邊寶龍

摘要：本文以某大型水陸兩棲飛機(jī)（以下簡稱某型飛機(jī)）主起落架為例，介紹了一種起落架水中收放載荷的計(jì)算方法。結(jié)合實(shí)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(dòng)力學(xué)分析模型，最后通過仿真計(jì)算得到了某型飛機(jī)主起落架收放系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需載荷。通過對(duì)起落架水中收放載荷的研究，為起落架的設(shè)計(jì)和試驗(yàn)奠定了理論基礎(chǔ)。與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，該方法是有效的。

關(guān)鍵詞：起落架;水載荷;仿真計(jì)算;水陸兩棲飛機(jī)

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(jī)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(jī)構(gòu)引起的故障概率較高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從1993年到2003年，飛機(jī)發(fā)生的飛行故障中15%是由于飛機(jī)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(jī)構(gòu)導(dǎo)致的[2] 。在飛機(jī)飛行時(shí)，為了減小阻力應(yīng)將起落架收藏于機(jī)身或機(jī)翼內(nèi)[4] 。對(duì)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(yàn)。工程試驗(yàn)具有工作量大、試驗(yàn)周期長、費(fèi)用高的特點(diǎn)。進(jìn)人21世紀(jì)后，半物理仿真作為輔助或替代物理樣機(jī)試驗(yàn)與測試的有效手段，貫穿于整個(gè)產(chǎn)品生命周期，從方案論證、設(shè)計(jì)研制到地面試驗(yàn)，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(yùn)輸類飛機(jī)相比，某大型水陸兩棲飛機(jī)（簡稱某型飛機(jī)）既能在陸上起降，也能在水中起降。當(dāng)飛機(jī)從地面通過下滑道進(jìn)入水里滑行并起飛時(shí)，需要先把起落架收起來，當(dāng)飛機(jī)在水上著水時(shí)，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(jī)場。由于水的密度約為空氣密度的800多倍，因此，在設(shè)計(jì)起落架收放系統(tǒng)時(shí)，起落架水中收放的受載情況不可忽視。某型飛機(jī)的主起落架安裝于中機(jī)身兩側(cè)，支柱較高，收放機(jī)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(jì)是難點(diǎn)之一。由于國內(nèi)以前從未有大型水陸兩棲飛機(jī)起落架的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)起落架水中收放載荷的研究尚屬空白。本文以某型飛機(jī)主起落架為例說明起落架水中收放載荷計(jì)算情況。

1??起落架水中收放載荷計(jì)算方法

在起落架劃水收放過程中，收放機(jī)構(gòu)的載荷是通過與所有起落架外載荷對(duì)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(jī)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(shí)，質(zhì)量力作用在轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)部分重力，N;

——起落架收放時(shí)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(dòng)阻力作用在壓心上，且指向順?biāo)鞣较颍藭r(shí)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(jì)算：

（1）支柱水阻力

支柱水阻力作用在壓心上，指向順?biāo)鞣较?，水阻力系?shù)按下表差值：

（2）機(jī)輪水阻力

機(jī)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(duì)于雙輪或多輪同軸起落架，其Cxw值與機(jī)輪空隙有關(guān)，當(dāng)空隙大于機(jī)輪的寬度時(shí)，可按單輪選取系數(shù)。機(jī)輪側(cè)面阻力系數(shù)取平板阻力系數(shù)。

（3）護(hù)板阻力

對(duì)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(jì)算，即1.28。

c）浮力

起落架在水中收放時(shí)，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(jì)算

由于某型飛機(jī)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(jī)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(shí)間內(nèi)的水中滑行主起落架放下過程中飛機(jī)速度變化實(shí)測數(shù)據(jù)，速度為地速（由于是在天氣好時(shí)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(jī)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(duì)載荷影響較大，需加以考慮。

在起落架放下過程中，機(jī)輪剛完全沒入水中時(shí)起落架上的阻力總載荷最大，因此選擇此時(shí)的載荷作為起落架收放的外載荷，飛機(jī)以15km/h滑行時(shí)收放起落架過程中，左主起外載荷匯總?cè)缦卤?，表中加載點(diǎn)坐標(biāo)為起落架放下鎖定時(shí)飛機(jī)坐標(biāo)系下得到。

3??起落架水中放下作動(dòng)筒載荷計(jì)算模型

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

4??起落架收放作動(dòng)筒載荷計(jì)算結(jié)果分析

通過試飛可以獲得起落架收放作動(dòng)筒的載荷，與計(jì)算結(jié)果對(duì)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(dòng)筒上的力是拉力，而正值表示作動(dòng)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(dòng)筒載荷較大，但并非實(shí)際作動(dòng)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(jì)算方法是有效的，在缺少更詳細(xì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)的情況下用于起落架設(shè)計(jì)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(duì)載荷的影響。

3.在起落架水中收放過程中，浮力對(duì)收放系統(tǒng)載荷的影響比較明顯。

4.多體動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算方法對(duì)起落架水中收放的計(jì)算是有效的。

參考文獻(xiàn)：

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

[2] 陳琳.飛機(jī)起落架收放運(yùn)動(dòng)與動(dòng)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(huì).飛機(jī)起落架強(qiáng)度設(shè)計(jì)指南[M].四川科學(xué)技術(shù)出版社，1989.

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

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

[6] 《飛機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)》總編委會(huì)?編.機(jī)設(shè)計(jì)手冊(cè)（14）[M].航空工業(yè)出版社，2001.

（作者單位：中航通用飛機(jī)有限責(zé)任公司）