「航空史话」“听说这个世界有种鸟是没有脚的”——飞机的起落架
前言
飞机诞生100多年来，有个部件让所有设计师恨之入骨又不得不付出巨大的代价，就是起落架。这个东西在飞机飞行时毫无用处，但偏偏还绝不可少！哪怕最先进的飞机也可能因它而折翼！也许好多设计师看王家卫《阿飞正传》时会哭——张国荣有段台词：“我听人讲过，这个世界有种鸟是没有脚的，它只可以一直飞啊飞，飞到累的时候就在风里睡觉……”
鸟儿最初的脚
最早的鸟儿们可以说没有脚，或者说没有清晰的脚。早期飞机的基本结构都没有定型，着陆的速度也非常慢，因此起落架的布置非常随意。莱特兄弟的“飞行者一号”，起初就只有个钢管做成的支架，在草地上起到类似滑橇的作用。后来飞了几次才发现起飞滑行时阻力实在太大了，于是加了几个车轮。
世界上第一架飞机没有脚，只有个架子
到了一次大战时，飞机的结构基本定下来了，比较经典的“后三点”式起落架就应运而生。之所以是“后三点”，主要是因为那时候的飞机，发动机、乘员舱都布置在机头或者机翼上，比较靠前，而承担最主要的着陆冲击力的两个主起落架，自然也在这里生根，可以共用强化的结构，有效吸收冲击力的同时也又节省了重量。
早期的“后三点”起落架
较重的部分都靠前，飞机的机尾部分自然普遍比较轻，有个小小的尾轮支撑一下就好了。而且尾轮可以和飞机垂直尾翼上的方向舵刚性连接，这样既节省了重量，又可以共用一套转向操作系统，在地面由尾轮负责转向，空中方向舵负责转——非常实用！而且“后三点”起落架让飞机在地面的状态是上仰的，滑跑时机头的螺旋桨不会打到地面。有了这么多好处，“后三点”起落架一下子就成为当时飞机的主流。
“后三点”起落架的尾轮与方向舵是连在一起的
能收放的八字脚
到了二次大战，飞机们纷纷采用了可收放的起落架，“后三点”仍然是最主要的起落架布局。仔细观察主起落架的收放形式，可以看到“后三点”的收放方式可以分为“外八字”、“内八字”、“前收式”、“后收式”等好几种。“外八字”的典型就是大名鼎鼎的Me109战斗机了，最大的优点就是起落架直接安装在强度最好的机身翼梁盒上，大大节约重量。
Me109的起落架向两边收起，形如“外八字”
但这也给Me109带来一个严重的问题：主起落架间距太小，起降滑跑时稳定性很不好。特别是地面不平整的前线机场上，新手飞行员稍不注意飞机就左右打晃，严重时会翼尖擦地导致飞机严重损坏！这个毛病伴随了Me109终身——起落架的布局是飞机的基础结构，改动非常困难！“外八字”的难兄难弟还有Me109的一生之敌——英国“喷火”式战斗机。而且毛病居然也是一模一样！不过，和“喷火”式同期的“飓风”式战斗机却采用了“内八字”式的起落架。
“喷火”的主起落架轮距也非常小
“内八字”起落架最典型的代表当属著名的P-51“野马”式战斗机。“内八字”起落架天生轮距比较大，彻底杜绝了“外八字”的左右易翻倒的毛病。但“内八字”的问题在于起落架生根处在机翼上，这里的结构需要做相应的强化。仔细看“野马”的起落架生根于机翼偏前缘的地方，这里正好是机翼中强度最好的翼梁所在。“内八字”在重量上付出的代价大一些，对飞机的滚转速度也有一些影响。“内八字”轴心国的飞机也在用，代表就是“屠夫之鸟”FW190战斗机。
“野马”的“内八字”起落架
不八字的脚
