国内中小型无人机起落缓冲装置的研究现状与展望

刘向尧，詹家礼

(1.贵州理工学院 航空航天工程学院，贵州 贵阳 550003；2.桂林航天工业学院 机械工程学院，广西 桂林 541004)

0 引言

2018年1月，工业和信息化部发布了《无人驾驶航空器飞行管理暂行条例(征求意见稿)》，对几种无人机的概念给予了明确。微型无人机，是指空机质量小于0.25千克，设计性能同时满足飞行真高不超过50米、最大飞行速度不超过40千米/小时、无线电发射设备符合微功率短距离无线电发射设备技术要求的遥控驾驶航空器。

轻型无人机，是指同时满足空机质量不超过4千克，最大起飞质量不超过7千克，最大飞行速度不超过100千米/小时，具备符合空域管理要求的空域保持能力和可靠被监视能力的遥控驾驶航空器，但不包括微型无人机。

小型无人机，是指空机质量不超过15千克或者最大起飞质量不超过25千克的无人机，但不包括微型、轻型无人机。

中型无人机，是指最大起飞质量超过25千克不超过150千克，且空机质量超过15千克的无人机。

大型无人机，是指最大起飞质量超过150千克的无人机。

起落缓冲装置，位于飞行器起落装置(对飞机而言，一般称为起落架)中。在大型无人机中，起落架的缓冲装置为缓冲器，从缓冲吸能效率的角度考虑，普遍采用油气式缓冲器。国内学者对油气式缓冲器的若干问题研究较多，比如结构设计[1]、受力情况[2]、优化设计[3]、受力影响因素[4]等问题。

受承力幅值、质量或者缓冲效率等因素的影响，其他类型的起落缓冲装置在大型无人机中应用较少；而轻型和微型无人机由于起飞质量小，着陆时需要吸收耗散的能量小，较之其他几种类型的无人机，起落装置的支撑作用更明显，缓冲吸能作用不明显。

考虑到质量、成本等因素的影响，中小型无人机的起落缓冲装置没有采用油液式缓冲器的方案，有其独特的方案，比如通过扁簧或者滑橇自身的材料特性进行缓冲。而目前国内对于此领域的综述类文章较少见文献报道。

综上所述，结合已有的国内文献，主要对扁簧式和滑橇式起落架的技术问题进行介绍，然后谈及其他类型的起落架，最后结合一些技术问题对未来的研究方向进行展望，希望对飞行器起落装置的工程技术人员有所帮助。

1 扁簧式起落架

扁簧式起落架具有结构简单、安全可靠、成本低、易于工程师维护等优点，已广泛应用于中小型低速无人机中。

扁簧式起落架的起落缓冲装置是扁簧。不同于液体弹簧，扁簧是起落架领域中常见的一种固体弹簧，扁簧作为一种连接机身与机轮的弹性支撑结构通常使用金属铝(也可使用复合材料)制作，其通过自身结构的弯曲变形来实现着陆过程中垂向能量的吸收和耗散，是中小型无人机的一种缓冲器。其缺点是不可收放，起飞后的阻力较大，因此不适用于航行速度大的无人机。

扁簧式起落架的代表性应用有美国RQ－7影子无人机，以色列的苍鹫无人机等。以色列的苍鹫无人机如图1[5]所示。

图1 以色列苍鹫无人机

在此，从结构设计和强度分析2个角度将已有文献进行分类介绍。

1.1 结构设计

起落架结构设计的输入条件是指起落架工程技术人员在进行起落架结构设计之前应该获得的起落架的外部信息，包括起落架和机体结构的形状协调、起落架需要承受的外载荷、起落架自身的受力特性、起落架的使用环境、起落架的生产条件等信息。

依据上述的输入条件，起落架工程技术人员进行起落架结构设计，将起落架从无到有地进行设计、制造与使用。

1.1.1 结构尺寸

起落架采用复合材料板簧(扁簧)结构形式，一端固定在机体上，另一端与轮胎相连接。在航空器着陆缓冲过程中，轮胎的受压变形对着陆冲击的缓冲有限，板簧缓冲件起主要的载荷承载作用。在局部详细设计上，通过进一步选择合理的结构形式(如截面形式等)，可以更好地满足强度等应用要求[6]。

