方紀收 黃偉 蔣萬松 馮蕊 劉歡

（1 北京空間機電研究所，北京 100094）

（2 中國空間技術研究院航天器無損著陸技術核心專業(yè)實驗室，北京 100094）

0 引言

隨著中國航天事業(yè)的發(fā)展，自由進出空天技術成為中國中長期科技發(fā)展戰(zhàn)略的重要部分，其中的關鍵技術——精確定點回收著陸技術的實現(xiàn)途徑之一就是航天器具備良好的機動飛行能力，精確降落到指定的跑道, 通過起落架、阻力傘等系統(tǒng)裝置實現(xiàn)最終的安全著陸[1]。因此，研究起落架系統(tǒng)對臨近空間飛行器的發(fā)展具有重要意義。

高速臨近空間飛行器是在距離地面20~100km高度的臨近空間區(qū)域[2]執(zhí)行給定任務的超高聲速飛行器[3]，作為航空與航天技術結合的產(chǎn)物，它與常規(guī)航空器和航天器的顯著區(qū)別是：飛行速度范圍大（可在亞聲速到高超聲速范圍內(nèi)變速飛行）、設計變量靈敏度高、可行裕度小、氣動摩擦熱嚴重，同時，長時間（可飛行2h）巡航引起總加熱量大等問題[4]。因此，相比于傳統(tǒng)的航空飛行器起落架，臨近空間飛行器起落架收放時具有三個顯著的特點：1）入場環(huán)境更加惡劣；2) 收放過程中溫度更高；3）收放機構約束多（輕量化、高集成化等）、空間包絡小。

近年來，許多學者對于起落架收放系統(tǒng)的仿真分析進行了研究，但各有其優(yōu)缺點：文獻[5-8]對起落架建立了詳細的運動學模型，但未考慮起落架的動力學行為；文獻[9-12]運用三維建模軟件建立起落架虛擬樣機模型，考慮了較全面的受載載荷，并在多體動力學仿真軟件（Adams）中進行了動力學分析，得到更接近真實運行情況的運動學和動力學特性，但是液壓力的設置較為理想化；文獻[13-16]借助多學科協(xié)同仿真軟件（AMESim）對液壓系統(tǒng)進行了詳細建模，并分析了液壓系統(tǒng)中元件參數(shù)變化對起落架工作性能的影響，但對收放機構動力學考慮不足，作動筒外載荷僅簡單處理為定值。以上研究均是針對航空飛行器起落架進行的分析，收放時速度選用常規(guī)航空器的著陸前速度，著重分析起落架常溫條件下的性能，未考慮飛行器飛行過程中溫度的影響。本文是對工作環(huán)境更為惡劣的臨近空間飛行器起落架收放系統(tǒng)開展的仿真分析研究。

本文采用Adams和AMESim軟件聯(lián)合仿真的方法，在Adams軟件中建立某臨近空間飛行器前起落架收放機構動力學模型，在AMESim中搭建其液壓系統(tǒng)模型，通過仿真接口創(chuàng)建聯(lián)合仿真模塊，分析收放系統(tǒng)的工作性能，并在模型基礎上分析溫度、節(jié)流孔直徑、液壓缸泄漏及液壓油含氣量等因素對收放系統(tǒng)性能的影響。

1 起落架收放機構動力學建模

本章借助三維造型軟件（Pro/Engineer，Pro/E）及多體動力學仿真軟件（Adams）對起落架收放機構進行動力學建模，首先介紹起落架的結構組成及特點，其次在Adams軟件中進行動力學建模，包括三維樣機模型導入以及外載荷加載。

相比于常規(guī)航空器起落架，本文起落架結構上空間包絡小、質(zhì)量輕、高度集成化，主要由起落架緩沖器、機輪、收放作動筒、收放機構及鎖定機構組成，如圖1所示。由于鎖定機構僅在收放運動開始前和結束階段才發(fā)揮作用，對本研究的影響較小，忽略不計。在此后分析中將其簡化。

本節(jié)將Pro/E中的起落架模型導入到Adams中，設置好各組件的質(zhì)量屬性，其次添加各構件間的約束關系，最后對該樣機模型施加外載荷，從而搭建起起落架動力學模型。

