劉向堯，詹家禮

(1.貴州理工學(xué)院 航空航天工程學(xué)院，貴州 貴陽(yáng) 550003；2.桂林航天工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，廣西 桂林 541004)

0 引言

2018年1月，工業(yè)和信息化部發(fā)布了《無(wú)人駕駛航空器飛行管理暫行條例(征求意見稿)》，對(duì)幾種無(wú)人機(jī)的概念給予了明確。微型無(wú)人機(jī)，是指空機(jī)質(zhì)量小于0.25千克，設(shè)計(jì)性能同時(shí)滿足飛行真高不超過(guò)50米、最大飛行速度不超過(guò)40千米/小時(shí)、無(wú)線電發(fā)射設(shè)備符合微功率短距離無(wú)線電發(fā)射設(shè)備技術(shù)要求的遙控駕駛航空器。

輕型無(wú)人機(jī)，是指同時(shí)滿足空機(jī)質(zhì)量不超過(guò)4千克，最大起飛質(zhì)量不超過(guò)7千克，最大飛行速度不超過(guò)100千米/小時(shí)，具備符合空域管理要求的空域保持能力和可靠被監(jiān)視能力的遙控駕駛航空器，但不包括微型無(wú)人機(jī)。

小型無(wú)人機(jī)，是指空機(jī)質(zhì)量不超過(guò)15千克或者最大起飛質(zhì)量不超過(guò)25千克的無(wú)人機(jī)，但不包括微型、輕型無(wú)人機(jī)。

中型無(wú)人機(jī)，是指最大起飛質(zhì)量超過(guò)25千克不超過(guò)150千克，且空機(jī)質(zhì)量超過(guò)15千克的無(wú)人機(jī)。

大型無(wú)人機(jī)，是指最大起飛質(zhì)量超過(guò)150千克的無(wú)人機(jī)。

起落緩沖裝置，位于飛行器起落裝置(對(duì)飛機(jī)而言，一般稱為起落架)中。在大型無(wú)人機(jī)中，起落架的緩沖裝置為緩沖器，從緩沖吸能效率的角度考慮，普遍采用油氣式緩沖器。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)油氣式緩沖器的若干問(wèn)題研究較多，比如結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[1]、受力情況[2]、優(yōu)化設(shè)計(jì)[3]、受力影響因素[4]等問(wèn)題。

受承力幅值、質(zhì)量或者緩沖效率等因素的影響，其他類型的起落緩沖裝置在大型無(wú)人機(jī)中應(yīng)用較少；而輕型和微型無(wú)人機(jī)由于起飛質(zhì)量小，著陸時(shí)需要吸收耗散的能量小，較之其他幾種類型的無(wú)人機(jī)，起落裝置的支撐作用更明顯，緩沖吸能作用不明顯。

考慮到質(zhì)量、成本等因素的影響，中小型無(wú)人機(jī)的起落緩沖裝置沒有采用油液式緩沖器的方案，有其獨(dú)特的方案，比如通過(guò)扁簧或者滑橇自身的材料特性進(jìn)行緩沖。而目前國(guó)內(nèi)對(duì)于此領(lǐng)域的綜述類文章較少見文獻(xiàn)報(bào)道。

綜上所述，結(jié)合已有的國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)，主要對(duì)扁簧式和滑橇式起落架的技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行介紹，然后談及其他類型的起落架，最后結(jié)合一些技術(shù)問(wèn)題對(duì)未來(lái)的研究方向進(jìn)行展望，希望對(duì)飛行器起落裝置的工程技術(shù)人員有所幫助。

1 扁簧式起落架

扁簧式起落架具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠、成本低、易于工程師維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于中小型低速無(wú)人機(jī)中。

扁簧式起落架的起落緩沖裝置是扁簧。不同于液體彈簧，扁簧是起落架領(lǐng)域中常見的一種固體彈簧，扁簧作為一種連接機(jī)身與機(jī)輪的彈性支撐結(jié)構(gòu)通常使用金屬鋁(也可使用復(fù)合材料)制作，其通過(guò)自身結(jié)構(gòu)的彎曲變形來(lái)實(shí)現(xiàn)著陸過(guò)程中垂向能量的吸收和耗散，是中小型無(wú)人機(jī)的一種緩沖器。其缺點(diǎn)是不可收放，起飛后的阻力較大，因此不適用于航行速度大的無(wú)人機(jī)。