无人机起落架尺寸主要参考机身与起落架连接部位的最大宽度，机身最大宽度为0.5 m，起落架机轮间距的确定取决于飞机侧翻角的大小。陆基飞机侧翻角不得大于63°，舰载机不得大于54°。参考《飞机设计手册第14册—起飞着陆系统设计》确定无人机机侧翻角不得大于46°，从而确定前后起落架之间的水平距离、主起落架机轮间距以及起落架高度等参数。主起落架由泡沫夹芯碳纤维矩形管以及与机轮连接部位的铅合金板件结构组合而成[7]。

基于工程经验公式和数值仿真相结合的方法设计了某型号无人机主起落架，确定了复合材料泡沫夹芯结构构型及横截面几何尺寸、复合材料铺层顺序[8]。

1.1.2 结构优化

结构形式和尺寸初步确定后，进一步地开展优化设计工作，提高起落架性能和减轻起落架质量。比如弓形(扁簧)起落架的轴线形状和横截面直接影响无人飞机着陆时起落架的缓冲性能。为提高弓形起落架的缓冲性能，基于能量法构建了弓形起落架的参数化模型，以某一无人机的起落架为对象采用遗传算法进行优化设计。结果证明优化后的弓形起落架吸收冲击能量的能力得到了提高，同时减小了起落架的质量[9]。

由于提高扁簧的阻尼性能对飞机的平稳性具有重要影响，研究了扁簧阻尼模型的建立方法以及约束阻尼层的拓扑优化方法，为设计高阻尼性能扁簧提供了依据[10]。

1.2 强度分析

起落架结构设计是个迭代的过程，其动、静、疲劳强度等因素对结构有重要影响，所以强度分析成为学者关注的重点。

1.2.1 设计方法

运用工程梁理论将板簧(扁簧)式起落架看做一个外伸梁，通过满应力反向迭代设计来确定缓冲器的厚度分布。设计所得的缓冲器在最大受载状态等价为等强度梁，从而使起落架设计实现用最小重量代价满足缓冲吸能的设计目标[11]。

利用工程简化算法和数值仿真计算2种方法对某小型无人机的降落过程中起落架受载进行分析计算，获得了起落架载荷和变形量。通过计算结果对比分析，得出简化算法能快捷的获得起落架载荷，而数值仿真计算方法能直观的显示起落架变形时间历程同时通过迭代计算能获得相对更优结果结论[12]。

1.2.2 仿真分析

设计了复合材料扁簧式起落架，并提出了一种可增加扁簧柔性变形的机构。为确保设计的合理性，联合有限元及动力学软件对模型进行校核，采用刚柔混合建模的方法从运动构件中提取出冲击载荷并施加到有限元模型中进行动强度分析[13]。

基于LS－DYNA非线性动力学平台建立了复合材料扁簧式起落架落震过程的刚柔耦合模型，并采用显示积分法对落震模型进行求解，依据所建的落震试验平台，测试了扁簧落震的相关参数，并将试验结果与非线性动力学仿真分析结果进行了对比分析[14]。

对冲击载荷下复合材料板簧(扁簧)式起落架的动强度进行研究。首先用Nastran软件辅助生成板簧的模态中性文件，将其导入ADAMS软件中生成板簧的柔性体，并采用刚柔混合建模对起落架落地过程进行动力学仿真；然后从动力学仿真结果中提取出板簧所受的冲击载荷，并将其施加到Nastran软件中进行动强度分析；最后通过实验测量这一过程板簧发生的冲击应变[15]。