（1）起落架模型導入及約束建立

首先在Pro/E中建立起落架收放機構三維樣機模型（如圖2），導入到Adams中；其次對各主要構件施加約束，各構件間的約束關系為：設定Adams軟件的地面為機架，與機架直接鉸接的構件有緩沖器與收放上臂，前者與機架在旋轉副O(jiān)處鉸接，后者與機架在旋轉副E處鉸接；構件收放下臂與緩沖器在旋轉副B處鉸接，與構件收放上臂在旋轉副C處鉸接；構件液壓缸與緩沖器在旋轉副A處鉸接，與活塞桿形成滑動副約束；構件活塞桿受與液壓缸的滑動副約束外，與收放上臂在旋轉副D處鉸接。Adams中起落架模型及約束關系如圖3所示。

圖1 起落架結構組成Fig.1 The structure of landing gear

圖2 起落架約束Fig.2 Landing gear constrain

（2）外載荷的計算及加載

在起落架收放過程中，收放機構（作動筒）會受到各種外載荷的影響，包括[17]：起落架質(zhì)量載荷引起的質(zhì)量力矩Mm，在Adams模型導入時施加；氣流產(chǎn)生的迎面力矩Mu，按照公式（2）、（3）計算施加；起落架運動的慣性力矩MI，在Adams模型導入時施加；摩擦力Pf，按照經(jīng)驗公式（4）進行施加；上鎖阻力Pk、護板及機構載荷Ph等。收放作動筒載荷Pact為上述各載荷之和，計算關系如式（1）所示。

其中，d為作動筒對轉軸的力臂距離；i代表各構件；n為構件數(shù)；wi是起落架構件的阻力系數(shù)，主要考慮構件緩沖器和機輪在穩(wěn)定氣流中的氣動力，通過查表和相關計算可得緩沖支柱的w1為0.77，機輪的w2為0.70；q是速壓，q= 0.5ρ0V2，V是氣流相對起落架最大速度，取400km/h，ρ0是空氣密度；Si是起落架各構件在垂直于氣流平面上的投影面積；Hi是氣動力作用點距離轉軸O處的豎直距離；Paa是由質(zhì)量力Pm和氣動力Ni引起的收放作動筒載荷。

圖3 中，L是質(zhì)量力作用點距離轉軸O處的水平距離，θ是緩沖器轉過的角度，其余符號定義與公式一致。

圖3 收放作動筒載荷Fig.3 Retractable actuator load

2 起落架收放液壓系統(tǒng)建模

在AMESim軟件中建立起落架收放液壓系統(tǒng)模型，該模型可分為三大模塊：定量泵及蓄能器等元件組成的驅動模塊；聯(lián)合仿真模塊及控制信號組成的聯(lián)合仿真控制模塊；收放作動筒及節(jié)流孔組成的執(zhí)行模塊，液壓系統(tǒng)模型如圖4所示。

在該液壓系統(tǒng)模型中，驅動模塊的液壓源為定量輸出0.005 6L/s流量的定量柱塞泵（圖4中泵元件，由電機驅動），溢流閥調(diào)定11.5MPa，背壓閥調(diào)定1MPa；聯(lián)合仿真控制模塊的控制方式為開環(huán)控制，換向閥有左/中/右位三個位置，分別對應PB/AT通道、P/ABT通道、PA/BT通道，如圖4所示換向閥，控制信號（圖4中控制信號元件）隨時間控制閥左/中/右位的切換，使閥完全開啟左/右位，從而控制作動筒的伸縮。聯(lián)合仿真接口（如圖4所示）的作用是將AMESim計算出的作動筒力交換至Adams中參與動力學計算，活塞桿位移和速度在Adams中計算并將其反饋到AMESim中；執(zhí)行模塊的作動筒活塞桿的速度由作動筒有桿腔回路上的節(jié)流孔進行控制，通過兩個單向閥使收起/放下兩個過程的速度能夠獨立控制而互不干擾。各元件的參數(shù)設置如表1所示。

圖4 AMESim中液壓系統(tǒng)模型Fig.4 The Hydraulic system model in AMESim

表1 各液壓元件參數(shù)Tab.1 Parameters of hydraulic components

3 起落架收放過程聯(lián)合仿真

在起落架收放過程中，首先是收起運動，換向閥切換到右位，換向閥PA/BT通道開啟，驅動源輸出一定的流量和壓強，使收放作動筒收縮，起落架朝后收攏，從而完成收起運動；其次是放下運動，換向閥切換到左位，使其PB/AT通道開啟，收放作動筒伸出，起落架朝前展開，從而完成放下運動。在整個過程中，通過節(jié)流孔1和節(jié)流孔2來分別控制收起和放下兩個過程的流量大小，從而使起落架不致于收放速度過快引起鎖定時產(chǎn)生沖擊。起落架收放運動仿真過程如圖5所示。

