起落架收放试验自动化技术研究——基于状态机的收放逻辑与载荷谱驱动方法
起落架收放系统是飞机上集机械、液压、电气于一体的核心功能子系统，其基本功能是在飞机起飞后按指令将起落架收回机身以减小气动阻力、提高飞行性能，并在着陆前将起落架放出至安全锁定位置。起落架收放系统的工作性能直接影响飞机的飞行安全性、燃油经济性和运营可靠性。统计数据显示，全球航空事故中约21%与起落架系统故障相关，而在飞行事故中与起降系统有关的故障超过故障总数的三分之二。适航法规对起落架收放角度精度、收放时间和锁定可靠性均有严格而明确的要求，以确保飞机在不同飞行阶段保持稳定的气动状态和结构安全。
一、起落架收放系统的重要性
可收放式起落架的工作环境极为复杂，在收放过程中受到多种载荷的共同作用，包括随飞行速度和收放角度变化的气动载荷、起落架自身重力产生的质量力、运动过程中的惯性力以及锁机构的上锁阻力等。这些载荷的大小和方向随飞行状态和起落架运动位置实时变化，且收起与放下两个阶段的载荷历程往往不对称，给地面试验中真实再现飞行工况带来了显著的工程挑战。
在起落架收放试验技术领域，国内外学者与航空机构进行了持续深入的研究。在发达国家，最具代表性的是全尺寸起落架风洞试验。以波音777飞机为例，其主起落架在美国航空航天局艾姆斯研究中心的7×10英尺口径风洞中进行了收放试验，在真实气流环境下获取了起落架收放过程中的气动载荷与运动特性数据。这种方法的优势在于载荷数据真实可靠，可直接反映飞行工况下的气动效应，但存在试验成本高昂、准备周期长、试验参数调节受限等问题，难以在工程研制阶段大规模推广应用。
国内学者在起落架收放试验领域开展了多角度、多层次的研究工作。张速成等在FL-13风洞中对某型飞机主起落架进行了试验，系统研究了起落架收放气动载荷系数的影响因素。沈凤林采用变结构PID控制对飞机起落架电液伺服加载系统进行了研究，着力解决加载精度控制问题。王洪宪等研制了一套用于起落架收放机构、锁机构疲劳寿命实验和可靠性验证的收放疲劳实验系统，提出并实现了精确模拟气动力的凸轮加载方案，成功解决了收起、放下过程不对称加载的技术难题，应用PLC技术实现了实验过程自动化，载荷模拟最大误差不大于10%，已成功完成7000多次实验循环。袁朝辉等采用电液伺服控制对前起落架气动载荷进行了模拟，建立了系统的数学模型并进行了深入分析。李闯等对起落架收放试验液压系统进行了设计及试验研究。高昆等设计出了某型飞机起落架收放作动筒试验台液压控制系统。
在收放载荷处理方面，有学者对某型飞机起落架收放载荷进行了当量化研究，提出了起落架收放载荷当量化处理方法，并采用动力学软件对当量化结果进行了模拟分析，分析结果与飞行实测结果十分吻合，该当量化方法简易可行，便于在起落架收放系统可靠性试验中施加载荷。在可靠性分析方法方面，有研究系统性地制定了适用于起落架收放机构的可靠性分析流程，融合了功能危险性分析、故障模式及影响分析、故障树分析及共因分析等多种方法。此外，基于故障树分析的排故方法研究也为起落架收放系统故障定位与快速解决提供了有效手段。
从上述研究可以看出，起落架收放可靠性试验技术的发展呈现出从单一功能验证向全系统集成测试、从开环加载向闭环精密控制、从手动操作向全程自动化演进的趋势。然而，如何在实验室环境下精确模拟起落架收放过程中的复杂气动载荷、如何实现收放过程的全自动化控制、如何保证长周期可靠性试验的稳定性和一致性，仍然是当前工程实践中需要深入研究和持续优化的核心问题。
二、起落架收放可靠性试验系统
2.1 试验目的
起落架收放可靠性试验的根本目的在于通过地面模拟试验，全面验证起落架收放系统在规定的使用寿命周期内的功能完整性和结构耐久性。具体而言，试验目的包含以下四个层面：
第一，验证起落架收放系统运动是否灵活、可靠，以及收放机构的耐久性。通过大量循环试验考察各运动副的磨损情况、机构间隙的变化趋势以及作动器的性能稳定性。
第二，验证上位锁和下位锁的开关锁功能是否正常可靠。锁机构是保证起落架在收上位置和放下位置可靠锁定的关键安全装置，其工作状态直接关系到飞行安全。