扁簧式起落架的代表性應(yīng)用有美國(guó)RQ－7影子無(wú)人機(jī)，以色列的蒼鷲無(wú)人機(jī)等。以色列的蒼鷲無(wú)人機(jī)如圖1[5]所示。

圖1 以色列蒼鷲無(wú)人機(jī)

在此，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和強(qiáng)度分析2個(gè)角度將已有文獻(xiàn)進(jìn)行分類介紹。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

起落架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的輸入條件是指起落架工程技術(shù)人員在進(jìn)行起落架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前應(yīng)該獲得的起落架的外部信息，包括起落架和機(jī)體結(jié)構(gòu)的形狀協(xié)調(diào)、起落架需要承受的外載荷、起落架自身的受力特性、起落架的使用環(huán)境、起落架的生產(chǎn)條件等信息。

依據(jù)上述的輸入條件，起落架工程技術(shù)人員進(jìn)行起落架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將起落架從無(wú)到有地進(jìn)行設(shè)計(jì)、制造與使用。

1.1.1 結(jié)構(gòu)尺寸

起落架采用復(fù)合材料板簧(扁簧)結(jié)構(gòu)形式，一端固定在機(jī)體上，另一端與輪胎相連接。在航空器著陸緩沖過(guò)程中，輪胎的受壓變形對(duì)著陸沖擊的緩沖有限，板簧緩沖件起主要的載荷承載作用。在局部詳細(xì)設(shè)計(jì)上，通過(guò)進(jìn)一步選擇合理的結(jié)構(gòu)形式(如截面形式等)，可以更好地滿足強(qiáng)度等應(yīng)用要求[6]。

無(wú)人機(jī)起落架尺寸主要參考機(jī)身與起落架連接部位的最大寬度，機(jī)身最大寬度為0.5 m，起落架機(jī)輪間距的確定取決于飛機(jī)側(cè)翻角的大小。陸基飛機(jī)側(cè)翻角不得大于63°，艦載機(jī)不得大于54°。參考《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)第14冊(cè)—起飛著陸系統(tǒng)設(shè)計(jì)》確定無(wú)人機(jī)機(jī)側(cè)翻角不得大于46°，從而確定前后起落架之間的水平距離、主起落架機(jī)輪間距以及起落架高度等參數(shù)。主起落架由泡沫夾芯碳纖維矩形管以及與機(jī)輪連接部位的鉛合金板件結(jié)構(gòu)組合而成[7]。

基于工程經(jīng)驗(yàn)公式和數(shù)值仿真相結(jié)合的方法設(shè)計(jì)了某型號(hào)無(wú)人機(jī)主起落架，確定了復(fù)合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)構(gòu)型及橫截面幾何尺寸、復(fù)合材料鋪層順序[8]。

1.1.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

結(jié)構(gòu)形式和尺寸初步確定后，進(jìn)一步地開展優(yōu)化設(shè)計(jì)工作，提高起落架性能和減輕起落架質(zhì)量。比如弓形(扁簧)起落架的軸線形狀和橫截面直接影響無(wú)人飛機(jī)著陸時(shí)起落架的緩沖性能。為提高弓形起落架的緩沖性能，基于能量法構(gòu)建了弓形起落架的參數(shù)化模型，以某一無(wú)人機(jī)的起落架為對(duì)象采用遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。結(jié)果證明優(yōu)化后的弓形起落架吸收沖擊能量的能力得到了提高，同時(shí)減小了起落架的質(zhì)量[9]。

由于提高扁簧的阻尼性能對(duì)飛機(jī)的平穩(wěn)性具有重要影響，研究了扁簧阻尼模型的建立方法以及約束阻尼層的拓?fù)鋬?yōu)化方法，為設(shè)計(jì)高阻尼性能扁簧提供了依據(jù)[10]。

1.2 強(qiáng)度分析

起落架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是個(gè)迭代的過(guò)程，其動(dòng)、靜、疲勞強(qiáng)度等因素對(duì)結(jié)構(gòu)有重要影響，所以強(qiáng)度分析成為學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)。

1.2.1 設(shè)計(jì)方法

運(yùn)用工程梁理論將板簧(扁簧)式起落架看做一個(gè)外伸梁，通過(guò)滿應(yīng)力反向迭代設(shè)計(jì)來(lái)確定緩沖器的厚度分布。設(shè)計(jì)所得的緩沖器在最大受載狀態(tài)等價(jià)為等強(qiáng)度梁，從而使起落架設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)用最小重量代價(jià)滿足緩沖吸能的設(shè)計(jì)目標(biāo)[11]。

