減縮質(zhì)量法與仿升法落震試驗對比研究

胡 銳 張 飛 牟讓科

（1、中國飛機強度研究所，陜西 西安 710065 2、結(jié)構(gòu)沖擊動力學(xué)航空科技重點實驗室，陜西 西安 710065）

飛機起落架落震試驗是飛機研制及定型必要的試驗環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到飛機起落架設(shè)計能力否滿足設(shè)計要求。其原理是通過模擬飛機著陸的姿態(tài)、速度和質(zhì)量等參數(shù)，在滿足起落架緩沖系統(tǒng)吸收能量的同時獲取起落架緩沖系統(tǒng)的動態(tài)特性，落震試驗方法根據(jù)試驗過程中是否提供升力模擬分為減縮質(zhì)量法和仿升法。Milwitzky B 等人[1]中進(jìn)行了減縮質(zhì)量法落震試驗和仿升法落震試驗的對比，并得出可用減縮質(zhì)量法簡化試驗的結(jié)論。齊丕騫[2]等人基于能量等效的原則，提出了一種仿升力均值的概念及仿升力的施加方法，并進(jìn)行了相關(guān)試驗試驗驗證。杜金柱[3]等人通過能量等效的方法，研究了不同落震試驗方法中的等效形式，并給出減縮質(zhì)量法和仿升法的等效的條件。

盡管中國軍用標(biāo)準(zhǔn)[4]及民航適航條例[5]都給出了明確的飛機起落架落震試驗標(biāo)準(zhǔn)和要求，但對減縮質(zhì)量法和仿升法兩種試驗方法的差異并未有定量的分析研究。本文以單腔油-氣式緩沖器起落架為試驗對象，分別進(jìn)行減縮質(zhì)量法落震試驗以及仿升法落震試驗，對比兩種試驗方法在吸收同等能量下起落架撞擊載荷、緩沖器行程及輪胎壓縮量等關(guān)鍵參數(shù)的差別。

1 起落架落震試驗方法

1.1 當(dāng)量質(zhì)量

起落架落震試驗以單獨的起落架考核飛機在著陸過程中起落架的受載情況，飛機著陸時分配在每個起落架上的有效質(zhì)量稱為當(dāng)量質(zhì)量。飛機經(jīng)常以兩點著陸，極個別情況是三點水平著陸[6]。

兩點著陸時，一個主起落架上的當(dāng)量質(zhì)量為：

其中，M 為飛機著陸質(zhì)量。

三點水平著陸時，根據(jù)力平衡及力矩平衡關(guān)系，前起落架上的當(dāng)量質(zhì)量為：

主起落架上的當(dāng)量質(zhì)量為：

其中，a 為停機狀態(tài)飛機重心至前起落架輪軸的水平距離，b 為停機狀態(tài)飛機重心至主起落架輪軸的水平距離，h 為緩沖支柱（器）全伸長時飛機重心離主起落架輪軸的高度，μ 為平均滑動摩擦系數(shù)，一般取μ=0.4。

起落架當(dāng)量質(zhì)量取不同著陸姿態(tài)下對應(yīng)較大的當(dāng)量質(zhì)量，對應(yīng)為（1）式及（2）式。

前、主起落架的緩沖系統(tǒng)所需要吸收的功量為：

其中Mdl為前、主起對應(yīng)的當(dāng)量質(zhì)量，V 為飛機著陸時對應(yīng)的垂向下沉速度。

1.2 起落架落震試驗原理

國內(nèi)的起落架落震試驗主要是在立柱式試驗臺上以自由落體的形式進(jìn)行[5]，試驗設(shè)備主要由臺架系統(tǒng)、提升/釋放系統(tǒng)、當(dāng)量質(zhì)量模擬系統(tǒng)、航向速度模擬系統(tǒng)、仿升力模擬系統(tǒng)及測試系統(tǒng)等構(gòu)成。根據(jù)是否提供升力分為減縮質(zhì)量法及仿升法，以落體系統(tǒng)模擬飛機分配在起落架上的當(dāng)量質(zhì)量，以落體系統(tǒng)的投放高度控制起落架機輪觸地時的垂向速度，以機輪帶轉(zhuǎn)設(shè)備預(yù)先反向轉(zhuǎn)動飛機起落架機輪模擬起落架航向運動速度，通過測量撞擊載荷及緩沖器壓縮量等參數(shù)來判斷起落架受力工作情況，以優(yōu)化、驗證起落架性能。試驗設(shè)備/原理如圖1 所示。

