机体设计论文：机体概念设计流程论述范文
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作者：王跃单位：上海飞机设计研究院
起落架接地点参数设计
起落架接地点的设计要根据飞机的重量、重心包线、几何外形、执行任务等来确定。在给定输入条件后，要使得接地点的设计满足飞机结构、漂浮特性和使用特性的需求。
1起落架布局形式
现代民用航空运输飞机大多选用“前三点”式起落架布局形式。与“后三点”式起落架布局形式相比，这种布局形式可以使得飞机在地面状态时，客舱基本呈水平状态，有利于改善驾驶员视界，减小起飞滑跑初期的高阻力。由于主起落架在飞机重心之后，飞机在刹车、地面操纵时具有很好的稳定性，同时在飞机着陆时，主起落架会产生一个使飞机低头的力矩，帮助飞机减小着陆攻角，有利于减小着陆场长。该种布局的缺点主要集中在主起落架接地点的选取，即如何处理好在最大限度满足各种使用特性的前起下，使得主起落架在收藏空间、结构形式上合理、可行。
2起落架接地点参数设计
起落架接地点的设计原则是在满足飞机使用安全性的前提下，依据飞机的重量重心、几何外形等特征参数，最大限度地满足飞机在滑跑、起飞和着陆阶段的使用要求。同时，还要考虑飞机系列化发展的需求。
2.1主起落架纵向接地点设计
(1)飞机起降特性限制
主起落架纵向接地点参数包含接地点的纵向站位（用%MAC表示）和接地点距飞机客舱地板高度的距离。其参数的选取主要受到飞机起降所需求的迎角θ的限制。为了满足飞机的正常起降要求，飞机的起飞迎角要求不小于飞机的着陆迎角，对于干线飞机，一般在8°～10°。同时，要重点考虑飞机单发起飞时的极限迎角需求，一般是在正常起飞迎角的基础上增加1°左右。
在初始设计阶段，如果有足够的数据支持，也可以通过计算分析的手段，将飞机腾空时的迎角θLOF作为输入条件，其计算公式如下：其中，αLOF为正常起飞时预期的最大迎角，VLOF为正常腾空时空速，CLLOF为对应VLOF的升力系数，为升力线斜率。l1和l2参数如图2所示，分别表示主起落架全伸长状态接地点与飞机尾擦点连线与停机状态地面线相交的两段线长度。对于干线客机，飞机抬头率一般取4°/s。此外，还需要考虑飞机系列化发展的需求，给系列化家族中的加长型飞机在起落架布置上留有必要的空间。对于干线客机，基本型飞机最终确定的起降迎角一般是在其起降需用迎角的基础上增加2°～4°，要视客舱增加长度和机身后体修行的具体情况进行分析确定。
(2)飞机结构设计限制
现代民用运输机大多采用高气动效率的超临界机翼，其外形的一个显著特点是后缘部分收缩剧烈，这就给下单翼布局形式飞机的主起落架收藏带来了较大的空间限制。另外，采用较后的主起落架接地点，可能会出现主起落架的转轴较长，主支柱后倾角较大，主起落架转轴偏角较大等设计情况，这些都会造成主起落架重量和寿命上的损失。所以在设计之初，要依据飞机的结构特点，主起落架的接地点不能过于靠后。
(3)翼下吊大涵道比发动机限制
现代民机的另外一个特点就是普遍采用油耗小、噪声小的大涵道比喷气发动机，而随着民航业环保、节能要求的提高，发动机会采用更大的涵道比，其对应的短舱直径也有较大增加。目前下一代新研发的发动机涵道比已经增大到12左右。为了满足短舱与地面的间隙要求，就需要起落架有一定的长度来支撑飞机。对于翼吊布局的飞机，其短舱与地面的最小间隙为458mm（18in）。
(4)地面维修高度限制
飞机机体表面设有许多检查、维护口盖，根据机场现有的维修程序和维修设备的需要，同时考虑人机工效学，需要对飞机的高度有一定的限制。
(5)主起落架纵向接地点参数选取限制
基于上述分析，可以绘出主起落架纵向接地点参数选取区域限制图，如图3所示。对于采用放宽静稳定技术的飞机，其重心后限位置较后，在考虑加长型发展空间的基础上，基本型飞机不可能在狭小的参数选择区域内选取到防倒立角大于飞机擦地角的主起落架纵向接地点位置，这也是现代民机主起落架布局设计的一大特点。在可选域的参数选取中，要考虑在最严重的重量、重心组合的情况下，使得选取参数对应的飞机防倒立角能尽可能的比飞机运营过程中起降的最大迎角θ大。
