1、
轻型无人机起落架摆振问题简析
摘要：相比于民航客机，无人机重量较小，无人机的飞行性能直接判断无人机综合表现能力。减重作为提升无人机性能指标的重要因素，在无人机各个子系统设计阶段都需充分考虑，不过减重往往会带来结构强度和刚度问题。前起落架结构刚度不够，将会带来摆振问题，摆振直接影响到飞机的运行安全。本文对轻型无人机的摆振问题进行了简单的分析。
关键词:无人机，摆振，起落架
1 前言
目前无人机大多采用前三点式起落架布局，前起起着支撑飞机机体作用，使之便于地面停放和运动，
2、另外实现飞机在地面滑跑状态的转弯功能，还可以减缓飞机滑跑时由于跑道不平导致的振动等等，是飞机安全滑跑和起飞降落的保障[1]。所以，如果前起落架出现摆振问题，会严重影响飞机起降的安全性，如果不能缓解会出现摆振发散现象，这一方面可能会导致飞机结构出现破坏性损伤，出现滑行事故，另一方面摆振潜在的周期振动会使起落架以及机体结构发生疲劳损害，一旦超过强度极限会出现灾难性事故。
2 摆振产生的机理
摆振是非线性动力学问题，是由多个运动耦合而成，包括支柱侧向振动、机轮侧向摆动、机轮绕支柱扭转运动以及支柱自身扭动[2]，如图1所示。
（a）机轮绕定向轴转动 (b)轮胎的变形 (c)起落架支柱变形
3、图1 摆振引起形式
一般情况，无人机减重的大环境下，起落架往往会出现结构刚度不够，这时出现了“结构型”摆振，另外，飞机正常状况下轮胎变形和受力产生的摆振，属于“轮胎型”摆振。“结构型”摆振出现后需要对起落架结构进行强度和刚度校核核算，在结构件关键连接部位增加刚度，当出现 “结构型”摆振解决起来是比较困难的，“轮胎型”摆振比起“结构型”摆振要容易解决[3]。
3 缓解摆振的措施
摆振是一种自激振动，不采取合适措施缓解会发生扩散。解决摆振问题根本上应从起落架设计阶段着手，根据总体参数确定起落架结构参数，使无人机在各个滑跑工况范围内，前起摆振是稳定的，并且保证在外界干扰情况下，具有充足的稳定域
4、比如，在保证起落架载荷和转弯方便情况下，尽量增大结构参数稳定距，有利于防止摆振。
此外，根据无人机的重量以及起落架的设计，选择合适的轮胎，轮胎的形状和构造可以一定程度上减小发生摆振的概率，不过不能从根本上解决摆振问题。
减摆器是减缓摆振最有效方式，目前大多飞机加装的是油液式减摆器，机轮如果发生摆振，产生的左右摆动通过连接结构传递给减摆器，减摆器的阻尼杆在筒体内来回运动，使得内部的介质通过阻尼孔来回流动，这样通过热能方式把能量消耗掉。减摆器的形式很好的防止摆振，不过减摆器实质是阻尼器，有着一定的阻尼，在设计减摆器时要根据整个起落架系统摆振所需的阻尼力矩确定减摆器的阻尼，阻尼太小不能有效的减
5、缓摆振，阻尼太大会增加前轮侧向载荷，使得飞机稳定性和操纵性受到影响，因此在设计减摆器时，一定注意飞机前起摆振稳定域，给定相对应的储备度即可。
由于减摆器是减缓摆振最有效的方式，接下来主要介绍减摆器。
4减摆器分类
根据减摆器的作用方式不同，主要的结构形式有活塞式和旋板式。
活塞式减摆器作用时，阻尼杆相对缸筒做直线运动，主要包括缸筒、阻尼杆、活塞、阻尼孔等，如图2所示；旋板式减摆器活塞相对于缸体做的是旋转运动，主要包括缸筒、固定叶片、活动叶片、端盖等，如图3所示。
除此之外还有干摩擦减摆器，主要是依靠橡胶等介质进行干摩擦产热，消耗掉摆振的能量，不过此种减摆器效率不高，主要是在高频振动情
6、况下，橡胶产生的有效摩擦变少，无法实现摩擦生热，并且容易损坏需要及时更换内部原件，因此干摩擦减摆器逐渐被淘汰。
图2 活塞式减摆器 图3 旋板式减摆器
除了油液作为介质之外，目前可以采用磁流变液作为工作介质，磁流变液在不同磁场环境下会产生不同的阻尼力[4]，因此磁流变减摆器根据磁流变液这种特性，设计出不同电流磁化区域，磁流变液经过时结构形态发生改变，机轮摆振迫使它在阻尼通道间往复流动，产生的可变阻尼力消耗掉运动机械能，达到摆振快速收敛目的，相比于油液式减摆器，磁流变减摆器性能更好，不过目前仍处于科研阶段。
6 摆振动力学模型
分析前起落架摆振动力学模型是摆振分析的重点。摆振是多运动
7、耦合，因此单个数学方程不能满足摆振动力学要求，采取多个自由度来建立摆振动力学模型即：
1. 机轮摆角 ；
2. 轮胎与地接触面中心的侧向位移 ；
3. 轮胎弹性扭转角 ；
4. 磁流变减摆器绕支柱轴线摆角 ；
图4 摆振动力学模型平面图
根据摆振传力方式和摆振模型建立摆振动力学模型，即：
在分析起落架摆振是否稳定，根据摆振动力学模型计算摆振稳定域，判断起落架设计是否满足要求，也能为减摆器阻尼的选取提供理论支持。
7 结束语
摆振问题影响飞机滑跑安全，防止摆振需要从起落架设计时出发，优化结构参数，保证结构强度和刚度，根据摆振动力学模型，计算出摆振的稳定域，再选取
8、合适的减摆器，使得起落架摆振发生概率降到最低，保证飞机正常稳定起降。
参考文献
[1] 郦正能. 飞机部件与系统设计[M]. 北京航空航天大学出版社, 2006.
[2] 《飞机设计手册》总编委会. 飞机设计手册.第14册,起飞着陆系统设计[M]. 航空工业出版社, 2002.
[3] 诸德培等.摆振理论及防摆措施[M] .北京:工业出版社,1984.
[4] 周云, 谭平. 磁流变阻尼控制理论与技术[M]. 科学出版社, 2007.
郝新琛
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