圖5 收放過程Fig.5 The process of retraction and extension

收起和放下均需小于10s，因此，在驅動源的各參數(shù)符合設計標準后，通過調(diào)整節(jié)流孔直徑，使模型能夠滿足收放要求。

仿真時間共22s，起落架最初的狀態(tài)為展開狀態(tài)，0~10s過程是收起過程，此時活塞桿從相對液壓缸0.125m的位置收起到0m的位置，活塞桿力先抵抗氣動力避免收起過快，在收起到質(zhì)量力矩和氣動力矩平衡位置時，活塞桿力為0，此后質(zhì)量力矩比氣動力矩大，活塞桿力變向為驅動力，驅動活塞桿收縮，作為驅動力的最大輸出力為–6 800N（負號表示作動筒輸出拉力，反之表示輸出推力，后同），如圖6（a）所示；10~12s過程為收起到位后保持階段，本文聯(lián)合仿真時未添加上位鎖機構使系統(tǒng)卸荷，而是對模型繼續(xù)施加壓力，使之卡在活塞缸的一端保持收起狀態(tài)，因此圖6（b）中活塞力出現(xiàn)大幅振蕩的情況，在實際收起過程中系統(tǒng)是處在卸荷狀態(tài)的，后續(xù)仿真圖中大幅振蕩與此處原因一致，均可忽略；12~22s過程為放下過程，此時由于切換換向閥左位，油液還未完全灌入作動筒無桿腔，且氣動力矩影響較小，因此起落架僅在質(zhì)量力的作用下釋放，速度較快，此后油液補足作動筒無桿腔，活塞力先發(fā)揮阻尼作用，隨著起落架的不斷放下，質(zhì)量力矩不斷減小，氣動力矩不斷增大，在放下到質(zhì)量力矩和氣動力矩平衡時，活塞桿力為0，此后活塞桿力變向為驅動力，與質(zhì)量力一起驅動活塞桿伸出，抵抗氣動力的阻尼效應。放下過程中最大放下力為–5 000N，使得作動筒縮短。在作為驅動力時最大輸出力為1 500N。

圖6 中的虛線為相同時間下收放機構動力學理論仿真計算的活塞桿位移及對應的活塞桿輸出力，可以看出，由于聯(lián)合仿真時液壓系統(tǒng)的響應受到液壓油流量及其特性的影響，與理論計算有一定的偏差，但能滿足收放要求且輸出的驅動力峰值與理論仿真計算基本一致，驗證了聯(lián)合仿真模型的可靠性和合理性。

圖6 標準工況下活塞桿收放結果Fig.6 Results of piston rod retracting/extension under standard conditions

4 各因素對收放性能的影響分析

起落架收放系統(tǒng)主要的故障原因包括：起落架收放作動筒的泄漏、液壓油受到污染、液壓節(jié)流孔在長期工作中發(fā)生堵塞使得單位時間內(nèi)通過節(jié)流孔的流量減少等[18]。作為在臨近空間環(huán)境工作并最終回收著陸的飛行器，所面臨的溫度變化和對液壓系統(tǒng)可靠性要求相較于航空飛行器更高，常規(guī)航空器可采取熱控措施保證各元件工作適宜溫度[19]，而臨近空間飛行器由于空間狹小、無熱控措施、散熱慢，僅能靠自身元件可靠性保證工作性能，因此，分析溫度對起落架液壓系統(tǒng)的影響顯得十分必要。

綜上，本文在聯(lián)合仿真模型的基礎上重點分析了溫度、節(jié)流孔徑、液壓缸泄漏及油液混入氣體這四個因素對起落架收放性能的影響。

（1）溫度對收放性能的影響

溫度會引起液壓油粘度的改變，溫度越高則液壓油粘度越低[20]。按照飛行器熱環(huán)境和單機技術指標，本文所研究的飛行器著陸入場前溫度最高可達70℃，以–30℃~80℃為輸出指標要求，所用的油液為15號航空液壓油，其粘度在不同溫度下的值如表2所示。

在-30℃、40℃、80℃三個溫度下進行了仿真分析，仿真結果如圖7所示，溫度過低則粘度較大，使得油液流動阻力增大，速度降低，導致系統(tǒng)收放不到位，而溫度升高粘度降低則會減小流動阻力，提高收放速度，由于起落架的收放過程發(fā)生在剛離開地面和將要著陸之前，此時油液溫度較高，故溫度對實際收放過程無太大影響，如果在臨近空間低溫環(huán)境中進行收放則會受到很大影響。