“内八字”“外八字”还有一个共同的毛病：横向的收放形式占用机翼下大量的空间，而且还是结构强度最好的空间。这部分本来可以用来布置炸弹、副油箱的挂架的，被“内外八字”起落架占据以后，只好把武器挂架往外移，但外侧的强度又不够！这个毛病甚至直接影响到战斗机的载弹能力。战斗机设计师们为此又开发了一些其它的收放形式。比如F4F“野猫”战斗机，算是“小外八字”，起落架直接收进机身。但这样轮距就更小了，而且把最坚固的机身挂架位置给占据了。
内外八字起落架占据机身下宝贵的空间，武器只好往外放
“野猫”的挂架把机翼的空间让出来，但轮距实在太小了
于是“野猫”的后继机型F6F“地狱猫”战斗机干脆把起落架生根在机翼上，直接向后收起。这样节省了大量机身和机翼下的空间，形式效果不错，TBD“蹂躏者”鱼雷轰炸机、SBD“无畏”俯冲轰炸机……都是这样主起落架纵向收放的设计。SBD是向前收，TBD向后收，而且TBD向后收好起落架后还露出半个轮子——而其它飞机纵向收起时起落架会旋转一下让机轮平整地收进机翼。TBD这样半个轮子露在外面无疑会增加阻力，但好处是万一放不下来——这种故障在早期飞机上很常见，而且起落架也容易被炮火打坏后卡住放不下来——迫降时安全性会好很多。
这架TBD迫降（桨弯了）后并无大碍，得力于外露的半个轮子
二战时随着飞机的速度越来越快，螺旋桨的直径也越来越大，这个问题的直接后果就是“后三点”起落架必须越来越长。象P-47“雷电”这样的巨型单发战斗机，螺旋桨直径后期达到了惊人的4.01米。而同样采用R-2800“双黄蜂”发动机的F4U“海盗”式战斗机由于是3叶桨，直径甚至达到了4.06米！起落架太长的话，要保证足够的强度就会非常的重！于是“海盗”干脆采用了少见的倒鸥形机翼，既减少了阻力，又能有效减少起落架的长度，付的代价是加工的工时会比较多，影响到生产效率和造价，但这对于财大气粗的美国人不算什么问题。
倒鸥翼使“海盗”的起落架不会那么长
脆弱的大长腿
但资源贫乏的日本到后期就遇到了大麻烦。后期的高速战斗机比如“紫电”局地战斗机（就是截击机），就被起落架的质量问题一直困扰：一方面要高速必须增加长度，另一方面却因为有色金属缺乏、熟练技工上了战场等原因导致质量严重下降！而且“紫电”是中单翼布局，起落架因此更长，让飞行员在降落时更是心惊胆战！本来性能也只是勉强能对抗最新式的美国飞机，飞行员也是菜鸟居多，却还因为起落架的质量白白损失！
“紫电”战斗机是中单翼，大长腿很脆弱
后来发展“紫电改”时，硬是把“紫电”的中单翼变成下单翼，缩短起落架长度就是重要原因。“紫电改”的起落事故的确少了一些，但仍然存在，哪怕是343航空队（由日本仅存一些王牌组成的精英航空战队）那些老鸟们驾驶“紫电改”降落时也还是提心吊胆。而另一款被精日吹上天的“大东亚决战机”“疾风”也为此困扰！螺旋桨也就3米的直径，可在从国内赶赴菲律宾战场时，往往在台湾就趴下一半！这其中起落架“功不可没”！可以说二战日本战机有几个潜伏在国内的敌人——发动机制造厂、起落架生产车间、武器制造厂！
“紫电改”就强了很多，注意与前图比较机翼位置
