起落架設計

起落架是飛機最常見的一種起落裝置，是飛機重要的受力部件之一。它承力較大，且受力較為複雜，承受著陸撞擊、地面滑跑以及做各種操縱運動時(如剎車、轉彎等)產生的地面反作用力，而且著陸撞擊和地面滑跑衝擊載荷都帶有明顯的動態特性。

它通常由受力結構、緩衝器、機輪、收放機構、上位鎖和下位鎖、轉彎操縱機構及剎車系統等組成。

基本介紹

• 中文名：起落架設計
• 外文名：landing gear design
• 所屬領域：航空航天
• 組成：受力結構、緩衝器、機輪等
• 要求：保證強度、剛度且最輕
• 用途：保證飛機機動滑行

設計要求

起落架作為飛行器機體的一部分，當然應該滿足飛行器結構設計的一般要求，即在保證起落架結構的強度、剛度和一定壽命的前提下質量最輕；使用維護方便，易於檢查、修理和更換；還應滿足空氣動力和工藝性、經濟性等要求。起落架處於複雜的疲勞載荷作用下，就其設計準則而言與飛行器的其他結構有所不同，目前一般按安全壽命(即疲勞壽命)原理設計，而不按損傷容限原理設計。其主要原因是起落架構件因載荷大而多採用高強或超高強材料，其臨界裂紋長度小，裂紋從可檢出到斷裂之間的擴展壽命短，而且在有些部位裂紋的檢查還比較困難。在過去，起落架壽命一般比飛行器機體結構的壽命短很多，因此，需定期更換。但現在國外都要求並已實現了起落架與機體結構同壽，國內也已基本達到這一要求。除這些一般要求之外，起落架還應滿足以下各項與其自身功能相關的要求。

地面運動要求

起落架應保證飛行器在地面運動時有良好的穩定性、可操縱性和適應性。穩定性是指飛行器高速滑跑時不易偏向、滾翻、側翻或“在地面打轉”，不產生不穩定的前輪擺振；可操縱性是指飛行器在地面滑行轉彎靈活，轉彎半徑要小；適應性是指在不同質量的跑道上，或側風等情況下著陸時，飛行器仍有良好的穩定性和可操縱性。可以通過對起落架參數、布局、減震和剎車系統性能的篩選，來滿足飛行器地面運動的要求。

減震要求

起落架應能很好的吸收飛行器著陸時一定量的垂直與水平動能和正常的撞擊載荷，以減小著陸及高速滑跑時所產生的撞擊過載，並且能夠很快耗散撞擊動能，使飛行器在撞擊後的跳躍很快衰減，趨於平穩，起到減震作用。這樣既能減小了撞擊對飛行器機體的作用載荷，又提高了乘員的舒適感。

剎車要求

起落架應有良好的剎車性能，以減小著陸滑跑距離，縮短所需跑道的長度。同時，應有足夠的剎車力保證飛行器在起飛滑跑前加大推力時能剎住飛行器。剎車裝置必須有效可靠，最大允許剎車力與跑道表面粗糙度有關，兩者應匹配。

通過性要求

起落架應具有良好的漂浮性。輪胎的充氣壓力和起落架的構型應當與預定使用跑道的承載能力相適應，保證飛行器在預定的跑道上順利起降。

收放要求

起落架與飛行器機體結構的連線應合理可靠，又便於在飛行時能緊湊地收入機體內，以減小飛行阻力，提高飛行器的飛行性能。因而起落架應有較小的體積和可靠的收放機構、聯鎖機構、定向機構、信號指示裝置和前輪糾偏機構。起落架的收放時間應儘可能短(不大於10～20 s)。

防護要求

起落架常常在溫度、濕度、振動、塵土、鹽霧等某些特定環境中使用，設計時要注意密封，以防止污物進入減震器或輪軸的內腔，還應合理布置起落架的附屬檔案，避免輪胎拋起的外物損壞外露的機構、電纜和液壓導管等，以保護起落架艙的安全。

可見，起落架設計除了起落架本身的結構設計外，還包括了飛行器結構、機構和多種系統的設計，同時應該對製造技術、動態測試技術、信息化處理技術、材料品種與特性(起落架涉及的材料非常廣泛，有氣體、液體和固體，金屬、非金屬和複合材料，高強度合金鋼和彈性元件等)以及機場跑道的設計等有較深入的掌握或了解。因此，與飛行器其他部件設計相比，起落架的設計包含更多的工程專業，是一門跨學科的綜合技術。還須注意到，起落架的設計要求、設計技術和材料均在發展變化之中，起落架的設計將變得日益複雜；但同時也促進了與起落架有關的科學技術的迅速發展。

形式選擇

起落架是一種起飛著陸裝置，它保證飛機滑跑、起飛、著陸、著陸後滑跑以及在機場上機動滑行。這時，起落架承受作用於飛機上的各種載荷，並在著陸滑跑中將其大部分動能散逸掉。

起落架形式是指支點數目及其相對於飛機重心的位置特徵。目前，飛機上採用的起落架有4種形式：後三點式起落架、前三點式起落架、機翼下帶支點的腳踏車式起落架及多支點式起落架。

