起落架新型冷气收放系统仿真及试验研究

刘可娜， 王 山， 刘永智， 任 杰， 何 泳

(成都飞机工业(集团)有限责任公司技术中心， 四川 成都 610092)

引言

目前国内外飞机起落架收放系统采用液压驱动方式，应急情况下使用冷气放下起落架[1]。国内外某些小型、微型无人机采用由母机携带起飞，着陆时冷气驱动放下起落架的方式，该方式存在放下起落架速度控制问题及不能用于冷气收上起落，不适用于自主起降的飞机。对于自主起降飞机，相比于传统收放方式(液压收放起落架加上冷气作为应急放起落架的备份)，冷气收放系统能够兼具收上和放下起落架的功能，体积小、重量轻、系统简单。但是冷气收放起落架系统需要解决速度控制问题[2]。

冷气收放起落架系统作为飞机重要子系统之一，其速度控制是冷气收放系统设计的难点。冷气收放起落架系统工作性能直接影响到飞机起降的安全性和机动性，因此对冷气起落架收放系统进行仿真与试验研究具有非常重要的现实意义[3-4]。有学者在起落架收放系统仿真中考虑起落架受载、重量、摩擦等的影响[5-9]，有学者通过建立收放系统机械、气压传动系统耦合动力学模型对收放过程或故障模式进行动态模拟[10-11]，未考虑空中工况气动影响，导致仿真结果可靠性不足。根据已有研究成果，进一步进行了试验研究、仿真与试验对比研究，最终确定并验证冷气收放的参数。

对于小型飞机，过快的收放速度会导致飞机姿态短时内改变，致使飞控计算机无法及时更新航姿，同时会造成起落架支柱、护板、结构承受巨大冲击，最终导致姿态不可控或结构损伤等严重后果。与液压收放起落架系统相比，冷气收放起落架系统重量体积小，但存在收放速度过快的问题。为保证起落架收放顺序的正确性和平稳性，需要进行仿真分析，考虑气动载荷下的起落架收放，及时调整设计参数。同时要进行冷气收放起落架的加载试验和收放试验[12]，试验中施加载荷模拟气动载荷的影响，最终验证冷气收放起落架系统的功能性能。

1 冷气起落架收放及速度控制工作原理

1.1 冷气收放起落架系统原理

起落架冷气收放系统由气源单元和起落架单元组成。气源单元是能源机构，由气瓶、充气活门、空气减压器、电磁阀、冷气传感器和管路等组成；起落架单元是执行机构，由3个支柱作动筒、3个护板作动筒等组成。2个电磁阀分别用于冷气收放支柱、护板控制，1个电磁阀用于应急的放起落架控制，电磁阀工作在不同位即可实现收上、放下、中立过程的切换。飞控计算机发送指令，控制支柱电磁阀和护板电磁阀通断，从而控制起落架支柱和护板的顺序收放，系统原理如图1所示。

图1 新型冷气收放起落架系统原理图

1.2 新型冷气收放起落架速度控制原理

一方面，相比液压收放起落架，冷气收放气体流阻小于液压油的阻尼，因此冷气收放速度控制困难。另一方面，对于小型飞机收放作动筒体积过小，即作动筒前端管路与作动筒体积接近，当冷气压力大于解锁压力后，前端管路的气体会迅速充满作动筒工作腔，推动起落架快速收上或放下。因此，冷气收放起落架速度难以控制，针对传统液压收放系统增设阻尼活门应用于冷气收放中，不能达到理想的收放速度控制作用。

前支柱作动筒推杆为收上，拉杆为放下；其余作动筒(主支柱作动筒、前护板作动筒、2个主护板作动筒)均与之相反，推杆为放下，拉杆为收上。假设作动筒收上腔体(也就是前支柱作动筒拉杆腔体，其他作动筒推出杆的腔体)为A腔，假设作动筒放下腔体(也就是前支柱作动筒推出杆腔体，其他作动筒拉杆的腔体)为B腔，作动筒A，B腔见图1所示。

初始的冷气收放起落架系统收放时间过快，指令发出后5 s内迅速动作到位，收上到位瞬间起落架支柱会与结构发生拍击，造成损伤。为了使收放过程平缓，特采用一种新型的冷气收放起落架方式：当收到前起落收上指令时，不是直接向收上腔充气，而是先向另外一腔充气，即先向B腔充气数秒后，停止向B腔充气的同时向A腔充气，此时B腔中预充的气体能够起到阻力作用，以此减慢起落架收上速度，使收上过程更平缓，不致对飞机结构造成冲击。同理，当收到起落架放下指令时，先向A腔充气数秒后，停止向A腔充气的同时向B腔充气，此时A腔中预充的气体能够起到阻力作用，以此减慢起落架放下速度。

