如何让航天飞机平稳着陆？

随着航天技术的飞速发展，低成本已成为航天运载器面临的主要挑战之一，而运载器的重复使用是降低成本的重要措施。重复使用运载器能够实现廉价、迅速、安全、可靠地进出空间，但可重复使用的定位也给航天运载器的研究带来了诸多难题，其中高效无损着陆与回收技术就是瓶颈问题之一。

当前重复使用着陆技术路径主要包括垂直着陆和水平着陆。垂直着陆方式被广泛运用在可重复使用火箭上，其依靠箭体尾部着陆支腿实现垂直回收着陆；水平着陆则是利用起落架系统实现运载器在常规机场跑道上的回收，具有机动灵活优势。

不同于垂直着陆方式，水平着陆运载器不仅具有垂直下沉速度，还拥有极大的水平着陆速度，因此需要同时吸收垂直能量和水平能量。起落架系统配置了缓冲机构用于吸收垂直冲击能量，轮式或橇式装置用于支撑运载器滑跑和刹车减速，典型的代表是美国X-37B和“追梦者”飞行器。欧美等国家或地区在研究水平回收运载器方面取得了巨大进展，先后研制了多型可重复使用运载器。近年来，我国在相关领域也取得了一定成果，但整体上仍处于追赶阶段。

水平着陆与回收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器的关键系统之一，是保证运载器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，是运载器运动机构中最为复杂的结构之一，它为运载器水平起飞、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，提供地面转向和减速功能；同时，为了减小飞行阻力，起落架机构还具备收放和锁定的功能，是一种典型的复杂多功能运载器机构。

起落架技术在传统航空领域已发展了百余年，技术相对成熟。然而面向空间领域的起落架机构相较于航空领域具有显著的不同，主要表现在：（1）着陆速度大，所需刹车能量高，刹车机构的强度和刚度要求高；（2）面临严苛的力学、热学环境和空间环境；（3）运载器无动力返场，起落架收放机构必须保证可靠工作，无试错机会；（4）运载器内部空间紧凑，可用于收藏起落架的空间受到贮箱和气动外形的极大限制；（5）水平起降运载器起飞着陆质量差异大，导致缓冲器难以适配，缓冲机构设计困难；（6）质量指标严苛，起落架小型化和轻型化设计需求迫切。

一、起落架机构组成架构

航天运载器起落架机构类似于现代飞机起落装置，主要用于在地面支撑运载器，其主要包括缓冲机构、收放机构、锁定机构、转弯机构和刹车机构等，各机构的功能各不相同。缓冲机构主要用于吸收运载器着陆和滑跑的冲击动能，收放机构和锁定机构提供起落架的收起、放下、锁定等功能，转弯机构和刹车机构提供运载器在地面的刹车减速和转弯纠偏功能。

（一）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行器着陆和滑跑过程中的冲击动能，减小飞行器冲击过载以保护结构和设备仪器的安全。受任务剖面的影响，航天运载器需要特别考虑缓冲机构的密封性能，以保证其缓冲功能正常。现阶段运载器起落架缓冲机构以油气式缓冲机构为主，油气式缓冲机构主要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 起落架油液缓冲机构

缓冲机构的缓冲功能主要依靠外筒和活塞杆相互运动实现，包含压缩行程和伸展行程。压缩行程中，活塞杆受外载向上运动，气腔的气体受压产生较大的空气弹簧力而吸收能量，油液流经阻尼孔产生阻尼力耗散冲击动能；伸展行程中，活塞杆在空气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。

（二）起落架收放机构

为了减小阻力、保障起落架及舱内设备的热环境需求，航天运载器在飞行时其起落架均需收藏于机体内部，这要求起落架必须设计为可收放的机构。收放机构的主要功能是通过一定的驱动使起落架按规定的轨迹运动到指定的收起或放下位置。起落架在收起或放下运动过程中必须灵活协调。典型起落架收放机构如图2所示。

