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导读：大型民机结构尺寸庞大且起飞和着陆质量大，使得大型民机起落架的设计与中、小型民机以及军机起落架相比在结构柔性、地面载荷、结构布局形式、缓冲性能、疲劳寿命、可靠性、維护性、保障性、减重、降噪和操纵方式等方面都具有自身的特点。本文围绕大型民机起落架大型化民用性和其他关键技术等几个方面的特点，综述了大型民机起落架设计技术的国内外现状和发展趋势，并指出我国发展大型民机起落架所急需解决和突破的相关关键技术。 大型民机的发展，己被列入我国中长期发展规划，从而为振兴我国航空事业迎来了新的机遇与挑战，而发展大型民机会涉及到哪些关键技术，则成为探讨和研宄的热点之一[2]起落架设计是飞机设计中最基础的领域之一，设计和集成的过程中涉及各种各样的工程领域，并且在最近的几十年中变得越来越复杂本文结合大型民机设计中需重点考虑的特点，从大型化、民用性和其他关键技术等几个方面对大型民机起落架设计中的关键技术进行综合论述。 1 大型化 大型民机结构尺寸庞大且起飞和着陆质量大，使得大型民机起落架的设计与中、小型民机以及军机起落架相比在结构布局形式、缓冲系统设计、机翼与机身柔性、地面操纵稳定性与减摆设计等方面都具有自身的特点。 1.1 结构布局形式 设计和定位起落架是由与每一架飞机相关的独一无二的特征所决定的，比如几何、重量和任务需求。对于大型民机起落架而言，由于起飞着陆重量大，对于跑道漂浮性提出了更高的要求。多轮多支柱的起落架结构布局形式，使地面载荷以分散形式传递到机体结构，并降低了对跑道的要求,因而在现代大型民机中，得到越来越广泛的应用。 多轮多支柱起落架国外各公司均依据各自的标准进行设计与生产，因而仍未形成一个可供设计人员参考、执行的通用标准或行业规范。国内尚无客座座位在200座以上的大型民机的自主设计经验，对于多轮多支柱起落架设计技术尚处于探索阶段，还没有成熟的设计技术和工程经验。需解决和突破的关键技术主要包括：多轮多支柱起落架总体设计技术、结构设计技术和地面操纵特性设计等。 1.2 缓冲系统设计 缓冲系统设计是起落架设计的核心技术之一，其性能直接影响起落架的承载能力、重量寿命、地面操纵安全性和乘员舒适性等。大型民机由于起飞重量大且对乘员舒适性要求高，因而对于起落架在起飞、滑跑和着陆等状态下的载荷控制要求更严格。一方面要求更准确掌握大型民机起落架所面对的地面载荷；另一方面要求提高和优化缓冲系统的缓冲性能。 载荷确定技术是大型民机发展中的关键技术之一，而大型民机起落架所面对的地面载荷的确定，需解决和突破的关键技术主要包括：多轮起落架地面载荷预计与载荷分配准则、随机滑跑载荷预计与当量化技术等。 提高和优化缓冲系统的缓冲性能，一直都是缓冲器设计中的核心技术和研宄重点。现代大型民机起落架设计中，需解决和突破的关键技术主要包括：高动力学品质缓冲器设计与验证技术、考虑起转回弹的着陆、滑跑载荷减缓技术等。 1.3 机翼与机身柔性 大型民机的结构尺寸大，机翼和机身柔性对于起落架性能的影响不可忽略。在设计中如何定性和定量地考虑机翼与机身柔性带来的影响，亟待突破的关键问题主要包括：机体柔性对于着陆冲击载荷的影响、对于滑跑响应的影响、对于地面操纵特性的影响和在起落架试验技术中的影响等。 1.4 地面操纵稳定性与减摆设计 飞机地面操纵稳定性与减摆设计直接关系到飞机起降的安全，长期以来一直得到各国飞机设计师和使用部门的高度重视，并随着飞机战术技术要求的不断提高，使得该项研宄工作也不断发展，技术更新层出不穷。