将扁簧刚－柔耦合建模方法进一步应用于无人机多体模型的建立，详细的对无人机多体系统中的各主要组成部分进行了介绍，为在MATLAB/Simulink中实现飞行器的刚－柔多体动力学分析提供了参考。并与气动系统、控制系统等物理模型结合开发了无人机多学科仿真平台，从而能够在更为复杂、更为接近真实系统的仿真环境下对起落架系统或控制系统进行测试分析[16]。

设计了静力学、动力学仿真测试以及扁簧落震实验对所建扁簧状态空间柔性模型进行验证。结果表明:静力条件下，状态空间模型与有限元软件静力分析结果仅有0.07%的误差，验证了柔性模型计算的准确性；另外，包含柔性状态空间模型的落震仿真模型的仿真步长为1 ms，与落震实验结果的误差小于5%，满足飞行仿真的要求[17]。

1.2.3 试验验证

对起落架进行静力学计算分析，得到起落架在不同载荷下的变形结果；对最大变形时刻的起落架进行强度初步校核，结果表明起落架强度符合静力学设计需求并通过试验研究验证了计算分析结果的准确性[18]。

首先通过试验测定了扁簧式起落架的刚度曲线，为后续分析和试验奠定基础；其次采用防滑刹车理论中的双线性模型来模拟轮胎与地面间的结合系数，计算出无人机着陆时的最大起转载荷；最后采用质量缩减法进行了落震试验[19]。

2 滑橇式起落架

滑橇式起落架结构简单、质量较轻，主要用于雪地和沙滩等松软着陆地面，且不适合采用轮式起落架着陆的地面；或者无人机着陆时平飞速度较小而无需采用轮式起落架的情况。滑橇式起落架与地面的接触面积很大，着陆时滑橇与地面的摩擦力可以使飞机在较短时间内停止，而且它对着陆场地的要求不高。

滑橇式起落架多应用在轻型直升机上，主要构件是2根滑筒和2根弓形梁，机身与弓形梁连接。滑橇既是飞行器停机时的支撑部件，又是着陆时吸收着陆功量的缓冲装置。

滑橇式起落架的代表性应用有中国直－11军民两用直升机，美国的贝尔429直升机等。美国贝尔429直升机如图2所示。

图2 美国贝尔429直升机

基于滑橇式起落架的使用原理，滑橇式起落架不仅应用在轻型直升机领域，还应用在中小型无人机领域。

2.1 结构设计

根据一般起落架的基本任务和设计思路，提出了某型无人机滑橇式起落架的结构设计，根据起落架的使用要求，确定了起落架的基本形式和结构材料[20]。

根据GJB720—2012的有关要求，完成了某型直升机滑橇式起落架的方案设计，确定了弓形梁和滑管总体尺寸、铺层方案等关键参数，计算了复合材料滑橇式起落架在不同着陆速度下的吸能特性[21]。

2.2 强度分析

与扁簧式起落架类似，起落架的动力学特性，尤其是着陆缓冲性能成为学者关注的重点。

2.2.1 设计方法

轻型直升机的滑橇式起落架结构简单，有着广泛的实际应用。针对某项目直升机的设计需要，用机械能守恒定律和材料力学的方法对该型起落架的着陆载荷做出定量分析，并校核了起落架的垂直过载和强度[22]。

直升机与固定翼飞机在起落装置研究方向中的一个差异就是直升机存在“地面共振”问题。

直升机的“地面共振”问题是指直升机在地面起飞降落时旋翼与机体耦合产生的自激动不稳定运动现象。主要原因是旋翼引起机身振动频率和起落架的固有频率相接近时，使振动振幅不断增加，从而导致直升机毁坏。

为了使设计出来的直升机型号避免出现“地面共振”不稳定运动现象，一般较有把握计算准确的方法是等研制出第一架首飞机之后，进行该机的地面振动特性试验，再根据其振动特性的测试结果进行“地面共振”计算。但这往往增加了研制返工的风险。为避免出现这种研制的风险，针对滑橇式起落架直升机的特点，探索性地提供了一种基于ANSYS软件的直升机“地面共振”计算的方法，使新研滑橇式起落架直升机还处在图纸设计的初期阶段就着手进行“地面共振”计算分析成为可能。在动力学设计过程中，主要是关注于起落架的刚度和阻尼，通过对材料参数和结构参数的选择，合理分配滑橇式起落架的整体阻尼和刚度[23]。

