前面幾期算是我們的餐前菜，今天開始就要給大家上主菜了，滋味如何就看大家是不是真的餓了。我們無法避免地要啰嗦一些基本概念，因為這些概念越是基礎(chǔ)，越是容易弄錯，希望大家能耐下性子來品嘗一下。需要提醒各位朋友的是，我們研究的對象只不過是在飛行過程中“一瞬間”發(fā)生的事情，更精確一點，可以說是在1秒鐘內(nèi)發(fā)生的。載荷基本概念載荷-LOAD載荷跟荷載通用，基本定義是指：使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生內(nèi)力和變形的外力及其它因素。或習(xí)慣上指施加在工程結(jié)構(gòu)上使工程結(jié)構(gòu)或構(gòu)件產(chǎn)生效應(yīng)的各種直接作用，常見的有：結(jié)構(gòu)自重、樓面活荷載、屋面活荷載、屋面積灰荷載、車輛荷載、吊車荷載、設(shè)備動力荷載以及風(fēng)、雪、裹冰、波浪等自然荷載。 載荷和力 我比較喜歡的一個解釋是：力是物質(zhì)之間的相互作用，載荷是作用在物體上的外加力。兩者的概念很相近，都是物質(zhì)間的作用，但力是相互間的作用，而載荷是有施加者和承受者的區(qū)別。比如萬有引力不能說是萬有載荷，某人的力大不能說是某人的載荷大，而飛機(jī)貨艙內(nèi)的貨物就可以算作飛機(jī)的載荷。 飛機(jī)在飛行或起飛、著陸、地面運動時，其他物體對飛機(jī)的作用力和力矩稱為飛機(jī)的外載荷。如飛機(jī)重力、氣動載荷、發(fā)動機(jī)推力，地面作用力等。飛機(jī)的外載荷是對飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析的重要依據(jù)，對使用中飛機(jī)所承受外載荷的種種限制，表征了飛機(jī)結(jié)構(gòu)的承載能力。 作用在飛機(jī)上的外載荷分為質(zhì)量力和表面力兩大類。質(zhì)量力是由飛機(jī)質(zhì)量引起的慣性力（如重力）；表面力包括作用在機(jī)體表面的氣動力，發(fā)動機(jī)推力，地面支持力等。 A320手冊中的載荷   電氣載荷  重量載荷  手冊中的載荷有電氣載荷、重量載荷、飛機(jī)機(jī)動載荷等等概念，而我們今天要討論的跟這些都不相干，我們的主角是“飛機(jī)著陸載荷”，或者更準(zhǔn)確的說是“著陸過載”。 載荷的類型 飛機(jī)承受的載荷可分為兩大種類，第一種由飛行員作用或適當(dāng)時也可由自動駕駛儀作用所直接形成的載荷，歸類為機(jī)動載荷（manoeuvring loads），是完成飛行動作所產(chǎn)生的載荷。專業(yè)書中，也將機(jī)艙增壓載荷和高馬赫數(shù)運動加熱所形成的載荷包括在內(nèi)。 第二種載荷由飛機(jī)運行（空中飛行或地面滑行）的環(huán)境不理想所致，可能是大氣中的湍流或跑道的不平度導(dǎo)致的，理想條件下不會形成這類載荷。 按其作用性質(zhì)可分為飛行載荷和地面載荷。
根據(jù)飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計需要評估的工況又可以分為：對稱機(jī)動飛行、非對稱機(jī)動飛行、發(fā)動機(jī)失效狀態(tài)、大氣湍流和突風(fēng)，以及我們的研究對象：著陸載荷。 過載與載荷 過載不是載荷，飛機(jī)在某個方向的過載是作用在機(jī)體坐標(biāo)系某方向表面力的合力與飛機(jī)重量之比——因而也可稱之為載荷系數(shù)。過載一般用字母n表示，通常我們在這個系數(shù)后面會加上一個重力加速度g的符號。但不能認(rèn)為過載就是加速度（實際測量對象），正確的理解應(yīng)該是：過載是一個沒有單位的系數(shù)。 過載是飛機(jī)設(shè)計中很重要的一個原始參數(shù)，與飛行狀態(tài)機(jī)動性密切相關(guān)。過載表示作用于飛機(jī)重心處（坐標(biāo)原點）飛機(jī)所受的實際外力與飛機(jī)重力的關(guān)系。解釋一下就是：日常飛行中，飛機(jī)所受外力不能被直接測量，但可以由測量過載（或加速度）并間接計算得出。 這里需要說明的是，過載可能容易與超載和超負(fù)荷相混淆。