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起落架

起落架是飞机下部用于起飞降落或地面(水面)滑行时支撑飞机并用于地面(水面)移动的附件装置。起落架是唯一一种支撑整架飞机的部件,因此它是飞机不可分缺的一部份;没有它,飞机便不能在地面移动。当飞机起飞后,可以视飞行性能而收回起落架。

起落架装置是飞行器重要的具有承力兼操纵性的部件,在飞行器安全起降过程中担负着极其重要的使命。起落架是飞机起飞、着陆、滑跑、地面移动和停放所必需的支持系统,是飞机的主要部件之一,其性能的优劣直接关系到飞机的使用于安全。

1903年12月17日,人类历史上第一次有动力、载人、持续、稳定、可操纵的重于空气的飞行器成功飞行。这就是莱特兄弟所制造的“飞行者一号”。然而在这架飞机上,并没有现代起落架的影子,而是有一对类似滑橇的装置。它用带轮子的小车在滑轨上靠落锤装置弹射辅助起飞,如右图所示。

在1906年上天的Santos-Dumont(山度士杜蒙)的“飞机-14BIS”上,就有了现代起落架的样子。在采用轮式起落架以后,飞机在地面的移动、起飞前滑跑和着陆性能都有了很大的提高,如右图所示。

然而随着飞机的逐渐成功,飞机设计质量和飞行速度不断增加.提高飞机的起飞和着陆性能,就成为了急需解决的问题之一。第一次世界大战时的飞机已经有了减震的起落架.这些起落架采用把橡皮绳绕在轴上,并把它们固定在支柱上来进行减震。此时的起落架在着陆减震方面进入了角色。

随着飞行速度的提高.现代飞机的起落架都要求可收放,以减小飞行时的空气阻力。因此,起落架的结构形式也由架构式发展为支柱式和摇臂式。

为适应飞机起飞、着陆滑跑和地面滑行的需要,起落架的最下端装有带充气轮胎的机轮。为了缩短着陆滑跑距离,机轮上装有刹车或自动刹车装置。此外还包括承力支柱、减震器(常用承力支柱作为减震器外筒)、收放机构、前轮减摆器和转弯操纵机构等。承力支柱将机轮和减震器连接在机体上,并将着陆和滑行中的撞击载荷传递给机体。前轮减摆器用于消除高速滑行中前轮的摆振。前轮转弯操纵机构可以增加飞机地面转弯的灵活性。对于在雪地和冰上起落的飞机,起落架上的机轮用滑橇代替。

飞机在着陆接地瞬间或在不平的跑道上高速滑跑时,与地面发生剧烈的撞击,除充气轮胎可起小部分缓冲作用外,大部分撞击能量要靠减震器吸收。现代飞机上应用最广的是油液空气减震器。当减震器受撞击压缩时,空气的作用相当于弹簧,贮存能量。而油液以极高的速度穿过小孔,吸收大量撞击能量,把它们转变为热能,使飞机撞击后很快平稳下来,不致颠簸不止。

收放系统一般以液压作为正常收放动力源,以冷气、电力作为备用动力源。一般前起落架向前收入前机身,而某些重型运输机的前起落架是侧向收起的。主起落架收放形式大致可分为沿翼展方向收放和翼弦方向收放两种。收放位置锁用来把起落架锁定在收上和放下位置,以防止起落架在飞行中自动放下和受到撞击时自动收起。对于收放系统,一般都有位置指示和警告系统。

机轮的主要作用是在地面支持飞机的重量,减少飞机地面运动的阻力,吸收飞机着陆和地面运动时的一部分撞击动能。主起落架上装有刹车装置,可用来缩短飞机着陆的滑跑距离,并使飞机在地面上具有良好的机动性。机轮主要由轮毂和轮胎组成。刹车装置主要有弯块式、胶囊式和圆盘式三种。应用最为广泛的是圆盘式,其主要特点是摩擦面积大,热容量大,容易维护。

操纵飞机在地面转弯有两种方式,一种是通过主轮单刹车或调整左右发动机的推力(拉力)使飞机转弯;而另一种方式是通过前轮转弯机构操纵前轮偏转使飞机转弯。轻型飞机一般采用前一种方式;而中型及以上的飞机因转弯困难,大多装有前轮转弯机构。另外,有些重型飞机在转弯操纵时,主轮也会配合前轮偏转,提高飞机的转弯性能。