大型民用飞机前轮防摆与地面操纵技术是大型民用飞机多轮多支柱式起落架系统的关键技术之一，与中、小型民机相比具有多个起落架系统地面操纵组合与匹配关联、缓冲器与机身柔性大等特点。 地面操纵稳定性与减摆设计需解决和突破的关键技术主要包括：大型民机前起落架减摆系统设计、转弯操纵系统设计、前轮非线性摆振分析技术、地面操纵稳定性分析技术、前轮防摆与操纵系统虚拟试验技术和前轮防摆与操纵系统原理样机研制与试验技术等。 2 民用性 从波音公司和空客公司对于未来民机发展关键技术领域的认知来看，与其他种类的飞机相比，民机的设计更加注重安全性、经济性、舒适性以及环境保护等方面。另外，国际民航组织（ICAO）对民机适航性有着严格的规定，随着经济和社会的发展，对民机的设计要求还将不断提高民机起落架设计，必须注重上述几个方面的问题。 2.1 安全性和可靠性 1980～1996年，全世界最大起飞重量5700kg以上的喷气式和涡轮螺旋桨运输机共发生重大死亡事故621起，其中发生在进近着陆阶段的重大死亡事故287起，占46%。而起落架系统则是飞机起飞着陆阶段安全性和可靠性的重要保障。 在现代飞机的设计中，高安全性和可靠性己经成为与性能同等重要的设计要求。NASA在2000年开始进行航空安全计划（Aviation safety program，AVSP)，希望到2007年重大事故率降至1/5，到2022年降至1/10。 国外在20世纪70年代就开始根据起落架结构破坏统计数据进行可靠性分析，国内在90年代也有类似研宄。近些年来，国内研宄者们更多针对起落架的疲劳可靠性和收放系统可靠性开展研究。 安全性和可靠性设计中需解决和突破的关键技术主要包括：起落架故障模式影响与危害性分析、起落架疲劳可靠性和起落架收放锁系统可靠性等。 2.2 经济性 大型民机起落架设计中，主要从降低维护费用、减重设计和采用先进设计手段等方面提高飞机的经济性。 在降低维护费用方面，维修性和保障性设计技术至关重要。对于大型民机的日常运营，起落架系统的全寿命周期维修费用，直接影响该型飞机的市场竞争能力。近些年来，以可持续发展为核心的绿色维修以及基于无维修工作期（MFOP）的维修性设计技术，成为了维修性技术的研宄热点和发展方向之一。飞机起落架系统综合保障的主要功能是以可承受的寿命周期费用满足起落架的执行民航运输任务和平时的保障要求。维修性和保障性设计中需解决和突破的关键技术主要包括:结构健康监测系统设计、综合诊断与人工智能技术、起落架综合保障总计划等。 一般而言，起落架系统占飞机起飞总重的比例在3%～6%之间，而大型民机起落架系统占飞机起飞总重的比例一般在4%～5%之间，随着航空科技的发展，飞机的结构重量和携带燃料重量都有所减小，使得起落架系统占飞机起飞总重的比例有逐步増大的趋势。减重设计不能影响起落架系统的可靠性，关键在于对起落架使用环境和承载情况的了解与掌握。减重设计目前国外取得的进展主要在于采用了新型的材料：超高比强度钢不锈钢、编织和金属复合材料等。 减重设计主要体现在新型材料上，也可以通过多学科优化设计，使得飞机起落架达到减重的效果，减重设计中关心的几个关键问题包括:多学科优化减重设计技术、大型民机起落架新型材料应用技术研宄和新型材料结构可靠性分析技术等。 国外己经有一整套较成熟的起落架专业CAD/CAE—体化软件平台，并己推广应用于起落架产品研制中，取得了巨大的效益在不同的研制阶段，根据起落架的设计要求，建立起落架仿真模型，对起落架系统的性能进行分析和优化设计，使研制费用和周期大为降低并且开始和控制系统、液压系统相结合采用全机数字化模型来精确地分析全机的起飞、着陆、滑跑、刹车、牵引和转弯性能等。 