针对滑橇式起落架直升机，提供了一种“地面共振”动力稳定性分析的方法。首先，针对滑橇式起落架在承受直升机重量与旋翼升力时产生大变形的特点，逐级用有限元法计算其刚度和变形，并通过与地面库伦摩擦系数的比较，判断滑橇式起落架与地面接触的橇筒所受摩擦力的大小以及与地面产生的相对运动；其次，考虑滑橇式起落架与直升机相连阻尼器的作用，将有限元计算弹性刚度的方法拓展到适用于复刚度的计算；最后，根据直升机旋翼桨毂不同的结构形式，用桨叶振动模态法对滑橇式起落架的直升机进行“地面共振”动力稳定性分析，并通过算例得到验证[24]。

2.2.2 仿真分析

基于显式动力学和接触算法，在考虑旋翼升力的影响和机身与弓形梁连接点处的弯矩传递问题的基础上，建立滑橇起落架落震分析模型。为提高仿真分析效率，搭建由二次开发软件、ANSYS和LS－DYNA组成的落震分析系统[25]。

根据起落架初步设计参数，利用MSC.Patran建立了无人机和滑橇式起落架非线性有限元着陆仿真模型，模型中无人机机身简化成重心位置适当的圆筒，同时根据铝蜂窝材料的压缩性质利用非线性弹簧代替正式的铝蜂窝模型，大大提高了计算效率。利用MSC.Dytran进行无人机着陆仿真分析，综合多方面影响因素提出了16种着陆仿真工况，根据仿真结果计算得到各种着陆条件下机身过载和缓冲器行程等起落架性能参数，根据这些参数修正缓冲器承载力并进行下一轮仿真，直到这些参数满足设计要求。此后整理满足设计要求的仿真结果，得到滑橇式起落架前后支柱与缓冲器上最大弯矩、滑橇上的最大弯矩和轴力等，根据这些载荷情况修正结构尺寸[26－27]。

用MSC.Nastran分析软件对某直升机滑橇式起落架进行了弹塑性、大变形非线性分析，并与静力试验进行对比，理论计算与试验实测结果相当吻合，验证了理论分析的可靠性[28]。

根据无人机的使用要求，设计一种适用于伞降回收的滑橇缓冲方案；运用缓冲器静压试验及缓冲器落震试验数据曲线建立缓冲器动力学模型；基于缓冲器动力学模型研究全机多刚体落震模型，对无人机着陆缓冲过程的动态特性进行仿真分析；应用有限元技术对滑橇结构动态响应进行非线性动力学仿真分析，并根据仿真结果优化滑橇缓冲装置设计参数[29]。

Jindivik无人机的滑橇着陆装置结构紧凑、简洁，在同类系统中具有一定的代表性及其独特之处。对该装置运动机构进行运动及动力学分析。通过构造该装置的动力学模型，对其着陆缓冲过程进行数学模拟，得出该装置运动关系及着陆缓冲过程的动态特性[30]。

采用MSC.Dytran软件对某型直升机滑橇起落架结构土壤坠毁进行仿真分析，研究起落架在土壤坠毁过程中变形及吸能情况，并与刚性地面坠毁仿真情况进行了比较。在土壤表面发生坠毁时，土壤具有一定的吸能作用。所以在抗坠毁结构设计时应充分考虑不同坠撞面的影响[31]。

2.2.3 试验验证

为验证无人机伞降回收系统的直降式滑橇着陆装置的动力学性能，对其着陆缓冲过程进行数学模拟构造了该装置的动力学模型，通过数值求解得出了该装置缓冲过程的动态特性。对其着陆压缩过程的动力学模型进行了简化，计算结果可用于减震器参数的确定。落震试验结果表明:动力学模型能准确模拟着陆装置的缓冲过程[32]。