图2 起落架收放机构

起落架收起时，解锁作动筒供压克服锁弹簧/气压的作用使下位锁解锁，收放作动筒收缩驱动起落架主支柱绕转轴旋转收起，撑杆和锁杆随动折叠，当运动到位时，起落架锁柱撞击上位锁锁钩，完成起落架收起锁定。起落架放下时，上位锁解锁，起落架主支柱在收放作动筒和重力的作用下沿转轴转动放下，当接近放下锁定位置时，锁杆在锁弹簧/气压的作用下完成放下锁定。

（三）起落架锁定机构

由于起落架为可收放的机构，因此必须设计相应的锁定机构以保持起落架在收起和放下位置机械可靠锁定。起落架锁定机构通常包括上位锁和下位锁，上位锁的作用是将起落架支柱锁定在收起位置，需承受飞行过程中的过载和振动；下位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，而不会因冲击而开锁。典型起落架锁定机构如图3所示。

图3 起落架锁定机构

锁定机构可靠工作对飞行器安全起降至关重要。例如，飞行中上位锁意外开锁或降落时上位锁卡死不能解锁，以及下位锁故障致使起落架放下不能完全锁定等情况都将威胁飞行器安全，造成严重的飞行事故。因此，合理可靠的锁定机构对起降安全是至关重要的。

（四）前轮转弯机构

航天运载器在地面滑跑纠偏的机动方式可分为主轮差动刹车和前轮转弯操纵。主轮差动刹车通过对两侧主轮施加不同的刹车力实现飞行器转向；而前轮转弯纠偏需在前起落架上安装转弯机构，操纵转弯机构实现飞行器转向。

通常，出于能源转换效率和环境适应性考虑，航天运载器不宜配置液压系统，因此其前轮转弯机构有设计成全电作动形式的倾向。前轮转弯纠偏所需力矩大，且动态特性要求高，为了获得较大的转弯力矩，往往会损失动态性能。若要解决电转弯高动态性能与输出力矩不足之间的矛盾，一种有效途径是利用高性能舵机驱动摇臂连杆，连杆再联动转弯套筒转动实现高效转弯的方式，如图4所示。

图4 全电前轮转弯机构

（五）起落架刹车机构

刹车机构能够实现飞行器刹车功能，吸收水平动能，降低滑跑速度，缩短制动距离，刹停飞行器。同样，考虑到航天运载器不宜配置液压系统，在刹车上更倾向于使用全电刹车系统。飞机全电刹车系统是复杂的机电一体化产品，具有多施力机构、多传感器信息融合的特点。全电刹车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）通常见于大机轮，其特点是轴向占用空间较大，周向可均布多个刹车减速施力机构，每个机构关于汽缸座平面中心轴线对称，刹车力分布均匀，施力机构有效刹车行程较大，输出力可做到较大，适用于机轮轴向具有一定空间的飞行器。

图5 立式全电刹车机构

卧式结构（见图6）则是电机轴与输出轴垂直布置，这种布置方式在全电刹车机轮上也比较常见，其特点是对机轮轴向空间需求较小，对机轮轴向空间需求较大，减速施力机构可均布于汽缸座上，在一定空间范围内，刹车行程可做到与液压刹车系统相同。

图6 卧式全电刹车机构

二、起落架机构设计与仿真技术

（一）起落架机构设计技术

起落架机构是一种典型的复杂多功能机构，性能优良的起落架机构设计一般需经历机构学、结构布局、运动学、动力学等一系列研究过程。现阶段，专门针对航天运载器起落架机构的研究较少，通常的设计往往基于过往型号产品设计经验、传统飞机起落架设计手册和起落架相关标准。对缓冲机构而言，主要研究集中在内部充填参数确定和优化，行程、关键截面积的选取、阻尼孔形状和大小的影响，双腔缓冲器优化等方面，研究重点是提高缓冲效率，降低起落架载荷。