“紫电改”算是改成了下单翼，可还有些飞机是天生上单翼！比如英国的“梭子鱼”舰载轰炸机，这个麻烦就更大了。不过执拗的英国设计师硬是解决了这个问题：仔细观察“梭子鱼”的起落架，它的机身上有一大块非常牢固的可以收放三角形结构件，起落架就生根在它上面！收起落架时这个结构件收拢到机身上，起落架则翻起来正好收进机翼！这样既保证了足够的轮距，又能缩短起落架的长度，代价是大大增加了结构的复杂性。没关系，用得好就好！
上单翼的“梭鱼”轰炸机的起落架为避免过长导致结构很是复杂
没有脚的鸟
起落架如此麻烦，飞到空中却又毫无作用成为死重，当然就不断有设计师试图开脑洞——能不能干脆把飞机做成“没有脚的鸟”呢？德国人动手比较早，他们首先从Me163“彗星”式火箭战斗机着手——“慧星”只能飞几分钟，还要带着起落架这么个夯货实在太不划算。设计师给“慧星”做了一副“可抛”式起落架——飞机起飞时是在一辆小车上，离地时小车并不跟着离地。降落怎么办？反正那时候“慧星”已经没动力了，要靠滑翔降下来，干脆直接用机腹擦着草坪着陆吧！于是“彗星”就成为了一只“没有脚的鸟”！
“慧星”是只没有脚的鸟
靠着火箭发动机巨大的推力和“剁脚”这样极端的减重措施，“彗星”成了二战中最快的飞机，没有之一！也是人类历史上第一种突破1000公里时速的实用型飞机。降落虽然难度大了一些，但滑翔着陆本来难度就大，即使有起落架也只有高手能完成，因此在“彗星”上降落问题还不算太突出。德国人备受鼓舞，又把人类历史上第一架喷气式轰炸机Ar234“阿拉多”的脚给剁了（其实还是有相对简单的滑橇的）！“阿拉多”有辆专门设计的3轮小车，飞机起飞后与小车分离。
“阿拉多”原本没有脚，但起飞时比较危险
但这次不一样了，“阿拉多”比“彗星”重很多，而喷气式发动机加速也远不如火箭发动机那么快，因此 “阿拉多”与3轮车在地面是锁在一起的。起飞时飞机与小车解锁就成了麻烦——飞机刚刚达到起飞速度时升力和速度不够大，稳定性和操作性都不太好，这时如果解锁不干脆（多个锁固点没有同时解锁）就可能造成严重事故！而且解锁如果不成功，飞机就会带着小车上天！这时候再解锁的话，小车很可能被气流吹翻后打到机身上！
“阿拉多”轰炸机后来还是把脚装上了
这种事淘金客亲身经历过：曾经开发一款无人机时就采用了类似的无起落架小车滑跑的形式，结果起初几次试飞还算成功，最后一次一侧的锁定点没有解锁成功，飞机立刻被拉得横向翻滚起来直接扣到地上！差点伤了人！“阿拉多”采用这种方式显然也是不成功的，试飞后立刻改装，又装上了“前三点”式起落架——“前三点”式起落架我们后面来细讲。
“它只可以一直飞啊飞，飞累了就……”
除了德国人以外，美国人也尝试了“没有脚的鸟”——二战后最萌的喷气式战斗机“小鬼”，圆滚滚的飞机象只肥胖的小甲虫一样非常可爱。它被设计成挂在B-29重型轰炸机这样的母机上，遇到敌机后脱离母机进行战斗，战斗完了再重新挂回母机！最后的结果可想而知：在那个空中加油都还很困难的年代，这样的脑洞实在有些太大了！进行了几次胆大包天的挂回母机测试后——其中居然还成功了几次——圆滚滚的“小鬼”项目被终止了。
“小鬼”虽然没有脚，但头上多了个钩子
飞累了想回去可就难了
日本人的“没有脚的鸟”却是异常残酷的——“神风攻击队”的有些飞机被改成一起飞起落架就脱落，防止有些怕死的队员重新降落飞机！这是逼着年轻人去送死！而火箭动力的“樱花”特攻机干脆就没有起落架，它也象“吸血鬼”一样由轰炸机携带，投放后就不再回收而任由驾驶员和飞机一起撞向盟军军舰。幸好充当母机的一式陆攻机挂上“樱花”以后慢得只能任人宰割，否则这只“没有脚的人肉导弹”会给盟军带来更惨重的损失！
