『航空基础知识系列』起落架
起落架就是飞机在地面停放、滑行、起飞着陆滑跑时用于支撑飞机重力,承受相应载荷的装置。简单地说,起落架有一点象汽车的车轮,但比汽车的车轮复杂的多,而且强度也大的多,它能够消耗和吸收飞机在着陆时的撞击能量。概括起来,起落架的主要作用有以下四个:
①承受飞机在地面停放、滑行、起飞着陆滑跑时的重力。
②承受、消耗和吸收飞机在着陆与地面运动时的撞击和颠簸能量。
③滑跑与滑行时的制动。
④滑跑与滑行时操纵飞机。
在过去,由于飞机的飞行速度低,对飞机气动外形的要求不十分严格,因此飞机的起落架都是固定的,这样对制造来说不需要有很高的技术。当飞机在空中飞行时,起落架仍然暴露在机身之外。随着飞机飞行速度的不断提高,飞机很快就跨越了音速的障碍,由于飞行的阻力随着飞行速度的增加而急剧增加,这时,暴露在外的起落架就严重影响了飞机的气动性能,阻碍了飞行速度的进一步提高。因此,人们便设计出了可收放的起落架,当飞机在空中飞行时就将起落架收到机翼或机身之内,以获得良好的气动性能,飞机着陆时再将起落架放下来。然而,有得必有失,这样做的不足之处是由于起落架增加了复杂的收放系统,使得飞机的总重增加。但总的说来是得大于失,因此现代飞机不论是军用飞机还是民航飞机,它们的起落架绝大部分都是可以收放的,只有一小部分超轻型飞机仍然采用固定形式的起落架(如蜜蜂系列超轻型飞机)。
起落架的布置形式
起落架的布置形式是指飞机起落架支柱(支点)的数目和其相对于飞机重心的布置特点。目前,飞机上通常采用四种起落架形式:
后三点式起落架:这种起落架有一个尾支柱和两个主起落架。并且飞机的重心在主起落架之后。后三点式起落架多用于低速飞机上,因此在四十年代中叶以前曾得到广泛的应用。目前这种形式的起落架主要应用于装有活塞式发动机的轻型、超轻型低速飞机上。
优点:
①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。
②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如着陆时的实际速度大于规定值,则容易发生“跳跃”现象。因为在这种情况下,飞机接地时的实际迎角将小于规定值,使机尾抬起,只是主轮接地。接地瞬间,作用在主轮的撞击力将产生抬头力矩,使迎角增大,由于此时飞机的实际速度大于规定值,导致升力大于飞机重力而使飞机重新升起。以后由丁速度很快地减小而使飞机再次飘落。这种飞机不断升起飘落的现象,就称为“跳跃”。如果飞机着陆时的实际速度远大于规定值,则跳跃高度可能很高,飞机从该高度下落,就有可能使飞机损坏。
③在起飞、降落滑跑时是不稳定的。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,目前只有一小部分小型和低速飞机仍然采用后三点式起落架。
前三点式起落架:这种起落架有一个前支柱和两个主起落架。并且飞机的重心在主起落架之前。前三点式起落架是目前大多数飞机所采用的起落架布置形式,与后三点式起落架相比较,前三点式起落架更加适合与高速飞机的起飞降落。
优点:
①着陆简单,安全可靠。若着陆时的实际速度大于规定值,则在主轮接地时,作用在主轮的撞击力使迎角急剧减小,因而不可能产生象后前三点式起落架那样的“跳跃”现象。
②具有良好的方向稳定性,侧风着陆时较安全。地面滑行时,操纵转弯较灵活。
③无倒立危险,因而允许强烈制动,因此,可以减小着陆后的滑跑距离。
④因在停机、起、落滑跑时,飞机机身处于水平或接近水平的状态,因而向下的视界较好,同时喷气式飞机上的发动机排出的燃气不会直接喷向跑道,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。
自行车式起落架:这种起落架除了在飞机重心前后各有一个主起落架外,还具有翼下支柱,即在飞机的左、右机翼下各有一个辅助轮。
优点:
①解决了部分飞机主起落架的收放问题
②无论是前三点式起落架还是后三点式起落架,其主轮都是布置在机翼下方,因此飞行时都将主轮收入机翼内。但有一些飞机的机翼非常薄,或者是布置了其它结构设备,因此难于将主起落架收入机翼内,这种飞机(特别是采用上单翼的轰炸机)往往采用自行车式起落架,如美国的“同温层堡垒”B-52等。由于自行车式起落架的两个主轮都在机身轴线上,飞行时直接收入机身内,而只在左右机翼下各装一个较小的辅助轮。
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,如美国的“海鹞”AV-8垂直起降战斗机等。
多支柱式起落架: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旅客机(起飞质量206吨)。显然,采用多支柱、多机轮可以减小起落架对跑道的压力,增加起飞着陆的安全性。
在这四种布置形式中,前三种是最基本的起落架形式,多支柱式可以看作是前三点式的改进形式。目前,在现代飞机中应用最为广泛的起落架布置形式就是前三点式。
起落架结构分类
构架式起落架
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,现代高速飞机基本上不采用。
支柱式起落架
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:活塞杆不但承受轴向力,而且承受弯矩,因而容易磨损及出现卡滞现象,使减震器的密封性能变差,不能采用较大的初压力。
摇臂式起落架
摇臂式起落架的主要特点是:机轮通过可转动的摇臂与减震器的活塞杆相连。减震器亦可以兼作承力支柱。这种形式的活塞只承受轴向力,不承受弯矩,因而密封性能好,可增大减震器的初压力以减小减霞器的尺寸,克服了支柱式的缺点,在现代飞机上得到了广泛的应用。摇臂式起落架的缺点是构造较复杂,接头受力较大,因此它在使用过程中的磨损亦较大。
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