关于收放和锁定机构的研究主要集中在运用运动学原理确定机构杆系、转轴位置、运动轨迹、机构可靠性等，重点是收上放下位置锁定和传力的研究。在转弯机构和刹车机构的设计方面，传统的液压转弯和刹车机构设计研究较多，而适用于航天运载器起落架的全电转弯和刹车机构研究较少。有关全电机构研究主要集中在机构原理、传动方案、转弯减摆耦合、刹车效率等方面。

随着航天运载器任务需求的发展，传统设计方法已经难以满足起落架机构快速化和高性能的设计要求。智能化设计、分岔分析、主动/半主动控制等设计技术的运用为起落架机构设计提供了新的思路。基于人工智能自主化设计已在起落架复杂收放机构设计和分析中有所运用；而分岔分析方法在起落架机构设计领域的运用更为广泛，能捕捉到系统某些关键动力学特性与分岔点之间的联系，通过研究分岔点来分析系统动力学特性。

分岔分析方法已成功运用在缓冲机构的防卡滞设计、收放和锁定机构的参数化设计、转弯机构的稳定性和防摆设计等方面，图7为起落架分岔分析结构框架。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而得到了运用，研究主要集中在磁流变缓冲机构、缓冲机构的主动半主动控制等方面。

图7 起落架分岔分析结构框架

（二）起落架机构仿真技术

起落架机构复杂多样，且涉及充气轮胎与道面相互作用，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十分复杂。因此，在起落架机构设计过程中需要同步开展大量的仿真分析工作，以评估机构性能，并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于成熟商用多体动力学软件开展。基于Adams和LMS Virtual. Lab等商用软件的动力学仿真具有建模快捷、计算效率较高、工况模拟能力较强等优点，已广泛运用在起落架机构仿真分析中，包括缓冲性能分析、收放和锁定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刚柔耦合动力学仿真分析。刚柔耦合动力学仿真可面向起落架机构具体性能分析需求，对起落架关键部件进行柔性化处理，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，进而指导机构的优化设计。

为了更真实地模拟系统响应，机、电、液、气多学科联合仿真模型被运用到起落架机构分析中。如图8所示，通过LMS Virtual.Lab建立起落架机构动力学模型，并利用LMS Imagine.Lab AMESim建立起落架电液气控制系统模型，可以在分析机构系统动态特性的同时，考察其控制系统的相关特性，以更真实地反映起落架系统的综合性能。

已有大量学者针对不同研究问题建立了缓冲-油液、收放-气动、转弯-电气控制、刹车-防滑控制等多学科联合仿真模型，并重点阐述和分析起落架机构系统动态性能响应情况。

图8 起落架多学科联合仿真技术

三、航天运载器起落架机构设计关键技术

起落架机构设计在航空领域是一个传统研究方向，技术相对成熟。面向空间领域所具有的新特点、新要求和新环境，起落架机构设计虽然取得了一定的技术成果，积累了一定的经验，但其仍处于摸索发展阶段。随着航天运载器任务需求的不断发展、设计要求的不断提高、力热环境的不断恶化，航天运载器起落架机构技术势必面临着越来越多的科学问题与技术挑战，需要研究人员进一步探索。

针对未来航天运载器起落架的技术特点，本文提出了航天运载器起落架机构相关的关键技术，包括高效轻质起落架缓冲机构设计技术、高可靠收放和锁定机构设计及其振动抑制技术、高效全电刹车机构设计技术。

（一）高效轻质起落架缓冲机构设计技术

水平起降、单级入轨运载器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，而返回时燃料的消耗使得运载器着陆质量相比于起飞质量大幅减小。巨大的起飞和着陆质量差异成为缓冲机构设计的瓶颈问题之一，缓冲机构的设计必须适应所有载荷要求，以传统设计方法为指导必然导致起落架过于笨重、缓冲效率急剧降低，这将进一步影响起落架的总体布局、高度设计、空间包络设计、传力路径设计、接口设计等。

