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飞机为什么普遍采用三点式起落架?

红巨星
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如果你去航展或者机场隔着玻璃看一圈,就会发现一个挺反直觉的现象:大部分飞机都是三个起落架,机头下面一只,机身两侧一对。看久了你就会想:车四个轮子挺好啊,怎么到了飞机这里就变成了三点设计了?设计师是偷懒了,还是航空圈里有什么我们不知道的规矩?

说实话,这个问题看着一半是常识,一半是工程。说浅了没意思,说太深又像教材。按我认知里起落架的理解来捋一遍。下面说的主要是我们日常在机场能看到的那种飞干线,支线的运输机,大家平时坐的客机。别拿露着轮子的轻型机往上套。


说到这里,三点式的样子就好理解了,我们还是回到那个最关键的时刻——飞机落地到底在忙些什么。

客机前轮导向系统特写。前轮负责地面方向控制,并非主要承重结构。图中为装有电动驱动系统的前轮,用于滑行阶段节油与降噪。

一架客机从天上收油门,到放起落架和拉平,再到真正轮子接地,大概一百多节的速度,这个时候还在向前窜。这个时候机长一般要同时做到三件事:

1、在垂直方向上,把从天上掉下来的那点冲击吃掉。

2、在水平方向上,别突然偏一下、甩尾、打滑。

3、在姿态上,机头别一下子点下去,也不能后撅着以防擦机尾。

那最省力的做法是什么?

让两条粗腿(主起落架)专心吃冲击和重量,再用一条听话的腿(前轮)来管方向。也就是我们看到的三点式,其实就是这么来的,通常是主轮吃力,前轮导向。

你说那我装四个会怎么样?

那么问题就来了。飞机落地跑道不是镜子,会存在轻微不平,如果再加上侧风,接地角度有一两度误差。在民航这种要天天飞,而且要控制维护成本的机型上,如果要是硬把它做成四点,就要先解决四点要同时着地,还要解决收放结构放哪这两笔账,成本立马上一个台阶。

一旦有一条先接地,受力就会不均,机体要扭;再加上飞机的起落架要收回轮舱里,位置、重量、线路、舱门都是钱,没必要的结构不会有人往上硬贴。航空界有句很现实的话:能不加的,绝不加。


说到这里就能看出来它为什么一定这么放了。

因为重心的位置和刹车时的力矩,决定了它只能这么放。

飞机落地以后,真正承受重量的是主起落架,它们一般长在机翼根部附近、或者机身下方的加固结构上,那里有梁,有强度,能受力。设计师会让飞机的重心落在这两条主轮连线的后面一点点,这样飞机在地上就会像人坐在板凳上一样,重心永远压在两条大腿上,很稳。

主起落架收放结构示意。起落架支柱、锁定机构与舱门都需协同动作,复杂度随支撑点增加而急剧提升。

这里说的是我们日常见到的喷气客机,运输机和多数军机,赛斯纳那种小活塞机,固定起落架支线别放一块比。

那前面为什么还要一个前轮?
因为飞机在地面可不只是从跑道滑到机位这么简单,它要排队,需要拐弯,还得听塔台的。要是像早年的尾轮机那样全靠后面那只小轮带起走,一脚刹车就甩,旁边还一堆在排队的,那估计没人敢在繁忙机场这么玩。

所以就有了现在这种组合:后面两条腿抗住,前面一条腿管方向,三点组成一个稳定三角形

要是非要说四个轮子更稳,那就等于把三角形变成了桌子。桌子放在不平的地上,总有一条腿是悬起的,最后还得是垫纸,但是飞机又不能垫纸,也没人让你在跑道上垫纸。

安-225“梦幻运输机”采用 32 轮支撑,但仍为典型三点式布局:两组主起落架分布于机翼下方,一组前轮负责导向。多轮仅用于分担载荷。

顺便说一句,很多重型运输机、像安-124、安-225那种,看着一排一排的轮子,其实结构上还是三点式:两组主起落架承重,前面一个前轮负责导向,只不过主起落架为了分摊巨大重量,才把一条腿拆成好多小轮子,所以别被数量骗了。


直升机要单独说。

固定翼的起落架是围着“地面跑得稳”来设计的,但是直升机不是。直升机最大的优势不是跑,而是悬,它的升力中心在上面一大个旋翼盘里,通常就在机体中部上方,如果你把主轮放得太靠后,整架机在地上一抬头,尾梁和尾桨就有可能扫地,风险比固定翼大多了。

常见的通用和运输直升机会这么布置:主轮靠前,后面用小轮或者尾撑支一下。

任务和机体结构不一样,有三点的,也有做成四点的。像要开尾坡门、要装卸的,就干脆做成四点,落地更平。

固定翼着落像狗,冲劲大,只要不是脸着地就行,所以前面必须有个轮子听指令;
直升机下地像猫,动作小,但是屁股不能蹭地,所以需要后面得有人扶着。

看似是形状不同,本质上还是那句话:重心垂线要落在受力三角形里,只不过直升机这个三角形是反过来的。

直升机起落架传感系统结构示意。可见其支撑点分布更靠近重心区域,以保证悬停、装卸与尾桨安全。不同任务机型可能采用三点或四点式布局。

最后说回到工程这件事上。

我们日常的思路是:多一点更安全、厚一点更放心。
航空不是这样。航空是能飞的,才敢谈放心,飞不动,再安全也等于白说。

我们说的是现在大家最常见的那类中大型客机,运输机哈,如果多一个起落架会意味着什么?

一截起落架支柱的重量,收放的铰接,液压管路,轮舱门,还有附加更多的维护和检查项目。起落架没收好,没锁好的话还是个新增故障危险源。

在我们前面说的这种中大型可收放起落架的客机和运输机上,起落架99%时间都是收着的(螺旋桨短途那类就不算进来了),只有落地的那十几秒钟、地面滑行那几分钟它才工作。我们要是把不常用的部件做得越来越复杂,设计师肯定直挠头。

所以最后大家慢慢的演变到现在这种刚刚好的方案。三点,能受力,能转向且能收进去的,重量还可控。不是谁觉得三点好看,这都是算账算出来的。


说远一点

主起落架收放结构示意。起落架支柱、锁定机构与舱门都需协同动作,复杂度随支撑点增加而急剧提升。

日常的话,我们都会觉得安全感是靠多买一点,多装一点,多留一点。

但是工程世界里讲的是结构说得通:少但是正确,比多而乱要安全得多。

飞机的三个起落架就是它和地面谈判的姿态:

我会落地,但你别一下子把我掀翻;我还要在地上滑跑,所以就别给我整那些不平不顺的活;我只要三点,就够了,多一个我抗不动。

飞机要的大概就是这个态度。

所以,问题表面看是为什么不用四个轮子,底层逻辑其实是航空器一旦离开地面,所有跟地有关的设计都要让步给起飞。能飞,才是一切设计的第一要素。

平流层散步者
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