利用工程簡(jiǎn)化算法和數(shù)值仿真計(jì)算2種方法對(duì)某小型無(wú)人機(jī)的降落過(guò)程中起落架受載進(jìn)行分析計(jì)算，獲得了起落架載荷和變形量。通過(guò)計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析，得出簡(jiǎn)化算法能快捷的獲得起落架載荷，而數(shù)值仿真計(jì)算方法能直觀的顯示起落架變形時(shí)間歷程同時(shí)通過(guò)迭代計(jì)算能獲得相對(duì)更優(yōu)結(jié)果結(jié)論[12]。

1.2.2 仿真分析

設(shè)計(jì)了復(fù)合材料扁簧式起落架，并提出了一種可增加扁簧柔性變形的機(jī)構(gòu)。為確保設(shè)計(jì)的合理性，聯(lián)合有限元及動(dòng)力學(xué)軟件對(duì)模型進(jìn)行校核，采用剛?cè)峄旌辖５姆椒◤倪\(yùn)動(dòng)構(gòu)件中提取出沖擊載荷并施加到有限元模型中進(jìn)行動(dòng)強(qiáng)度分析[13]。

基于LS－DYNA非線性動(dòng)力學(xué)平臺(tái)建立了復(fù)合材料扁簧式起落架落震過(guò)程的剛?cè)狁詈夏Ｐ?，并采用顯示積分法對(duì)落震模型進(jìn)行求解，依據(jù)所建的落震試驗(yàn)平臺(tái)，測(cè)試了扁簧落震的相關(guān)參數(shù)，并將試驗(yàn)結(jié)果與非線性動(dòng)力學(xué)仿真分析結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析[14]。

對(duì)沖擊載荷下復(fù)合材料板簧(扁簧)式起落架的動(dòng)強(qiáng)度進(jìn)行研究。首先用Nastran軟件輔助生成板簧的模態(tài)中性文件，將其導(dǎo)入ADAMS軟件中生成板簧的柔性體，并采用剛?cè)峄旌辖?duì)起落架落地過(guò)程進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真；然后從動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果中提取出板簧所受的沖擊載荷，并將其施加到Nastran軟件中進(jìn)行動(dòng)強(qiáng)度分析；最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量這一過(guò)程板簧發(fā)生的沖擊應(yīng)變[15]。

將扁簧剛－柔耦合建模方法進(jìn)一步應(yīng)用于無(wú)人機(jī)多體模型的建立，詳細(xì)的對(duì)無(wú)人機(jī)多體系統(tǒng)中的各主要組成部分進(jìn)行了介紹，為在MATLAB/Simulink中實(shí)現(xiàn)飛行器的剛－柔多體動(dòng)力學(xué)分析提供了參考。并與氣動(dòng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等物理模型結(jié)合開發(fā)了無(wú)人機(jī)多學(xué)科仿真平臺(tái)，從而能夠在更為復(fù)雜、更為接近真實(shí)系統(tǒng)的仿真環(huán)境下對(duì)起落架系統(tǒng)或控制系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試分析[16]。

設(shè)計(jì)了靜力學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真測(cè)試以及扁簧落震實(shí)驗(yàn)對(duì)所建扁簧狀態(tài)空間柔性模型進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明:靜力條件下，狀態(tài)空間模型與有限元軟件靜力分析結(jié)果僅有0.07%的誤差，驗(yàn)證了柔性模型計(jì)算的準(zhǔn)確性；另外，包含柔性狀態(tài)空間模型的落震仿真模型的仿真步長(zhǎng)為1 ms，與落震實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差小于5%，滿足飛行仿真的要求[17]。

1.2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

對(duì)起落架進(jìn)行靜力學(xué)計(jì)算分析，得到起落架在不同載荷下的變形結(jié)果；對(duì)最大變形時(shí)刻的起落架進(jìn)行強(qiáng)度初步校核，結(jié)果表明起落架強(qiáng)度符合靜力學(xué)設(shè)計(jì)需求并通過(guò)試驗(yàn)研究驗(yàn)證了計(jì)算分析結(jié)果的準(zhǔn)確性[18]。