以直X型机为例，对滑橇起落装置直升机在系留状态下的“地面共振”问题进行了分析。在系留状态下，系留装置改变了机体和起落架系统的动力特性，为了保证直X型机在系留状态下不发生“地面共振”，采用了系留状态和自由状态全机动力特性对比试验和“地面共振”对比计算的方法分析系留状态的“地面共振”问题。介绍了直X型机系留方案的确定，全机动力特性试验和“地面共振”计算的方法及结果，最后得出明确结论[33]。

3 其他类型起落架

在中小型无人机领域，扁簧式和滑橇式起落架是常见方案，满足常规工况下对起落架的缓冲性能的要求。而在一些使用场景下，其他类型的起落架有其独特的应用特点。下面从磁流变式、气垫式和组合式起落架进行介绍。

3.1 磁流变式起落架

磁流变缓冲器缓冲介质不是固体，而是液体－磁流变液。其是一种新型智能材料，其流变特性在磁场作用下是瞬时可逆的，而且流变之后的剪切屈服强度与磁感应强度具有稳定的对应关系。以磁流变液为填充介质的磁流变缓冲器具有实时控制能力、连续可逆变化的缓冲阻尼力、低电压与功耗以及耐久性能。因此，磁流变缓冲器是一种典型的可控流体缓冲器，在起落装置半主动控制方面具有应用前景。而常见的缓冲装置是不控制的，即设计安装后，用同一套参数满足不同的工况，而磁流变缓冲器可以加入控制单元。

提出了一种单出杆混合模式的磁流变液缓冲器。本磁流变缓冲器内部结构采用非导磁缸筒与导磁缸筒交替固定衔接方式，实现库伦阻尼力阶梯状替增的方式，从而实现冲击作用下，磁流变缓冲器粘性阻尼力与库伦阻尼力的阻尼互补，且根据“等功恒力”的设计思想，保证恒定阻尼力的输出。且该磁流变缓冲器缩比原理样机采用恒定直流源直接供电模式，删减了繁琐的控制模块，具有结构简单、稳定性高等优点[34]。

根据流变力学的特点，并结合飞机起落架的实际工作情况，简化了起落架缓冲器的受力情况，建立了应用在起落架上的磁流变缓冲器模型。该缓冲器采用环形缝隙结构，无需改变截流面积便能达到改变阻尼的目的，具有结构简单、尺寸较小、易于控制等优点。建立并分析了起落架的系统动力学模型，在控制方法上采用了模糊控制，通过控制电流以控制由磁场产生的力[35]。

根据已确定的起落架整体形式及过载系数等条件，设计了基于磁流变阻尼特性的起落架减震(缓冲)器部件。设定了减震器的最大行程及最大阻尼力，确定了减震器采用混合工作模式，并采用与气体弹簧相结合的单出杆结构型式，分析计算了气体弹簧的压强值和体积值，并推导出了磁流变阻尼力及减震器总阻尼力理论计算公式。运用软件对多种减震器结构进行了电磁学分析，确定了减震器结构方案，并得到了减震器受活塞与外筒之间间隙影响的磁场强度与电流的特性关系，确定了减震器的力学模型及其参数[36]。

结合飞机起落架减震(缓冲)器的实际结构，设计了一种环形间隙节流与油针共同作用的磁流变减震器。利用流体力学理论、磁流变液理论和磁流变减震器设计的基本知识，对该磁流变减震器的结构进行了磁路、油针、气室等结构的设计，最后通过 ANSYS的APDL语言对磁路进行了优化分析，通过线性插值理论对油针截面进行优化设计，从而使结构更加合理[37]。

3.2 气垫式起落架

水陆两栖飞行器是各国争相研究的热点，比如在2016年，中国总装下线的蛟龙600大型水陆两用飞机。在中小型无人机领域，气垫式起落架是实现无人机水陆两栖起降的一种方案。

