CN104156521A - 一种考虑自由飞行钩住情况的飞机前起落架设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于航空工程技术领域，具体涉及到在飞机设计初始阶段如何考虑自由飞行钩住情况的前起落架设计方法，其特征在于，确定自由飞行钩住时影响前起落架下沉速度的各项条件，给出下沉速度的计算方法和落震试验验证时当量质量的计算方法。其有益效果是：在飞机设计之初就将自由飞行钩住作为一种重要的载荷情况，从飞机总体设计角度给予重视并给出使用建议，确保飞行安全。

Description

一种考虑自由飞行钩住情况的飞机前起落架设计方法

技术领域

本发明属于航空工程技术领域，具体涉及到在飞机设计初始阶段如何考虑自由飞行钩住情况的前起落架设计方法。

背景技术

自由飞行钩住(FFE)是指飞机在处于上仰姿态，且所有起落架尚未接触地面的情况下的尾钩钩索。此时，飞机有较大的姿态角和较低的下沉速度。根据起落架和尾钩几何布局、飞机重心位置，钩索力线可能处于飞机重心之下，因此产生显著的低头力矩，造成前起落架首先接触地面，而主起落架稍后继之，飞机的低头俯仰速率可以导致前起落架以很高的下沉速度触地。因此，低下沉速度的自由飞行钩住情况，可以导致前起落架载荷与高下沉速度的正常钩索情况相当。基于各类着陆情况的分析，可知自由飞行钩住情况是前起落架及其支持结构的关键载荷情况。

自由飞行钩住是一类容易被忽视的飞机使用情况，特别是对于欠缺固定翼飞机研制经验的设计者，往往因循陆基飞机的设计惯例，仅将飞机的大下沉速度情况作为研究的重点。实际上，对于飞机而言，前起落架最为严重的载荷情况恰恰发生在飞机小下沉速度的自由飞行钩住情况。

发明内容

本发明在研究飞机自由飞行钩住运动特性的基础上，根据规范中的设计流程，给出考虑自由飞行钩住情况的设计方法，确定了影响自由飞行钩住情况的飞机各项总体参数，保证飞行安全。

技术方案

一种考虑飞机自由飞行钩住情况的设计方法，其特征在于，包含如下步骤：

第一，自由飞行钩住时前起落架下沉速度计算

对于固定翼飞机，此时的飞机重心处下沉速度应在均值以下，计算值即是飞机重心处最小下沉速度V_y.cg.min。前起落架下沉速度由飞机重心处下沉速度和飞机俯仰角速度联合决定，对于自由飞行钩住情况，后者起主导作用。在初步设计阶段，自由飞行钩住情况的前起落架最大下沉速度的算法I为：

${\left[V_{y.n.\mathrm{ffe}.\max }\right]}_I=a\·\frac{g}{V_{\mathrm{TD}}}\·[\frac{\sinh \left(\frac{L}{G}\right)-1}{\cosh \left(\frac{L}{G}\right)-1}-(\frac{L}{G}-1)]+\frac{(V_{\mathrm{TD}}-10.3)\·\sin {\mathrm{\θ}}_p}{\sqrt{1+{\left(\frac{b}{r_z}\right)}^2}}---\left(1\right)$

算法II为

${\left[V_{y.n.\mathrm{ffe}.\max }\right]}_{\mathrm{II}}=3.15\·\underset{i=1}{\overset{7}{\mathrm{\Π}}}{k}_i---\left(2\right)$

式(2)中的连乘因子为

$k_1=1+\frac{4\·b}{a+b}---\left(3\right)$

$k_2=1-0.024\·{\left(\frac{a+b}{r_z}\right)}^2---\left(4\right)$

$k_3=0.36\·\sqrt[3]{{{\mathrm{\θ}}_p}^2}-0.067\·{\mathrm{\θ}}_p---\left(5\right)$

$k_4=1+0.5\·\sqrt{\frac{K_n}{K_m}-0.2}---\left(6\right)$

$k_5=1+\frac{0.8\·h}{a+b}---\left(7\right)$

$k_6=1+0.022\·\sqrt[3]{M_{\mathrm{ld}.\mathrm{des}}}---\left(8\right)$

k₇＝0.325+0.228·n_y.cg   (9)

用算法I求解时要注意统一量纲，用算法II求解时要注意俯仰角θ_p的单位是度(不是弧度),

V_y.n.ffe.max＝max{[V_y.n.ffe.max]_I [V_y.n.ffe.max]_II}   (10)

