機體設(shè)計論文：機體概念設(shè)計流程論述范文

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作者：王躍單位：上海飛機設(shè)計研究院

起落架接地點參數(shù)設(shè)計

起落架接地點的設(shè)計要根據(jù)飛機的重量、重心包線、幾何外形、執(zhí)行任務(wù)等來確定。在給定輸入條件后，要使得接地點的設(shè)計滿足飛機結(jié)構(gòu)、漂浮特性和使用特性的需求。

1起落架布局形式

現(xiàn)代民用航空運輸飛機大多選用“前三點”式起落架布局形式。與“后三點”式起落架布局形式相比，這種布局形式可以使得飛機在地面狀態(tài)時，客艙基本呈水平狀態(tài)，有利于改善駕駛員視界，減小起飛滑跑初期的高阻力。由于主起落架在飛機重心之后，飛機在剎車、地面操縱時具有很好的穩(wěn)定性，同時在飛機著陸時，主起落架會產(chǎn)生一個使飛機低頭的力矩，幫助飛機減小著陸攻角，有利于減小著陸場長。該種布局的缺點主要集中在主起落架接地點的選取，即如何處理好在最大限度滿足各種使用特性的前起下，使得主起落架在收藏空間、結(jié)構(gòu)形式上合理、可行。

2起落架接地點參數(shù)設(shè)計

起落架接地點的設(shè)計原則是在滿足飛機使用安全性的前提下，依據(jù)飛機的重量重心、幾何外形等特征參數(shù)，最大限度地滿足飛機在滑跑、起飛和著陸階段的使用要求。同時，還要考慮飛機系列化發(fā)展的需求。

2.1主起落架縱向接地點設(shè)計

(1)飛機起降特性限制

主起落架縱向接地點參數(shù)包含接地點的縱向站位（用%MAC表示）和接地點距飛機客艙地板高度的距離。其參數(shù)的選取主要受到飛機起降所需求的迎角θ的限制。為了滿足飛機的正常起降要求，飛機的起飛迎角要求不小于飛機的著陸迎角，對于干線飛機，一般在8°～10°。同時，要重點考慮飛機單發(fā)起飛時的極限迎角需求，一般是在正常起飛迎角的基礎(chǔ)上增加1°左右。

在初始設(shè)計階段，如果有足夠的數(shù)據(jù)支持，也可以通過計算分析的手段，將飛機騰空時的迎角θLOF作為輸入條件，其計算公式如下：其中，αLOF為正常起飛時預(yù)期的最大迎角，VLOF為正常騰空時空速，CLLOF為對應(yīng)VLOF的升力系數(shù)，為升力線斜率。l1和l2參數(shù)如圖2所示，分別表示主起落架全伸長狀態(tài)接地點與飛機尾擦點連線與停機狀態(tài)地面線相交的兩段線長度。對于干線客機，飛機抬頭率一般取4°/s。此外，還需要考慮飛機系列化發(fā)展的需求，給系列化家族中的加長型飛機在起落架布置上留有必要的空間。對于干線客機，基本型飛機最終確定的起降迎角一般是在其起降需用迎角的基礎(chǔ)上增加2°～4°，要視客艙增加長度和機身后體修行的具體情況進行分析確定。

(2)飛機結(jié)構(gòu)設(shè)計限制

現(xiàn)代民用運輸機大多采用高氣動效率的超臨界機翼，其外形的一個顯著特點是后緣部分收縮劇烈，這就給下單翼布局形式飛機的主起落架收藏帶來了較大的空間限制。另外，采用較后的主起落架接地點，可能會出現(xiàn)主起落架的轉(zhuǎn)軸較長，主支柱后傾角較大，主起落架轉(zhuǎn)軸偏角較大等設(shè)計情況，這些都會造成主起落架重量和壽命上的損失。所以在設(shè)計之初，要依據(jù)飛機的結(jié)構(gòu)特點，主起落架的接地點不能過于靠后。