後三點式起落架

後三點式起落架一直被廣泛套用到20世紀40年代中期。這種起落架的主支點安排在飛機重心之前，後支點放在重心後面。這種布局有以下缺點：

(1)必須限制飛機著陸速度。旅客機80～120 km/h；殲擊機和轟炸機130～150 km/h；農業飛機60～90 km/h。這些速度不能再提高了。隨著飛機著陸速度的增大，飛行員保持飛機著陸運動軌跡就更加困難了。著陸瞬時飄飛高度增大，而且在拉平和平飛階段，當飛機速度超過著陸速度時，主支點有可能過早碰觸跑道。此時，在支點上產生的迎面力相對飛機重心形成上仰力矩，飛機便繞主支點向後翻轉(倒立)。若迎面力的力矩未達到使飛機倒立的程度，則飛機在重量力矩的作用下，尾部開始下沉並轉為大迎角狀態。由於飛機速度大於著陸速度，機翼上的升力也就大于飛機重量，飛機即飄飛到某一高度，此後由於失逮而從這一高度飄落下來。這樣一種飛機動作被稱為“跳躍”。如果“跳躍”現象出現在飛機速度顯著大於著陸速度的情況下，則飄飛高度可能很大。在這種情況下，飛機由此高度飄落便會造成事故。

因此，後三點式起落架的飛機不允許在速度超過著陸速度時使主輪碰觸跑道。這種飛機只有在飛行速度等於著陸速度、三個支點同時接觸跑道的前提下，才能保證正常著陸。為了保證正常著陸條件，故將著陸速度限制在上述不太大的數值範圍內。

(2)後三點式起落架的飛機，起飛滑跑和著陸滑跑不穩定。在起飛滑跑中，飛機重量與機翼和平尾的升力之差由主支點承受，飛機相對於該支點保持平衡。在這一運動過程中，各種形式的擾動(側風、地形凸凹不平等)會使飛機繞軸線轉動盧角。這時在支點上形成的摩擦力相對飛機重心產生的力矩會使飛機偏轉更大的角度。

後三點式起落架的飛機穩定性差，這是導致飛機著陸速度低和這種起落架的套用受到限制的原因之一。

裝後三點式起落架的飛機在滑行轉彎時，後支柱必須鬆開鎖，使它能自由偏轉，否則飛機轉彎時，後支柱上會產生轉彎阻力，導致機輪損壞，從輪箍上剝落下來。

(3)在後三點式起落架的飛機上不能採用噴氣發動機(起飛滑跑受阻)。因為，在速度未得到平尾起作用之前，駕駛員無法控制飛機的俯仰，使它相對於主支柱保持平衡狀態，於是，飛機便有向前傾覆的可能性。

因此，後三點式起落架只能用於裝螺旋槳發動機或渦輪螺旋槳發動機的飛機。在這種飛機上，螺旋槳形成的氣流吹過水平尾翼，從而產生平衡和操縱飛機所需的力矩。

前三點式起落架

對於裝前三點式起落架的飛機，主支點先接觸跑道並不會引起不良後果。這時主支點上產生迎面力，在該力作用下，機頭下沉，飛機各支點全部受力。在這一運動過程中，迎角和機翼上的升力減小。如果支柱上的減震器能有效地吸收飛機能量，則飛機就不會脫離跑道。

因此，前三點式起落架的飛機可以大大提高著陸速度，不只是軍用飛機，就連在混凝土跑道上使用的旅客機，其著陸速度也能達到240～280 km/h，甚至更大。

駕駛這種飛機在著陸滑跑時，由於著陸速度的增大，可能出現駕駛錯誤，但並無危險。

大的著陸速度導致起落架上的載荷增大，起落架的重量也就隨之增大。但這是合算的，因為這樣可以顯著提高機翼的單位面積載荷，減小機翼面積並相應增大飛行速度。

機翼下帶支點腳踏車式起落架

在裝腳踏車式起落架的飛機上，前支點布置在飛機重心之前，因此與裝前三點式起落架相仿，可以大速度著陸，在起飛滑跑和著陸滑跑時具有方向穩定性。

是否採用機翼下帶輔助支點的腳踏車式起落架主要取決於飛機總體布局。由於在飛機重心區需要安排一個大容積的機艙，這就大大地加長了主支點離重心的距離。這時主支點上承受的載荷達到飛機重量的55%。採用腳踏車式起落架會出現以下幾個缺點：

(1)在起飛滑跑時，要求較高的駕駛技術。在飛機達到起飛速度時，由於這時水平尾翼尚未達到必要的效率，在主支柱距離重心較遠的情況下，無法保證飛機對重心的俯仰平衡，因此只好利用專門機構以“伸長”前支柱(增加其高度)或“縮短”後支柱(減小其高度)的辦法來保證飛機的起飛迎角。

(2)偏航時由於前輪摩擦力對重心構成不穩定力矩，前支柱上的機輪剎車力被限制在主輪剎車力的60%～70%，因而加長了飛機著陸滑跑距離。

(3)由於在中央艙區域和起落架固定處需要裝設加強框和加強梁等，機身重量增加了15%～20%。

(4)腳踏車式起落架雖然不高，但由於安裝了大功率轉彎操縱機構和在機翼下面安裝了支柱，其重量要比前三點式起落架大。

(5)在收上位置，翼下支柱通常凸出在機翼外面，需要安裝整流罩，因此增加了飛機迎面阻力。

由於上述缺點，腳踏車式起落架未獲得廣泛套用。

多支點式起落架

由於大起飛重量飛機的出現，導致了採用多支點式起落架。這種起落架形式可以減輕每個支點上承受的載荷，從而保證使用時不損壞混凝土路面。多支點式起落架用於起飛重量206 t的前蘇聯伊爾-86飛機以及起飛重量350 t的美國波音-747F和C-5A飛機上。