侯雅瓊，周琪琛

（航空工業(yè)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，天津，300000）

0 引言

直升機(jī)憑借卓越的機(jī)動(dòng)性能在航空領(lǐng)域中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，是現(xiàn)代軍用立體合成作戰(zhàn)和民用運(yùn)輸、搜索、救援中不可缺少的高技術(shù)裝備。而起落架是直升機(jī)在地面停放、起飛、著陸時(shí)用于支撐機(jī)體重量，承受相應(yīng)載荷的裝置，其能消耗和吸收直升機(jī)在著陸和滑跑時(shí)的撞擊能量。直升機(jī)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(xì)分方式：按照布局位置的不同可分為前三點(diǎn)和后三點(diǎn)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(duì)直升機(jī)的起落安全至關(guān)重要，不同噸位、功能的直升機(jī)選擇起落架的型式、總體參數(shù)不同。

輪式起落架多用于中型、重型直升機(jī)，能承載更大的降落壓力，降低了移動(dòng)直升機(jī)的難度，可實(shí)現(xiàn)滑跑起飛和滑跑著陸。不可收放式輪式起落架也有增強(qiáng)硬著陸緩沖的效果?？墒辗攀絻?yōu)點(diǎn)更多的是減輕阻力，或增強(qiáng)隱身效果。滑橇式起落架一般用于輕型直升機(jī)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，重量輕，成本低，維護(hù)簡(jiǎn)單，著陸時(shí)靠滑橇起落架結(jié)構(gòu)的彈性變形來(lái)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(jī)輪、輪胎等結(jié)構(gòu)組成，目前已有大量設(shè)計(jì)方法和文獻(xiàn)對(duì)起落架壓力、尺寸、抗墜毀等參數(shù)進(jìn)行描述?；潦狡鹇浼芤蜻m用范圍較小，尚沒(méi)有完整的設(shè)計(jì)流程，對(duì)起落架進(jìn)行從全局考慮的、系統(tǒng)的總體參數(shù)設(shè)計(jì)。本文首先從直升機(jī)整體需求角度確定滑橇式起落架總體參數(shù)確定流程；其次用反復(fù)迭代的思想選取其最優(yōu)組合；在此基礎(chǔ)上，開發(fā)應(yīng)用于滑橇式起落架總體參數(shù)設(shè)計(jì)軟件；并在已有型號(hào)的直升機(jī)上進(jìn)行起落架設(shè)計(jì)驗(yàn)證。

1 滑橇式起落架總體參數(shù)確定方法

■1.1 滑橇式起落架總體布局參數(shù)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(jiàn)圖1，其總體布局參數(shù)主要有：

圖1 滑橇式起落架示意圖

(a)停機(jī)角φ：直升機(jī)停放時(shí)，機(jī)身縱軸和地面之間夾角；

(b)縱向跨距b：左右滑管的長(zhǎng)度；

(c)橫向跨距B：左/右滑管之間的橫向距離；

(d)結(jié)構(gòu)離地最小距離h0：機(jī)體最低點(diǎn)離地距離；

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

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

(g)側(cè)罩角ε：停機(jī)時(shí)，通過(guò)重心和滑管所形成的平面，與重心垂向之間的夾角；

(h)自轉(zhuǎn)著陸角θ：機(jī)輪未壓縮時(shí)，通過(guò)滑橇后著地點(diǎn)和尾橇的切面與停機(jī)地面之間的夾角。

■1.2 滑橇式起落架總體布局參數(shù)確定流程

1.2.1 確定直升機(jī)的停機(jī)角

為使直升機(jī)前飛時(shí)機(jī)身姿態(tài)基本水平，直升機(jī)旋翼平面往往不平行于機(jī)身水平線，前傾一定角度γ。但在直升機(jī)停落在地面時(shí)，旋翼軸的前傾角產(chǎn)生朝前的拉力，導(dǎo)致直升機(jī)有向前滑行的趨勢(shì)。為避免此現(xiàn)象，在停機(jī)時(shí)使機(jī)身后仰一定角度，減小甚至抵消旋翼產(chǎn)生的朝前拉力分量，機(jī)身在停機(jī)時(shí)后仰的角度為停機(jī)角。

