如何让航天飞机平稳着陆？

随着航天技术的快速发展，低成本已成为航天运载火箭面临的主要挑战之一，运载火箭的重复使用是降低成本的重要措施。可重复使用运载器可以廉价、快速、安全、可靠地进出空，但可重复使用的定位也给航天运载器的研究带来了许多困难，其中高效无损的着陆和回收技术是瓶颈问题之一。

目前着陆技术的复用主要有垂直着陆和水平着陆。可重复使用火箭广泛采用垂直着陆方式，依靠火箭尾部的着陆腿实现垂直回收着陆；水平着舰是利用起落架系统在常规机场跑道上回收舰载机，具有机动性和灵活性的优点。

与垂直着陆方式不同的是，水平着陆飞行器不仅有垂直下沉速度，还有很大的水平着陆速度，所以需要同时吸收垂直能量和水平能量。起落架系统装有缓冲机构吸收垂直冲击能量，用轮式或滑橇式装置支撑车辆滑行和刹车减速，典型代表是美国的X-37B和追梦者飞机。欧美等国家或地区在水平回收飞行器的研究方面取得了很大进展，开发了多种类型的可重复使用飞行器。近年来，中国在相关领域也取得了一些成就，但整体上仍处于追赶阶段。

水平回收着陆是航天技术发展的重要方向之一，而起落架系统作为水平回收航天运载火箭的关键系统之一，是保证运载火箭可重复使用的前提和基础。

起落架机构作为起落架系统的主要组成部分，是飞行器运动机构中最复杂的结构之一。它为车辆的水平起飞、着陆、滑行和地面停放提供支撑，吸收和耗散着陆过程中的冲击能量，并提供地面转向和减速功能。同时，为了减小飞行阻力，起落架机构还具有收放锁紧功能，是典型的复杂多功能舰载机机构。

起落架技术在传统的航空空领域已经发展了一百多年，技术相对成熟。但面向空领域的起落架机构与面向导航空领域的起落架机构有显著区别，主要表现在:(1)着陆速度高，刹车能量大，刹车机构的强度和刚度高；(2)面对恶劣的机械热环境和空环境；(3)载机无动力返场，起落架收放机构必须保证可靠运行，无试错；(4)载机空室内部紧凑，存放起落架的空室受坦克和气动外形限制较大；(5)水平起降飞行器起降品质差异较大，缓冲器适配和缓冲机构设计难度较大；(6)质量指标严格，起落架小型化、轻量化设计需求迫切。

一、起落架机构的结构

航天运载火箭的起落架机构类似于现代的飞机起落架，主要用于在地面支撑运载火箭。主要包括缓冲机构、收放机构、锁紧机构、转向机构和制动机构，各机构的作用各不相同。缓冲机构主要用于吸收车辆着陆和滑行的冲击动能，收放机构和锁止机构提供起落架收放和锁止功能，转弯机构和刹车机构提供车辆在地面的制动减速和转弯纠偏功能。

(1)起落架缓冲机构

缓冲减震机构是起落架最重要的部件，主要用于吸收和耗散飞机着陆和滑行过程中的冲击动能，降低飞机的冲击过载，保护结构和设备的安全。由于任务剖面的影响，航天运载火箭需要特别注意缓冲机构的密封性能，以保证其正常的缓冲功能。目前，油气缓冲机构是舰载机起落架的主要缓冲机构。油气缓冲机构主要是利用气体的压缩储能和油液流经阻尼孔产生的阻尼来吸收和耗散着陆冲击动能。其典型结构如图1所示。

图1起落架油缓冲机构

缓冲机构的缓冲作用主要依靠外缸和活塞杆的相互运动，包括压缩行程和伸展行程。在压缩冲程中，活塞杆在外载荷作用下向上运动，气腔内的气体被压缩产生较大的//k0/气体弹簧力吸收能量，油液流经阻尼孔产生阻尼力耗散冲击动能；在伸展行程中，活塞杆在空气体弹簧力的作用下反向运动，释放压缩行程中气体压缩储存的能量，油液流经阻尼孔再次产生阻尼力耗散能量。

(2)起落架收放机构

为了减小阻力，保证起落架和舱内设备的热环境要求，航天器在飞行时必须将起落架存放在机体内，这就要求起落架必须设计成可伸缩机构。收放机构的主要作用是通过一定的驱动，使起落架按照指定的轨迹运动到指定的收放位置。起落架在收起或放下过程中必须灵活协调。典型的起落架收放机构如图2所示。