第三，验证收放系统各机构的启动压力、运动时间是否满足设计要求。启动压力过低可能导致收放动作迟滞，过高则可能对结构产生冲击损伤；运动时间直接影响飞行员的操作响应和飞机的机动性能。
第四，暴露可能存在的设计缺陷和薄弱部位，为后续优化起落架收放系统设计提供依据。通过长周期可靠性试验，可以在试验件上提前暴露疲劳裂纹、磨损超差、密封失效等潜在问题。
需要指出的是，上述试验目的的达成均建立在两个关键前提之上：一是起落架收放试验载荷施加的准确性，二是收放试验过程的全自动化水平。载荷模拟的准确性决定了试验结果能否真实反映飞行工况下的系统响应，而自动化水平则决定了试验的效率和一致性。
2.2 试验要求
起落架采用正装方式支持在试验夹具上，试验系统需具备完整的收放液压系统、控制系统、加载系统和测量系统，能够模拟飞机起落架收放全过程中所承受的气动载荷、质量力、惯性力及上锁阻力。具体而言，试验要求涵盖以下几个方面：
在收放逻辑方面，试验系统需保证起落架收放时序逻辑与飞机真实控制逻辑一致，包括收上指令发出后上位锁开锁、作动筒驱动收上、上位锁上锁、保压泄压等完整序列。
在时间参数方面，起落架收起时间控制在5~8秒之间，上位锁上锁后保压5秒，泄压并保持不少于2秒；起落架放下时间同样控制在5~8秒之间，下位锁上锁后保压5秒；每次收放循环间隔为24秒。这一时间序列的设计充分考虑了实际飞行中起落架收放的动力学特性及液压系统的响应特性。
在压力参数方面，主起落架收放系统的工作压力为21 MPa，液压系统设计压力为35 MPa（可调），以保证足够的压力裕度和调节范围。通过比例减压阀可设定各支路的工作压力，满足不同试验工况的压力需求。
在加载精度方面，试验加载精度需满足工程可接受的误差范围，气动载荷的大小和方向控制误差应控制在5%以内，以保证试验数据的工程有效性。
2.3 系统原理与构成
起落架收放可靠性试验系统是一个集机械、液压、电气和控制于一体的综合性试验平台。系统的核心原理是通过协调加载控制系统实现对起落架收放过程的自动化控制，同时通过全电伺服加载系统精确模拟起落架在收放过程中所受的气动载荷，利用液压系统提供收放作动所需动力，通过测量系统实时采集各关键参数，最终完成起落架收放可靠性试验的全流程自动执行。
该系统主要包括五个组成部分：控制系统、全电伺服控制气动载荷施加系统、起落架收放液压系统、测量系统和试验台架。五个子系统既相对独立又紧密协同，共同构成完整的试验闭环。
控制系统作为整个试验系统的“大脑”，采用协调加载控制架构，具备伺服阀信号输出、载荷（力）反馈输入、位移反馈输入、模拟量输入、I/O信号输入输出等丰富功能。上位机控制系统可与气动载荷施加系统（下位机）进行信号交互，实现位移闭环控制与载荷闭环控制的实时切换；可与起落架收放液压系统进行信号交互，实现起落架收放运动的自动控制；可接收上下位锁的DI信号，实现起落架收放位置判断，继而实现收放全过程的自动化控制。
测量系统主要包括角度传感器、位移传感器、载荷传感器和压力传感器。角度传感器用于实时测量起落架的收放角度，为气动载荷的随动施加提供位置基准；位移传感器用于监测收放作动筒的行程变化；载荷传感器用于反馈气动载荷的实际施加值；压力传感器用于监测收放液压系统各支路的压力变化。
试验台架为起落架提供正装支撑条件，其结构设计需满足起落架在收放运动过程中的空间运动范围，同时需具备足够的刚度和强度以承受加载过程中的反作用力。
2.4 控制系统
控制系统是实现起落架收放可靠性试验自动化运行的核心子系统。本文介绍的试验控制系统采用协调加载控制架构，由上位机和下位机两级构成。上位机负责试验流程管理、载荷谱编辑、人机交互和数据记录，下位机负责实时加载控制和传感器信号采集处理。
控制系统具备伺服阀信号输出功能，可实现0~10 V或4~20 mA的标准模拟量输出，用于驱动电液伺服阀或伺服电机驱动器。同时具备载荷（力）反馈输入和位移反馈输入功能，可接入力传感器和位移传感器的信号，构成完整的闭环控制回路。此外，系统还具备模拟量输入通道和I/O信号输入输出通道，可接入压力传感器、温度传感器等监测信号，并输出电磁阀控制信号、状态指示信号等开关量。
