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。結合實際情況，本文首先給出了起落架水中收放應考慮的外載荷，然后利用Virtual.Lab?Motion建立了多體動力學分析模型，最后通過仿真計算得到了某型飛機主起落架收放系統設計所需載荷。通過對起落架水中收放載荷的研究，為起落架的設計和試驗奠定了理論基礎。與試驗結果對比表明，該方法是有效的。

關鍵詞：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境復雜，所以起落架是現代飛機出現故障最多的部件之一[1] 。在起落架的所有工作部件中，由收放機構引起的故障概率較高。據統計，從1993年到2003年，飛機發生的飛行故障中15%是由于飛機起落架的故障導致的，而在起落架的故障中，又有23%是由于起落架收放機構導致的[2] 。在飛機飛行時，為了減小阻力應將起落架收藏于機身或機翼內[4] 。對于復雜而又有精度要求的控制系統，若需獲取準確的性能參數，傳統的方法是進行工程試驗。工程試驗具有工作量大、試驗周期長、費用高的特點。進人21世紀后，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，貫穿于整個產品生命周期，從方案論證、設計研制到地面試驗，乃至后續改型和故障分析，有效地提高了產品開發效率[5] .

與傳統的運輸類飛機相比，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。當飛機從地面通過下滑道進入水里滑行并起飛時，需要先把起落架收起來，當飛機在水上著水時，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，在設計起落架收放系統時，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，支柱較高，收放機構和軌跡異常復雜，其中主起落架水中收放載荷的設計是難點之一。由于國內以前從未有大型水陸兩棲飛機起落架的設計經驗，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，收放機構的載荷是通過與所有起落架外載荷對起落架旋轉軸力矩的平衡條件求得的[3] 。這些載荷包括：起落架的質量力、水流產生的迎面阻力、浮力、摩擦力、上鎖阻力等。某型飛機具有起落架護板，因此還需要考慮護板的阻力。

a）質量力

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

式中：——轉動部分重力，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，且指向順水流方向，此時阻力P為：

其中：起落架各零件上的水阻力系數;

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，指向順水流方向，水阻力系數按下表差值：

（2）機輪水阻力

機輪迎面阻力系數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，當空隙大于機輪的寬度時，可按單輪選取系數。機輪側面阻力系數取平板阻力系數。

（3）護板阻力

對于固定在起落架上的護板、艙門等板狀零件，垂直于板平面的迎面阻力系數按平板阻力系數計算，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為某一段時間內的水中滑行主起落架放下過程中飛機速度變化實測數據，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）。

從以上數據可以看出，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，左主起外載荷匯總如下表，表中加載點坐標為起落架放下鎖定時飛機坐標系下得到。

3??起落架水中放下作動筒載荷計算模型

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

4??起落架收放作動筒載荷計算結果分析

通過試飛可以獲得起落架收放作動筒的載荷，與計算結果對比如圖3所示。

上圖中，負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??結論

通過以上分析可得下述結論：

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

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，浮力對收放系統載荷的影響比較明顯。

4.多體動力學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：

[1] 姜澄宇.從國外民機重大研究計劃看大型民機發展的重大關鍵技術[C]中國航空學會2007年學術年會論文集：總體設計綜合技術O1[A].深圳，2007.

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

[3] 航空航天工業部科學技術委員會.飛機起落架強度設計指南[M].四川科學技術出版社，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.起落架設計手冊[M].北京：航空工業部，1982.

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

（作者單位：中航通用飛機有限責任公司）