减缩质量法与仿升法落震试验对比研究

胡 锐 张 飞 牟让科

（1、中国飞机强度研究所，陕西 西安 710065 2、结构冲击动力学航空科技重点实验室，陕西 西安 710065）

飞机起落架落震试验是飞机研制及定型必要的试验环节，直接关系到飞机起落架设计能力否满足设计要求。其原理是通过模拟飞机着陆的姿态、速度和质量等参数，在满足起落架缓冲系统吸收能量的同时获取起落架缓冲系统的动态特性，落震试验方法根据试验过程中是否提供升力模拟分为减缩质量法和仿升法。Milwitzky B 等人[1]中进行了减缩质量法落震试验和仿升法落震试验的对比，并得出可用减缩质量法简化试验的结论。齐丕骞[2]等人基于能量等效的原则，提出了一种仿升力均值的概念及仿升力的施加方法，并进行了相关试验试验验证。杜金柱[3]等人通过能量等效的方法，研究了不同落震试验方法中的等效形式，并给出减缩质量法和仿升法的等效的条件。

尽管中国军用标准[4]及民航适航条例[5]都给出了明确的飞机起落架落震试验标准和要求，但对减缩质量法和仿升法两种试验方法的差异并未有定量的分析研究。本文以单腔油-气式缓冲器起落架为试验对象，分别进行减缩质量法落震试验以及仿升法落震试验，对比两种试验方法在吸收同等能量下起落架撞击载荷、缓冲器行程及轮胎压缩量等关键参数的差别。

1 起落架落震试验方法

1.1 当量质量

起落架落震试验以单独的起落架考核飞机在着陆过程中起落架的受载情况，飞机着陆时分配在每个起落架上的有效质量称为当量质量。飞机经常以两点着陆，极个别情况是三点水平着陆[6]。

两点着陆时，一个主起落架上的当量质量为：

其中，M 为飞机着陆质量。

三点水平着陆时，根据力平衡及力矩平衡关系，前起落架上的当量质量为：

主起落架上的当量质量为：

其中，a 为停机状态飞机重心至前起落架轮轴的水平距离，b 为停机状态飞机重心至主起落架轮轴的水平距离，h 为缓冲支柱（器）全伸长时飞机重心离主起落架轮轴的高度，μ 为平均滑动摩擦系数，一般取μ=0.4。

起落架当量质量取不同着陆姿态下对应较大的当量质量，对应为（1）式及（2）式。

前、主起落架的缓冲系统所需要吸收的功量为：

其中Mdl为前、主起对应的当量质量，V 为飞机着陆时对应的垂向下沉速度。

1.2 起落架落震试验原理

国内的起落架落震试验主要是在立柱式试验台上以自由落体的形式进行[5]，试验设备主要由台架系统、提升/释放系统、当量质量模拟系统、航向速度模拟系统、仿升力模拟系统及测试系统等构成。根据是否提供升力分为减缩质量法及仿升法，以落体系统模拟飞机分配在起落架上的当量质量，以落体系统的投放高度控制起落架机轮触地时的垂向速度，以机轮带转设备预先反向转动飞机起落架机轮模拟起落架航向运动速度，通过测量撞击载荷及缓冲器压缩量等参数来判断起落架受力工作情况，以优化、验证起落架性能。试验设备/原理如图1 所示。

图1 落震试验设备/原理图

1.3 减缩质量法

以减缩质量法进行落震试验时不提供升力模拟，下沉速度由起落架系统进行自由落体运动保证：

其中，H 为由下沉速度确定的投放高度，g 为重力加速度。根据起落架系统吸收功量的等价关系确定投放质量，前、主起落架的有效投放质量为：

其中L 为升力系数，一般取L=1，Yc为上部质量总位移。落震试验中，上部质量总位移Yc不能精确给出，且试验过程中Yc随投放质量变化，因此试验时投放质量要利用配重块进行调节试凑，直至满足试验落体功量与设计要求的缓冲系统吸收功量的偏差在要求范围内为止。

起落架测试过程中吸收的功量为：

其中，Pz为落震试验中起落架所受的地面载荷。

1.4 仿升法

以仿升法进行落震试验时需提供升力模拟，其投放高度根据（5）式确定，有效投放质量为：

2 试验结果对比分析

单腔油-气式缓冲器轴向力主要由油液阻尼力和空气弹簧力组成，其中油液阻尼力峰值出现在压缩速度最大值处，空气弹簧力峰值出现在缓冲器最大压缩量处，因此，单腔油-气式缓冲器支柱型起落架落震试验典型地面垂直载荷曲线呈现油液阻尼力峰值和空气弹簧力峰值先后出现的情形[6]。以某支柱式起落架为试验对象，分别以仿升法和减缩质量法进行落震试验，记录吸收同等功量下6.65m/s 及6.85m/s 两种不同下沉速度的典型数据，如表1 所示。

表1 试验典型参数记录表

试验结果表明，提高下沉速度时油液阻尼力峰值会随之增大，对比仿升法及减缩质量法落震试验数据，两种下沉速度下的落震试验结果呈现一致的规律：同一工况下仿升法试验测得空气弹簧力峰值以及支柱压缩量较大，减缩质量法试验测得油液阻尼力峰值、起转载荷、回弹载荷以及轮胎压缩量更大。

其中6.65m/s 下沉速度的典型落震试验数据曲线如图2～图5 所示。试验结果曲线表明，由于仿升法及减缩质量法对地面垂直载荷的影响，对于所示工况两种试验方法测得地面垂直载荷的形式发生变化，由仿升法中的油峰低气峰高变为减缩质量法的油峰高气峰低，而起落架航向载荷峰值及轮胎压缩量峰值均出现在油峰附近，油峰的增大直接引起最大航向力及轮胎压缩量的增大。

图2 地面垂直载荷及航向载荷曲线

图3 上部质量（吊篮）下沉速度曲线

图4 支柱压缩量曲线

图5 轮胎压缩量曲线

3 结论

本文以支柱式起落架为试验对象，针对同一落震试验工况，分别以仿升法和减缩质量法进行落震试验，对比两种落震试验方法测得结果，可以得出以下结论：

3.1 仿升法试验比减缩质量法试验得到的油液阻尼力峰值小而空气弹簧力峰值大，两种试验方法会影响地面垂直载荷的油液阻尼力峰值及空气弹簧力峰值，对于特定的试验工况可能改变垂直载荷曲线形式。

3.2 起落架航向载荷峰值及轮胎压缩量峰值在地面垂直载荷油液阻尼力峰值处出现，对于同一落震试验工况下，减缩质量法对起落架航向承载以及轮胎承载能力考核更为严酷。

3.3 起落架落震试验中，减缩质量法比仿升法试验得到的支柱压缩量小，在评估起落架缓冲结构行程极限以及优化起落架缓冲器缓冲性能时需考虑此因素。