图2起落架收放机构

当起落架收上时，解锁作动筒提供压力，克服锁簧/气压的作用解锁下锁，收上作动筒带动起落架主支柱绕转轴转动收上，支柱和锁杆跟进折叠。当起落架锁柱移动到位后，撞击上锁钩，完成起落架的收放和锁紧。起落架放下时，上锁解锁，起落架主支柱在收放作动筒和重力作用下沿转轴转动。当起落架接近放下锁定位置时，锁定杆在锁定弹簧/气压的作用下放下并锁定。

(3)起落架锁定机构

由于起落架是可收放机构，因此需要设计相应的锁紧机构，使起落架在收放位置保持机械可靠的锁紧。起落架锁定机构通常包括一个上部锁和一个下部锁。上部锁的作用是将起落架支柱锁定在收起位置，在飞行过程中会受到过载和振动的影响。下锁的作用是将起落架支柱锁定在放下位置，以承受起飞和着陆的冲击载荷，不会因为冲击而解锁。典型的起落架锁定机构如图3所示。

图3起落架锁定机构

锁止机构的可靠运行对飞机的安全起飞和着陆至关重要。比如飞行中上锁意外解锁或着陆时，上锁卡住无法解锁，下锁失效导致起落架无法完全锁死，会威胁飞机安全，造成严重的飞行事故。因此，合理可靠的锁止机构对于飞机的起飞和降落的安全性至关重要。

(4)前轮转向机构

航天运载火箭在地面滑行纠偏时的机动方式可分为主轮差动制动和前轮转向。主轮差动刹车通过对两侧主轮施加不同的制动力来实现飞机的转向；但需要在前起落架上安装转弯机构来修正前轮转弯，控制转弯机构来实现飞机转弯。

通常情况下，出于能量转换效率和环境适应性的考虑，空间飞行器不适合配备液压系统，因此其前轮转弯机构往往设计成全电驱动的形式。前轮需要较大的扭矩来纠偏，动态特性高。为了获得大的转动扭矩，往往会损失动力性能。要解决电动转向高动力性能与输出扭矩不足的矛盾，一个有效的办法是用高性能的转向器驱动摇臂连杆，然后连杆与转向套的转动联动，实现高效转向，如图4所示。

图4全电动前轮转向机构

(5)起落架刹车机构

刹车机构可以实现飞机的刹车功能，吸收水平动能，降低滑行速度，缩短刹车距离，对飞机进行刹车。同样，考虑到太空飞行器不宜配备液压系统，在制动方面更倾向于使用全电制动系统。飞机全电刹车系统是一个复杂的机电一体化产品，具有多施力机构和多传感器信息融合的特点。全电制动电机布置有两种方案:一种是立式结构，另一种是卧式结构。

立式结构(见图5)通常见于大型机轮，特点是轴向占用大空，多个制动减速施力机构可沿周向均匀分布，各机构关于缸座平面中心轴对称，制动力分布均匀，施力机构有效制动行程大，输出力可大，适用于机轮空有一定轴向间距的飞机。

图5垂直全电制动机构

水平结构(见图6)是电机轴和输出轴垂直布置，这在全电制动轮上也很常见。其特点是对车轮轴向的需求小，对车轮轴向的需求大。减速施力机构可以均匀分布在缸座上，在//k0/的一定范围内进行制动。

图6水平全电制动机构

二、起落架机构设计与仿真技术

(1)起落架机构设计技术

起落架机构是典型的复杂多功能机构，设计性能优良的起落架机构一般需要经历机构学、结构布局、运动学和动力学等一系列研究过程。目前，对航天运载火箭起落架机构的研究很少，通常的设计往往基于以往型号的设计经验、传统的飞机起落架设计手册和起落架相关标准。对于缓冲机构，主要研究内容集中在内部填充参数的确定和优化、行程和临界截面积的选择、阻尼孔形状和尺寸的影响以及双腔缓冲器的优化。研究重点是提高缓冲效率，降低起落架载荷。

