起落架新型冷氣收放系統(tǒng)仿真及試驗研究

劉可娜， 王 山， 劉永智， 任 杰， 何 泳

(成都飛機工業(yè)(集團)有限責(zé)任公司技術(shù)中心， 四川 成都 610092)

引言

目前國內(nèi)外飛機起落架收放系統(tǒng)采用液壓驅(qū)動方式，應(yīng)急情況下使用冷氣放下起落架[1]。國內(nèi)外某些小型、微型無人機采用由母機攜帶起飛，著陸時冷氣驅(qū)動放下起落架的方式，該方式存在放下起落架速度控制問題及不能用于冷氣收上起落，不適用于自主起降的飛機。對于自主起降飛機，相比于傳統(tǒng)收放方式(液壓收放起落架加上冷氣作為應(yīng)急放起落架的備份)，冷氣收放系統(tǒng)能夠兼具收上和放下起落架的功能，體積小、重量輕、系統(tǒng)簡單。但是冷氣收放起落架系統(tǒng)需要解決速度控制問題[2]。

冷氣收放起落架系統(tǒng)作為飛機重要子系統(tǒng)之一，其速度控制是冷氣收放系統(tǒng)設(shè)計的難點。冷氣收放起落架系統(tǒng)工作性能直接影響到飛機起降的安全性和機動性，因此對冷氣起落架收放系統(tǒng)進行仿真與試驗研究具有非常重要的現(xiàn)實意義[3-4]。有學(xué)者在起落架收放系統(tǒng)仿真中考慮起落架受載、重量、摩擦等的影響[5-9]，有學(xué)者通過建立收放系統(tǒng)機械、氣壓傳動系統(tǒng)耦合動力學(xué)模型對收放過程或故障模式進行動態(tài)模擬[10-11]，未考慮空中工況氣動影響，導(dǎo)致仿真結(jié)果可靠性不足。根據(jù)已有研究成果，進一步進行了試驗研究、仿真與試驗對比研究，最終確定并驗證冷氣收放的參數(shù)。

對于小型飛機，過快的收放速度會導(dǎo)致飛機姿態(tài)短時內(nèi)改變，致使飛控計算機無法及時更新航姿，同時會造成起落架支柱、護板、結(jié)構(gòu)承受巨大沖擊，最終導(dǎo)致姿態(tài)不可控或結(jié)構(gòu)損傷等嚴(yán)重后果。與液壓收放起落架系統(tǒng)相比，冷氣收放起落架系統(tǒng)重量體積小，但存在收放速度過快的問題。為保證起落架收放順序的正確性和平穩(wěn)性，需要進行仿真分析，考慮氣動載荷下的起落架收放，及時調(diào)整設(shè)計參數(shù)。同時要進行冷氣收放起落架的加載試驗和收放試驗[12]，試驗中施加載荷模擬氣動載荷的影響，最終驗證冷氣收放起落架系統(tǒng)的功能性能。

1 冷氣起落架收放及速度控制工作原理

1.1 冷氣收放起落架系統(tǒng)原理

起落架冷氣收放系統(tǒng)由氣源單元和起落架單元組成。氣源單元是能源機構(gòu)，由氣瓶、充氣活門、空氣減壓器、電磁閥、冷氣傳感器和管路等組成；起落架單元是執(zhí)行機構(gòu)，由3個支柱作動筒、3個護板作動筒等組成。2個電磁閥分別用于冷氣收放支柱、護板控制，1個電磁閥用于應(yīng)急的放起落架控制，電磁閥工作在不同位即可實現(xiàn)收上、放下、中立過程的切換。飛控計算機發(fā)送指令，控制支柱電磁閥和護板電磁閥通斷，從而控制起落架支柱和護板的順序收放，系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 新型冷氣收放起落架系統(tǒng)原理圖

1.2 新型冷氣收放起落架速度控制原理

一方面，相比液壓收放起落架，冷氣收放氣體流阻小于液壓油的阻尼，因此冷氣收放速度控制困難。另一方面，對于小型飛機收放作動筒體積過小，即作動筒前端管路與作動筒體積接近，當(dāng)冷氣壓力大于解鎖壓力后，前端管路的氣體會迅速充滿作動筒工作腔，推動起落架快速收上或放下。因此，冷氣收放起落架速度難以控制，針對傳統(tǒng)液壓收放系統(tǒng)增設(shè)阻尼活門應(yīng)用于冷氣收放中，不能達到理想的收放速度控制作用。