这是只毫无人性的没有脚的恶鸟
人类最终还是会造出“没有脚的鸟”，那意味着人类彻底摆脱地面的束缚：也许一艘向火星甚至太阳系之外飞行的宇宙飞船，才是真正不需要脚的自由之鸟！
也许这才是永远不回到地面的自由之鸟
“前三点”式起落架在二战和二战前都是最主流的布局，但无论是“内八”、“外八”还是“纵向收放”式，都有几个的共同缺陷：强壮的主起落架在前方，后部又实在太轻，飞机起降时一旦遇到障碍物极易“拿大顶”！这方面最著名的例子就是中途岛之战的“意外礼物”——“零”式战斗机了！古贺忠一驾驶的“零”式战斗机在迫降时因为地面过于松软拿了大顶，自己送了命不说，还赔上一架几乎完好的“零”战，一定程度上加速了日本的败亡！
“零”战拿大顶甚至影响了整个战局
其次，“后三点”飞机着陆时必须三点同时触地！此时飞机的迎角如果偏大，那么最脆弱的尾轮就要先触地，而尾轮往往还是与活动的方向舵连接着，飞机会立刻失稳甚至很可能倾覆；迎角如果偏小，粗壮的主起落架先着地问题倒不是太大，但前方的螺旋桨就可能触地，而且这样更容易“拿大顶”！此时飞机的迎角小升力往往不够，速度也很难降下来。
尾轮悬空的着陆只有高手能玩，注意桨尖快擦到地面了
此外，“后三点”飞机由于前起落架较长，起飞滑跑时飞机的机头是高高抬起的，加上大马力发动机往往又粗又长，飞行员的视线被“长得没有边际”的机头挡住，完全无法看到前方！只好开着舱盖从侧面往前看，但另一侧就完看不见了！以致于像P-47“雷电”战斗机的地勤人员干脆在起飞时趴在机翼上给飞行员指方向，到达起飞点再从机翼上跳下来！
“后三点”的飞机起飞，完全看不到正前方
设计师们不是不知道这个问题，但是机头放置了发动机、螺旋桨以后，有些还要安装枪炮，实在是没有多余的地方了，尤其是收放式起落架还需要容纳起落架及其操作机构的空间！高速飞机机头的横截面积稍大一点速度就会严重下降，而且还会影响发动机的散热。但飞机速度的提升，使得降落的速度和难度也增加了，解决这个问题刻不容缓！一些较有远见的设计师们开始尝试新的起落架布局——“前三点”式起落架。
“三足金乌”
实用型飞机中P-38“闪电”式战斗机较早采用“前三点”，这架飞机出自天才的凯利·约翰逊。他设计这架飞机时年仅26岁！这位天才也是不折不扣的鬼才——作品中充满了离经叛道和奇思妙想：“双三”的SR-71“黑鸟”侦察机、“2万米的幽灵”U-2侦察机、拿菜刀当机翼的F-104“星”式战斗机……而这架诞生在二战的P-38“闪电”同样也全身闪烁着不羁的光芒：奇特的双尾撑布局、气泡式座舱、“前三点“起落架……
“前三点”的“闪电”式战斗机，不过也只能三点同时接地
“闪电”是架双发动机的战斗机，机头的位置正好空出来，可以用来放置1门20毫米机炮、4挺12.7毫米机枪、还有传统飞机的“尾轮”——但比尾轮结实得多，应该称为前起落架了。而承受主要重量的主起落架生根在两个“机身”尾撑中。
“前三点”起落架彻底解决了“后三点”爱拿大顶的毛病，滑跑时飞行员的前方视野良好，能准确地对准跑道了！还能在降落让粗壮的主起落架先接地——只要迎角不大到让机尾擦到地面！这些优点另一种美国战斗机，和P-38连号的P-39“眼镜蛇”式战斗机也采用了“前三点”。“眼镜蛇”也是架不走寻常路的飞机，它的发动机在机身中部座舱后面，因此机头可以空出来放置前起落架！