现代飞机上使用最广泛的是前三点式起落架。两个主轮保持一定间距左右对称地布置在飞机质心稍后处,前轮布置在飞机头部的下方。飞机在地面滑行和停放时,机身地板基本处于水平位置,便于旅客登机和货物装卸。重型飞机用增加机轮和支点数目的方法减低轮胎对跑道的压力,以改善飞机在前线土跑道上的起降滑行能力。

(1)具有滑跑方向稳定性。当机身轴线偏离滑跑方向时,主轮摩擦力的合力将产生恢复力矩,使飞机回到原来的运动方向。侧风着陆时较安全。地面滑行时,操纵转弯较灵活。

(2) 当飞机以较大速度小迎角着陆时,主轮着陆撞击力对飞机质心产生低头力矩,减小迎角,使飞机继续沿地面滑行而不致产生“跳跃”现象,因此着陆操纵比较容易。

(3)由于前起落架远离质心,因此着陆时可以大力刹车而不致引起飞机“翻倒”,从而打打缩短着陆滑跑距离。

(4)由于飞机轴线接近水平,因此起飞滑跑阻力小,加速快,起飞距离短,而且驾驶员前视界好,乘坐舒适。

(5)喷气发动机的喷流不会直接喷向跑道,因而对跑道的影响较小。

缺点

(1)前起落架的安排较困难,尤其是对单发动机的飞机,机身前部剩余的空间很小。

(2)前起落架承受的载荷大、尺寸大、构造复杂,因而质量大。

(3)着陆滑跑时处于小迎角状态,因而不能充分利用空气阻力进行制动。在不平坦的跑道上滑行时,超越障碍(沟渠、土堆等)的能力也比较差。

(4) 前轮会产生摆振现象,因此需要有防止摆震的设备和措施,这又增加了前轮的复杂程度和重量。

尽管如此,由于现代飞机的着陆速度较大,并且保证着陆时的安全成为考虑确定起落架形式的首要决定因素,而前三点式在这方面与后三点式相比有着明显的优势,因而得到最广泛的应用。

早期在螺旋桨飞机上广泛采用后三点式起落架。其特点是两个主轮(主起落架)布置在飞机的质心之前并靠近质心,尾轮(尾支撑)远离质心布置在飞机的尾部。在停机状态时,飞机90-的质量落在主起落架上,其余的10-由尾支撑来分担。后三点起落架重量比前三点轻,但是地面转弯不够灵活,刹车过猛时飞机有“拿大顶”的危险,现代飞机已很少采用。

优点

(1)后三点式起落架整体构造比较简单,重量也较轻。

(2)在螺旋桨飞机上容易配置。螺旋桨飞机要产生大的推力桨叶就很大,这不得不迫使飞机设计安装时提高螺旋桨发动机的离地高度,而正好装有后三点式起落架的飞机停留在地面时机头抬起很高迎角很大。

(3)在飞机上易于装置尾轮。与前轮相比,尾轮结构简单,尺寸、质量都较小;

(4)正常着陆时,三个机轮同时触地,这就意味着飞机在飘落(着陆过程的第四阶段)时的姿态与地面滑跑、停机时的姿态相同。也就是说,地面滑跑时具有较大的迎角,因此,可以利用较大的飞机阻力来进行减速,从而可以减小着陆时和滑跑距离。因此,早期的飞机大部分都是后三点式起落架布置形式。

缺点

(1)在大速度滑跑时,遇到前方撞击或强烈制动,容易发生倒立现象(俗称拿大顶)。因此为了防止倒立,后三点式起落架不允许强烈制动,因而使着陆后的滑跑距离有所增加。

(2)着陆速度要求高。若着陆速度过大,主轮接地的冲击力会使飞机抬头迎角增加,会引起飞机升力增大而重新离地“跳跃”现象,甚至会跳起后失速,发生事故。

(3)地面滑跑时方向稳定性差。如过在滑跑过程中,某些干扰(侧风或由于路面不平,使两边机轮的阻力不相等)使飞机相对其轴线转过一定角度,这时在支柱上形成的摩擦力将产生相对于飞机质心的力矩,它使飞机转向更大的角度。

(4)在停机、起、落滑跑时,前机身仰起,因而向下的视界不佳。

基于以上缺点,后三点式起落架的主导地位便逐渐被前三点式起落架所替代,只有一小部分小型和低速飞机仍然采用后三点式起落架。

还有一种用得不多的自行车式起落架,它的前轮和主轮前后布置在飞机对称面内(即在机身下部),重心距前轮与主轮几乎相等。为防止转弯时倾倒,在机翼下还布置有辅助小轮。这种布置型式由于起飞时抬头困难而较少采用。

