腹的高度h0

為避免直升機最大壓縮量時機體結構與地面凸出物相碰，首先需要確定滑橇與地面接觸點離機腹的高度h0。國軍標對此有具體的要求：“在直升機最大壓縮量時，機身最低點（含外部天線）離地最小距離不少于150mm”。h0越大，直升機與地面接觸時機身最低點距離地面間隔越大，可有效保證機身結構不與地面凸起物接觸甚至相撞。h0的大小同時也影響著其他總體布局參數（如后罩角、側罩角、縱向跨距）的取值，不宜過大，否則會導致起落架過高、質量超重的不良影響。h0取值限制：h0>150mm。

確定h0后，在離機身最低點h0距離處畫一個水平面m，水平面與xz平面相交得到水平線l，左右滑管在此平面m上與地面接觸。

1.2.3 確定直升機重心距離地面的高度hw

直升機重心位置對起落架總體布局具有深遠的影響，在機身上標注重心位置，重心距離地面的高度hw=h0+h1（重心距離機身最低點高度）。

1.2.4 確定直升機滑橇后著地點的縱向位置c

滑橇后著地點的縱向位置c影響后罩角β與自轉著陸角θ的取值。c越大，后罩角β與自轉著陸角θ隨之增大，與c正相關。

為防止尾槳觸地損傷結構，直升機一般在尾梁處裝尾撐或者尾橇，尾橇的布置決定了尾槳的位置。自轉著陸角θ定義為機輪未壓縮時，通過滑橇后著地點與尾橇的切面與停機地面之間的夾角。其大小要保證起落架及尾撐著地且最大程度壓縮時，尾梁和尾槳離地面距離≥150mm，建議取值：8-12°。

后罩角β的定義為滑橇后著地點和重心形成平面與重心垂線的夾角，它的取值主要考慮到直升機發生后翻自行恢復到停機狀態的能力。直升機大仰角、斜坡著陸或尾部負載過重時，機身后仰，有可能發生直升機后翻。當直升機發生后翻時，起落架與尾撐著地且最大程度壓縮，為使直升機有自行恢復的能力，此時需將滑橇后著地點A布置在重心垂直線后，即后罩角β>自轉著陸角θ。但后罩角β過大會導致滑橇后著地點的縱向位置c過大，會引起滑橇前著陸點承受載荷過大，因此后罩角β建議取值：30-40°。

在xz平面繪制過尾撐最低點與水平線夾角θ的直線m，直線m與直線l相交點為滑橇后著地點的縱向位置c。

1.2.5 確定直升機滑橇前著地點的縱向位置a

不同于輪式起落架，滑橇式起落架有前后四個著地點A1/A2/A3/A4。為防止直升機大俯角或者斜坡著陸造成直升機前傾，設計前傾角考慮因素同后傾角，建議取值：30-40度。

1.2.6 確定左右滑管之間橫向跨距B

大風天氣下直升機滑跑著陸，因強氣流影響導致直升機易向一側傾倒、側滑。為避免直升機側翻事故的發生，直升機側罩角不能過小。以左側翻為例，在側翻瞬間，右側滑管恰好離地，僅有左側滑管著地，此時直升機受力情況如下：

直升機此時受重力G，左側滑管處地面提供的支持力N、摩擦力f，慣性力P。慣性力P和摩擦力f組成側翻力矩，重力G與支持力N組成恢復力矩。要使直升機不側翻，需要：

側罩角的大小代表著直升機防側翻能力的高低，由上式可知，直升機重心越低，左右滑管間橫向間距越大，側罩角越大，防側翻能力越好。但由于直升機機身廢阻和重量限制，左右滑管間橫向跨距不易過大，應在滿足防側翻要求范圍內選擇盡可能小的橫向跨距。

2 軟件設計

■2.1 設計流程

圖2 滑橇式起落架設計流程

■2.2 軟件編寫

理論知識為工程應用服務，在實際應用中簡化設計流程，提高設計效率是當前階段的任務。隨著計算機技術高速發展，為更高效設計，開發應用于滑橇式起落架總體參數設計軟件，對于在計算機上快速實現起落架總體布置具有重大意義。