超載（overload）通常用于表述超過飛機(jī)限制重量時的情況，而超負(fù)荷在手冊中表意為過大的載荷（excessive load）。而過載是一個專用名詞，即載荷系數(shù)（Load factor或手冊中的G LOAD）。 過載的方向（標(biāo)準(zhǔn)坐標(biāo)系） 為了便于研究過載，將作用在受力點的外載荷分為垂直載荷、水平載荷和側(cè)向載荷。如圖所示，過載可分為：沿縱軸指向前方為過載nx，沿立軸指向垂直縱軸的上方為過載ny和沿橫軸指向機(jī)翼右側(cè)為過載nz。我們的研究對象主要是ny，即垂直方向上的過載。 飛機(jī)在水平飛行時，垂直方向上飛行機(jī)動過載ny=L/W。
過載有正負(fù)之分，與坐標(biāo)軸方向一致為正，反之為負(fù)。實際飛行中由于姿態(tài)或坡度的存在，數(shù)值上會造成少量偏差，但是由于對評估著陸過載影響不大（坡度造成的實際載荷變化除外），此處不再贅述，我們只要知道評估著陸過載使用同一坐標(biāo)系就可以了。 過載的測量 A320系列飛機(jī)裝有一個三軸加速度傳感器（Three-Axis-Accelerometer），用于測量三個軸方向上的加速度。具體安裝位置見重著陸相關(guān)的幾枚橫炮。飛機(jī)上安裝的加速度計（構(gòu)造雖然不同）基本原理如下。 加速度計由檢測質(zhì)量（也稱敏感質(zhì)量）、支承、電位器、彈簧、阻尼器和殼體組成。檢測質(zhì)量受支承的約束只能沿一條軸線移動，這個軸常稱為輸入軸或敏感軸。當(dāng)儀表殼體隨著運載體沿敏感軸方向作加速運動時，根據(jù)牛頓定律，具有一定慣性的檢測質(zhì)量力圖保持其原來的運動狀態(tài)不變。
如圖所示，加速度計與殼體之間將產(chǎn)生相對運動，使彈簧變形，于是檢測質(zhì)量在彈簧力的作用下隨之加速運動。當(dāng)彈簧力與檢測質(zhì)量加速運動時產(chǎn)生的慣性力相平衡時，檢測質(zhì)量與殼體之間便不再有相對運動，這時彈簧的變形反映被測加速度的大小。電位器作為位移傳感元件把加速度信號轉(zhuǎn)換為電信號，以供輸出。加速度計本質(zhì)上是一個一自由度的振蕩系統(tǒng)，須采用阻尼器來改善系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)。 因為飛機(jī)的質(zhì)量是已知的，當(dāng)測量出飛機(jī)的加速度值后，根據(jù)牛頓第二運動定律F=ma，可以得到飛機(jī)的受力情況。一般來說，加速度計安裝的位置距離目標(biāo)力越遠(yuǎn)，計算出的該力的誤差越大，這也是將加速度計安裝在重心附近的原因。 在實際飛行中，我們通過加速度計的輸出結(jié)果，可以得出各個時刻飛機(jī)的總體受力情況。但是這里有一個值得注意的地方，在絕大多數(shù)波音、空客飛機(jī)上，在飛機(jī)受力平衡時，垂直方向的加速度計輸出值(VRTG或VRTA)為1，而此時飛機(jī)在這個方向上的加速度為0。 @在LOAD<15>報中垂直加速度標(biāo)記為VRTA，而在FDRs或QAR監(jiān)控項目中，加速度值標(biāo)記為VRTG。根據(jù)最新AMM中的重著陸檢查流程圖，確定重著陸檢查程序應(yīng)該使用VRTA或QAR或FDRs中的數(shù)值。因而在本系列理論研究中，這兩個縮寫具有同等的使用效力——盡管它們在真實的重著陸事件中提取數(shù)值時會稍有差異。 載荷與法規(guī)
為了保證著陸安全，CCAR-25《運輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定了飛機(jī)著陸接地時垂直速度，著陸重量的范圍。如果飛機(jī)著陸時的著陸重量，垂直速度超出允許范圍，都可能會使起落架承受過大的垂直載荷（重著陸），從而損傷起落架和機(jī)體結(jié)構(gòu)。遭遇重著陸后，應(yīng)對起落架和相關(guān)的機(jī)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行檢查。