首先通過(guò)試驗(yàn)測(cè)定了扁簧式起落架的剛度曲線，為后續(xù)分析和試驗(yàn)奠定基礎(chǔ)；其次采用防滑剎車?yán)碚撝械碾p線性模型來(lái)模擬輪胎與地面間的結(jié)合系數(shù)，計(jì)算出無(wú)人機(jī)著陸時(shí)的最大起轉(zhuǎn)載荷；最后采用質(zhì)量縮減法進(jìn)行了落震試驗(yàn)[19]。

2 滑橇式起落架

滑橇式起落架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量較輕，主要用于雪地和沙灘等松軟著陸地面，且不適合采用輪式起落架著陸的地面；或者無(wú)人機(jī)著陸時(shí)平飛速度較小而無(wú)需采用輪式起落架的情況?；潦狡鹇浼芘c地面的接觸面積很大，著陸時(shí)滑橇與地面的摩擦力可以使飛機(jī)在較短時(shí)間內(nèi)停止，而且它對(duì)著陸場(chǎng)地的要求不高。

滑橇式起落架多應(yīng)用在輕型直升機(jī)上，主要構(gòu)件是2根滑筒和2根弓形梁，機(jī)身與弓形梁連接?；良仁秋w行器停機(jī)時(shí)的支撐部件，又是著陸時(shí)吸收著陸功量的緩沖裝置。

滑橇式起落架的代表性應(yīng)用有中國(guó)直－11軍民兩用直升機(jī)，美國(guó)的貝爾429直升機(jī)等。美國(guó)貝爾429直升機(jī)如圖2所示。

圖2 美國(guó)貝爾429直升機(jī)

基于滑橇式起落架的使用原理，滑橇式起落架不僅應(yīng)用在輕型直升機(jī)領(lǐng)域，還應(yīng)用在中小型無(wú)人機(jī)領(lǐng)域。

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)一般起落架的基本任務(wù)和設(shè)計(jì)思路，提出了某型無(wú)人機(jī)滑橇式起落架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，根據(jù)起落架的使用要求，確定了起落架的基本形式和結(jié)構(gòu)材料[20]。

根據(jù)GJB720—2012的有關(guān)要求，完成了某型直升機(jī)滑橇式起落架的方案設(shè)計(jì)，確定了弓形梁和滑管總體尺寸、鋪層方案等關(guān)鍵參數(shù)，計(jì)算了復(fù)合材料滑橇式起落架在不同著陸速度下的吸能特性[21]。

2.2 強(qiáng)度分析

與扁簧式起落架類似，起落架的動(dòng)力學(xué)特性，尤其是著陸緩沖性能成為學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)。

2.2.1 設(shè)計(jì)方法

輕型直升機(jī)的滑橇式起落架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有著廣泛的實(shí)際應(yīng)用。針對(duì)某項(xiàng)目直升機(jī)的設(shè)計(jì)需要，用機(jī)械能守恒定律和材料力學(xué)的方法對(duì)該型起落架的著陸載荷做出定量分析，并校核了起落架的垂直過(guò)載和強(qiáng)度[22]。

直升機(jī)與固定翼飛機(jī)在起落裝置研究方向中的一個(gè)差異就是直升機(jī)存在“地面共振”問(wèn)題。

直升機(jī)的“地面共振”問(wèn)題是指直升機(jī)在地面起飛降落時(shí)旋翼與機(jī)體耦合產(chǎn)生的自激動(dòng)不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象。主要原因是旋翼引起機(jī)身振動(dòng)頻率和起落架的固有頻率相接近時(shí)，使振動(dòng)振幅不斷增加，從而導(dǎo)致直升機(jī)毀壞。

為了使設(shè)計(jì)出來(lái)的直升機(jī)型號(hào)避免出現(xiàn)“地面共振”不穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，一般較有把握計(jì)算準(zhǔn)確的方法是等研制出第一架首飛機(jī)之后，進(jìn)行該機(jī)的地面振動(dòng)特性試驗(yàn)，再根據(jù)其振動(dòng)特性的測(cè)試結(jié)果進(jìn)行“地面共振”計(jì)算。但這往往增加了研制返工的風(fēng)險(xiǎn)。為避免出現(xiàn)這種研制的風(fēng)險(xiǎn)，針對(duì)滑橇式起落架直升機(jī)的特點(diǎn)，探索性地提供了一種基于ANSYS軟件的直升機(jī)“地面共振”計(jì)算的方法，使新研滑橇式起落架直升機(jī)還處在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)的初期階段就著手進(jìn)行“地面共振”計(jì)算分析成為可能。在動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)過(guò)程中，主要是關(guān)注于起落架的剛度和阻尼，通過(guò)對(duì)材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇，合理分配滑橇式起落架的整體阻尼和剛度[23]。