上位机与下位机之间通过高速工业总线进行数据交互。上位机将载荷谱数据、控制参数等下发至下位机，下位机将实时采集的载荷反馈、位移反馈、系统状态等数据上传至上位机。上位机通过与起落架收放液压系统的信号交互，可按照预设的时序逻辑控制各电磁换向阀和电磁球阀的动作，实现起落架收放运动的自动控制。同时，上位机通过接收上下位锁接近开关的DI信号，实时判断起落架的收放位置，为收放流程的逻辑切换提供依据。
在控制策略方面，控制系统通过调整PID参量实现载荷大小和方向控制的准确性。位置闭环控制用于保证加载机构的位置跟踪精度，载荷闭环控制用于保证气动载荷的施加精度。在实际试验过程中，可根据起落架收放角度实时调整控制目标和控制器参数，实现载荷-角度曲线的精确跟随。
2.5 气动载荷施加系统
气动载荷的准确模拟是起落架收放可靠性试验的关键技术难点之一。起落架在收放过程中受到水平气动载荷的作用，该载荷的大小随起落架收放角度的变化而变化，且收上与放下过程中的气动载荷存在明显的不对称性。因此，气动载荷模拟的关键在于实现载荷大小和方向的准确控制。
本试验系统采用全电伺服控制气动载荷施加方案。加载系统由加载伺服电机、钢丝绳卷筒及导向轮机构组成，位置伺服电机带动加载平台实现上下运动。在起落架收放过程中，控制系统根据起落架实时运动角度控制位置伺服电机的运动，从而保证加载方向始终沿水平方向施加于起落架的指定加载点。
为实现载荷大小随角度的精确变化，需预先通过理论计算或风洞试验数据确定不同起落架收放角度下对应的气动载荷值。由于起落架所受气动载荷本质上是分布在结构表面的压力场，其作用效果可等效为作用于某一参考点的集中力，即需要将铰链力矩转化为水平方向的力。转化后得到载荷-角度对应关系，作为加载控制的指令输入。
加载控制采用力闭环控制模式。载荷传感器实时反馈实际施加力值，与指令载荷进行比较后经PID控制器解算输出电机驱动信号，调整钢丝绳的张力以实现载荷的精确施加。在起落架处于收上位置时，为保证钢丝绳水平拉直，人为给定一较小的初始载荷（如300 N），确保加载机构处于正常的预紧状态。
全电伺服加载方案相比传统的液压伺服加载具有响应速度快、控制精度高、维护成本低等优点。通过合理调整控制系统的PID参数，可实现载荷大小和方向控制的高精度跟踪，载荷控制误差可控制在5%以内。
2.6 起落架收放液压系统
起落架收放液压系统为起落架的正常收放、应急放下以及上下位锁的开关锁提供动力。系统设计需满足收放作动筒、上位锁作动筒、可折叠撑杆作动筒等执行元件在不同工况下的压力和流量需求。
液压系统设计压力为35 MPa（可调），远高于试验要求的系统工作压力21 MPa，以保证充足的功率储备和压力调节范围。系统中配置了多个电磁换向阀和电磁球阀，可通过控制系统的DO信号实现远程控制，从而控制起落架收放作动筒的伸出与缩回、上位锁的开锁与上锁、可折叠撑杆的锁紧与释放等动作。
针对起落架收上、放下时间需满足5~8秒的要求，系统中设置了单向调速阀。通过调节单向调速阀的开度，可独立调整收上和放下过程中的液压流量，从而实现运动速度的精确控制，使收上时间和放下时间均满足试验要求。
试验过程中，起落架运动的时序逻辑通过控制系统给定信号的时序序列来保证。上位锁、收放作动筒、可折叠撑杆的电磁换向阀与电磁球阀按照预设的时序依次动作，完成起落架收放的完整过程。压力传感器安装在各个支路中，实时监测收放作动筒、上位锁、折叠撑杆等关键位置的压力变化。
系统中设置的比例减压阀可根据需求设定各支路的工作压力，这一设计具有重要的工程意义。例如，当需要模拟应急放下工况时，应急放下压力通常低于正常收放压力，比例减压阀可方便地将系统压力切换至应急放下所需的压力值，扩展了试验系统的适用范围。
三、起落架自动化收放系统
3.1 自动化收放系统总体架构
起落架自动化收放系统的核心在于通过控制系统的载荷谱驱动，实现从初始状态判断、收上过程、保压泄压、放下过程到循环等待的全流程自动执行。系统集成了控制系统、液压驱动系统和气动载荷加载系统的协调联动，实现了起落架收放试验的无人值守全自动运行。