国内在起落架设计中，也开展了起落架仿真技术研宄，并取得了一些研宄成果。但大部分研究仅仅局限于某一个机构或部件上，例如落震试验仿真分析、摆振试验仿真分析，在起落架系统多学科设计/协同仿真分析方面研宄较少。大量的研宄成果是分散的、孤立的，没有在高水平的硬件与软件平台上形成一套先进、实用、高效的起落架系统多学科设计/协同仿真平台。因而我国目前起落架型号研制基本上仍是采用传统模式，费时、费力、耗资。 数字化设计技术需要解决的关键技术主要包括：多学科设计/协同仿真平台设计技术、CAD/CAE，体化仿真分析模型库及测试技术大型试验多学科联合综合仿真技术、数字化仿真流程与仿真规范以及全寿命数据管理与通讯技术等。 2.3 环境保护和舒适性 起落架与环境保护和舒适性相关的问题主要包括降噪设计和地面滑行载荷控制等。 出于民用机场噪声等级限制的考虑，降噪在民机的设计中是不可或缺的。国外对于低噪声引擎的研制开发，使得飞机机身和引擎在进场时的噪声处在同一量级。对于大型民机而言，在飞机进场引擎关闭且襟翼未展开的情况下，起落架系统引起的噪声可达飞机总噪声的25%左右。 美国和欧洲等西方国家对于降噪设计非常重视，而且在起落架系统的设计中也得到越来越多的体现，相关的研宄工作也成为了近年来关于起落架系统设计技术的研宄热点之一。降低起落架系统引起的噪声的方法多种多样：比如増加整流装置、将起落架外形变得更流线型、消除洞穴的“哨声”以及为线路和管道加上外罩等。我国在起落架系统降噪设计方面尚处于理论研宄的初期阶段，需解决和突破的关键技术主要包括：结构细节降噪设计技术和起落架结构外形与收放策略对噪声的影响分析技术等。 自20世纪70年代以来，被动、主动、半主动振动控制技术就被大量应用于飞机起落架的载荷减缓技术之中，并一直是研宄热点之一。为了提高现代大型民机的乘员在地面滑跑阶段的舒适性，地面滑跑载荷控制技术中需突破的关键技术包括:半主动控制起落架系统设计技术、主动控制起落架系统设计技术等。 2.4 适航性 民机起落架的设计，最终必将面临适航验证这一关卡。所以在设计中，按照适航要求进行设计，以免在适航验证时出现不可挽回的错误或惨痛的代价。 国外的起落架在初始设计时就将适航性要求作为设计的约束条件之一。不仅有初始适航管理，而且有持续适航管理，适航管理体制较为完善。制定了一系列的适航标准，其中影响较大的如美国的FAR、英国BCAR、欧洲的JAR以及前苏联的HЛΓC等。 我国的CCAR主要是参考国际上应用最广泛的美国适航标准，结合我国的国情制定而成目前，国内主要按照民机适航条例CCAR25部中§25.305(强度与变形)、§25.235(滑行条件）、§25.471～§25.519（地面载荷）、§25.721～§25.737(起落架)等条款对起落架的适航要求进行设计与验证。 随着新技术的发展，航空器上采用了新的结构型式、新的材料和新的工艺，并具有新颖的、独特的设计特征，这些新的设计和技术给适航审定带来了新的挑战。这些新的技术往往超越现有的适航标准，需要不断地修正适航标准和制定“专用条件”来解决适航中不断出现的新问题。 大型民机适航技术中需解决和突破的关键技术主要包括：大型民机起落架设计分析适航符合性技术、地面载荷适航验证技术、缓冲器及收放机构适航验证技术、机轮与刹车系统适航验证技术、结构与机构细节设计适航验证技术和结构强度设计指南等。 3 其他关键技术 3.1 刹车系统 现代飞机着陆、滑跑距离短，刹车性能要求高。