針對(duì)滑橇式起落架直升機(jī)，提供了一種“地面共振”動(dòng)力穩(wěn)定性分析的方法。首先，針對(duì)滑橇式起落架在承受直升機(jī)重量與旋翼升力時(shí)產(chǎn)生大變形的特點(diǎn)，逐級(jí)用有限元法計(jì)算其剛度和變形，并通過(guò)與地面庫(kù)倫摩擦系數(shù)的比較，判斷滑橇式起落架與地面接觸的橇筒所受摩擦力的大小以及與地面產(chǎn)生的相對(duì)運(yùn)動(dòng)；其次，考慮滑橇式起落架與直升機(jī)相連阻尼器的作用，將有限元計(jì)算彈性剛度的方法拓展到適用于復(fù)剛度的計(jì)算；最后，根據(jù)直升機(jī)旋翼槳轂不同的結(jié)構(gòu)形式，用槳葉振動(dòng)模態(tài)法對(duì)滑橇式起落架的直升機(jī)進(jìn)行“地面共振”動(dòng)力穩(wěn)定性分析，并通過(guò)算例得到驗(yàn)證[24]。

2.2.2 仿真分析

基于顯式動(dòng)力學(xué)和接觸算法，在考慮旋翼升力的影響和機(jī)身與弓形梁連接點(diǎn)處的彎矩傳遞問(wèn)題的基礎(chǔ)上，建立滑橇起落架落震分析模型。為提高仿真分析效率，搭建由二次開發(fā)軟件、ANSYS和LS－DYNA組成的落震分析系統(tǒng)[25]。

根據(jù)起落架初步設(shè)計(jì)參數(shù)，利用MSC.Patran建立了無(wú)人機(jī)和滑橇式起落架非線性有限元著陸仿真模型，模型中無(wú)人機(jī)機(jī)身簡(jiǎn)化成重心位置適當(dāng)?shù)膱A筒，同時(shí)根據(jù)鋁蜂窩材料的壓縮性質(zhì)利用非線性彈簧代替正式的鋁蜂窩模型，大大提高了計(jì)算效率。利用MSC.Dytran進(jìn)行無(wú)人機(jī)著陸仿真分析，綜合多方面影響因素提出了16種著陸仿真工況，根據(jù)仿真結(jié)果計(jì)算得到各種著陸條件下機(jī)身過(guò)載和緩沖器行程等起落架性能參數(shù)，根據(jù)這些參數(shù)修正緩沖器承載力并進(jìn)行下一輪仿真，直到這些參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求。此后整理滿足設(shè)計(jì)要求的仿真結(jié)果，得到滑橇式起落架前后支柱與緩沖器上最大彎矩、滑橇上的最大彎矩和軸力等，根據(jù)這些載荷情況修正結(jié)構(gòu)尺寸[26－27]。

用MSC.Nastran分析軟件對(duì)某直升機(jī)滑橇式起落架進(jìn)行了彈塑性、大變形非線性分析，并與靜力試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，理論計(jì)算與試驗(yàn)實(shí)測(cè)結(jié)果相當(dāng)吻合，驗(yàn)證了理論分析的可靠性[28]。

根據(jù)無(wú)人機(jī)的使用要求，設(shè)計(jì)一種適用于傘降回收的滑橇緩沖方案；運(yùn)用緩沖器靜壓試驗(yàn)及緩沖器落震試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線建立緩沖器動(dòng)力學(xué)模型；基于緩沖器動(dòng)力學(xué)模型研究全機(jī)多剛體落震模型，對(duì)無(wú)人機(jī)著陸緩沖過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真分析；應(yīng)用有限元技術(shù)對(duì)滑橇結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)響應(yīng)進(jìn)行非線性動(dòng)力學(xué)仿真分析，并根據(jù)仿真結(jié)果優(yōu)化滑橇緩沖裝置設(shè)計(jì)參數(shù)[29]。