停機(jī)角一般取值：0≤φ≤γ。過(guò)大的后仰角會(huì)造成旋翼拉力水平分力朝后，直升機(jī)向后滑行。

1.2.2 確定滑橇與地面接觸點(diǎn)離機(jī)腹的高度h0

為避免直升機(jī)最大壓縮量時(shí)機(jī)體結(jié)構(gòu)與地面凸出物相碰，首先需要確定滑橇與地面接觸點(diǎn)離機(jī)腹的高度h0。國(guó)軍標(biāo)對(duì)此有具體的要求：“在直升機(jī)最大壓縮量時(shí)，機(jī)身最低點(diǎn)（含外部天線）離地最小距離不少于150mm”。h0越大，直升機(jī)與地面接觸時(shí)機(jī)身最低點(diǎn)距離地面間隔越大，可有效保證機(jī)身結(jié)構(gòu)不與地面凸起物接觸甚至相撞。h0的大小同時(shí)也影響著其他總體布局參數(shù)（如后罩角、側(cè)罩角、縱向跨距）的取值，不宜過(guò)大，否則會(huì)導(dǎo)致起落架過(guò)高、質(zhì)量超重的不良影響。h0取值限制：h0>150mm。

確定h0后，在離機(jī)身最低點(diǎn)h0距離處畫一個(gè)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(jī)重心距離地面的高度hw

直升機(jī)重心位置對(duì)起落架總體布局具有深遠(yuǎn)的影響，在機(jī)身上標(biāo)注重心位置，重心距離地面的高度hw=h0+h1（重心距離機(jī)身最低點(diǎn)高度）。

1.2.4 確定直升機(jī)滑橇后著地點(diǎn)的縱向位置c

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

為防止尾槳觸地?fù)p傷結(jié)構(gòu)，直升機(jī)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(zhuǎn)著陸角θ定義為機(jī)輪未壓縮時(shí)，通過(guò)滑橇后著地點(diǎn)與尾橇的切面與停機(jī)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(shí)，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(diǎn)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(jī)發(fā)生后翻自行恢復(fù)到停機(jī)狀態(tài)的能力。直升機(jī)大仰角、斜坡著陸或尾部負(fù)載過(guò)重時(shí)，機(jī)身后仰，有可能發(fā)生直升機(jī)后翻。當(dāng)直升機(jī)發(fā)生后翻時(shí)，起落架與尾撐著地且最大程度壓縮，為使直升機(jī)有自行恢復(fù)的能力，此時(shí)需將滑橇后著地點(diǎn)A布置在重心垂直線后，即后罩角β>自轉(zhuǎn)著陸角θ。但后罩角β過(guò)大會(huì)導(dǎo)致滑橇后著地點(diǎn)的縱向位置c過(guò)大，會(huì)引起滑橇前著陸點(diǎn)承受載荷過(guò)大，因此后罩角β建議取值：30-40°。

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

1.2.5 確定直升機(jī)滑橇前著地點(diǎn)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(gè)著地點(diǎn)A1/A2/A3/A4。為防止直升機(jī)大俯角或者斜坡著陸造成直升機(jī)前傾，設(shè)計(jì)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(fēng)天氣下直升機(jī)滑跑著陸，因強(qiáng)氣流影響導(dǎo)致直升機(jī)易向一側(cè)傾倒、側(cè)滑。為避免直升機(jī)側(cè)翻事故的發(fā)生，直升機(jī)側(cè)罩角不能過(guò)小。以左側(cè)翻為例，在側(cè)翻瞬間，右側(cè)滑管恰好離地，僅有左側(cè)滑管著地，此時(shí)直升機(jī)受力情況如下：

直升機(jī)此時(shí)受重力G，左側(cè)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(cè)翻力矩，重力G與支持力N組成恢復(fù)力矩。要使直升機(jī)不側(cè)翻，需要：

側(cè)罩角的大小代表著直升機(jī)防側(cè)翻能力的高低，由上式可知，直升機(jī)重心越低，左右滑管間橫向間距越大，側(cè)罩角越大，防側(cè)翻能力越好。但由于直升機(jī)機(jī)身廢阻和重量限制，左右滑管間橫向跨距不易過(guò)大，應(yīng)在滿足防側(cè)翻要求范圍內(nèi)選擇盡可能小的橫向跨距。

2 軟件設(shè)計(jì)