优点

解决了部分薄机翼飞机主起落架的收放问题。

缺点

(1)前起落架承受的载荷较大,而使尺寸、质量增大。

(2)起飞滑跑时不易离地而使起飞滑跑距离增大。为使飞机达到起飞迎角,需要依靠专门措施,例如在起飞滑跑时伸长前起落架支柱长度或缩短后起落架支柱长度。

(3)不能采用主轮刹车的方法,而必须采用转向操纵机构实现地面转弯等。

由于以上的不利因素,除非是不得以,一般不采用自行车起落架。目前仅有少数飞机采用这种起落架布局形式,如英国的“海鹞”垂直起降战斗机等。

这种起落架的布置形式与前三点式起落架类似,飞机的重心在主起落架之前,但其有多个主起落架支柱,一般用于大型飞机上。如美国的波音747客机、C-5A(军用运输机(起飞质量均在350吨以上)以及苏联的伊尔86客机(起飞质量206吨)。

采用多支点式可以使局部载荷减小,有利于受力结构布置;还能够减小机轮体积,从而减小起落架的收放空间。

根据承受和传递载荷的方式,即结构受力形式,可将起落架分为桁架式、梁架式和混合式三种形式。

桁架式起落架由空间杆系组成的桁架结构和机轮组成。构架式起落架的主要特点是:它通过承力构架将机轮与机翼或机身相连。承力构架中的杆件及减震支柱都是相互铰接的。它们只承受轴向力(沿各自的轴线方向)而不承受弯矩。因此,这种结构的起落架构造简单,质量也较小,在过去的轻型低速飞机上用得很广泛。但由于难以收放,通常只用在速度不大的轻型飞机或直升机上。

梁式起落架通常由受力支柱、减震器、扭力臂、支撑杆系、机轮和刹车系统等组成。其主要承力构件是梁(支柱或减震支柱),根据支柱梁的支撑形式不同,可分为简单支柱式、撑杆支柱式、摇臂式和外伸式等多种形式。

简单支柱式

支柱式起落架的主要特点是:减震器与承力支柱合而为一,机轮直接固定在减震器的活塞杆上。减震支柱上端与机翼的连接形式取决于收放要求。对收放式起落架,撑杆可兼作收放作动筒。扭矩通过扭力臂传递,亦可以通过活塞杆与减震支柱的圆筒内壁采用花键连接来传递。这种形式的起落架构造简单紧凑,易于放收,而且质量较小,是现代飞机上广泛采用的形式之一。

支柱式起落架的缺点是:

(1) 质量轻,容易收放,结构简单。

(2)可以用不同的轮轴,轮叉形式来调整机轮接地点与机体,连接点之间的相互位置和起落架的高度。

(3)由于是悬臂式,因此支柱根部弯矩较大。由于杆与筒不能直接传递扭矩,因而杆与外筒之间必须用扭力臂连接。

(4)机轮通过轮轴与减震器支柱直接连接,减震器不能很好的吸收前方来的撞击。

(5)减震支柱本身是一个承受弯矩的构件,因此密封性较差,减震器内灌充的气体压力受到限制,使减震器行程增大,整个支柱较长,质量增加,并且在伸缩过程中容易出现卡滞。

撑杆支柱式

主要构件是减震支柱、扭力臂、机轮、收放作动筒和斜撑杆,与简单支柱式不同的是多了一个或几个斜撑杆。在收放时,撑杆可以作为起落架的收放连杆,有时撑杆本身就是收放作动筒。

当受到来自正面水平撞击,减震支柱不能很好地其减震作用,在着陆时,支柱必须承受弯矩,减震支柱的密封装置易受磨损。

摇臂式

摇臂式起落架主要是在支柱下端安有一个摇臂,摇臂的一端支柱和减震器相连,另一端与机轮相连,这种结构多用于前起落架。

摇臂改变了起落架的受力状态和承受迎面撞击的性能,提高了再跑道上的适应性,降低了起落架的高度。构造和工艺比较复杂,质量大,机轮离支柱轴线较远,附加弯矩较大,收藏空间大。

外伸式

外伸式起落架由外伸支柱、减震器、收放机构、收放作动筒、垂直支柱和机轮等组成。为了增加了轮距,将起落架向外伸出,收起时则收藏于机身内。 由于斜撑杆式的支柱受有很大弯矩,收放机构比较复杂,因此支柱和收放机构质量大。