Jindivik無(wú)人機(jī)的滑橇著陸裝置結(jié)構(gòu)緊湊、簡(jiǎn)潔，在同類系統(tǒng)中具有一定的代表性及其獨(dú)特之處。對(duì)該裝置運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)及動(dòng)力學(xué)分析。通過(guò)構(gòu)造該裝置的動(dòng)力學(xué)模型，對(duì)其著陸緩沖過(guò)程進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬，得出該裝置運(yùn)動(dòng)關(guān)系及著陸緩沖過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性[30]。

采用MSC.Dytran軟件對(duì)某型直升機(jī)滑橇起落架結(jié)構(gòu)土壤墜毀進(jìn)行仿真分析，研究起落架在土壤墜毀過(guò)程中變形及吸能情況，并與剛性地面墜毀仿真情況進(jìn)行了比較。在土壤表面發(fā)生墜毀時(shí)，土壤具有一定的吸能作用。所以在抗墜毀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮不同墜撞面的影響[31]。

2.2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證無(wú)人機(jī)傘降回收系統(tǒng)的直降式滑橇著陸裝置的動(dòng)力學(xué)性能，對(duì)其著陸緩沖過(guò)程進(jìn)行數(shù)學(xué)模擬構(gòu)造了該裝置的動(dòng)力學(xué)模型，通過(guò)數(shù)值求解得出了該裝置緩沖過(guò)程的動(dòng)態(tài)特性。對(duì)其著陸壓縮過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化，計(jì)算結(jié)果可用于減震器參數(shù)的確定。落震試驗(yàn)結(jié)果表明:動(dòng)力學(xué)模型能準(zhǔn)確模擬著陸裝置的緩沖過(guò)程[32]。

以直X型機(jī)為例，對(duì)滑橇起落裝置直升機(jī)在系留狀態(tài)下的“地面共振”問(wèn)題進(jìn)行了分析。在系留狀態(tài)下，系留裝置改變了機(jī)體和起落架系統(tǒng)的動(dòng)力特性，為了保證直X型機(jī)在系留狀態(tài)下不發(fā)生“地面共振”，采用了系留狀態(tài)和自由狀態(tài)全機(jī)動(dòng)力特性對(duì)比試驗(yàn)和“地面共振”對(duì)比計(jì)算的方法分析系留狀態(tài)的“地面共振”問(wèn)題。介紹了直X型機(jī)系留方案的確定，全機(jī)動(dòng)力特性試驗(yàn)和“地面共振”計(jì)算的方法及結(jié)果，最后得出明確結(jié)論[33]。

3 其他類型起落架

在中小型無(wú)人機(jī)領(lǐng)域，扁簧式和滑橇式起落架是常見方案，滿足常規(guī)工況下對(duì)起落架的緩沖性能的要求。而在一些使用場(chǎng)景下，其他類型的起落架有其獨(dú)特的應(yīng)用特點(diǎn)。下面從磁流變式、氣墊式和組合式起落架進(jìn)行介紹。

3.1 磁流變式起落架

磁流變緩沖器緩沖介質(zhì)不是固體，而是液體－磁流變液。其是一種新型智能材料，其流變特性在磁場(chǎng)作用下是瞬時(shí)可逆的，而且流變之后的剪切屈服強(qiáng)度與磁感應(yīng)強(qiáng)度具有穩(wěn)定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。以磁流變液為填充介質(zhì)的磁流變緩沖器具有實(shí)時(shí)控制能力、連續(xù)可逆變化的緩沖阻尼力、低電壓與功耗以及耐久性能。因此，磁流變緩沖器是一種典型的可控流體緩沖器，在起落裝置半主動(dòng)控制方面具有應(yīng)用前景。而常見的緩沖裝置是不控制的，即設(shè)計(jì)安裝后，用同一套參數(shù)滿足不同的工況，而磁流變緩沖器可以加入控制單元。

提出了一種單出桿混合模式的磁流變液緩沖器。本磁流變緩沖器內(nèi)部結(jié)構(gòu)采用非導(dǎo)磁缸筒與導(dǎo)磁缸筒交替固定銜接方式，實(shí)現(xiàn)庫(kù)倫阻尼力階梯狀替增的方式，從而實(shí)現(xiàn)沖擊作用下，磁流變緩沖器粘性阻尼力與庫(kù)倫阻尼力的阻尼互補(bǔ)，且根據(jù)“等功恒力”的設(shè)計(jì)思想，保證恒定阻尼力的輸出。且該磁流變緩沖器縮比原理樣機(jī)采用恒定直流源直接供電模式，刪減了繁瑣的控制模塊，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)[34]。

