減縮質(zhì)量法與仿升法落震試驗(yàn)對(duì)比研究

胡 銳 張 飛 牟讓科

（1、中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，陜西 西安 710065 2、結(jié)構(gòu)沖擊動(dòng)力學(xué)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710065）

飛機(jī)起落架落震試驗(yàn)是飛機(jī)研制及定型必要的試驗(yàn)環(huán)節(jié)，直接關(guān)系到飛機(jī)起落架設(shè)計(jì)能力否滿足設(shè)計(jì)要求。其原理是通過模擬飛機(jī)著陸的姿態(tài)、速度和質(zhì)量等參數(shù)，在滿足起落架緩沖系統(tǒng)吸收能量的同時(shí)獲取起落架緩沖系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，落震試驗(yàn)方法根據(jù)試驗(yàn)過程中是否提供升力模擬分為減縮質(zhì)量法和仿升法。Milwitzky B 等人[1]中進(jìn)行了減縮質(zhì)量法落震試驗(yàn)和仿升法落震試驗(yàn)的對(duì)比，并得出可用減縮質(zhì)量法簡(jiǎn)化試驗(yàn)的結(jié)論。齊丕騫[2]等人基于能量等效的原則，提出了一種仿升力均值的概念及仿升力的施加方法，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)試驗(yàn)驗(yàn)證。杜金柱[3]等人通過能量等效的方法，研究了不同落震試驗(yàn)方法中的等效形式，并給出減縮質(zhì)量法和仿升法的等效的條件。

盡管中國(guó)軍用標(biāo)準(zhǔn)[4]及民航適航條例[5]都給出了明確的飛機(jī)起落架落震試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和要求，但對(duì)減縮質(zhì)量法和仿升法兩種試驗(yàn)方法的差異并未有定量的分析研究。本文以單腔油-氣式緩沖器起落架為試驗(yàn)對(duì)象，分別進(jìn)行減縮質(zhì)量法落震試驗(yàn)以及仿升法落震試驗(yàn)，對(duì)比兩種試驗(yàn)方法在吸收同等能量下起落架撞擊載荷、緩沖器行程及輪胎壓縮量等關(guān)鍵參數(shù)的差別。

1 起落架落震試驗(yàn)方法

1.1 當(dāng)量質(zhì)量

起落架落震試驗(yàn)以單獨(dú)的起落架考核飛機(jī)在著陸過程中起落架的受載情況，飛機(jī)著陸時(shí)分配在每個(gè)起落架上的有效質(zhì)量稱為當(dāng)量質(zhì)量。飛機(jī)經(jīng)常以兩點(diǎn)著陸，極個(gè)別情況是三點(diǎn)水平著陸[6]。

兩點(diǎn)著陸時(shí)，一個(gè)主起落架上的當(dāng)量質(zhì)量為：

其中，M 為飛機(jī)著陸質(zhì)量。

三點(diǎn)水平著陸時(shí)，根據(jù)力平衡及力矩平衡關(guān)系，前起落架上的當(dāng)量質(zhì)量為：

主起落架上的當(dāng)量質(zhì)量為：

其中，a 為停機(jī)狀態(tài)飛機(jī)重心至前起落架輪軸的水平距離，b 為停機(jī)狀態(tài)飛機(jī)重心至主起落架輪軸的水平距離，h 為緩沖支柱（器）全伸長(zhǎng)時(shí)飛機(jī)重心離主起落架輪軸的高度，μ 為平均滑動(dòng)摩擦系數(shù)，一般取μ=0.4。

起落架當(dāng)量質(zhì)量取不同著陸姿態(tài)下對(duì)應(yīng)較大的當(dāng)量質(zhì)量，對(duì)應(yīng)為（1）式及（2）式。

前、主起落架的緩沖系統(tǒng)所需要吸收的功量為：

其中Mdl為前、主起對(duì)應(yīng)的當(dāng)量質(zhì)量，V 為飛機(jī)著陸時(shí)對(duì)應(yīng)的垂向下沉速度。

1.2 起落架落震試驗(yàn)原理

國(guó)內(nèi)的起落架落震試驗(yàn)主要是在立柱式試驗(yàn)臺(tái)上以自由落體的形式進(jìn)行[5]，試驗(yàn)設(shè)備主要由臺(tái)架系統(tǒng)、提升/釋放系統(tǒng)、當(dāng)量質(zhì)量模擬系統(tǒng)、航向速度模擬系統(tǒng)、仿升力模擬系統(tǒng)及測(cè)試系統(tǒng)等構(gòu)成。根據(jù)是否提供升力分為減縮質(zhì)量法及仿升法，以落體系統(tǒng)模擬飛機(jī)分配在起落架上的當(dāng)量質(zhì)量，以落體系統(tǒng)的投放高度控制起落架機(jī)輪觸地時(shí)的垂向速度，以機(jī)輪帶轉(zhuǎn)設(shè)備預(yù)先反向轉(zhuǎn)動(dòng)飛機(jī)起落架機(jī)輪模擬起落架航向運(yùn)動(dòng)速度，通過測(cè)量撞擊載荷及緩沖器壓縮量等參數(shù)來判斷起落架受力工作情況，以優(yōu)化、驗(yàn)證起落架性能。試驗(yàn)設(shè)備/原理如圖1 所示。