混合式起落架由支柱、多根斜撑杆和横梁等构件组成,撑杆铰接在机体结构上,是桁架式和梁架式的混合结构。支柱承受剪切、压缩、弯矩和扭矩等多种载荷,撑杆只承受轴向载荷,撑杆两端固定在支柱和横梁上,既能承受轴向力,又能承受弯矩,因此大大提高了支柱的刚度,避免了摆振现象的发生。

多轮式起落架由车架、减震支柱、拉杆、阻尼器、轮架和及轮组等组成,一般用于质量大的运输机和客机上,采用多个尺寸小的机轮取代单个大几轮,提高了飞机的漂浮性,减小了收藏空间,在一个轮胎损坏时保证了飞机的安全。

飞机在着陆和起飞时,地面要对飞机产生很大的冲击力和颠簸振动,对飞机的结构和安全产生很大的影响。飞机上常采用缓冲装置来减小冲击和振动载荷,并吸收撞击能量。减震器的主要作用是吸收冲击能量,使传到机体上结构上的冲击载荷步超过允许值,在吸收能量过程中,减震器通过来回振荡,把吸收的能量变成热能耗散掉。

满足飞机机构设计要求

(1)强度,刚度要求; (2)疲劳,耐久性要求;(3) 损伤容限;(4)维修性要求;(5)适航性要求;(6)合理选材;(7) 工艺要求;(8) 经济性要求;(9)重量要求 ;(10)防雷击要求 ;(11)抗腐蚀要求。

满足起落架的功能要求

(1)在压缩行程(正行程)中,减震装置所承受的载荷,应随压缩量的增大而增大。

(2)减震装置在吸收的过程中,应尽量产生较大的变形来吸收撞击能量,以减小机体受到的撞击力,并且有较好的热耗作用。

(3)在伸展行程(反行程)中,减震器应把吸收的大部分能量转化成热能耗散掉。

(4)减震装置要有连续接受撞击的能力。

减震器一般有两种类型,一是固体减震器,如橡胶减震器、弹簧减震器、摩擦块减震器等;二是气体、液体或气液混合减震器。固体减震器效率低,能量耗散能力较小,常用于低速或轻型小飞机的不可收放起落架。油气减震器效率高,常用于高速,大型飞机上。全油式减震器结构紧凑,尺寸小,效率可达75-~90-,但压力过大,密封困难,温度变化对其影响大,目前只有少数飞机使用。

弹簧式减震器

利用弹簧变形吸收能量,在减震器内筒上加装摩擦垫圈,以增大热耗作用。结构简单,维修方便。

橡皮减震器

利用橡皮的弹性变形吸收撞击能量,并利用橡皮伸缩来消耗能量,飞机会产生较强的颠簸跳动,只有用于一些减震要求不高的飞机上。

油液弹簧式减震器

在起落架伸展和压缩的过程中,油液被迫高速流过小孔产生剧烈摩擦来耗散能量,在压缩过程中,弹簧变形吸收能量,伸展过程中,将积蓄的能量释放出。

油气式减震器

利用气体的压缩变形来吸收能量,并利用液体高速流过小孔时的摩擦来消耗能量。质量较轻且体积较小,吸能效率较高,是现代飞机上应用最广的减震器形式。

全油式减震器

它主要是利用液体在高压作用下产生压缩变形来吸收能量,利用液体高速流过小孔时的摩擦来消耗能量,这种减震器体积小,密封非常重要,一般用于军用飞机和高速重型飞机上。

1998年9月10日,中国东方航空一架MD-11型客机因前起落架无法展开,被迫在上海虹桥机场迫降。事后此事件被改编成一部纪实电影《紧急迫降》。

2005年9月21日,美国捷蓝航空一架空客A320型客机因前起落架无法收回机腹内,起落架扭曲90度。被迫在洛杉矶国际机场迫降。

2007年3月13日,全日空一架庞巴迪DHC8-Q400型客机因前起落架无法展开,被迫在高知机场迫降。迫降时未发生着火或爆炸事故。

2007年4月9日,印度航空一架空客A310“空中皇宫”客机从中国上海飞往印度新德里客机因前起落架无法展开,被迫在新德里国际机场迫降。机上所有人员安然无恙。但是机场的两条主要跑道因此受阻,造成大量航班延误。

2009年2月28日,罗马尼亚喀尔巴阡山航空一架SAAB2000型客机因前起落架无法展开,被迫在蒂米什瓦拉机场迫降。机上所有人员安然无恙。

2010年1月10日,在美国新泽西纽瓦克国际机场,一架美国联邦航空公司的客机在准备降落时发现右侧主起落架出了故障,无法放下,经过几次失败的尝试后只好迫降,无人员伤亡。

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