自动化收放的控制逻辑基于状态机模型设计，将起落架收放过程划分为多个离散状态，每个状态对应一组确定的执行机构动作指令和加载系统控制指令。状态之间的切换由时间条件或传感器反馈信号触发，构成完整的闭环控制链路。这种基于状态机的控制架构具有良好的可靠性和可扩展性，便于适应不同型号起落架的控制逻辑差异。
3.2 自动化收放具体步骤
第一步：系统初始状态准备。试验系统启动后，控制系统进入载荷谱控制模式。首先确认起落架处于放下位置，即收放作动筒处于伸出状态、下位锁处于锁定状态。此时，各电磁换向阀和电磁球阀均处于初始状态，伺服加载机构加载至与放下位置相对应的初始载荷状态，钢丝绳处于预紧水平状态。
第二步：起落架收上过程。控制系统按照预设时序依次置上位锁电磁阀为开锁状态，确认上位锁开锁到位后，置收放作动筒和可折叠撑杆电磁换向阀与电磁球阀为收上状态。收放作动筒开始缩回，驱动起落架沿收上轨迹运动。与此同时，伺服加载机构开始同步向上运动，并按照收上载荷谱施加随起落架角度变化的气动载荷。加载系统的位置伺服电机根据起落架实时角度进行插值计算，调整加载平台高度，保证加载方向始终沿水平方向。收上过程完成后，控制系统通过检查上位锁接近开关的DI输入信号确认上位锁已可靠上锁。上锁确认后进入保压阶段，保压5秒，然后置上位锁、收放作动筒、可折叠撑杆的各电磁阀为泄压状态，持续2秒，完成收上过程的压力释放。
第三步：起落架放下过程。放下过程分为正常放下和应急放下两种模式。控制系统首先判断当前循环次数是否为第50×n次（n为正整数）。若是，则触发应急放下程序：置上位锁、收放作动筒的电磁换向阀和电磁球阀为应急状态，起落架依靠自重和气动辅助实现应急放下，伺服加载机构同步向下运动并施加放下载荷谱。若否，则执行正常放下程序：置上位锁、收放作动筒、可折叠撑杆电磁换向阀与电磁球阀为放下状态，收放作动筒伸出驱动起落架放下，伺服加载机构同步向下运动并施加放下载荷谱。应急放下的周期考核是验证起落架在液压系统失效工况下仍能安全放下的重要环节。
放下过程完成后，控制系统检查可折叠撑杆上的行程位置传感器（下位锁）DI信号，确认下位锁已正常锁定。锁定确认后保压5秒，随后置上位锁、收放作动筒、可折叠撑杆电磁换向阀与电磁球阀为泄压状态，完成一次完整的收放循环。系统等待24秒后，自动开始下一个收放循环。
四、试验验证与结果分析
4.1 气动载荷加载准确性分析
气动载荷加载的准确性是评价起落架收放可靠性试验系统性能的核心指标之一。在某型飞机主起落架的试验验证中，伺服加载机构垂向位移指令和载荷指令均写入控制系统，控制系统在执行过程中对指令数据进行插值处理以保证控制的平滑性。
试验结果表明，伺服加载机构垂向位移的指令与反馈基本保持一致，跟随误差控制在5%以内。这说明位置伺服控制系统能够精确跟踪预设的运动轨迹，保证加载方向在起落架收放过程中始终保持水平方向，满足了气动载荷方向控制的精度要求。
在载荷控制方面，伺服加载机构载荷指令与反馈同样基本保持一致，误差控制在5%以内。这一结果表明，力闭环控制策略和PID参数整定达到了预期的控制精度，能够准确模拟起落架在收放过程中所受的气动载荷大小变化规律。相比之下，早期采用凸轮加载方案的收放疲劳实验系统载荷模拟最大误差不大于10%，全电伺服加载方案在控制精度方面有了显著提升。
需要指出的是，载荷控制精度的保证不仅依赖于控制算法，还与加载机构的机械设计密切相关。钢丝绳传动的间隙补偿、导向轮的摩擦力控制、加载平台的刚度设计等因素均会影响最终的载荷控制精度。通过优化系统结构和控制参数，实现了载荷大小和方向控制误差均控制在5%以内的技术指标，满足工程应用的精度要求。
4.2 起落架收放测量结果分析
起落架收放试验在某型飞机主起落架上共进行了12500次全自动收放过程。试验过程中，对收放作动筒位移、收放作动筒压力、上位锁压力、折叠撑杆压力等关键参数进行了实时测量和记录。
从试验结果可以看出，收放作动筒的位移曲线在整个12500次循环中保持稳定，重复性良好。收上行程和放下行程的位移值均在设计要求的公差范围内，表明作动筒及其驱动机构在长周期运行中未出现明显的磨损超差或间隙增大的问题。