对收放锁紧机构的研究主要集中在利用运动学原理确定杠杆系、转轴位置、运动轨迹和机构的可靠性，重点是收放位置的锁紧和力的传递。在转弯机构和制动机构的设计中，传统的液压转弯和制动机构研究较多，而适用于空间飞行器起落架的全电动转弯和制动机构研究较少。对全电动机构的研究主要集中在机构原理、传动方案、转向与摆减耦合、制动效率等方面。

随着航天运载火箭任务需求的发展，传统的设计方法已经难以满足起落架机构快速性和高性能的设计要求。智能设计、分叉分析、主动/半主动控制等设计技术的应用，为起落架机构的设计提供了新的思路。基于人工智能的自主设计已经应用于复杂的起落架收放机构的设计和分析中。分叉分析方法在起落架机构设计领域应用较为广泛，可以捕捉系统的一些关键动态特性与分叉点之间的关系，通过研究分叉点来分析系统的动态特性。

分岔分析方法已成功应用于缓冲机构的抗干扰设计、收放锁紧机构的参数化设计、转向机构的稳定性和防摆性设计等。图7显示了起落架分叉分析的结构框架。随着先进高性能缓冲机构的发展，主动/半主动控制技术作为一种新技术得到了应用，研究主要集中在磁流变缓冲机构和缓冲机构的主动和半主动控制。

图7起落架分叉分析的结构框架

(2)起落架机构仿真技术

起落架机构复杂多样，涉及充气轮胎与路面的相互作用。非线性因素和耦合因素不能完全忽略，导致其运动学和动力学特性非常复杂。因此，在起落架机构设计过程中，需要同时进行大量的仿真分析工作，以评估机构的性能，指导机构的优化设计。

在工程研究中，起落架机构仿真往往借助成熟的商用多体动力学软件进行。基于Adams和LMS Virtual等商业软件的动力学仿真。Lab具有建模速度快、计算效率高、工况模拟能力强等优点，已广泛应用于起落架机构的仿真分析，包括缓冲性能分析、收放锁紧机构的动态响应分析、转弯和刹车机构的动态性能分析等。

为了研究结构变形对起落架机构动态性能的影响，许多学者进一步开展了起落架机构的刚柔耦合动力学仿真分析。刚柔耦合动力学仿真可以满足起落架机构的具体性能分析要求，灵活处理起落架关键部件，重点分析起落架机构运动过程中结构变形对起落架动态性能的影响，从而指导机构的优化设计。

为了更真实地模拟系统响应，将机、电、液、气多学科联合仿真模型应用于起落架机构分析。如图8所示，通过LMS Virtual建立了起落架机构的动力学模型。利用LMS Imagine建立了起落架电液控制系统模型。Lab AMESim，可以分析机械系统的动态特性，考察其控制系统的相关特性，从而更真实地反映起落架系统的综合性能。

大量学者针对不同的研究问题建立了缓冲-油、收放-气动、转弯-电控、刹车-防滑控制等多学科联合仿真模型，重点阐述和分析了起落架机构系统的动态性能响应。

图8起落架多学科联合仿真技术

三、航天运载火箭起落架机构设计的关键技术。

起落架机构设计是航海空领域的传统研究方向，技术相对成熟。面对空领域的新特点、新要求、新环境，起落架机构的设计虽然取得了一些技术成果，积累了一些经验，但仍处于探索发展阶段。随着任务需求的发展、设计要求的提高以及航天运载火箭力学和热环境的恶化，航天运载火箭起落架机构技术必将面临越来越多的科学问题和技术挑战，需要科研人员进一步探索。

根据未来航天运载火箭起落架的技术特点，提出了航天运载火箭起落架机构相关的关键技术，包括高效轻量化起落架缓冲机构设计技术、高可靠性收放锁紧机构设计技术及其振动抑制技术、高效全电刹车机构设计技术。

(1)高效轻量化起落架缓冲机构设计技术

水平起降、单级运载火箭是航天技术的重要发展方向之一。为了实现单级入轨，运载器起飞时必须携带大量燃料，但返回时的燃料消耗使得运载器的着陆质量与起飞质量相比大打折扣。起飞和着陆质量的巨大差异成为缓冲机构设计的瓶颈之一。缓冲机构的设计必须满足所有负载要求。在传统设计方法的指导下，起落架必然会过重，缓冲效率急剧下降，进而影响起落架的总体布局、高度设计、空之间的包线设计、传力路径设计、接口设计。