传统起落架大部分采用被动式的油气缓冲机构，这些缓冲机构都是专门针对某种条件事先设计的，其内部参数基本不可调节，不能根据外部载荷进行大范围的调整，无法满足大起降比的着陆缓冲要求。针对该问题，亟须开展面向大质量差异的高效轻质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节，解决缓冲机构在工作过程中“过软”和“过硬”问题，大幅提高缓冲效率，以此实现缓冲机构的轻量化设计。磁流变液技术的发展也让缓冲机构主动/半主动控制技术成为可能。

（二）高可靠收放和锁定机构设计及其振动抑制技术

为了兼顾高低速气动特性，运载器通常采用扁平化的气动外形；同时，大量的燃料储备严重压缩了内部可用空间，这使得起落架只能收入狭小的舱内。狭小的收藏空间和增大的起落架尺寸之间的矛盾日益突出，这对起落架运动轨迹规划、机构避障优化、高可靠复杂机构设计、收放效率分析、机构动力学设计等方面提出了更高要求。

起落架运动轨迹有别于常规的直前或展向收放形式，大多为空间轨迹线，导致起落架收放机构变得异常复杂。现有设计方法异常依赖工程经验，费时耗力且只能得到可行解，难以获得最优解，已不能满足强约束空间下的复杂起落架机构设计需求。面向强约束空间下的高可靠复杂起落架机构设计，缺乏系统高效的设计方法、设计模型和试验平台。

此外，航天运载器任务剖面中苛刻的力学环境振动环境使得起落架末端产生显著的振动效应，加之起落架重心更为靠近悬臂末端，这大大恶化了起落架振动特性，严重加剧了起落架锁定失效风险。如何保证复杂收放机构和锁定机构可靠工作及抑制锁定后的振动成为起落架设计的一大难题。

（三）高效全电刹车机构设计技术

通常情况下，航天运载器都未配备统一的液压系统，这使得起落架刹车系统更倾向于采用全电驱动。全电刹车机构通常比液压机构尺寸更大，需要更多收藏空间，而这与运载器内部紧凑的可用空间相矛盾；同时，航天运载器着陆速度相较于一般飞机更大，刹车所需的热库更高，从而导致刹车盘体积更大，进一步加剧了空间矛盾。为此，必须开展高效全电刹车机构设计研究，以实现刹车机构的小型化和轻型化。

相变刹车技术相比于现有的碳—碳刹车技术热库更高，通过考虑应用相变刹车材料，提高热库单位质量的能量载值，可有效降低刹车热库体积和质量。同时，开展刹车驱动机构、刹车结构小型轻质化设计，以实现刹车装置整体的小型化轻质化设计。

四、总结与展望

面向空间领域的起落架机构经过多年的发展，在理论和应用方面都取得了一定成果，其研究也逐渐引起学术界广泛关注。但我国在航天运载器起落架机构设计仍处于发展阶段，缺乏系统的理论支撑，对航天运载器起落架机构的研究还不够深入。

在构型选择上，偏向于轮式起落架系统，对橇式等空间需求小的起落架的研究相对不足；在轻量化设计上，倾向于运用有限元优化主结构以达到减重的目的，对新材料起落架研究不足；在设计方法上，偏向于采用传统的串行迭代设计。为此，本文综述了航天运载器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，对我国航天运载器起落架机构技术具有一定的指导意义。

近年来，航天运载器需求任务不断发展，尤其是对水平起降的需求不断增大，这对航天运载器起落架机构技术提出了越来越多的需求。针对运载器内部空间的限制，需进一步开展起落架小型化设计，创新起落架构型，推动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，则需加强起落架轻量化设计，开展起落架新材料、新理论和新技术研究，重点关注复合材料起落架、相变刹车技术和磁流变液缓冲技术，推动起落架轻量化技术发展。

同时，由于型号项目研制周期显著缩短，系统快速化设计和分析能力的需求越来越高，为此可强化起落架智能化设计，打破传统串行设计过程的反复迭代，推动起落架机构缓冲、收放、刹车系统的智能化发展。

（原文刊载于《中国航天》2023年第10期）

本文来自微信公众号：中国航天（ID：zght-caecc），作者：徐奎、徐方舟、吴迪（北京宇航系统工程研究所）