前支柱作動筒推桿為收上，拉桿為放下；其余作動筒(主支柱作動筒、前護板作動筒、2個主護板作動筒)均與之相反，推桿為放下，拉桿為收上。假設(shè)作動筒收上腔體(也就是前支柱作動筒拉桿腔體，其他作動筒推出桿的腔體)為A腔，假設(shè)作動筒放下腔體(也就是前支柱作動筒推出桿腔體，其他作動筒拉桿的腔體)為B腔，作動筒A，B腔見圖1所示。

初始的冷氣收放起落架系統(tǒng)收放時間過快，指令發(fā)出后5 s內(nèi)迅速動作到位，收上到位瞬間起落架支柱會與結(jié)構(gòu)發(fā)生拍擊，造成損傷。為了使收放過程平緩，特采用一種新型的冷氣收放起落架方式：當(dāng)收到前起落收上指令時，不是直接向收上腔充氣，而是先向另外一腔充氣，即先向B腔充氣數(shù)秒后，停止向B腔充氣的同時向A腔充氣，此時B腔中預(yù)充的氣體能夠起到阻力作用，以此減慢起落架收上速度，使收上過程更平緩，不致對飛機結(jié)構(gòu)造成沖擊。同理，當(dāng)收到起落架放下指令時，先向A腔充氣數(shù)秒后，停止向A腔充氣的同時向B腔充氣，此時A腔中預(yù)充的氣體能夠起到阻力作用，以此減慢起落架放下速度。

預(yù)充氣的速度控制方法工作流程分3個階段：

(1) 預(yù)充氣階段：該階段作動筒不動作，按照設(shè)置的時間長短向非工作腔充氣；

(2) 開鎖階段：中止預(yù)先充氣，開始向工作腔充氣，直到作動筒開始動作；

(3) 動作階段：作動筒開始動作持續(xù)到動作到位。

1.3 新型冷氣收放系統(tǒng)參數(shù)計算

根據(jù)預(yù)充氣策略，可得出氣瓶剩余壓力計算過程如下：

收支柱預(yù)充氣：

pc(V0+V1)=p1(V0+V1)+p0V1+3×V10

(1)

收支柱：

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

(2)

收護板預(yù)充氣：

p10(V0+V1)=p2(V0+V1)+p0V2+5×V20

(3)

收護板：

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

(4)

放護板預(yù)充氣：

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

(5)

放護板：

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

(6)

放支柱預(yù)充氣：

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

(7)

放支柱：

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

(8)

式中,V0——氣瓶容積，L

V1——冷氣充氣管路總體積，L

pc——氣源充氣壓力，MPa

p0——空氣減壓器調(diào)定壓力，MPa

p1～p4分別為收支柱預(yù)充氣后、收護板預(yù)充氣后、放護板預(yù)充氣后、放支柱預(yù)充氣后氣源壓力，MPa；

p10，p20，p30，p40分別為收支柱后、收護板后、放護板后、放支柱后氣源壓力，MPa；p40應(yīng)不小于10 MPa；

V1～V4分別為放支柱管路、放護板管路、收支柱管路、收護板管路體積，L；

V10，V20，V30，V40分別為放支柱作動筒、放護板作動筒、收支柱作動筒、收護板作動筒總體積，L；

V5～V8分別為收支柱、收護板、放支柱、放護板總體積，L。

考慮氣體熱脹冷縮，極限狀態(tài)是在地面向氣瓶充填55 ℃冷氣，在系統(tǒng)最低工作溫度-55 ℃時使用，自身的壓力會下降。根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，計算55 ℃的冷氣充填壓力：

p-55/T-55=p55/T55

(9)

式中，T-55——-55 ℃換算的絕對溫度，K

T55——55 ℃換算的絕對溫度，K

p-55——系統(tǒng)最低工作溫度-55 ℃時壓力，MPa

p55——氣瓶組件的最低充氣壓力，MPa

3 氣動載荷下冷氣收放起落架仿真

3.1 載荷及系統(tǒng)仿真主要參數(shù)

如表1所示,冷氣收放起落架系統(tǒng)仿真基本參數(shù),包含系統(tǒng)載荷(空中工況受氣動載荷)、減壓閥參數(shù)、氣瓶組件參數(shù)、起落架支柱/護板尺寸、作動筒尺寸等。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

在左側(cè)風(fēng)下，模擬起落架支柱、護板在氣動載荷下的冷氣收放。將起落架支柱/護板在不同位置處的氣動載荷及重力轉(zhuǎn)換成對轉(zhuǎn)動支點的負載力矩T，則負載力矩T與作動筒位移s線性相關(guān)。通過曲線擬合，得到負載力矩T與作動筒位移s的關(guān)系式。冷氣收放起落架系統(tǒng)仿真中，將負載力矩T施加于轉(zhuǎn)動支點處，模擬不同收放位置處氣動載荷、重力等負載力矩的影響。