气垫式起落架的缓冲介质是气体。着陆时，气垫体受到冲击产生压缩变形，气垫体内部压力不断增大，气体通过排气口向外排气卸压以消耗着陆功量。

以某型地效飞行器为背景，对气垫式起落系统进行了概念设计及气垫体系统的初步设计。在方案设计的基础上，基于非线性有限元理论和LS－DYNA仿真平台，建立了气垫式起落系统落震有限元模型以及全机着陆有限元模型，分别进行了气垫式起落系统落震仿真分析和全机着陆仿真分析，通过仿真结果分析气垫式起落系统应力水平，得到质心位移变化曲线、速度变化曲线和加速度变化曲线，综合评估气垫体的体积变化、囊压变化和整个气垫式起落系统的缓冲性能[38]。

3.3 组合式起落架

在航天领域也有一些起落缓冲装置，比如金属材料缓冲装置。通常是将冲击能量转化为金属材料的塑性变形，在缓冲装置中应用非常广泛。一般有金属切削、薄壁金属管胀环扩径、金属多孔材料压溃等变形方式。

以金属切削法为例，通过刀具切削金属管来吸收冲击能量。其工作原理是:金属切削过程中，切削刀具对金属管进行切削，产生相互作用力，用刀具与金属管的摩擦热能、金属管的塑性变形以及金属管的撕裂来吸收外部的冲击能量，以此来达到缓冲吸能的目的[39]。

金属多孔材料是近年来迅速发展应用起来的一种新型工程材料，目前常用的金属多孔缓冲材料主要有铝蜂窝和泡沫铝，具有密度小、比强度大、耐腐蚀性能好、耐热性能好等优点，是理想可靠的减震(缓冲)吸能材料[40]。

基于各自的工作原理，将不同类型的起落缓冲装置进行组合，就构成组合式起落架，可以应用到中小型无人机中。

4 未来展望

从技术的角度看，学者们对中小型无人机起落装置的功能问题研究较多，即着陆缓冲问题、结构设计问题、动静强度分析问题等。由于研究对象是中小型无人机，其与军机，大型客机等研究对象有些差别，这就构成了本领域新的研究方向，值得学者和工程技术人员思考和研究。

4.1 设计准则

由于常规起落架安装在客机或者军机上，其产生的增重问题与经济性相比并不突出，所以目前的起落架结构设计准则普遍是安全性设计准则。

而对于中小型无人机，尤其是民用的中小型无人机来说，增重意味着有效载荷的减少，全寿命周期成本的增加。

在机翼结构中，损伤容限的设计准则已经应用到设计中，可以借鉴其思想，对无人机起落架设计准则及具体方法进行研究。

4.2 维修性

由于无人机飞手的误操作，无人机很可能在起降时损坏，出现的位置可能就在起落装置上。目前这种情况需要返厂维修，这就出现了2个问题:无人机返厂的周期比较长，可能引发用户的误工问题，影响用户体验；返厂后更换整个起落架，还是更换部分零部件?损坏的零部件能否维修后再次使用?

这些问题都需要在起落装置的方案设计阶段加以考虑，需要学者和工程技术人员进行研究，解决用户的痛点，提升用户的体验。

4.3 经济性

中小型民用无人机的售价在几千到十几万不等，而面向的用户往往是价格敏感者，如何在设计和制造阶段节约成本，从而降低售价和用户使用周期成本是值得学者和工程技术人员研究的问题。对于起落装置来说，开展总体布局、气动问题和优化设计等方面的研究对降低成本有帮助。

5 结语

从已有的国内中小型无人机起落缓冲装置的文献入手，重点介绍了扁簧式和滑橇式起落架，简要介绍了磁流变式、气垫式和组合式起落架。结合实际，对一些技术研究的方向进行了展望。

通航利好政策与低空空域管理改革刺激了通航领域投资和应用的快速增长，这对中小型无人机的技术提出了更高的要求。有充分地理由相信，随着技术的不断积累，飞行器起落装置领域的学者和工程技术人员能够迎接挑战，为无人机，乃至通航事业贡献自己的一份力量。