预充气的速度控制方法工作流程分3个阶段：

(1) 预充气阶段：该阶段作动筒不动作，按照设置的时间长短向非工作腔充气；

(2) 开锁阶段：中止预先充气，开始向工作腔充气，直到作动筒开始动作；

(3) 动作阶段：作动筒开始动作持续到动作到位。

1.3 新型冷气收放系统参数计算

根据预充气策略，可得出气瓶剩余压力计算过程如下：

收支柱预充气：

pc(V0+V1)=p1(V0+V1)+p0V1+3×V10

(1)

收支柱：

p1(V0+V1)=p10(V0+V1)+p0V5

(2)

收护板预充气：

p10(V0+V1)=p2(V0+V1)+p0V2+5×V20

(3)

收护板：

p2(V0+V1)=p20(V0+V1)+p0V6

(4)

放护板预充气：

p20(V0+V1)=p3(V0+V1)+p0V4+2V40

(5)

放护板：

p3(V0+V1)=p30(V0+V1)+p0V8

(6)

放支柱预充气：

p30(V0+V1)=p4(V0+V1)+p0V3+2V30

(7)

放支柱：

p4(V0+V1)=p40(V0+V1)+p0V7

(8)

式中,V0——气瓶容积，L

V1——冷气充气管路总体积，L

pc——气源充气压力，MPa

p0——空气减压器调定压力，MPa

p1～p4分别为收支柱预充气后、收护板预充气后、放护板预充气后、放支柱预充气后气源压力，MPa；

p10，p20，p30，p40分别为收支柱后、收护板后、放护板后、放支柱后气源压力，MPa；p40应不小于10 MPa；

V1～V4分别为放支柱管路、放护板管路、收支柱管路、收护板管路体积，L；

V10，V20，V30，V40分别为放支柱作动筒、放护板作动筒、收支柱作动筒、收护板作动筒总体积，L；

V5～V8分别为收支柱、收护板、放支柱、放护板总体积，L。

考虑气体热胀冷缩，极限状态是在地面向气瓶充填55 ℃冷气，在系统最低工作温度-55 ℃时使用，自身的压力会下降。根据理想气体状态方程，计算55 ℃的冷气充填压力：

p-55/T-55=p55/T55

(9)

式中，T-55——-55 ℃换算的绝对温度，K

T55——55 ℃换算的绝对温度，K

p-55——系统最低工作温度-55 ℃时压力，MPa

p55——气瓶组件的最低充气压力，MPa

3 气动载荷下冷气收放起落架仿真

3.1 载荷及系统仿真主要参数

如表1所示,冷气收放起落架系统仿真基本参数,包含系统载荷(空中工况受气动载荷)、减压阀参数、气瓶组件参数、起落架支柱/护板尺寸、作动筒尺寸等。

表1 系统仿真参数

在左侧风下，模拟起落架支柱、护板在气动载荷下的冷气收放。将起落架支柱/护板在不同位置处的气动载荷及重力转换成对转动支点的负载力矩T，则负载力矩T与作动筒位移s线性相关。通过曲线拟合，得到负载力矩T与作动筒位移s的关系式。冷气收放起落架系统仿真中，将负载力矩T施加于转动支点处，模拟不同收放位置处气动载荷、重力等负载力矩的影响。

气动载荷主要考虑气流对起落架收放所产生的影响。气动载荷由式(10)确定，气动力矩由式(11)确定[2]：

(10)

Ma=∑Pa,diai

(11)

式中，Pa,di——第i个部件上气动载荷，N

Cxi——第i个部件上阻力系数

Si——第i个部件在垂直于气流平面上投影面积，m2

Ma——气动载荷对转轴的矩，N·m

ai——第i个部件气动载荷到转轴力臂，m

放下与收上过程的同一位置下合力矩相等，对收上过程起助力则对放下过程起阻力。负载力矩曲线中标记点为负载力矩数据点，拟合得到的支柱、护板负载力矩曲线如图2所示。

图2 支柱、护板负载力矩曲线拟合

3.2 起落架支柱护板建模

基于AMESim，依据飞机实际起落架、护板尺寸、位置，将起落架支柱、护板模型简化为平面模型，搭建起落架仿真分析模型。飞机翼展方向为X向，航向为Y向，竖直方向为Z向，考虑支柱护板的尺寸以及铰链相对位置搭建起落架支柱护板模型。为方便观测又不影响其相对运动，将前支柱、护板模型建为与主支柱、护板同平面(XZ平面)。支柱护板放下、收上模型如图3、图4所示。

图3 支柱、护板放下到位

图4 支柱、护板收上到位

3.3 冷气收放起落架系统模型

根据受载情况，左侧风或右侧风工况更容易造成主起落架左右收放速度不平衡情况，因此对左侧风进行仿真分析。左侧风下考虑支柱/护板重量、不同位置气动载荷、冷气压力，建立空中状态下冷气收放起落架系统模型如图5所示。

