大型水陆两栖飞机主起落架水中收放载荷研究

边宝龙

摘要：本文以某大型水陆两栖飞机（以下简称某型飞机）主起落架为例，介绍了一种起落架水中收放载荷的计算方法。结合实际情况，本文首先给出了起落架水中收放应考虑的外载荷，然后利用Virtual.Lab Motion建立了多体动力学分析模型，最后通过仿真计算得到了某型飞机主起落架收放系统设计所需载荷。通过对起落架水中收放载荷的研究，为起落架的设计和试验奠定了理论基础。与试验结果对比表明，该方法是有效的。

关键词：起落架;水载荷;仿真计算;水陆两栖飞机

前言

由于起落架的工作环境复杂，所以起落架是现代飞机出现故障最多的部件之一[1] 。在起落架的所有工作部件中，由收放机构引起的故障概率较高。据统计，从1993年到2003年，飞机发生的飞行故障中15%是由于飞机起落架的故障导致的，而在起落架的故障中，又有23%是由于起落架收放机构导致的[2] 。在飞机飞行时，为了减小阻力应将起落架收藏于机身或机翼内[4] 。对于复杂而又有精度要求的控制系统，若需获取准确的性能参数，传统的方法是进行工程试验。工程试验具有工作量大、试验周期长、费用高的特点。进人21世纪后，半物理仿真作为辅助或替代物理样机试验与测试的有效手段，贯穿于整个产品生命周期，从方案论证、设计研制到地面试验，乃至后续改型和故障分析，有效地提高了产品开发效率[5] .

与传统的运输类飞机相比，某大型水陆两栖飞机（简称某型飞机）既能在陆上起降，也能在水中起降。当飞机从地面通过下滑道进入水里滑行并起飞时，需要先把起落架收起来，当飞机在水上着水时，需在水中滑行并放下起落架，从而通过下滑道进入陆上机场。由于水的密度约为空气密度的800多倍，因此，在设计起落架收放系统时，起落架水中收放的受载情况不可忽视。某型飞机的主起落架安装于中机身两侧，支柱较高，收放机构和轨迹异常复杂，其中主起落架水中收放载荷的设計是难点之一。由于国内以前从未有大型水陆两栖飞机起落架的设计经验，对起落架水中收放载荷的研究尚属空白。本文以某型飞机主起落架为例说明起落架水中收放载荷计算情况。

1  起落架水中收放载荷计算方法

在起落架划水收放过程中，收放机构的载荷是通过与所有起落架外载荷对起落架旋转轴力矩的平衡条件求得的[3] 。这些载荷包括：起落架的质量力、水流产生的迎面阻力、浮力、摩擦力、上锁阻力等。某型飞机具有起落架护板，因此还需要考虑护板的阻力。

a）质量力

收放时，质量力作用在转动零件的重心上，其方向指向地面。起落架收放承受质量力Pm由下式确定：

式中：——转动部分重力，N;

——起落架收放时的使用过载，在湖面上通常取为1.0。

b）水阻力

起落架各零件的气动阻力作用在压心上，且指向顺水流方向，此时阻力P为：

其中：起落架各零件上的水阻力系数;

起落架各零件在垂直于水流平面上的投影面积;

速压，

允许收放起落架的最大滑行速度。

起落架水阻力系数可按以下三部分计算：

（1）支柱水阻力

支柱水阻力作用在压心上，指向顺水流方向，水阻力系数按下表差值：

（2）机轮水阻力

机轮迎面阻力系数Cxw可按图1曲线查取。其中W/D为轮胎的宽径比。对于双轮或多轮同轴起落架，其Cxw值与机轮空隙有关，当空隙大于机轮的宽度时，可按单轮选取系数。机轮侧面阻力系数取平板阻力系数。

（3）护板阻力

对于固定在起落架上的护板、舱门等板状零件，垂直于板平面的迎面阻力系数按平板阻力系数计算，即1.28。

c）浮力

起落架在水中收放时，受到浮力的作用。根据阿基米德原理，浮力：

式中：——水的密度;

g——重力加速度;

V——排水体积，取起落架没入水中的体积;

2  起落架水中放下外载荷计算

由于某型飞机主起落架为向后收起，向前放下，因此滑行产生的向后的水载荷帮助起落架收起，阻碍起落架放下，水中收起过程收放机构载荷可以被空中收起情况所覆盖，因此，此处主要研究起落架水中放下情况。

表1为某一段时间内的水中滑行主起落架放下过程中飞机速度变化实测数据，速度为地速（由于是在天气好时的湖中试飞，可忽略水流速度）。

从以上数据可以看出，飞机在放下过程中速度是降低的，且起落架在开始放与起落架放下的速度差不小于5km/h。由于该速度对载荷影响较大，需加以考虑。

在起落架放下过程中，机轮刚完全没入水中时起落架上的阻力总载荷最大，因此选择此时的载荷作为起落架收放的外载荷，飞机以15km/h滑行时收放起落架过程中，左主起外载荷汇总如下表，表中加载点坐标为起落架放下锁定时飞机坐标系下得到。

3  起落架水中放下作动筒载荷计算模型

采用多体动力学仿真的方法计算，建立的多体动力学模型如图2所示。载荷施加于起落架上，通过动力学仿真得到收放作动筒的载荷，用于起落架设计。

4  起落架收放作动筒载荷计算结果分析

通过试飞可以获得起落架收放作动筒的载荷，与计算结果对比如图3所示。

上图中，负值代表起落架在放下过程中作动筒上的力是拉力，而正值表示作动筒是推力。由于系统压力控制逻辑的原因，故显示初始0.5s的作动筒载荷较大，但并非实际作动筒载荷。

5  结论

通过以上分析可得下述结论：

1.起落架水中收放承受的外载荷的计算方法是有效的，在缺少更详细的试验数据的情况下用于起落架设计是可行的。

2.在起落架水中收放過程中必须记及速度变化对载荷的影响。

3.在起落架水中收放过程中，浮力对收放系统载荷的影响比较明显。

4.多体动力学仿真计算方法对起落架水中收放的计算是有效的。

参考文献：

[1] 姜澄宇.从国外民机重大研究计划看大型民机发展的重大关键技术[C]中国航空学会2007年学术年会论文集：总体设计综合技术O1[A].深圳，2007.

[2] 陈琳.飞机起落架收放运动与动态性能仿真分析[D].南京：南京航空航天大学，2007.

[3] 航空航天工业部科学技术委员会.飞机起落架强度设计指南[M].四川科学技术出版社，1989.

[4] 强于辉，童明波.某型飞机起落架收放过程仿真[J].流体传动与控制，2009，7（2）：29—31.

[5] 诺曼·斯·柯里.起落架设计手册[M].北京：航空工业部，1982.

[6] 《飞机设计手册》总编委会 编.机设计手册（14）[M].航空工业出版社，2001.

（作者单位：中航通用飞机有限责任公司）