P-39“眼镜蛇”战斗机也是“前三点”式
德国在二战期间的航空技术比较先进，自然也做了这方面的尝试——梅塞施密特博士用来代替Me109的后续机型Me309，虽然也是前置发动机的战斗机，但仍然在机头安放了前起落架。新飞机设计的初衷相当先进，除了前三点起落架外，还有视野良好的气泡式座舱，油箱也加大了。但这个“前三点”相当不争气，初次试飞就出了故障收不回来，降落的时候稳定性还极差！而这时候战事吃紧，梅塞施密特还要加紧改进主力的Me109，于是Me309一拖再拖之后不了了之！
模型：“前三点”的Me309还是很漂亮的
但中看不中用，“前三点”居然还拿了大顶，好在没翻过去！
不知道是不是这次吃亏太大，Me163“彗星”式火箭战斗机干脆就剁了脚！而到了革命性的双发动机喷气式Me262“风暴鸟”战斗机时，尽管连先进的后掠翼都用上了，初期居然还是落伍的“后三点”！好在到量产时“风暴鸟”就改成了“前三点”。不过这时候德国已经极度缺乏有色金属，导致几乎完全无法供应高强度起落架所需的特种钢材，先进的“风暴鸟”和日本飞机一样因为起落架故障损失了不少！有色金属的缺乏甚至使得后期德国坦克的装甲质量都严重下降——总体战时代轴心国在拼国力资源上完全不是盟军的对手！
早期试飞时“风暴鸟”还是“后三点”
自此，“前三点”式起落架逐渐成为主流。不过，“后三点”式起落架结构简单（与方向舵共用转向机构）、重量相对比较轻（尾轮就比前起落架轻不少），现在仍然是一些轻型飞机的选择。
多只脚的鸟
从二战后期开始，“前三点”起落架成为主流，还开始了一些拓展。比如被许多精日当成精神寄托的鸭式布局的“震电”式战斗机，虽然还是螺旋桨动力，但由于是尾推式，所以机头还是有空间来容纳前起落架的，于是“顺理成章”（其实是全盘学习德、意）安排了“前三点”起落架。但没曾想还在地面滑跑时，后面巨大的螺旋桨就触到地面！于是设计师只好在双垂尾的底部又装了两个轮子用来保护螺旋桨，并限制飞机起降时迎角，结果形成了独特的“五点式”布局！
“五点”式的“震电”战斗机
喷气时代来临以后，由于发动机挪到了机尾，因此“前三点”成为了绝对主流。不过，变种也不少。拿凯利·约翰逊的另一款“神作”U-2侦察机来说，由于翼展实在太大，凯利·约翰逊干脆把主起落架砍掉了1个变成“自行车”式起落架！那怎么保翼尖不触地呢？在机翼上装托翼轮！于是比较完美地解决了超大翼展飞机的起降问题。不过呢，这并不算凯利·约翰逊的创新——大翼展的滑翔机上这样的起落架很常见。
U-2从滑翔机上学来的“自行车”式四点起落架
超大翼展的B-52“同温层堡垒”轰炸机也采用了“自行车”式起落架——这飞机翼展大到在地面停放时机翼带下反角，飞到天上就变成了上反角！如果没有托翼轮在地面停着不动翼尖可能都会触到地面！世界首架垂直起降的“鹞”式战斗机虽然翼展不算大，但也采用了“自行车”式——垂直下喷的气流温度太高，起落架要尽可能离得远些，而且垂直降落时四点着地的冲击力相对较小，可靠性也比三点好！
没有托翼轮B-52都不能好好站稳
还是想剁脚