(3)翼下吊大涵道比發(fā)動機限制

現(xiàn)代民機的另外一個特點就是普遍采用油耗小、噪聲小的大涵道比噴氣發(fā)動機，而隨著民航業(yè)環(huán)保、節(jié)能要求的提高，發(fā)動機會采用更大的涵道比，其對應(yīng)的短艙直徑也有較大增加。目前下一代新研發(fā)的發(fā)動機涵道比已經(jīng)增大到12左右。為了滿足短艙與地面的間隙要求，就需要起落架有一定的長度來支撐飛機。對于翼吊布局的飛機，其短艙與地面的最小間隙為458mm（18in）。

(4)地面維修高度限制

飛機機體表面設(shè)有許多檢查、維護口蓋，根據(jù)機場現(xiàn)有的維修程序和維修設(shè)備的需要，同時考慮人機工效學(xué)，需要對飛機的高度有一定的限制。

(5)主起落架縱向接地點參數(shù)選取限制

基于上述分析，可以繪出主起落架縱向接地點參數(shù)選取區(qū)域限制圖，如圖3所示。對于采用放寬靜穩(wěn)定技術(shù)的飛機，其重心后限位置較后，在考慮加長型發(fā)展空間的基礎(chǔ)上，基本型飛機不可能在狹小的參數(shù)選擇區(qū)域內(nèi)選取到防倒立角大于飛機擦地角的主起落架縱向接地點位置，這也是現(xiàn)代民機主起落架布局設(shè)計的一大特點。在可選域的參數(shù)選取中，要考慮在最嚴(yán)重的重量、重心組合的情況下，使得選取參數(shù)對應(yīng)的飛機防倒立角能盡可能的比飛機運營過程中起降的最大迎角θ大。

2.2主起落架橫向接地點設(shè)計

主起落架橫向接地點即表示飛機的主輪距（用%SPAN表示），其參數(shù)的選取也受到多重因素的制約，如圖4所示。

(1)主起落架收藏空間的限制

在選取主起落架縱向接地點參數(shù)后，就需要開展主起落架橫向接地點的設(shè)計，即在飛機上進行合理的空間布置，滿足主起落架對收藏空間的需求。

在起落架收藏的概念設(shè)計中，需要考慮輪胎的膨脹、膨脹輪胎與收藏路徑上各種結(jié)構(gòu)件的間隙等影響主起落架收藏的主要因素。輪胎主要考慮充氣膨脹間隙和由轉(zhuǎn)動引起的形變間隙，在名義輪胎尺寸的基礎(chǔ)上，加上這兩部分間隙變化尺寸，構(gòu)成起落架收藏設(shè)計中的“協(xié)調(diào)用輪胎”尺寸。由于“協(xié)調(diào)輪胎”所考慮的膨脹和轉(zhuǎn)動形變間隙均為最小間隙，加之飛機后繼機對特殊機場適應(yīng)性要求的需要，因此對于“協(xié)調(diào)用輪胎”在徑向方向與收藏路徑上各種結(jié)構(gòu)件的間隙就需要留有足夠的空間。

(2)主起落架轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)布置空間限制

主起落架的展向位置設(shè)計被限制在機翼后部由后梁和襟翼輔助梁所形成的“三角區(qū)”，如見圖5所示，主起落架過分的沿展向靠外布置，會過分擠壓起落架轉(zhuǎn)軸的布置空間，給起落架轉(zhuǎn)軸設(shè)計增大難度。其具體限制條件可依據(jù)機翼后梁走向、機翼kink位置、主起落架接頭形式、襟翼艙布置空間、管線布置空間需求等確定，見圖4中條目2。

(3)側(cè)風(fēng)與單發(fā)著陸限制

飛機在側(cè)風(fēng)或單發(fā)著陸的過程中，會帶有一定的滾轉(zhuǎn)角Φ，一般在5°～8°。在主起落架橫向接地點位置選取時，就需要考慮由于飛機帶滾轉(zhuǎn)角著陸，發(fā)動機短艙與地面之間的最小安全間隙，一般要大于152.4mm（6in），見圖4中條目3。