■2.1 設(shè)計(jì)流程

圖2 滑橇式起落架設(shè)計(jì)流程

■2.2 軟件編寫

理論知識(shí)為工程應(yīng)用服務(wù)，在實(shí)際應(yīng)用中簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，提高設(shè)計(jì)效率是當(dāng)前階段的任務(wù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展，為更高效設(shè)計(jì)，開發(fā)應(yīng)用于滑橇式起落架總體參數(shù)設(shè)計(jì)軟件，對(duì)于在計(jì)算機(jī)上快速實(shí)現(xiàn)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(shù)設(shè)計(jì)軟件使用通用的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言Matlab,其用戶界面及人機(jī)對(duì)話友好，能大幅度縮減起落架設(shè)計(jì)周期，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量和效率。軟件主要包括輸入?yún)?shù)和輸出參數(shù)模塊。已知在滑橇式起落架設(shè)計(jì)計(jì)算中，需要提供直升機(jī)重心位置、滑橇觸地點(diǎn)離機(jī)腹高度h0、旋翼軸前傾角、直升機(jī)停機(jī)角。而且，為滿足直升機(jī)防翻能力的需要，還需指定直升機(jī)預(yù)期的觸地指標(biāo)—自轉(zhuǎn)著陸角、機(jī)頭角及側(cè)罩角。根據(jù)上述描述的設(shè)計(jì)流程，根據(jù)界面所示的輸入?yún)?shù)可獲取當(dāng)前狀態(tài)下的滑橇滑管的位置、尺寸。

圖3 總體參數(shù)設(shè)計(jì)軟件界面

3 型號(hào)驗(yàn)證

現(xiàn)采用上述方法對(duì)某型無(wú)人直升機(jī)進(jìn)行起落架總體參數(shù)確定，設(shè)計(jì)一新滑橇式起落架，隨后與原有起落架總體參數(shù)進(jìn)行比較，用于驗(yàn)證上述滑橇式起落架設(shè)計(jì)方法有效性。

計(jì)算用到的坐標(biāo)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(jī)體對(duì)稱面OXZ向右。槳轂中心（2.500，0，1.275）。

圖4 某型機(jī)起落架方案設(shè)計(jì)

(1)構(gòu)型選擇

由于該型機(jī)最大起飛重量小于500kg，屬于輕型直升機(jī)，故選用滑橇式起落架。

(2)確定直升機(jī)停機(jī)角

該機(jī)旋翼軸前傾角為2°，故停機(jī)角也為0°。

(3)確定滑橇觸地點(diǎn)距離機(jī)身最低點(diǎn)高度h0

該機(jī)機(jī)頭吊裝光電吊艙，距離地面最近。為避免直升機(jī)最大壓縮量時(shí)機(jī)體結(jié)構(gòu)與地面凸出物相碰，設(shè)置光電吊艙最低點(diǎn)離地距離300mm，在距離光電吊艙最低點(diǎn)300mm處繪制水平線l。

(4)確定直升機(jī)滑橇后著地點(diǎn)的縱向位置c

(a)確定自轉(zhuǎn)著陸角。

該機(jī)尾槳處安裝有尾撐，保護(hù)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(shè)置自轉(zhuǎn)著陸角為12°。過(guò)尾撐最低點(diǎn)繪制與水平面夾角12°的直線m，與水平線l交點(diǎn)P為滑橇后著地點(diǎn)。

(b)確定后罩角。

連接直升機(jī)重心與P點(diǎn)，直線與過(guò)重心鉛垂線夾角31°，后罩角為 31°。

(c)驗(yàn)證防后翻能力。

β － θ= 31°－ 12°= 19°＞ 0°

(d)確定直升機(jī)滑橇后著地點(diǎn)的縱向位置c。

c=710mm。

(5）確定直升機(jī)滑橇前著地點(diǎn)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(cè)罩角的大小代表著直升機(jī)防側(cè)翻能力的高低，取側(cè)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(duì)稱布置在機(jī)身兩側(cè)。

經(jīng)過(guò)上述分析，該機(jī)滑橇式起落架總體布局參數(shù)設(shè)計(jì)完畢。將設(shè)計(jì)值與該機(jī)起落架實(shí)際值進(jìn)行比對(duì)，驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法與設(shè)計(jì)值的準(zhǔn)確性，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 設(shè)計(jì)參數(shù)與原參數(shù)

從表1可以看出，使用上述方法設(shè)計(jì)的滑橇式起落架總體參數(shù)與原參數(shù)十分相近。

4 結(jié)論

本文用反復(fù)迭代的思想，首先根據(jù)旋翼軸前傾角，確定機(jī)身停機(jī)角；進(jìn)而根據(jù)機(jī)身離地高度、停機(jī)角要求，確定滑橇著地點(diǎn)豎向位置；然后根據(jù)防后翻的要求，確定滑橇后觸地點(diǎn)縱向位置；再根據(jù)防前翻要求，確定滑橇前著地點(diǎn)縱向位置；然后根據(jù)防側(cè)翻要求，確定主輪距。期間任何一步參數(shù)不滿足要求，則返回重新進(jìn)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(shù)設(shè)計(jì)軟件，其用戶界面及人機(jī)對(duì)話友好，可實(shí)現(xiàn)滑橇式起落架快速設(shè)計(jì)。