圖1 落震試驗設(shè)備/原理圖

1.3 減縮質(zhì)量法

以減縮質(zhì)量法進(jìn)行落震試驗時不提供升力模擬，下沉速度由起落架系統(tǒng)進(jìn)行自由落體運動保證：

其中，H 為由下沉速度確定的投放高度，g 為重力加速度。根據(jù)起落架系統(tǒng)吸收功量的等價關(guān)系確定投放質(zhì)量，前、主起落架的有效投放質(zhì)量為：

其中L 為升力系數(shù)，一般取L=1，Yc為上部質(zhì)量總位移。落震試驗中，上部質(zhì)量總位移Yc不能精確給出，且試驗過程中Yc隨投放質(zhì)量變化，因此試驗時投放質(zhì)量要利用配重塊進(jìn)行調(diào)節(jié)試湊，直至滿足試驗落體功量與設(shè)計要求的緩沖系統(tǒng)吸收功量的偏差在要求范圍內(nèi)為止。

起落架測試過程中吸收的功量為：

其中，Pz為落震試驗中起落架所受的地面載荷。

1.4 仿升法

以仿升法進(jìn)行落震試驗時需提供升力模擬，其投放高度根據(jù)（5）式確定，有效投放質(zhì)量為：

2 試驗結(jié)果對比分析

單腔油-氣式緩沖器軸向力主要由油液阻尼力和空氣彈簧力組成，其中油液阻尼力峰值出現(xiàn)在壓縮速度最大值處，空氣彈簧力峰值出現(xiàn)在緩沖器最大壓縮量處，因此，單腔油-氣式緩沖器支柱型起落架落震試驗典型地面垂直載荷曲線呈現(xiàn)油液阻尼力峰值和空氣彈簧力峰值先后出現(xiàn)的情形[6]。以某支柱式起落架為試驗對象，分別以仿升法和減縮質(zhì)量法進(jìn)行落震試驗，記錄吸收同等功量下6.65m/s 及6.85m/s 兩種不同下沉速度的典型數(shù)據(jù)，如表1 所示。

表1 試驗典型參數(shù)記錄表

試驗結(jié)果表明，提高下沉速度時油液阻尼力峰值會隨之增大，對比仿升法及減縮質(zhì)量法落震試驗數(shù)據(jù)，兩種下沉速度下的落震試驗結(jié)果呈現(xiàn)一致的規(guī)律：同一工況下仿升法試驗測得空氣彈簧力峰值以及支柱壓縮量較大，減縮質(zhì)量法試驗測得油液阻尼力峰值、起轉(zhuǎn)載荷、回彈載荷以及輪胎壓縮量更大。

其中6.65m/s 下沉速度的典型落震試驗數(shù)據(jù)曲線如圖2～圖5 所示。試驗結(jié)果曲線表明，由于仿升法及減縮質(zhì)量法對地面垂直載荷的影響，對于所示工況兩種試驗方法測得地面垂直載荷的形式發(fā)生變化，由仿升法中的油峰低氣峰高變?yōu)闇p縮質(zhì)量法的油峰高氣峰低，而起落架航向載荷峰值及輪胎壓縮量峰值均出現(xiàn)在油峰附近，油峰的增大直接引起最大航向力及輪胎壓縮量的增大。

圖2 地面垂直載荷及航向載荷曲線

圖3 上部質(zhì)量（吊籃）下沉速度曲線

圖4 支柱壓縮量曲線

圖5 輪胎壓縮量曲線

3 結(jié)論

本文以支柱式起落架為試驗對象，針對同一落震試驗工況，分別以仿升法和減縮質(zhì)量法進(jìn)行落震試驗，對比兩種落震試驗方法測得結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

3.1 仿升法試驗比減縮質(zhì)量法試驗得到的油液阻尼力峰值小而空氣彈簧力峰值大，兩種試驗方法會影響地面垂直載荷的油液阻尼力峰值及空氣彈簧力峰值，對于特定的試驗工況可能改變垂直載荷曲線形式。

3.2 起落架航向載荷峰值及輪胎壓縮量峰值在地面垂直載荷油液阻尼力峰值處出現(xiàn)，對于同一落震試驗工況下，減縮質(zhì)量法對起落架航向承載以及輪胎承載能力考核更為嚴(yán)酷。

3.3 起落架落震試驗中，減縮質(zhì)量法比仿升法試驗得到的支柱壓縮量小，在評估起落架緩沖結(jié)構(gòu)行程極限以及優(yōu)化起落架緩沖器緩沖性能時需考慮此因素。