飛機起落架的作用、配置形式和發(fā)展

1起落架與地面起落架的沖擊能量飛機布局是飛機的重要部件。飛機的所有行駛、地面旋轉(zhuǎn)和行駛都必須完成。飛機著陸時的沖擊能量主要由飛機吸收。本文對飛機起落架的作用、配置形式、結(jié)構(gòu)形式、組成、發(fā)展歷史做簡單介紹。2地面轉(zhuǎn)化飛機概括起來,飛機起落架主要有以下四個作用:(1)飛機在地面時支撐飛機;(2)吸收并耗散飛機著陸及滑行時的顛簸和撞擊能;(3)提供剎車功能;(4)地面運動時使飛機轉(zhuǎn)彎。3起落架滑跑原因起落架配置形式指起落架在飛機上的位置、數(shù)目以及布置特點,下面是飛機常用的四種起落架配置形式及其特點:(1)后三點式這種起落架有一個尾輪和兩個主起落架,尾輪在機身尾部離重心較遠(yuǎn)處,主起落架在飛機重心稍靠后處。這種形式的起落架結(jié)構(gòu)簡單,適合于低速飛機,在四十年代以前得到廣泛應(yīng)用,現(xiàn)代飛機上除一些裝有活塞式發(fā)動機的輕型、超輕型低速飛機外,基本不會使用這種配置形式起落架。后三點式起落架有以下優(yōu)點:(a)飛機上易于安裝尾輪。與前輪相比,尾輪結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕;(b)正常著陸時,著陸姿態(tài)與地面滑跑、停機時姿態(tài)相同,飛機有較大迎角,因此可以利用較大的飛機阻力來進行減速,從而減小著陸滑跑距離;隨著飛機速度不斷提高,后三點式起落架也暴露出很多缺點:(a)高速滑跑時,遇到前方撞擊或強烈剎車,容易發(fā)生倒立現(xiàn)象,因此為了防止倒立,后三點式起落架不允許強烈剎車,從而使著陸滑跑距離增加;(b)著陸速度較大時容易發(fā)生“跳躍”現(xiàn)象。因為在這種情況下,飛機接地時的實際迎角小于規(guī)定值,使機尾抬起,只是主輪接地。接地瞬間,作用在主輪的撞擊力產(chǎn)生抬頭力矩,使迎角增大,由于此時飛機速度大于規(guī)定值,導(dǎo)致升力大于重力而使飛機重新升起,以后由于速度很快的減小而使飛機再次飄落。這種飛機不斷升起飄落的現(xiàn)象就稱為“跳躍”,它有可能使飛機損壞;(c)在起飛、降落滑跑時不穩(wěn)定。如果在滑跑過程中,某些干擾使飛機相對軸線轉(zhuǎn)過一定角度,這時在支柱上形成的摩擦力將產(chǎn)生相對于飛機質(zhì)心的力矩,使飛機轉(zhuǎn)向更大的角度;(d)在停機、起飛、著陸滑跑時,前機身仰起,向下視界不佳。(2)前三點式這種起落架有一個前起落架和兩個主起落架,飛機重心在主起落架之前。這是現(xiàn)代飛機最常見的起落架配置形式,因為與后三點式相比,前三點式有很多優(yōu)點。前三點式起落架優(yōu)點有:(a)著陸簡單,安全可靠。重心在主起落架之前,著陸時不會發(fā)生后三點式起落架那樣的“跳躍”現(xiàn)象;(b)有良好的方向穩(wěn)定性,側(cè)風(fēng)著陸時較安全,地面滑行時,操縱轉(zhuǎn)彎較靈活;(c)不會發(fā)生倒立危險;(d)在停機、起飛、著陸滑跑時,飛機處于水平或接近水平,向下的視界較好;(e)噴氣式飛機上發(fā)動機排出的燃?xì)獠粫苯訃娤蚺艿?對跑道影響較小。前三點式起落架也有它的缺點:(a)前起落架布置較困難,尤其是發(fā)動機在機頭的小型飛機,機身前部空間非常緊張;(b)前起落架承受載荷大、尺寸大,相比后三點式的尾輪構(gòu)造更復(fù)雜,質(zhì)量更大;(c)著陸滑跑時處于小迎角狀態(tài),不能充分利用空氣阻力減速;(d)會產(chǎn)生前輪擺振現(xiàn)象,需要有防止擺振的減擺器或其他防擺措施;(e)因前起承受載荷大,起飛時抬前輪相對困難。