压力测量数据显示，收放作动筒、上位锁和折叠撑杆在工作过程中的压力变化符合设计预期。收放作动筒在启动瞬间存在短暂的压力冲击，但峰值压力在系统允许范围内，未对结构造成损伤。上位锁和折叠撑杆的上锁压力稳定，保压阶段压力衰减在可接受范围内，表明锁机构的密封性能和锁定可靠性良好。
从运动逻辑角度看，12500次循环中起落架收放时序逻辑执行正常，未出现状态误判、动作遗漏或时序错乱等异常情况。上位锁和下位锁的接近开关信号反馈及时准确，保压和泄压时间控制精确。整个试验过程中测量结果基本一致，试验系统运行可靠稳定，未出现任何影响试验正常进行的异常事件。
上述试验结果表明，所搭建的起落架收放可靠性试验系统在12500次全自动收放考核中保持了良好的运行稳定性和数据一致性，试验件各部件运动逻辑和压力参数均满足设计要求，验证了试验系统的工程适用性和可靠性。
五、未来展望与核心技术突破
5.1 多电/全电起落架作动技术
多电飞机是未来航空技术发展的重要方向，起落架系统作为飞机的重要功能系统之一，也在逐步向多电作动方向发展。传统的起落架收放系统依赖飞机集中液压源驱动，存在液压管路复杂、泄漏风险高、维护成本大等问题。随着电力作动技术的成熟，机电作动器和电静液作动器在起落架收放系统中的应用日益受到关注。
机电作动器由电动机通过机械齿轮装置直接驱动作动器输出，结构紧凑、效率高、无液压油泄漏风险。电静液作动器则利用电动机驱动专用液压泵为活塞提供液压功率产生作动器输出，兼具液压作动的大功率密度优势和电传控制的灵活性优势。在国外现役的新型军民用飞机中，电静液作动器和电备份液压作动器已广泛应用于飞控系统的舵面操纵等领域，应用机型包括A380、B787、A400M及A350等。
将多电/全电作动技术引入起落架收放系统，将对收放可靠性试验技术提出新的要求。未来的试验系统需要具备对机电作动器和电静液作动器的性能测试能力，包括电机控制精度、功率密度、热管理性能、电磁兼容性等方面的综合考核。
5.2 数字孪生驱动的虚实融合试验技术
数字孪生技术通过构建物理实体与虚拟模型之间的高精度映射和动态交互，为起落架收放可靠性试验提供了全新的技术路径。基于起落架动力学模型构建数字孪生体，可通过仿真预演优化加载曲线，提高试验与真实工况的匹配度。
数字孪生驱动的虚拟试验系统通常包含物理端、实时仿真端和孪生端三个层次。物理端采集实物样机的多源信号，实时仿真端根据传感器数据对虚拟模型进行驱动并输出控制信号，孪生端负责模型参数的自适应优化与更新。这种三层架构能够实现“虚实结合、以虚优实”的试验模式：在真实试验前通过虚拟仿真预演优化试验参数，在试验过程中通过虚实数据融合进行实时监控与异常预警，在试验后通过模型参数标定反哺设计改进。
对于起落架收放可靠性试验而言，数字孪生技术的应用可以大幅降低全物理试验的成本和周期，提高试验方案的科学性和试验数据的利用率。特别是在新型号研制阶段，数字孪生技术可以在缺乏完整物理样机的情况下开展大量的虚拟试验，提前暴露设计缺陷、优化试验方案。
5.3 智能化故障诊断与健康管理
随着起落架收放可靠性试验向长周期、大数据量方向发展，传统的阈值报警和人工判读方式已难以满足高效试验的需求。基于人工智能的故障诊断与健康管理技术为试验数据的深度挖掘和试验过程的智能监控提供了新的解决方案。
通过机器学习算法分析历史试验数据，建立故障特征库，可以实时识别异常信号，如活塞杆磨损、液压泄漏、锁机构卡滞等常见故障模式，实现预警准确率的显著提升。深度学习方法则可以从多维传感器数据中自动提取深层次特征，实现对起落架收放系统健康状态的在线评估和剩余寿命预测。
将智能故障诊断系统嵌入起落架收放可靠性试验平台，可以在试验过程中实时监控各关键部件的工作状态，一旦检测到异常趋势及时报警并采取保护措施，避免试验件在试验过程中发生灾难性损坏。同时，积累的试验数据和诊断结果可为起落架系统的可靠性设计改进和维修策略优化提供数据支撑。
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