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飞机下落时,为什么轮子都是斜的?

秋生
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我看了很多回答,都没有说到点子上。

先上结论:主要是为了减少瞬时水平冲击载荷+方便收纳

波音777-200ER起落架,下降时与地面夹角在13度以上

减少拖曳力?

轮子倾斜的设计,最早是1954年由美国Christopher Bernard等人提出的[1]。按照设计提出者的想法,这个设计的初衷就是为了让“着陆时的拖曳力载荷最小化”。

早期的飞机轮子在最初接触地面前通常不会提前旋转,因此当摩擦力在克服其惯性让它开始旋转时,会向后产生很大的拖曳阻力,会让飞机有一个“点头”的趋势。

如果像“鹰爪”一样让机轮组与地面呈一定角度,在飞机的全部重量压下来之前,多轮小车中的后排轮子(以四轮小车式为例)会先着地(并被迅速压缩至轮胎最大压缩量的90%[2]),0.15~0.20秒后,前面的轮子会在扭矩作用下(及缓冲器的共同作用下)后着地,整个小车从倾斜变为水平并在0.03秒左右达到前后轮平衡[3],这样因摩擦而产生的向后的拖曳力是依次产生于前后轮的,减少飞机降落着地那一瞬间向后的拖曳力过大,着陆也因冲击被吸收而更”温柔“一点。

波音777主起落架

单向液压?

如果是多轮小车是水平着陆的,那么由于地面的不平整,有可能会猛烈地”翻来跳去“的倾向,这样就需要在两个方向上增加阻尼。如果是倾斜的,就可以只在一个方向上增加致动阻尼,能有效地减重和降低失效风险,也更便宜。

节约空间,方便收纳?

上面这个只能说是当初设计的初衷吧。如果你飞机见得足够多又足够细心,你会发现767飞机的主起落架是向前倾斜的。

767的主起落架,左侧为飞行方向

A330、A340、波音747、777、787都是向后倾斜的(后轮更低),而767和A350是向前倾斜的(前轮更低)。

有人说,这是因为起落架在飞行过程中是要收起来的,为了能以更小的体积收纳到飞机”肚子“里,有时就要先像变形金刚一样扭转一下,这样原本占很大空间的直角结构,就变成了体积更小的三角结构。

所以一些型号的飞机起落架会在收起的方向上倾斜,可在缩回后最大限度地减少对空间的需求。比如747的机翼下的起落架会向中间并拢,于是倾斜的起落架会减少前后的空间需求:

747机翼下的起落架收起瞬间

而747的中央主起落架也是类似的道理:

747的中央主起落架收回的瞬间

如果没有倾斜的设计,起落架在收回和放下期间必然会前后摆动[4],并有可能撞到起落架舱,所以必须让它倾斜到一定角度并固定才能进入舱内。757的起落架如果不倾斜到特定角度上,就会撞到机翼骨架上了。

比如767就是因为它的起落架舱空间较小。而这样设计的缺点,就是767在着陆时会比向上倾斜主起落架的777或757要”粗暴“得多。所以,如果你是一个飞行员,你会发现相比于开777,开767会更难以实现”完美着陆“。

另外一个相似的原因,是为了给打开起落架舱门让开一定空间。如果你注意过A340-500/600的中央主起落架,你会看到有可能是两侧机翼下面的起落架是向后倾斜,而中间的中央主起落架是向前倾斜:

由于比A340-200/300重了100吨,所以中央主起落架增加为四轮。它的角度是向下倾斜的

这样的设计主要是为了允许位于中央主起落架前方的起落架舱门能完全打开。

类似地,787为了能让主起落架能收到机腹中,就要在收起后保证主起落架向前倾斜12度再把它收到起落架舱中。但着陆时,依然是向后倾斜:

787着陆瞬间

传感器与空难

像747或767的主起落架上有相应的传感器,当着陆瞬间起落架小车从倾斜变为水平时,会触发传感器信号,告诉飞机的”大脑“:你着陆了!快关闭飞机逻辑并切换到着陆逻辑上来!反推也能开啦!(当然也可以取液压缓冲设备的压力值)

但也是因为这个原因造成了阿联酋航空521号班机坠毁事件。简单地说,就是2016年8月3日,一架777-300在迪拜国际机场要复飞的时候,由于风切变导致右起落架意外触地,倾斜的小车变平,传感器认为飞机在地面上,所以在机长按下油门杆上的复飞按钮后并没有激活复飞模式(为了防止飞行员在滑跑期间误按而冲出跑道),油门就没有自动增加至全功率,最终摔在跑道上。幸好全机282名乘客和18名机组人员没有一人死亡[5]

另外,倾斜的轮子就像踮着脚尖一样,增加的一点点高度降低了机尾在起飞时擦地的风险。

综上,飞机下落时,轮子倾斜主要还是为了减少着陆时的冲击,以及更好的空间利用。


课后思考:

B-2轰炸机的主起落架也是向前倾斜的,是哪种原因为主呢?

参考

  1. ^美国专利号2,670,160,日期为1954年2月23日
  2. ^起落架机轮载荷分配研究,西北工业大学,2008
  3. ^《飞机设计手册》14分册,航空工业出版社,2002
  4. ^https://patents.google.com/patent/US4328939
  5. ^https://alchetron.com/Emirates-Flight-521
编辑于 2023-02-20 22:44・IP 属地上海
太空僧
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