(3)自行車式這種起落架是在飛機重心前后各有一個主起落架,在飛機左、右機翼下還各有一個較小的輔助輪。自行車式起落架的飛機主要是一些機身較小,機翼單薄的飛機。這些飛機起落架如用前三點式,機身沒有足夠空間收藏起落架或起落架布置不能滿足側(cè)翻角等要求,單薄的機翼也沒有空間收起落架,于是采用了這種自行車式起落架。自行車式起落架優(yōu)點就是可以解決起落架收藏問題,它也有與前三點式起落架相同的缺點,另外,它不能采用主輪差動剎車轉(zhuǎn)彎,只能通過前主輪轉(zhuǎn)彎操縱機構(gòu)實現(xiàn)地面轉(zhuǎn)彎。目前只有很少數(shù)飛機采用這種起落架配置形式。(4)多支柱式這種形式起落架與點三點式類似,可以看做是前三點式起落架的衍生形式。飛機重心在主起落架之前,但是有多個主起落架。這種形式起落架主要用于大型飛機上。采用多個主起落架可以減小飛機著陸時的過載,減小起落架對跑道壓力,使飛機乘坐更安全舒適。4支柱式起落架常見的起落架結(jié)構(gòu)形式分為構(gòu)架式、支柱式、搖臂式三種,另外還有一些非常規(guī)起落架。(1)構(gòu)架式起落架構(gòu)架式起落架的主要特點是:它通過承力構(gòu)架將機輪與機翼或機身相連。承力構(gòu)架中的桿件及緩沖器都是相互鉸接的。它們只能承受軸向力而不承受彎矩,因此,這種結(jié)構(gòu)的起落架構(gòu)造簡單,質(zhì)量也較小,但難以收放,現(xiàn)代高速飛機基本上不采用,只有一些小型低速飛機在用。(2)支柱式起落架支柱式起落架的主要特點是:緩沖器與承力支柱合而為一,機輪直接固定在緩沖支柱上。對收放式起落架,收放作動筒可兼作撐桿。扭矩通過扭力臂傳遞,亦可以通過活塞桿與緩沖支柱的圓筒內(nèi)壁采用花鍵連接來傳遞。這種形式的起落架構(gòu)造簡單緊湊、易于收放,而且質(zhì)量較小,是現(xiàn)代飛機上廣泛采用的形式之一。支柱式起落架的缺點是:活塞桿不但承受軸向力,而且承受彎矩,因而容易磨損及出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象,使緩沖器的密封性能變差,不能采用較大的初壓力。(3)搖臂式起落架搖臂式起落架的主要特點是:機輪通過可轉(zhuǎn)動的搖臂與緩沖器的活塞桿相連。緩沖器亦可兼作承力支柱。這種形式的緩沖器只承受軸向力,不承受彎矩,因而密封性能好搖臂式起落架的缺點是構(gòu)造較復(fù)雜,接頭受力較大,因此在使用過程中的磨損亦較大。(4)非常規(guī)起落架一般飛機都在混凝土跑道起降,有些特殊飛機會在草地、雪地、水上起降,因為使用環(huán)境的不同,就產(chǎn)生了一些非常規(guī)的起落架,如滑撬、雪橇、氣墊、浮筒式起落架等。滑撬式起落架一般包括一個小車或滾棒裝置用于起降,起飛裝置在飛機起飛后會留在地上。滑撬式起落架重量輕,與地面接觸面積大,適合在軟地面上使用。雪橇式起落架顧名思義就是起落架是類似于雪橇的裝置,使用這種起落架,飛機可以在雪地上著陸。為了使飛機在無雪的地面上也能使用,飛機也常裝有機輪,當(dāng)需要時可以將機輪放在雪橇下面或者上面。在雪地上著陸時,機輪沉陷到雪橇支撐住飛機為止。氣墊式起落架是有一氣墊體位于飛機下部,由發(fā)動機向氣墊體供氣,空氣通過氣墊體下表面一系列帶有角度的孔向外排出,排出的空氣在飛機下方形成氣墊,將飛機與地面隔開。剎車時使用滑撬或滑撬墊,當(dāng)施加剎車壓力時,它們即被壓向地面。浮筒式起落架指飛機下部安裝有兩個浮筒,使飛機可以在水上起降、停留。這種形式起落架一般出現(xiàn)在陸基飛機改裝成水上起降的飛機上。5飛機液壓系統(tǒng)的組成不同結(jié)構(gòu)形式的起落架組成會有所不同,這里以常見的大型客機起落架來說明。