2.2主起落架横向接地点设计
主起落架横向接地点即表示飞机的主轮距（用%SPAN表示），其参数的选取也受到多重因素的制约，如图4所示。
(1)主起落架收藏空间的限制
在选取主起落架纵向接地点参数后，就需要开展主起落架横向接地点的设计，即在飞机上进行合理的空间布置，满足主起落架对收藏空间的需求。
在起落架收藏的概念设计中，需要考虑轮胎的膨胀、膨胀轮胎与收藏路径上各种结构件的间隙等影响主起落架收藏的主要因素。轮胎主要考虑充气膨胀间隙和由转动引起的形变间隙，在名义轮胎尺寸的基础上，加上这两部分间隙变化尺寸，构成起落架收藏设计中的“协调用轮胎”尺寸。由于“协调轮胎”所考虑的膨胀和转动形变间隙均为最小间隙，加之飞机后继机对特殊机场适应性要求的需要，因此对于“协调用轮胎”在径向方向与收藏路径上各种结构件的间隙就需要留有足够的空间。
(2)主起落架转轴结构布置空间限制
主起落架的展向位置设计被限制在机翼后部由后梁和襟翼辅助梁所形成的“三角区”，如见图5所示，主起落架过分的沿展向靠外布置，会过分挤压起落架转轴的布置空间，给起落架转轴设计增大难度。其具体限制条件可依据机翼后梁走向、机翼kink位置、主起落架接头形式、襟翼舱布置空间、管线布置空间需求等确定，见图4中条目2。
(3)侧风与单发着陆限制
飞机在侧风或单发着陆的过程中，会带有一定的滚转角Φ，一般在5°～8°。在主起落架横向接地点位置选取时，就需要考虑由于飞机带滚转角着陆，发动机短舱与地面之间的最小安全间隙，一般要大于152.4mm（6in），见图4中条目3。
(4)机场使用限制
飞机机场适应性所包含的内容很广，其中有一条是根据机场的不同分类对飞机的几何参数进行限制，具体限制如表1所示。
2.3前起落架接地点设计
(1)操纵稳定性限制
前起落架和主起落架的接地点构成一个平面，有效地支撑住飞机的重量，当飞机的重心及主起接地点确定后，需要合理的选取前起落架接地点的位置，以确保飞机在侧风及地面转弯时的稳定性，一般用侧翻角Ψ表示，如图5所示。对于民用飞机，该角度不应大于63°。
(2)载荷分配限制
合理地选取前起落架的接地点位置，能较好地分配起落架所承受的载荷。一般情况下，前起落架的载荷系数为8%～15%，见图5。当前起落架接地点过于靠前，前起落架的载荷较小，会使得飞机在小重量状态下，前轮丧失部分或全部操纵性。相反，当前起落架接地点过于靠后，前起落架的静态载荷较大，在刹车产生的附加载荷作用下，很可能超过前起落架的设计强度。因此，需要合理地安排前起落架接地点的位置。
(3)结构设计考虑
起落架上的载荷需要传到飞机机身，为了减少飞机重量，需要使载荷的传力路径最短，最合理的方式是在靠近加强框的位置进行布置。
(4)飞机停机角设计考虑
由于飞机在停机时其重量、重心会有不同的组合，因此飞机的停机角是一个范围，目前民用飞机的停机角范围是-1°～1°。可以根据停机时客舱地板水平或是有轻微低头的需要来选择前起落架的长度。
飞机地面180°转弯检查
飞机起落架接地点确定后，在地面操纵时，除了要满足之前所述的安全性、稳定性和操纵性要求之外，还需要满足在预期的最低运营机场跑道宽度的条件下，实现飞机180°转弯的要求，如图6所示。对于超大型民用客机，会对飞机的接地点设计产生一定的影响。ICAO附件14卷Ⅰ中机场跑道宽度要求和起落架距跑道边界安全间隙要求分别见表2和表3。式中，b表示飞机的前主轮距，t表示飞机的主轮距，β表示飞机前起落架的转弯操纵角，s1表示主起落架图6飞机地面180°度转弯外侧双轮间距，s2表示前起落架外侧双轮间距。
当选定最低跑道宽度和对应的安全间隙后，根据公式（2）计算出前起落架转弯操纵角β。一般情况下，还需要考虑轮胎的侧滑现象，即在求出的前起落架转弯操纵角β上加3°～5°，该值以不大于45°为宜。
结论
本文针对现代民机设计特点，在充分吸收和借鉴传统飞机概念设计阶段起落架设计方法的基础上，从工程应用角度出发，提出一套现代民机概念设计阶段起落架接地点设计流程及方法。同时，将影响起落架接地点设计的适航安全、性能、结构、空间布置、运营等限制因素按照设计流程进行归类，明晰限制因素对设计产生的影响。