（2）節(jié)流孔徑對收放性能的影響

液壓系統(tǒng)中油液的流量決定了作動筒收放的速度和力響應的速度，而節(jié)流孔作為流量控制元件，其直徑大小決定了收放速度的快慢[21]，標準收放時間節(jié)流孔1和節(jié)流孔2的直徑分別為0.30mm和0.42mm，由于兩個過程節(jié)流孔互不影響，因此在收起過程中將節(jié)流孔2的直徑分別設置了0.30和0.50mm進行仿真并與標準工況0.42mm進行比較，從圖8中可以看出，節(jié)流孔徑較大時會縮短收起時間，提高收起速度，但并不會改變作動筒輸出力峰值，較小時則會出現(xiàn)規(guī)定時間內(nèi)收起不到位的問題；在放下過程中受節(jié)流孔徑同樣的影響，仿真結果如圖9所示。因此起落架收放系統(tǒng)在安裝使用及維護時應注意清理油液中混入的雜質(zhì)，避免管路中各元件的堵塞。

表2 液壓油粘度Tab.2 Hydraulic fluid viscosity

圖7 不同溫度對收放過程的影響Fig.7 The influence of different temperature on the retracting/extension process

圖8 不同節(jié)流孔徑對收起過程的影響Fig.8 The influence of different throttling apertures on the retracting process

圖9 不同節(jié)流孔徑對放下過程的影響Fig.9 The influence of different throttling apertures on the extension process

（3）液壓缸泄露對收放性能的影響

液壓缸的密封故障導致油液泄漏是液壓系統(tǒng)中最常見的問題[22]，將液壓缸（作動筒）的泄漏系數(shù)設定為1×104L/(Pa·min)與無泄漏的標準工況進行對比，仿真結果如圖10所示。從圖中可以看出，液壓缸的泄露對收放性能影響很大，導致起落架收放不到位。因此，在液壓缸的安裝使用及維護時，要對密封元件及關鍵密封位置定時檢查，及時更換損壞的密封元件。

（4）液壓油含氣量對收放性能的影響

液壓油的含氣量會引起液壓油可壓縮性的改變[23]。在相同壓力下，液壓油的壓縮性不同會導致油液中壓力響應速度不同，從而影響收放系統(tǒng)的性能。

通過對含氣量分別為0.1%、1%、2%的液壓系統(tǒng)進行聯(lián)合仿真分析，標準收放過程中油液含氣量為0.1%，此時收放均到位，在增大含氣量時系統(tǒng)收放兩個過程均受到影響，甚至會出現(xiàn)收起不到位的現(xiàn)象。相比之下收起過程比放下過程受到的影響更大，這是因為在收起階段作動筒作為驅動力階段更久且輸出的力相比于放下階段更大，仿真結果如圖11所示。因此，在使用維護時，應及時排除管路中油液混入的空氣。

圖10 泄漏的影響Fig.10 The influence of leakage

圖11 油液含氣的影響Fig.11 The influence of gas content

5 結束語

本文針對某型臨近空間飛行器可收放式起落架收放系統(tǒng)，采用Adams和AMESim聯(lián)合仿真的方法，考慮了影響收放液壓系統(tǒng)的主要因素，得到以下結論：

1）該型液壓系統(tǒng)可以滿足起落架的正常收放，起落架在收放過程中，受到重力、氣動力、慣性力等載荷的影響，其中收起過程中作動筒所受載荷峰值大于放下過程的峰值載荷，且作動筒輸出力在收起/放下兩個過程中會先發(fā)揮阻尼作用，此后再發(fā)揮驅動作用，在作為驅動力時，活塞桿輸出力與理論計算峰值力一致，驗證了仿真的可靠性。

2）臨近空間飛行器在飛行過程中會面臨高低溫環(huán)境，溫度會影響液壓油粘度，從而對收放性能有一定的影響，但使用環(huán)境為中高溫環(huán)境時，粘度變化影響下的收放系統(tǒng)性能仍能夠滿足收放要求；選擇低溫環(huán)境收放則會出現(xiàn)收放不到位的問題。

3）節(jié)流孔徑、泄漏問題以及油液含氣量會對起落架收放系統(tǒng)性能有很大影響，因此在起落架的安裝使用及維護時要注意及時排除混入油液的空氣及雜質(zhì)，定期檢查密封元件完好情況，保證收放系統(tǒng)能夠完成收放運動。

4）本文所研究的臨近空間飛行器起落架與航空飛行器起落架在質(zhì)量、尺寸上迥異，工作環(huán)境要求和具體構型要求不同，但其收放形式與航空飛行器起落架相似，因此，本文所用的聯(lián)合仿真方法具有一定的通用性，也可推廣到航空飛行器起落架的分析之中。