在CCAR-23《正常類、實用類、特技類和通勤類飛機(jī)適航規(guī)定》也有類似的描述，e條款明確指出了假定條件——即升力不超過飛機(jī)重量的2/3，這意味著什么？請朋友們略作思考，哪個要求更高？ 著陸過載的產(chǎn)生 地面載荷與著陸過載 如前文所述，起飛、著陸或者地面滑行時，作用在飛機(jī)上的外載荷除了空氣動力，飛機(jī)重力，發(fā)動機(jī)推力外，還有地面對飛機(jī)的作用力，即地面載荷。
地面對飛機(jī)的作用力通過地面與起落架機(jī)輪接觸點作用在起落架上，然后通過起落架結(jié)構(gòu)件和起落架與機(jī)體結(jié)構(gòu)連接接頭傳遞到機(jī)體結(jié)構(gòu)上。這是飛機(jī)在地面上承受的主要載荷。如前文所述，為了便于研究，地面載荷也可分為垂直載荷、水平載荷和側(cè)向載荷。我們將： 飛機(jī)著陸時，垂直方向上的地面載荷與飛機(jī)重力的比值，稱之為著陸過載。 在專業(yè)研究中有時會假定升力等于重力，將著陸過載與飛行過載完全區(qū)分開來，此時著陸過載的定義等同于起落架過載，是：飛機(jī)著陸時，垂直方向上，起落架對飛機(jī)的反作用力與飛機(jī)重力的比值即為著陸過載，下文中由N表示——在本系列第四期推送中提到的△VRTA即表示此意。而我們平時口頭上的著陸過載一詞，一般是在說Load <15>報中的VRTA或者FDRs/QAR中的VRTG。
當(dāng)然在實際飛行時，飛機(jī)接地的那一刻，升力大部分時候是不等于重力的。在前期的案例中，我們可看到升力有時候是遠(yuǎn)小于重力的（數(shù)據(jù)上VRTG＜1時）。以后我們也許會展示更多的數(shù)據(jù)，或者朋友們感興趣的話，也可以去運行品質(zhì)監(jiān)控部門看看，重著陸情況下或正常飛行時，接地前那一瞬間，VRTG（此時實際就是飛行過載ny）是多大？一般在0.9-1.2之間。 @受限于升降舵效能和擦機(jī)尾裕度，實際飛行數(shù)據(jù)觀測也可以證實，大于1.2幾乎不太可能；而小于0.9則意味著拉平不太“正常”，有較大的可能導(dǎo)致... ... 0.9-1.2范圍之外具體有什么含義，再次請朋友們略作思考，下期咱們再談。 飛機(jī)著陸時，運動速度的垂直分量（下降率）Vs受到地面的約束后在很短的時間內(nèi)減小為0，起落架將承受較大的垂直載荷作用。此時，飛機(jī)承受到前、主起落架傳來的垂直載荷，其大小取決于飛機(jī)的著陸重量、接地時Vs大小和起落架對飛機(jī)垂直方向上動能和勢能的吸收特性。 著陸過載和受力分析
如圖所示，將除起落架以外的飛機(jī)機(jī)體看作一個整體，那么在飛機(jī)著陸時，起落架壓縮到底的過程中，在垂直方向飛機(jī)受重力W，升力垂直分量（簡稱升力L，下同）和起落架反作用力Fs。
圖｜A320平均氣動弦相對飛機(jī)的位置 以A320機(jī)型為例，如圖所示，再根據(jù)機(jī)型手冊中的相關(guān)飛機(jī)外形參數(shù)，得出如下結(jié)果：
考慮到飛機(jī)全長37.57m，在進(jìn)行著陸時的受力分析時，保證計算精度的情況下，我們可以將升力L，重力W和起落架對機(jī)身的反作用力Fs的作用點看成同一點。 在起落架壓縮到底的過程中，Fs隨著起落架部分（包含輪胎和減震支柱兩個變量）壓縮沖程的變化而變化，這里設(shè)Fs隨沖程的變化函數(shù)為F(x)，壓縮到最低點時，起落架向下運動的總行程為d，飛機(jī)的質(zhì)量為m，飛機(jī)在接地前瞬間的垂直速度為v（這里取速度方向向下為正），那么根據(jù)動能定理（合外力對物體所做的功等于物體動能的變化量）可得出：
即：
假設(shè)接地過程中，升力等于重力，那么飛機(jī)接地前下降率越大，起落架吸收的能量多，且和速度的平方成正比。如果這時升力大于重力，那么起落架最終吸收的能量會減小，反之，如果升力小于重力，那么升力與重力的合力將向下做功，起落架將會吸收更多的能量。 由于起落架的特性是相對穩(wěn)定的，起落架部分吸收的能量越多，起落架作用于飛機(jī)的峰值力就越大，也就是說，要想減小起落架部分的過載，我們可以通過以下方法：