圖1 落震試驗(yàn)設(shè)備/原理圖

1.3 減縮質(zhì)量法

以減縮質(zhì)量法進(jìn)行落震試驗(yàn)時(shí)不提供升力模擬，下沉速度由起落架系統(tǒng)進(jìn)行自由落體運(yùn)動(dòng)保證：

其中，H 為由下沉速度確定的投放高度，g 為重力加速度。根據(jù)起落架系統(tǒng)吸收功量的等價(jià)關(guān)系確定投放質(zhì)量，前、主起落架的有效投放質(zhì)量為：

其中L 為升力系數(shù)，一般取L=1，Yc為上部質(zhì)量總位移。落震試驗(yàn)中，上部質(zhì)量總位移Yc不能精確給出，且試驗(yàn)過程中Yc隨投放質(zhì)量變化，因此試驗(yàn)時(shí)投放質(zhì)量要利用配重塊進(jìn)行調(diào)節(jié)試湊，直至滿足試驗(yàn)落體功量與設(shè)計(jì)要求的緩沖系統(tǒng)吸收功量的偏差在要求范圍內(nèi)為止。

起落架測(cè)試過程中吸收的功量為：

其中，Pz為落震試驗(yàn)中起落架所受的地面載荷。

1.4 仿升法

以仿升法進(jìn)行落震試驗(yàn)時(shí)需提供升力模擬，其投放高度根據(jù)（5）式確定，有效投放質(zhì)量為：

2 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析

單腔油-氣式緩沖器軸向力主要由油液阻尼力和空氣彈簧力組成，其中油液阻尼力峰值出現(xiàn)在壓縮速度最大值處，空氣彈簧力峰值出現(xiàn)在緩沖器最大壓縮量處，因此，單腔油-氣式緩沖器支柱型起落架落震試驗(yàn)典型地面垂直載荷曲線呈現(xiàn)油液阻尼力峰值和空氣彈簧力峰值先后出現(xiàn)的情形[6]。以某支柱式起落架為試驗(yàn)對(duì)象，分別以仿升法和減縮質(zhì)量法進(jìn)行落震試驗(yàn)，記錄吸收同等功量下6.65m/s 及6.85m/s 兩種不同下沉速度的典型數(shù)據(jù)，如表1 所示。

表1 試驗(yàn)典型參數(shù)記錄表

試驗(yàn)結(jié)果表明，提高下沉速度時(shí)油液阻尼力峰值會(huì)隨之增大，對(duì)比仿升法及減縮質(zhì)量法落震試驗(yàn)數(shù)據(jù)，兩種下沉速度下的落震試驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)一致的規(guī)律：同一工況下仿升法試驗(yàn)測(cè)得空氣彈簧力峰值以及支柱壓縮量較大，減縮質(zhì)量法試驗(yàn)測(cè)得油液阻尼力峰值、起轉(zhuǎn)載荷、回彈載荷以及輪胎壓縮量更大。

其中6.65m/s 下沉速度的典型落震試驗(yàn)數(shù)據(jù)曲線如圖2～圖5 所示。試驗(yàn)結(jié)果曲線表明，由于仿升法及減縮質(zhì)量法對(duì)地面垂直載荷的影響，對(duì)于所示工況兩種試驗(yàn)方法測(cè)得地面垂直載荷的形式發(fā)生變化，由仿升法中的油峰低氣峰高變?yōu)闇p縮質(zhì)量法的油峰高氣峰低，而起落架航向載荷峰值及輪胎壓縮量峰值均出現(xiàn)在油峰附近，油峰的增大直接引起最大航向力及輪胎壓縮量的增大。

圖2 地面垂直載荷及航向載荷曲線

圖3 上部質(zhì)量（吊籃）下沉速度曲線

圖4 支柱壓縮量曲線

圖5 輪胎壓縮量曲線

3 結(jié)論

本文以支柱式起落架為試驗(yàn)對(duì)象，針對(duì)同一落震試驗(yàn)工況，分別以仿升法和減縮質(zhì)量法進(jìn)行落震試驗(yàn)，對(duì)比兩種落震試驗(yàn)方法測(cè)得結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

3.1 仿升法試驗(yàn)比減縮質(zhì)量法試驗(yàn)得到的油液阻尼力峰值小而空氣彈簧力峰值大，兩種試驗(yàn)方法會(huì)影響地面垂直載荷的油液阻尼力峰值及空氣彈簧力峰值，對(duì)于特定的試驗(yàn)工況可能改變垂直載荷曲線形式。

3.2 起落架航向載荷峰值及輪胎壓縮量峰值在地面垂直載荷油液阻尼力峰值處出現(xiàn)，對(duì)于同一落震試驗(yàn)工況下，減縮質(zhì)量法對(duì)起落架航向承載以及輪胎承載能力考核更為嚴(yán)酷。

3.3 起落架落震試驗(yàn)中，減縮質(zhì)量法比仿升法試驗(yàn)得到的支柱壓縮量小，在評(píng)估起落架緩沖結(jié)構(gòu)行程極限以及優(yōu)化起落架緩沖器緩沖性能時(shí)需考慮此因素。