本章提出的滑橇式起落架總體參數設計軟件使用通用的程序設計語言Matlab,其用戶界面及人機對話友好，能大幅度縮減起落架設計周期，提高設計質量和效率。軟件主要包括輸入參數和輸出參數模塊。已知在滑橇式起落架設計計算中，需要提供直升機重心位置、滑橇觸地點離機腹高度h0、旋翼軸前傾角、直升機停機角。而且，為滿足直升機防翻能力的需要，還需指定直升機預期的觸地指標—自轉著陸角、機頭角及側罩角。根據上述描述的設計流程，根據界面所示的輸入參數可獲取當前狀態下的滑橇滑管的位置、尺寸。

圖3 總體參數設計軟件界面

3 型號驗證

現采用上述方法對某型無人直升機進行起落架總體參數確定，設計一新滑橇式起落架，隨后與原有起落架總體參數進行比較，用于驗證上述滑橇式起落架設計方法有效性。

計算用到的坐標系如圖4所示。其中X軸水平向后；Z軸垂直于X軸向上；Y軸垂直于機體對稱面OXZ向右。槳轂中心（2.500，0，1.275）。

圖4 某型機起落架方案設計

(1)構型選擇

由于該型機最大起飛重量小于500kg，屬于輕型直升機，故選用滑橇式起落架。

(2)確定直升機停機角

該機旋翼軸前傾角為2°，故停機角也為0°。

(3)確定滑橇觸地點距離機身最低點高度h0

該機機頭吊裝光電吊艙，距離地面最近。為避免直升機最大壓縮量時機體結構與地面凸出物相碰，設置光電吊艙最低點離地距離300mm，在距離光電吊艙最低點300mm處繪制水平線l。

(4)確定直升機滑橇后著地點的縱向位置c

(a)確定自轉著陸角。

該機尾槳處安裝有尾撐，保護尾槳不觸地。因安裝光電吊艙造成滑橇高度較高，尾撐也處于較高位置，設置自轉著陸角為12°。過尾撐最低點繪制與水平面夾角12°的直線m，與水平線l交點P為滑橇后著地點。

(b)確定后罩角。

連接直升機重心與P點，直線與過重心鉛垂線夾角31°，后罩角為 31°。

(c)驗證防后翻能力。

β － θ= 31°－ 12°= 19°＞ 0°

(d)確定直升機滑橇后著地點的縱向位置c。

c=710mm。

(5）確定直升機滑橇前著地點的縱向位置a。

同理，a=1150mm，前罩角43°。

(6）左右滑管之間橫向跨距B。

側罩角的大小代表著直升機防側翻能力的高低，取側罩角ε=33°，即取μ= tan33°= 0.649。由公式可知：B≥2×h×tanε=2×1155mm×0.649=1500mm，取橫向跨距B=1500mm，將滑橇的左右滑管對稱布置在機身兩側。

經過上述分析，該機滑橇式起落架總體布局參數設計完畢。將設計值與該機起落架實際值進行比對，驗證設計方法與設計值的準確性，結果見表1。

表1 設計參數與原參數

從表1可以看出，使用上述方法設計的滑橇式起落架總體參數與原參數十分相近。

4 結論

本文用反復迭代的思想，首先根據旋翼軸前傾角，確定機身停機角；進而根據機身離地高度、停機角要求，確定滑橇著地點豎向位置；然后根據防后翻的要求，確定滑橇后觸地點縱向位置；再根據防前翻要求，確定滑橇前著地點縱向位置；然后根據防側翻要求，確定主輪距。期間任何一步參數不滿足要求，則返回重新進行。由此獲取滑橇式起落架總體布置的方法。本文還使用matlab編制滑橇式起落架總體參數設計軟件，其用戶界面及人機對話友好，可實現滑橇式起落架快速設計。