根據(jù)流變力學(xué)的特點(diǎn)，并結(jié)合飛機(jī)起落架的實(shí)際工作情況，簡(jiǎn)化了起落架緩沖器的受力情況，建立了應(yīng)用在起落架上的磁流變緩沖器模型。該緩沖器采用環(huán)形縫隙結(jié)構(gòu)，無(wú)需改變截流面積便能達(dá)到改變阻尼的目的，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸較小、易于控制等優(yōu)點(diǎn)。建立并分析了起落架的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，在控制方法上采用了模糊控制，通過(guò)控制電流以控制由磁場(chǎng)產(chǎn)生的力[35]。

根據(jù)已確定的起落架整體形式及過(guò)載系數(shù)等條件，設(shè)計(jì)了基于磁流變阻尼特性的起落架減震(緩沖)器部件。設(shè)定了減震器的最大行程及最大阻尼力，確定了減震器采用混合工作模式，并采用與氣體彈簧相結(jié)合的單出桿結(jié)構(gòu)型式，分析計(jì)算了氣體彈簧的壓強(qiáng)值和體積值，并推導(dǎo)出了磁流變阻尼力及減震器總阻尼力理論計(jì)算公式。運(yùn)用軟件對(duì)多種減震器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了電磁學(xué)分析，確定了減震器結(jié)構(gòu)方案，并得到了減震器受活塞與外筒之間間隙影響的磁場(chǎng)強(qiáng)度與電流的特性關(guān)系，確定了減震器的力學(xué)模型及其參數(shù)[36]。

結(jié)合飛機(jī)起落架減震(緩沖)器的實(shí)際結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一種環(huán)形間隙節(jié)流與油針共同作用的磁流變減震器。利用流體力學(xué)理論、磁流變液理論和磁流變減震器設(shè)計(jì)的基本知識(shí)，對(duì)該磁流變減震器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了磁路、油針、氣室等結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，最后通過(guò) ANSYS的APDL語(yǔ)言對(duì)磁路進(jìn)行了優(yōu)化分析，通過(guò)線性插值理論對(duì)油針截面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而使結(jié)構(gòu)更加合理[37]。

3.2 氣墊式起落架

水陸兩棲飛行器是各國(guó)爭(zhēng)相研究的熱點(diǎn)，比如在2016年，中國(guó)總裝下線的蛟龍600大型水陸兩用飛機(jī)。在中小型無(wú)人機(jī)領(lǐng)域，氣墊式起落架是實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)水陸兩棲起降的一種方案。

氣墊式起落架的緩沖介質(zhì)是氣體。著陸時(shí)，氣墊體受到?jīng)_擊產(chǎn)生壓縮變形，氣墊體內(nèi)部壓力不斷增大，氣體通過(guò)排氣口向外排氣卸壓以消耗著陸功量。

以某型地效飛行器為背景，對(duì)氣墊式起落系統(tǒng)進(jìn)行了概念設(shè)計(jì)及氣墊體系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)。在方案設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，基于非線性有限元理論和LS－DYNA仿真平臺(tái)，建立了氣墊式起落系統(tǒng)落震有限元模型以及全機(jī)著陸有限元模型，分別進(jìn)行了氣墊式起落系統(tǒng)落震仿真分析和全機(jī)著陸仿真分析，通過(guò)仿真結(jié)果分析氣墊式起落系統(tǒng)應(yīng)力水平，得到質(zhì)心位移變化曲線、速度變化曲線和加速度變化曲線，綜合評(píng)估氣墊體的體積變化、囊壓變化和整個(gè)氣墊式起落系統(tǒng)的緩沖性能[38]。

3.3 組合式起落架

在航天領(lǐng)域也有一些起落緩沖裝置，比如金屬材料緩沖裝置。通常是將沖擊能量轉(zhuǎn)化為金屬材料的塑性變形，在緩沖裝置中應(yīng)用非常廣泛。一般有金屬切削、薄壁金屬管脹環(huán)擴(kuò)徑、金屬多孔材料壓潰等變形方式。

以金屬切削法為例，通過(guò)刀具切削金屬管來(lái)吸收沖擊能量。其工作原理是:金屬切削過(guò)程中，切削刀具對(duì)金屬管進(jìn)行切削，產(chǎn)生相互作用力，用刀具與金屬管的摩擦熱能、金屬管的塑性變形以及金屬管的撕裂來(lái)吸收外部的沖擊能量，以此來(lái)達(dá)到緩沖吸能的目的[39]。