国外起落架设计中己逐步采用碳-碳复合材料刹车系统设计代替以前的钢刹车系统设计，其总寿命可达1000～1500次起落，并可以有效降低重量，提高刹车效率。碳-碳复合材料刹车材料的研究己经取得了巨大进展，并在我国飞机起落架刹车系统的研制中得以应用。近年来，对于碳-陶复合材料刹车材料的研究表明，碳-陶复合材料刹车材料具有成本较低、较高的静动态摩擦因数、无湿态刹车等优越性，成为刹车材料研究技术的热点和发展方向之一。 为了有效防止刹车“拖胎”和“抱死”现象，适应飞机大推力、高载荷和高降落速度的要求，防滑刹车技术得以普遍采用。近年来，采用数字式电子防滑刹车系统代替液压式和模拟式电子防滑刹车系统，不仅防滑效率更高，而且还具有重量轻、响应快、可实现更复杂的控制规律、工作平稳、自适应性强、有完善的自检测功能使用维护方便等优点，目前己在F-22飞机上完成了装机应用，我国正处于研制阶段。 刹车系统设计中需解决和突破的关键技术主要包括:新型复合材料刹车材料研究和数字式电子防滑刹车控制技术等。 3.2 抗疲劳及耐久性设计 飞机使用统计表明，起落架是飞机各系统中故障最多的系统之一，其主要原因在于以往的起落架设计多考虑静强度，很少考虑疲劳强度和耐久性设计。国外大型民机起落架设计，己逐渐采用抗疲劳及耐久性设计思想，使起落架主体结构达到与机体结构同寿命的要求。 我国的飞机起落架传统设计方法对于抗疲劳和耐久性设计考虑较少，随着80年代中期开展的对于航空器的定延寿工作，抗疲劳和耐久性设计得到越来越多的重视。除了在材料和制造工艺上的改进之外，采用先进的抗疲劳和耐久性设计思想，结构细节的抗疲劳设计方法改进等方面都成为我国大型民机起落架抗疲劳和耐久性设计的研究热点和发展方向。 为了实现大型民机起落架与机体同寿的设计要求，在设计中需要解决的大型民机起落架系统关键技术包括:抗疲劳及耐久性设计基础理论研究、抗疲劳细节综合设计技术、抗腐蚀设计技术、结构细节范例库和耐久性分析方法库以及典型结构细节原始疲劳质量模型分析技术等。 3.3 电传操纵设计 传统的飞机起落架设计中，一般都是采用液压驱动装置而采用电子驱动装置，具有减重、经济性、可靠性等诸多方面的优点。近些年来，随着电传操纵系统的不断发展，国外提出了“更多或者全电”驱动的设计思路，并且在最新设计的A380等大型民机起落架中得到了体现我国在军机的设计中，己采用了电传操纵技术，可以为民机起落架电传操纵技术提供一定的参考和借鉴然。而国内的技术水平和国外先进的电传操纵技术还有很大的差距，距离全电操纵技术还有很远的距离。 电传驱动技术己经成为现代大型民机起落架设计中必然的趋势之一，在电传驱动的设计中，重点需要考虑以下一些关键技术：电传驱动器硬软件设计技术、电传操纵设计技术、电传刹车设计技术和电传驱动费效比与可靠性分析等。 4 结束语 目前我国尚无大型民机起落架自主设计的相关经验，针对大型民机起落架设计技术需考虑的特点，采取技术引进与自主创新并重的发展思路，突破大型民机起落架各个关键技术，提高我国大型民机起落架的设计能力，形成具有自主知识产权的设计技术。 我国大型民机起落架设计方法和手段与国外发达国家相比，尚处于较传统落后的阶段，当以多学科一体化设计技术为核心，以数字化设计技术为工具，以大型民机多学科联合仿真模型库为基础，建立大型民机起落架一体化设计平台：通本上变革当前的设计模式、流程、方式、方法和手段，找出中国自主设计先进大型民机起落架的发展之路。 （作者：聂宏 魏小辉 南京航空航天大学飞行器先进设计技术国防重点学科实验室，南京，210016） |
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