图5 受气动载荷影响的冷气收放起落架系统模型

3.4 基于预先充气策略的收放仿真

初始的冷气收放起落架系统收放时间过快，指令发出后5 s内迅速动作到位，容易造成结构损伤。经过多次仿真优化，对起落架收放的空中和地面工况设置预先充气策略。主要针对空中工况进行仿真分析，空中工况采用预先充气策略为：收上预充气5 s，放下预充气3 s；先收起落架支柱，支柱收上到位2 s后收起落架护板；为避免预先充气压力对放下起落架的影响，同时兼顾仿真时长不至过长，因而护板收上后80 s后执行放下指令，放下护板到位后2 s再放起落架支柱。起落架支柱护板收放指令如图6所示。

图6 支柱、护板收放指令

基于图5所示的起落架收放系统模型，在预先充气策略下，考虑空中左侧风下收放，经AMESim仿真，可得左侧风下起落架支柱、护板收放如图7所示。为方便观察，将各个过程总时间(含预先充气、 解锁和动作时间)统计成表，得到起落架收上、放下时间分别如表2、表3所示。表中动作时间第2列为3个支柱或3个护板包含了波动的最长动作时间。

表2 左侧风下起落架收上仿真时间 s

表3 左侧风下起落架放下仿真时间 s

图7 左侧风状态下起落架收放仿真曲线

左侧风工况下，起落架收上时间(含支柱收上15.5 s、护板收上10.6 s)可控制在26.1 s左右，起落架放下时间(含支柱放下21 s、护板放下13.6 s)可控制在34.6 s左右。

仿真表明：

(1) 调节收上、放下的预充气时间，能够对收放时间进行有效调节，预充气时间越长收放速度越缓慢同时收放一次所需的气量越多；

(2) 预先充气的新型冷气收放起落架能够实现起落架顺序收放并正常上锁，基于预先充气的冷气收放控制策略正常，能够满足起落架实现正常顺序收放；

(3) 经过调整优化预先充气时间，冷气收放速度能够满足设计要求，同时收放过程相对缓慢，避免产生结构冲击。

4 冷气收放起落架系统空中受载试验

4.1 收放系统模拟加载试验

试验台架主要由3根主梁及4根立柱组成，均为方钢管，两端焊接密封。各主梁间搭建框架，分别用于固定安装前、主起落架支柱及护板。各部分加载装置靠近加载点安装。试验台加载装置均采用弹簧加转轮装置，转轮根据相应载荷谱设计相应的凸轮，加载装置示意如图8所示。

图8 起落架支柱加载装置示意图

4.2 试验加载载荷与仿真加载载荷比较

通过仿真分析，能够初步确定预先充气时间，需要进一步通过试验验证该种冷气收放控制方法能够在严酷的载荷工况下功能性能正常。因此冷气收放起落架试验中载荷采用系统最严酷环境下的载荷。由于此次加载采用重物加载，在加载过程中配重恒定，因此加载力将为恒值。起落架实际加载载荷均大于或等于理论载荷，说明试验环境较飞行环境更为严酷。试验中加载力矩如表4所示。

表4 试验加载及仿真加载力矩 N·m

4.3 模拟左侧风受载下的收放起落架试验

预先充气策略下，模拟空中左侧风工况，进行冷气收放起落架系统加载试验。可得左侧风下起落架支柱、护板收放如图9所示。同样的，将各个过程总时间(含预先充气、解锁和动作时间)统计成表，得到起落架收上、放下试验时间分别如表5、表6所示。表中动作时间第2列为3个支柱或3个护板的最长动作时间。

表5 左侧风下起落架收上试验时间 s

表6 左侧风下起落架放下试验时间 s

图9 左侧风状态下起落架收放试验曲线

通过冷气收放起落架加载试验，验证了冷气收放系统的性能。预先充气的冷气收放速度控制能够使收放过程更平缓，且能够正常实现起落架支柱、护板的顺序收放。

4.4 试验要求加载载荷与仿真加载载荷比较

通过对比仿真及试验起落架收放结果，收放曲线如图10所示。

图10 起落架收放曲线仿真与试验对比

通过对比可以看出，仿真起落架收放曲线与试验收放曲线趋势一致，从曲线斜率可以看出仿真与试验收放速率接近。从收放时间表可以看出，仿真起落架收上时间略小于试验起落架收上时间，仿真起落架放下时间略大于试验起落架放下时间。分析其原因：试验中加载限于试验台设备影响，仅能施加定载，因此模拟左侧风时，试验中以收上过程最大载荷施加于整个收上过程，放下同理；因此试验放下起落架的加载力矩能够更快帮助起落架放下，导致试验时间与仿真时间有差异，收上相反。

5 结论

液压收放起落架进行速度调节的方法，如缩小节流孔孔径、调节解锁压力等方式，在小型飞机冷气收放起落架系统中用于速度控制效果不佳。通过预先充气的新型冷气收放起落架设计，能够实现起落架顺序收放并正常上锁，同时通过调节预先充气时间，能够调节冷气收放起落架速度，使收放过程更平缓，减小对结构的冲击以及空中对飞机姿态的影响。该新型收放经过仿真和试验的验证，功能性能良好，能够满足飞机设计要求，可广泛应用于中小型飞机以冷气为能源的收放起落架系统中。