@增加升力會增加垂直方向上的總過載嗎？翼根過載真的存在嗎？也請朋友們一并稍作思考吧！ 起落架過載分布 通常情況下，接地時垂直方向的能量都由主起落架吸收——兩點式著陸（兩側(cè)主輪同時接地），這時前輪幾乎沒有承受任何載荷。然而可以想象的是，主起落架肯定位于重心后方（后三點式飛機(jī)除外），這時由于飛機(jī)接地后的牽引載荷，或其它原因產(chǎn)生的俯仰力矩，最終不可避免（必然的）的結(jié)果就是前輪接地，前起落架由此也會產(chǎn)生垂直過載。 如果是三點式著陸，前輪與主輪同時接地，那么此時，前起落架就需要與主起落架一起共同承受垂直方向的載荷（能量吸收）。更極端情況下，如果前輪首先觸地，同樣的下降率下，前起落架對飛機(jī)造成的實際載荷將大大超過主輪先接地造成的載荷，這種情況是非常危險的。 但我們需要了解的是，如前所述，加速度計位于飛機(jī)重心處，離重心越遠(yuǎn)，該處實際產(chǎn)生的過載與VRTG差值越大（比如第五期推送的著陸技術(shù)｜前輪過載？都是擼桿惹的禍！，手動打印LOAD<15>報中顯示只有0.95，卻造成了損傷），此時就不能把VRTG當(dāng)做此處承受過載的判定依據(jù)，這也就是為什么空客要求在“砸前輪”重著陸時，要求運營人把數(shù)據(jù)發(fā)回的原因吧。 飛行過載ny和著陸過載N及垂直加速度（VRTG）和實際垂直方向上加速度a的關(guān)系
根據(jù)上文提到的概念，在著陸過程中： ny = L/W N = Fs/W 當(dāng)空中勻速飛行時，ny = L/W = 1。地面滑行或停止態(tài)時，再以升力來定義已毫無意義， 應(yīng)以用地面的支撐載荷與重量之比來定義，即N = Fs/W 。 這兩種情況下的ny或N=1，但飛機(jī)結(jié)構(gòu)的承載方式卻完全不同，勻速平飛是一種分布載荷作用，而著陸主要是以集中力形式作用于起落架上，通過起落架作用于機(jī)身。 VRTG是安裝在重心處的加速度計的輸出值，這個值等于飛機(jī)重心處的垂直方向上的過載(垂直方向上除重力之外的合力與飛機(jī)重力的比值)，當(dāng)飛機(jī)在空中時，VRTG＝ny。而當(dāng)飛機(jī)著陸接地時：
根據(jù)牛頓第二定律，任何時候都有：
其中，F為垂直方向上的合力，g為重力加速度，一般取9.80 m/s2。這里的加速度a我們?nèi)∠蛏蠟檎?/p> 根據(jù)前文提到的兩部法規(guī)CCAR25和23，VRTG與著陸過載是N的關(guān)系如下：
這是對適航的要求，實際運行中，在著陸瞬間，我們首要考量的對象就是N。當(dāng)然為了維護(hù)的簡便性，使用了VRTG指標(biāo)來判定著陸情況（重著陸），是無可厚非的。重要的是，相關(guān)從業(yè)者必須明確知道什么叫重著陸，飛行員了解對于發(fā)生重著陸時的報告責(zé)任——要說關(guān)口前置的話，就是穩(wěn)定進(jìn)近和拉平技術(shù)——當(dāng)然，我們這么去想不是為了避免重著陸，而是為了安全穩(wěn)實接地。 to . be . continued . . . 下一期我們將對起落架部分展開相關(guān)分析。 參考文獻(xiàn) 1. 《渦輪發(fā)動機(jī)飛機(jī)結(jié)構(gòu)與系統(tǒng)》張鐵純 2.《Landing Gear Integration in Aircraft Conceptual Design》Sonny T. Chai* and William H. Mason** MAD 96-09-01 3.《Aircraft Landing Gear Design: Principles and Practices》Norman S. Currey Lockheed Aeronautical Systems Company Marietta, Georgia 4.《飛機(jī)載荷與結(jié)構(gòu)布局》Denis Howe（著）孫秦 韓忠華 鐘小平（譯） 5.《飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計》南京航空航天大學(xué)飛機(jī)設(shè)計技術(shù)研究所 6. CCAR-25《運輸類飛機(jī)適航標(biāo)準(zhǔn)》 7. CCAR-23《正常類、實用類、特技類和通勤類飛機(jī)適航規(guī)定》 |
|
|
