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为什么进入喷气时代,飞机后三点式起落架就被淘汰了?

2018-07-05 03:57    

1903年,莱特兄弟发明并且成功飞行的第一驾飞机是没有起落架的,用带轮子的小车在滑轨上靠落锤装置弹射辅助起飞。三年后巴西的飞机制造者、飞行家桑托斯·杜蒙特发明的飞机,首次出现了类似现代起落架的装置,在采用轮式起落架以后,飞机在地面的移动、起飞前滑跑和着陆性能都有了很大的提高。

▲运输机的起落架

但随着飞机的逐渐成功,飞机设计质量和飞行速度的不断提高,飞机的着陆性能越来越受到重视,而且是急需解决的问题。到了第一次世界大战时,后三点式起落架的格局逐渐确立,即起落架的两个支点(主轮)对称地安置在飞机重心前面,第三个支点(尾轮)位于飞机尾部。后三点式起落架一直应用到二战后期,也就是在上世纪二三十年代的战斗机,均是后三点式起落架的设计,比如二战经典名机P40、梅塞施米特 Bf-109战斗机、喷火式战斗机等。

▲P-40战斗机

那么随着二战的结束,飞机进入到了喷气时代,在非常短的时间内,后三点式起落架迅速被淘汰,这是为什么呢,这里面其实大有学问,这和飞机的飞行速度、喷气飞机的结构、气动布局等均有关系,本文就此问题进行分析总结。

首先说回后三点式起落架,在早期的螺旋桨飞机上之所以会广泛的应用后三点式起落架,而没有采用四点式或五点式起落架,就是后三点式结构简单稳定,易于装置尾轮。与前轮相比,尾轮结构简单,尺寸、质量都较小,这一点在当时很重要,螺旋桨飞机最大的特点自然是机身前端巨大的螺旋桨,而要想将螺旋桨远离地面,就必须将飞机机身前端抬高,后三点式起落架的设计自然最为稳定。

▲后三点式起落架

另外,早期的螺旋桨飞机因为动力不足的原因,克服阻力是每个飞机首要解决的问题。后三点式起落架的设计,飞机在正常着陆时,三个机轮同时触地,这就意味着飞机在飘落时的姿态与地面滑跑、停机时的姿态相同。从这个角度讲,在降落时因为有巨大的仰角,可以利用较大的飞机阻力来进行减速,从而可以减小着陆时和滑跑距离,相反,较大的仰角进行起飞时也更加方便高效,阻力最小,可谓是两全其美。

而到了喷气时代,后三点式起落架的优势全无,而之前的缺点却被更加放大。后三点式起落架最大的弊端就是飞机重心位于主轮之后,主轮的高度比尾轮高,因此当飞机在滑行或停泊时在驾驶舱的飞行员会仰望天空,能够看到地面的视野非常有限。所以起飞时一进入跑道要先左右两个方向转再对正跑道加速起飞,这个程序是让飞行员透过左右转向目视跑道尾端来确认对正跑道,因为后三点式起落架的飞机在对正跑道时,飞行员是看不到的。而且一不小心,或者地面不平、有碎片,就会以拿大顶的方式着陆。

▲拿大顶着陆

前三点式起落架,起落架有一个鼻轮和两个或者两组主轮支撑整个飞机,飞机重心位于主轮之前。前三点式起落架比后三点式起落架最大的优点是前者能使飞机处于水平或接近水平的状态,当飞机在地面时不会影响飞行员的视野。

▲德国的梅塞施米特Me262

上图为1944年服役的梅塞施米特Me262喷气战斗机,同时也是人类航空史上第一种投入实战的喷气战斗机,即采用的前三点式起落架,与之齐名且同一时间研发制造的英国流星喷气战斗机,同样是前三点式设计。

除了视野外,还有喷气飞机的设计布局和螺旋桨飞机有了很大的不同。螺旋桨时代,发动机、挂载、机翼均靠前,重心位置靠前,所以前部布置两个轮子,作为主起落架,后面一个保持平衡,很合理。到了喷气时代,飞行速度得到了很大的提升,为了减小阻力开始机翼采用后掠角设计,再加上后移的发动机和挂载,飞机的重心自然也后移了,设计前三点起落架是必然的结果。另外,由于喷气机起降速度快,起降不好控制,后三点起落架导致的视野不好的问题变也得更为致命。

▲喷气战斗机的起飞

还有一点,从喷气飞机本身而言,前三点起落架可以让起飞滑跑尾部的喷流不直接吹向地面,飞机在离地爬升阶段才让尾部的喷流直吹地面。而如果是后三点起落架的话,从滑跑阶段开始,喷气式发动机的高温喷流就会一直作用在跑道上。因此,从喷流的角度来看,前三点也更适用于喷气式飞机。

话说回来,螺旋桨飞机就不能采用前三点起落架的设计吗,当然也可以,但并不见得有多少优点。因为使用前三点布置的起落架,那么就必须安装一个很长的前起落架,而且这个长长的前起落架,还会和装在机头的发动机位置严重冲突。比如二战时期的P-39战斗机,就是最早使用前三点起落架的战斗机之一,为了采用前三点起落架,将发动机放在了座舱后面。尽管优点突出,这种起落架地面操纵性好,并能提高着陆速度,细长的机头可以使流线型和视界更好等等。但缺点也很明显,发动机高空功率不足,静稳定性差,不易操纵,结果就是被日本人的“零”式和“奥斯卡”打得大败亏输,让美国陆军航空队对它失去了所有信心。不过倒十分适合苏联飞行员,苏联第三号王牌,两次“苏联英雄”称号获得者列奇卡洛夫·格里戈里取得的 61 架战果中,有 44 架是用 P-39 完成的。

▲P-39战斗机的前三点式起落架

前三点式起落架也不全然是优点,前起落架承受的载荷大、尺寸大、构造复杂,因而质量大,小迎角状态因而不能充分利用空气阻力进行制动,前轮会产生摆振现象等等。不过由于现代飞机的着陆速度较大,并且保证着陆时的安全成为考虑确定起落架形式的首要决定因素,前三点式着路时,只用后两个主轮接地,比较容易操纵,这方面与后三点式相比有着明显的优势,因而得到最广泛的应用。时至今日,现代飞机上除一些装有活塞式发动机的轻型、超轻型低速飞机外,基本不会使用后三点式起落架。 形形色色的飞机起落架

▲壮观的六轮小车

▲波音757的4轮小车式主起落架

▲4组4轮小车式主起落架

▲波音777F货机的六轮小车

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