氣動載荷主要考慮氣流對起落架收放所產(chǎn)生的影響。氣動載荷由式(10)確定，氣動力矩由式(11)確定[2]：

(10)

Ma=∑Pa,diai

(11)

式中，Pa,di——第i個部件上氣動載荷，N

Cxi——第i個部件上阻力系數(shù)

Si——第i個部件在垂直于氣流平面上投影面積，m2

Ma——氣動載荷對轉(zhuǎn)軸的矩，N·m

ai——第i個部件氣動載荷到轉(zhuǎn)軸力臂，m

放下與收上過程的同一位置下合力矩相等，對收上過程起助力則對放下過程起阻力。負載力矩曲線中標(biāo)記點為負載力矩數(shù)據(jù)點，擬合得到的支柱、護板負載力矩曲線如圖2所示。

圖2 支柱、護板負載力矩曲線擬合

3.2 起落架支柱護板建模

基于AMESim，依據(jù)飛機實際起落架、護板尺寸、位置，將起落架支柱、護板模型簡化為平面模型，搭建起落架仿真分析模型。飛機翼展方向為X向，航向為Y向，豎直方向為Z向，考慮支柱護板的尺寸以及鉸鏈相對位置搭建起落架支柱護板模型。為方便觀測又不影響其相對運動，將前支柱、護板模型建為與主支柱、護板同平面(XZ平面)。支柱護板放下、收上模型如圖3、圖4所示。

圖3 支柱、護板放下到位

圖4 支柱、護板收上到位

3.3 冷氣收放起落架系統(tǒng)模型

根據(jù)受載情況，左側(cè)風(fēng)或右側(cè)風(fēng)工況更容易造成主起落架左右收放速度不平衡情況，因此對左側(cè)風(fēng)進行仿真分析。左側(cè)風(fēng)下考慮支柱/護板重量、不同位置氣動載荷、冷氣壓力，建立空中狀態(tài)下冷氣收放起落架系統(tǒng)模型如圖5所示。

圖5 受氣動載荷影響的冷氣收放起落架系統(tǒng)模型

3.4 基于預(yù)先充氣策略的收放仿真

初始的冷氣收放起落架系統(tǒng)收放時間過快，指令發(fā)出后5 s內(nèi)迅速動作到位，容易造成結(jié)構(gòu)損傷。經(jīng)過多次仿真優(yōu)化，對起落架收放的空中和地面工況設(shè)置預(yù)先充氣策略。主要針對空中工況進行仿真分析，空中工況采用預(yù)先充氣策略為：收上預(yù)充氣5 s，放下預(yù)充氣3 s；先收起落架支柱，支柱收上到位2 s后收起落架護板；為避免預(yù)先充氣壓力對放下起落架的影響，同時兼顧仿真時長不至過長，因而護板收上后80 s后執(zhí)行放下指令，放下護板到位后2 s再放起落架支柱。起落架支柱護板收放指令如圖6所示。

圖6 支柱、護板收放指令

基于圖5所示的起落架收放系統(tǒng)模型，在預(yù)先充氣策略下，考慮空中左側(cè)風(fēng)下收放，經(jīng)AMESim仿真，可得左側(cè)風(fēng)下起落架支柱、護板收放如圖7所示。為方便觀察，將各個過程總時間(含預(yù)先充氣、 解鎖和動作時間)統(tǒng)計成表，得到起落架收上、放下時間分別如表2、表3所示。表中動作時間第2列為3個支柱或3個護板包含了波動的最長動作時間。

表2 左側(cè)風(fēng)下起落架收上仿真時間 s

表3 左側(cè)風(fēng)下起落架放下仿真時間 s

圖7 左側(cè)風(fēng)狀態(tài)下起落架收放仿真曲線

左側(cè)風(fēng)工況下，起落架收上時間(含支柱收上15.5 s、護板收上10.6 s)可控制在26.1 s左右，起落架放下時間(含支柱放下21 s、護板放下13.6 s)可控制在34.6 s左右。

仿真表明：

(1) 調(diào)節(jié)收上、放下的預(yù)充氣時間，能夠?qū)κ辗艜r間進行有效調(diào)節(jié)，預(yù)充氣時間越長收放速度越緩慢同時收放一次所需的氣量越多；