传统的起落架大多采用被动式油气缓冲机构，这种机构是事先针对特定条件专门设计的，其内部参数基本不可调，无法根据外界载荷进行大范围调节，无法满足大起降比的着陆缓冲要求。为了解决这一问题，迫切需要开展大质量差高效轻量化起落架缓冲机构设计技术研究，利用主动/半主动控制技术实现缓冲机构内部参数的实时调整，解决缓冲机构工作过程中的“过软”和“过硬”问题，大幅提高缓冲效率，从而实现缓冲机构的轻量化设计。磁流变液技术的发展也使得缓冲机构的主动/半主动控制技术成为可能。

(2)高可靠性收放锁紧机构的设计及其振动抑制技术。

为了兼顾高低速的气动特性，运载火箭通常采用扁平的气动外形；同时，大量的燃油储备严重压缩了内部可用空空间，使得起落架只能在狭小的机舱内使用。收/收空窄与起落架尺寸增大的矛盾日益突出，对起落架轨迹规划、机构避障优化、高可靠复杂机构设计、收放效率分析、机构动力学设计等提出了更高的要求。

起落架的运动轨迹不同于常规的直线前进或展向收放，多在空之间，使得起落架的收放机构异常复杂。现有的设计方法极度依赖工程经验，费时费力，只能得到可行解，很难得到最优解，已不能满足强约束下复杂起落架机构的设计要求空。强约束空下高可靠复杂起落架机构的设计缺乏系统高效的设计方法、设计模型和试验平台。

此外，空间飞行器任务剖面中恶劣的力学环境和振动环境使起落架末端产生显著的振动效应，起落架重心更靠近悬臂端，大大恶化了起落架的振动特性，严重加剧了起落架锁紧失效的风险。如何保证复杂的收放机构和锁紧机构的可靠工作，抑制锁紧后的振动，成为起落架设计的一大难题。

(3)高效全电制动机构设计技术

通常，太空飞行器没有配备统一的液压系统，这使得起落架制动系统更倾向于使用全电驱动。全电制动机构的尺寸通常比液压机构大，需要更多的储物空间空，与车内紧凑的可用空间空相矛盾。同时，太空母舰的着陆速度高于普通飞机，刹车所需的蓄热更高，导致刹车盘尺寸更大，进一步加剧空之间的矛盾。因此，有必要开展高效全电制动机构的设计和研究，以实现制动机构的小型化和轻量化。

与现有的碳-碳制动技术相比，相变制动技术具有更高的储热能力。通过考虑相变制动材料的应用，提高单位质量蓄热体的能量负荷，可以有效减小制动蓄热体的体积和质量。同时对制动驱动机构和制动结构进行了小型化和轻量化设计，实现了制动装置的整体小型化和轻量化设计。

四。总结与展望

面向空的起落架机构经过多年的发展，在理论和应用上都取得了一定的成果，其研究也逐渐引起学术界的广泛关注。然而，我国航天运载火箭起落架机构的设计还处于发展阶段，缺乏系统的理论支撑，对航天运载火箭起落架机构的研究还不够深入。

在构型的选择上，优先选择轮式起落架系统，对[/K0/]之间需求量较小的滑跃式起落架研究相对不足；轻量化设计中，主要结构倾向于通过有限元优化来达到减重的目的，对新材料起落架的研究不足；在设计方法上，首选传统的串行迭代设计。因此，本文总结了航天运载火箭起落架机构技术领域的相关研究成果，并根据未来发展趋势提出了相应的起落架机构关键技术，对我国航天运载火箭起落架机构技术具有一定的指导意义。

近年来，航天运载火箭的要求和任务不断发展，特别是水平起降的需求不断增加，对航天运载火箭的起落架机构技术提出了越来越高的要求。鉴于运载火箭内部空约束，需要进一步开展起落架小型化设计，创新起落架构型，推进起落架机构小型化设计技术和研究。

面对系统质量指标的约束，需要加强起落架的轻量化设计，开展起落架新材料、新理论、新技术的研究，重点研究复合材料起落架、相变制动技术和磁流变液缓冲技术，推动起落架轻量化技术的发展。

同时，由于型号项目开发周期明显缩短，对系统快速设计和分析能力的要求越来越高。因此，可以加强起落架的智能化设计，打破传统串行设计过程的反复迭代，促进起落架机构缓冲、收放和刹车系统的智能化发展。

(原文发表在《中国航天》2023年第10期)

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