第二，自由飞行钩住情况的计算条件为：

a)飞机重心处的下沉速度的取值区间为

b)当飞机的触地速度时，啮合速度的取值区间为当飞机的触地速度时，啮合速度的取值区间为

c)飞机构型的升重比为：L/G＝1.0～1.3；

d)触地速度的取值区间为其中V_PA是飞机的动力进场速度；

e)俯仰姿态θ_p应与V_y.cg、V_PA、L相一致；

f)滚转姿态θ_r应为0°、2°两种；

g)钩索力的取值区间应为P_h.lower≤P_h≤P_h.upper；

h)飞机重心距地面高度h的取值区间为：由尾钩完全放下位置钩索的状态，到尾钩旋转至主轮触地与钩索同时发生的状态，重心高度处于这两种状态的中间各值；

i)俯仰角速度的计算方法以上仰旋转为正方向，下俯旋转为负方向。

第三，落震试验模拟：

用单体的前起落架落震试验来模拟自由飞行钩住情况是一种让步措施，前起落架落震试验的关键是确定下沉速度和当量质量。下沉速度的计算如前文所述。考虑钩索制动力，自由飞行钩住情况的前起落架当量质量为

$m_{\mathrm{eq}.n}=\frac{M_{\mathrm{ld}.\mathrm{des}}}{1+\frac{M_{\mathrm{ld}.\mathrm{des}}\·a_{\min }^2}{J_z}}+\frac{M_{\mathrm{ld}.\mathrm{des}}\·n_{x.\mathrm{cg}}\·c_{\max }}{a_{\min }}---\left(11\right)$

式(11)中，c_max是钩索力线与飞机重心的最大距离，此时考虑飞机重心位于钩索力线之上；a_min是前重心情况下的前轮至重心距离。利用全机落震试验来模拟自由飞行钩住情况是最佳解决之道，这种方法避免了设计者采用各种假设条件来计算前起落架的当量质量和下沉速度，只需按试验规范考虑全机姿态、重心位置、重量分布、下沉速度即可。

在整个自由飞行钩住钩索过程中，当钩索力已经建立1/3最大值(此时绳索的3重弯折波已衰减)，直至最大值，在此区间的钩索力线应该在由重心之上迅速转向重心之下，三点姿态滑跑，当钩索力线在重心之上时，不应导致前轮载荷为0；当钩索力线在重心之下时，不应导致前起落架过载增加Δn_y.n＝2.0。

在钩索力线已经处于重心下方的情况下，c为

c＝|Y_cp-Y_cg|·cosΦ±|X_cp-X_cg|·sinΦ   (12)

式(12)中，角度Φ是钩索力线与机身水平基准线的夹角。当两线交点在重心前方时，上式取减号；两线交点在重心后方时，上式取加号。

本发明的优点是：在飞机设计之初就将自由飞行钩住作为一种重要的载荷情况，从飞机总体设计角度给予重视并给出使用建议。

具体实施方式

某型固定翼飞机，其设计参数见表1。将各项参数代入公式(1)～(12)中可解出自由飞行钩住时前起落架的下沉速度和落震试验当量质量。下沉速度为8.7m/s，当量质量为6180kg。

在初始设计阶段不考虑自由飞行钩住情况的前起落架设计下沉速度与重心处下沉速度相同，均为6.0m/s。但是在其重心处下沉速度为0.5m/s时，自由飞行钩住情况由于整机急剧俯仰诱导产生的前起落架下沉速度可以达到8～9m/s。可见，如果在设计初期未考虑自由飞行钩住情况，按6m/s设计的前起落架一旦出现自由飞行钩住情况，将会对飞行安全造成极大的隐患。

表1某飞机设计参数

a	5.473m	b	0.875m
				g	9.81m/s2	L/G	1
h	2.243m	Vtd	220km/h
				rz	4.22m	θp	10deg
Kn/Km	0.342	Φ	25deg
				Mld.des	20t	nycg	1
Vy.cg	0.5m/s	Ve	235km/h
				Vpa	200km/h	nxcg	4.5
Jz	400960kgm2

根据计算结果，给出飞机的使用建议如下：

a)在平台上进行的飞机钩索着陆，必须严格禁止飞行员采用陆基机场惯用的拉平飘着陆方式；

b)飞机进行全机落震试验是十分必要的，以此作为评价飞机结构完整性的特征性依据，仅凭单体的起落架落震试验将难以覆盖飞机平台上使用特性的考核；

c)在进行陆基高速滑跑钩索试验时(即逼近最大许用啮合速度的钩索试验)，通常需要采取将飞机改为两点尾沉姿态滑跑的措施，但这种做法很容易导致自由飞行钩住情况的发生，因此，需要引起设计者的特别注意：必须将飞机的俯仰角控制在适宜的范围内。

Claims (1)

1.一种考虑自由飞行钩住情况的飞机前起落架设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一，自由飞行钩住时前起落架下沉速度计算；

第二，给出自由飞行钩住情况的计算条件，包括飞机重心处下沉速度，钩索啮合速度，飞机升重比，飞机接地速度，俯仰角，滚转角，钩索力，飞机重心距地面高度以及俯仰角速度的取值；

第三，落震试验模拟：给出落震试验中前起落架自由飞行钩住情况当量质量的计算方法。