(4)機場使用限制

飛機機場適應(yīng)性所包含的內(nèi)容很廣，其中有一條是根據(jù)機場的不同分類對飛機的幾何參數(shù)進行限制，具體限制如表1所示。

2.3前起落架接地點設(shè)計

(1)操縱穩(wěn)定性限制

前起落架和主起落架的接地點構(gòu)成一個平面，有效地支撐住飛機的重量，當(dāng)飛機的重心及主起接地點確定后，需要合理的選取前起落架接地點的位置，以確保飛機在側(cè)風(fēng)及地面轉(zhuǎn)彎時的穩(wěn)定性，一般用側(cè)翻角Ψ表示，如圖5所示。對于民用飛機，該角度不應(yīng)大于63°。

(2)載荷分配限制

合理地選取前起落架的接地點位置，能較好地分配起落架所承受的載荷。一般情況下，前起落架的載荷系數(shù)為8%～15%，見圖5。當(dāng)前起落架接地點過于靠前，前起落架的載荷較小，會使得飛機在小重量狀態(tài)下，前輪喪失部分或全部操縱性。相反，當(dāng)前起落架接地點過于靠后，前起落架的靜態(tài)載荷較大，在剎車產(chǎn)生的附加載荷作用下，很可能超過前起落架的設(shè)計強度。因此，需要合理地安排前起落架接地點的位置。

(3)結(jié)構(gòu)設(shè)計考慮

起落架上的載荷需要傳到飛機機身，為了減少飛機重量，需要使載荷的傳力路徑最短，最合理的方式是在靠近加強框的位置進行布置。

(4)飛機停機角設(shè)計考慮

由于飛機在停機時其重量、重心會有不同的組合，因此飛機的停機角是一個范圍，目前民用飛機的停機角范圍是-1°～1°。可以根據(jù)停機時客艙地板水平或是有輕微低頭的需要來選擇前起落架的長度。

飛機地面180°轉(zhuǎn)彎檢查

飛機起落架接地點確定后，在地面操縱時，除了要滿足之前所述的安全性、穩(wěn)定性和操縱性要求之外，還需要滿足在預(yù)期的最低運營機場跑道寬度的條件下，實現(xiàn)飛機180°轉(zhuǎn)彎的要求，如圖6所示。對于超大型民用客機，會對飛機的接地點設(shè)計產(chǎn)生一定的影響。ICAO附件14卷Ⅰ中機場跑道寬度要求和起落架距跑道邊界安全間隙要求分別見表2和表3。式中，b表示飛機的前主輪距，t表示飛機的主輪距，β表示飛機前起落架的轉(zhuǎn)彎操縱角，s1表示主起落架圖6飛機地面180°度轉(zhuǎn)彎外側(cè)雙輪間距，s2表示前起落架外側(cè)雙輪間距。

當(dāng)選定最低跑道寬度和對應(yīng)的安全間隙后，根據(jù)公式（2）計算出前起落架轉(zhuǎn)彎操縱角β。一般情況下，還需要考慮輪胎的側(cè)滑現(xiàn)象，即在求出的前起落架轉(zhuǎn)彎操縱角β上加3°～5°，該值以不大于45°為宜。

結(jié)論

本文針對現(xiàn)代民機設(shè)計特點，在充分吸收和借鑒傳統(tǒng)飛機概念設(shè)計階段起落架設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，從工程應(yīng)用角度出發(fā)，提出一套現(xiàn)代民機概念設(shè)計階段起落架接地點設(shè)計流程及方法。同時，將影響起落架接地點設(shè)計的適航安全、性能、結(jié)構(gòu)、空間布置、運營等限制因素按照設(shè)計流程進行歸類，明晰限制因素對設(shè)計產(chǎn)生的影響。