金屬多孔材料是近年來(lái)迅速發(fā)展應(yīng)用起來(lái)的一種新型工程材料，目前常用的金屬多孔緩沖材料主要有鋁蜂窩和泡沫鋁，具有密度小、比強(qiáng)度大、耐腐蝕性能好、耐熱性能好等優(yōu)點(diǎn)，是理想可靠的減震(緩沖)吸能材料[40]。

基于各自的工作原理，將不同類型的起落緩沖裝置進(jìn)行組合，就構(gòu)成組合式起落架，可以應(yīng)用到中小型無(wú)人機(jī)中。

4 未來(lái)展望

從技術(shù)的角度看，學(xué)者們對(duì)中小型無(wú)人機(jī)起落裝置的功能問(wèn)題研究較多，即著陸緩沖問(wèn)題、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題、動(dòng)靜強(qiáng)度分析問(wèn)題等。由于研究對(duì)象是中小型無(wú)人機(jī)，其與軍機(jī)，大型客機(jī)等研究對(duì)象有些差別，這就構(gòu)成了本領(lǐng)域新的研究方向，值得學(xué)者和工程技術(shù)人員思考和研究。

4.1 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

由于常規(guī)起落架安裝在客機(jī)或者軍機(jī)上，其產(chǎn)生的增重問(wèn)題與經(jīng)濟(jì)性相比并不突出，所以目前的起落架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則普遍是安全性設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

而對(duì)于中小型無(wú)人機(jī)，尤其是民用的中小型無(wú)人機(jī)來(lái)說(shuō)，增重意味著有效載荷的減少，全壽命周期成本的增加。

在機(jī)翼結(jié)構(gòu)中，損傷容限的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則已經(jīng)應(yīng)用到設(shè)計(jì)中，可以借鑒其思想，對(duì)無(wú)人機(jī)起落架設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及具體方法進(jìn)行研究。

4.2 維修性

由于無(wú)人機(jī)飛手的誤操作，無(wú)人機(jī)很可能在起降時(shí)損壞，出現(xiàn)的位置可能就在起落裝置上。目前這種情況需要返廠維修，這就出現(xiàn)了2個(gè)問(wèn)題:無(wú)人機(jī)返廠的周期比較長(zhǎng)，可能引發(fā)用戶的誤工問(wèn)題，影響用戶體驗(yàn)；返廠后更換整個(gè)起落架，還是更換部分零部件?損壞的零部件能否維修后再次使用?

這些問(wèn)題都需要在起落裝置的方案設(shè)計(jì)階段加以考慮，需要學(xué)者和工程技術(shù)人員進(jìn)行研究，解決用戶的痛點(diǎn)，提升用戶的體驗(yàn)。

4.3 經(jīng)濟(jì)性

中小型民用無(wú)人機(jī)的售價(jià)在幾千到十幾萬(wàn)不等，而面向的用戶往往是價(jià)格敏感者，如何在設(shè)計(jì)和制造階段節(jié)約成本，從而降低售價(jià)和用戶使用周期成本是值得學(xué)者和工程技術(shù)人員研究的問(wèn)題。對(duì)于起落裝置來(lái)說(shuō)，開展總體布局、氣動(dòng)問(wèn)題和優(yōu)化設(shè)計(jì)等方面的研究對(duì)降低成本有幫助。

5 結(jié)語(yǔ)

從已有的國(guó)內(nèi)中小型無(wú)人機(jī)起落緩沖裝置的文獻(xiàn)入手，重點(diǎn)介紹了扁簧式和滑橇式起落架，簡(jiǎn)要介紹了磁流變式、氣墊式和組合式起落架。結(jié)合實(shí)際，對(duì)一些技術(shù)研究的方向進(jìn)行了展望。

通航利好政策與低空空域管理改革刺激了通航領(lǐng)域投資和應(yīng)用的快速增長(zhǎng)，這對(duì)中小型無(wú)人機(jī)的技術(shù)提出了更高的要求。有充分地理由相信，隨著技術(shù)的不斷積累，飛行器起落裝置領(lǐng)域的學(xué)者和工程技術(shù)人員能夠迎接挑戰(zhàn)，為無(wú)人機(jī)，乃至通航事業(yè)貢獻(xiàn)自己的一份力量。