起落架基本組成包括緩沖支柱或緩沖器、扭力臂、機輪輪胎、剎車裝置、撐桿、收放機構(gòu)、前輪轉(zhuǎn)彎機構(gòu)、鎖機構(gòu)等,各組成部分功用如下:緩沖支柱或緩沖器:現(xiàn)代飛機上應(yīng)用最廣泛的是油氣式緩沖器。當(dāng)緩沖器壓縮時,氣體的作用相當(dāng)于彈簧,油液以極高的速度穿過小孔,吸收大量能量并轉(zhuǎn)化為熱能,使飛機很快平穩(wěn)下來。扭力臂:扭力臂由上、下兩臂組成,上臂連接支柱外筒,下臂連接支柱內(nèi)筒,主要承受、傳遞扭轉(zhuǎn)力矩。機輪輪胎:機輪輪使飛機可以在地面滑行,著陸時輪胎也吸收一部分撞擊能。主機輪上裝有剎車裝置。剎車裝置:使飛機減速,一些飛機也可通過主輪差動剎車使飛機轉(zhuǎn)彎。撐桿:根據(jù)飛機需要可設(shè)置航向撐桿、側(cè)向撐桿,用于承受飛機地面滑行時的航向或側(cè)向載荷。一些飛機的起落架收放作動筒兼做撐桿。收放機構(gòu):收放機構(gòu)的核心部件是收放作動筒,通過液壓壓力使收放作動筒伸縮,再通過連桿、轉(zhuǎn)軸等一整套收放機構(gòu)將起落架收起或放下。前輪轉(zhuǎn)彎機構(gòu):大型飛機上多設(shè)有前輪轉(zhuǎn)彎機構(gòu),駕駛員通過直接對前輪轉(zhuǎn)彎機構(gòu)操縱使飛機在地面轉(zhuǎn)彎。也有飛機設(shè)置前輪轉(zhuǎn)彎機構(gòu)的同時也可以通過主輪差動剎車轉(zhuǎn)彎。鎖機構(gòu):起落架在收起或放下后需用鎖機構(gòu)將其鎖定在預(yù)定位置。上位鎖多為掛環(huán)式,將起落架掛在收起位置。下位鎖形式多樣,有撐桿鎖、作動筒鎖、插銷鎖等。6可收放起落架1903年12月萊特兄弟首次飛行的飛機上還沒有帶機輪的起落架。1906年,巴西的桑托斯·杜蒙特的“雙14”(No.14bis)在歐洲首飛成功,這是第一架帶有機輪的起落架的飛機到了第一次世界大戰(zhàn),起落架形式有所改進,但結(jié)構(gòu)仍比較簡單,多是后三點式,其結(jié)構(gòu)一般是采用連接到機身上的相當(dāng)粗糙的支柱和具有某種程度緩沖的裝置,它的緩沖作用是用纏繞在軸上的松緊繩來實現(xiàn)的。在第一次世界大戰(zhàn)與第二次世界大戰(zhàn)之間的21年中,飛機起落架有了很大發(fā)展,出現(xiàn)了可以收放的起落架,這就減小了飛機飛行阻力,提高了飛行速度。最早的可收放起落架是20世紀(jì)20年代后期英國布里斯托市丘辟特競賽飛機上所用的。二戰(zhàn)之前,大多數(shù)飛機還是采用不可收放的起落架,二戰(zhàn)開始后,大部分戰(zhàn)斗機和轟炸機采用了可收放起落架從二戰(zhàn)開始,起落架設(shè)計得到了全面發(fā)展:子午線輪胎開始普遍使用;剎車材料如鈹和碳已經(jīng)被開發(fā)出來;采用數(shù)字化防滑控制系統(tǒng);超高強度鋼和應(yīng)力抗腐蝕鋁合金開始使用;高效率緩沖器被設(shè)計出來;前三點式起落架開始大量使用。近幾十年來,起落架的結(jié)構(gòu)形式和布局沒有太大變化,只是更多的新材料、新技術(shù)應(yīng)用到起落架設(shè)計上來。起落架控制系統(tǒng)采用大量電子設(shè)備和機電設(shè)備用于起落架操縱、位置檢測、告警等,使起落架系統(tǒng)信息化、智能化。起落架結(jié)構(gòu)上,高強度鋼、鈦合金、大型金屬鍛件等廣泛應(yīng)用,復(fù)合材料也開始在起落架上得到應(yīng)用,最新出現(xiàn)的3D打印技術(shù)也已經(jīng)在一些飛機起落架上應(yīng)用。這些新材料、新技術(shù)的應(yīng)用使得起落架結(jié)構(gòu)重量及成本降低、