(2) 預(yù)先充氣的新型冷氣收放起落架能夠?qū)崿F(xiàn)起落架順序收放并正常上鎖，基于預(yù)先充氣的冷氣收放控制策略正常，能夠滿足起落架實現(xiàn)正常順序收放；

(3) 經(jīng)過調(diào)整優(yōu)化預(yù)先充氣時間，冷氣收放速度能夠滿足設(shè)計要求，同時收放過程相對緩慢，避免產(chǎn)生結(jié)構(gòu)沖擊。

4 冷氣收放起落架系統(tǒng)空中受載試驗

4.1 收放系統(tǒng)模擬加載試驗

試驗臺架主要由3根主梁及4根立柱組成，均為方鋼管，兩端焊接密封。各主梁間搭建框架，分別用于固定安裝前、主起落架支柱及護板。各部分加載裝置靠近加載點安裝。試驗臺加載裝置均采用彈簧加轉(zhuǎn)輪裝置，轉(zhuǎn)輪根據(jù)相應(yīng)載荷譜設(shè)計相應(yīng)的凸輪，加載裝置示意如圖8所示。

圖8 起落架支柱加載裝置示意圖

4.2 試驗加載載荷與仿真加載載荷比較

通過仿真分析，能夠初步確定預(yù)先充氣時間，需要進一步通過試驗驗證該種冷氣收放控制方法能夠在嚴(yán)酷的載荷工況下功能性能正常。因此冷氣收放起落架試驗中載荷采用系統(tǒng)最嚴(yán)酷環(huán)境下的載荷。由于此次加載采用重物加載，在加載過程中配重恒定，因此加載力將為恒值。起落架實際加載載荷均大于或等于理論載荷，說明試驗環(huán)境較飛行環(huán)境更為嚴(yán)酷。試驗中加載力矩如表4所示。

表4 試驗加載及仿真加載力矩 N·m

4.3 模擬左側(cè)風(fēng)受載下的收放起落架試驗

預(yù)先充氣策略下，模擬空中左側(cè)風(fēng)工況，進行冷氣收放起落架系統(tǒng)加載試驗。可得左側(cè)風(fēng)下起落架支柱、護板收放如圖9所示。同樣的，將各個過程總時間(含預(yù)先充氣、解鎖和動作時間)統(tǒng)計成表，得到起落架收上、放下試驗時間分別如表5、表6所示。表中動作時間第2列為3個支柱或3個護板的最長動作時間。

表5 左側(cè)風(fēng)下起落架收上試驗時間 s

表6 左側(cè)風(fēng)下起落架放下試驗時間 s

圖9 左側(cè)風(fēng)狀態(tài)下起落架收放試驗曲線

通過冷氣收放起落架加載試驗，驗證了冷氣收放系統(tǒng)的性能。預(yù)先充氣的冷氣收放速度控制能夠使收放過程更平緩，且能夠正常實現(xiàn)起落架支柱、護板的順序收放。

4.4 試驗要求加載載荷與仿真加載載荷比較

通過對比仿真及試驗起落架收放結(jié)果，收放曲線如圖10所示。

圖10 起落架收放曲線仿真與試驗對比

通過對比可以看出，仿真起落架收放曲線與試驗收放曲線趨勢一致，從曲線斜率可以看出仿真與試驗收放速率接近。從收放時間表可以看出，仿真起落架收上時間略小于試驗起落架收上時間，仿真起落架放下時間略大于試驗起落架放下時間。分析其原因：試驗中加載限于試驗臺設(shè)備影響，僅能施加定載，因此模擬左側(cè)風(fēng)時，試驗中以收上過程最大載荷施加于整個收上過程，放下同理；因此試驗放下起落架的加載力矩能夠更快幫助起落架放下，導(dǎo)致試驗時間與仿真時間有差異，收上相反。

5 結(jié)論

液壓收放起落架進行速度調(diào)節(jié)的方法，如縮小節(jié)流孔孔徑、調(diào)節(jié)解鎖壓力等方式，在小型飛機冷氣收放起落架系統(tǒng)中用于速度控制效果不佳。通過預(yù)先充氣的新型冷氣收放起落架設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)起落架順序收放并正常上鎖，同時通過調(diào)節(jié)預(yù)先充氣時間，能夠調(diào)節(jié)冷氣收放起落架速度，使收放過程更平緩，減小對結(jié)構(gòu)的沖擊以及空中對飛機姿態(tài)的影響。該新型收放經(jīng)過仿真和試驗的驗證，功能性能良好，能夠滿足飛機設(shè)計要求，可廣泛應(yīng)用于中小型飛機以冷氣為能源的收放起落架系統(tǒng)中。