即使是喷气时代，设计师们还是不忘尝试“剁掉鸟儿的脚”。这是因为一旦发生战争，机场肯定是重点打击的对象。如果能垂直起降，战机的生存力、出动率都会大大提高，也可以顺便减轻起落架的重量。首先是被二战中被英美轰炸了好几年的德国人，设想了好几种“尾座”式垂直起降战机，Ba-349“蝮蛇”式火箭战斗机甚至进行了试飞！这种飞机的起降方式象火箭一样，靠发动机的推力直接升空，再转向90度变成靠机翼升力飞行！这飞机出现太晚，而且首次试飞就要了试飞员的命！
这货真的适合让人去飞吗？
战后美国海军接过德国人的衣钵继续研究——航母上太需要这种技术了，洛克希德公司和康维尔公司都拿出了“尾座”式垂直起降战机，起落架自然也都只有几个小小轮子。但没想到这条路是个“死胡同”，起飞时还好办，降落呢？那时候自动控制技术还很初级，飞机降落全得靠飞行员控制，可“尾座”式飞机降落时飞行员完全看不到地面！即使通过其它措施能够降落成功，这技术也绝非普通飞行员都能掌握的。于是和前一篇介绍的萌萌的“小鬼”战斗机一样，进行了几次试验后“尾座”式飞机就停止了发展。
XFY验证机脚是轻了，飞行员的颈椎病也治好了！
后来采用“自行车式”起落架的“鹞”式战斗机成功之后，从不缺脑洞的英国人又设想了一种“天钩”系统，目的是把“鹞”式部署到最小3000吨的军舰上！军舰上装一套“天钩”，“鹞”式降落时悬停在军舰一侧，由“天钩”抓住飞机，再吊回军舰上！起飞嘛，可以垂起，也可以通过机身下简单的支柱实现短距滑跑起飞！英国人还认真做了测试，结果据说很满意，但此时“鹞”式已经不算一架先进的飞机了，因此“天钩”也停止了发展。
“自行车”式的“鹞”正在做“天钩”试验
无人机的脚
首先在实战中大规模使用的无人机要算“火蜂”侦察机了，它是只典型的“没有脚”的鸟——起飞由母机从空中直接投放，完成侦察任务后回到回收区域，打开降落伞——注意！不是直接降到地上，而是在空中由飞行的回收飞机钩住伞下的绳子拖进飞机！有一定难度的杂技表演啊！但这种方式成功的机率还是比较高的，“火蜂”侦察机就一直采用这种方式。
C-130母机正投放“没有脚”的“火蜂”无人机
但这种方式虽然没有脚，但多了一顶伞！重量、空间没省多少。淘金客做过无人机，固定翼的测绘用无人机也常常采用弹射起飞加伞降的方式，省掉起落架。但伞降要保证飞机的着地速度足够小的话，伞还是相当大的，即使折叠以后也要占掉机身内一定的空间。这种着陆方式的可用性还很不好——林区、山地、水网密集的地带、风大的时候都不能用，挂在树上、掉在水里、被风吹很远都是大麻烦！
无人机伞降其实很不好用
而轻小型无人机个头普遍不大（大型无人机还是采用普遍飞机起落架的居多），“平方-立方”定律（可以简单理解为机翼面积和整体重量之比）上占优，所以轻小型的无人机干脆连伞都不要了，直接机腹擦地降落，起飞直接用手抛！成了真正的“没有脚的鸟”。美军的“大乌鸦”，以色列的“云雀”都是这样的代表。不过这样的无人机不能太重——超过7公斤就很难扔得动啦！
小型无人机可以手投，直接擦地降落
英国人的脑洞“天钩”系统也在无人机上复活了！无人机质量不大，因此不必像“鹞”式那样等到空速几乎为零时再用“天钩”去抓。波音公司在“扫描鹰”无人机的机翼上装了个钩子，直接撞到“天钩”垂下来的回收索上钩挂住，就能回收了！“扫描鹰”因此彻底省掉了起落架！这套机构所需的操作空间很小，美国海军直接用在军舰上！民用无人机用起来还是太麻烦！
抓信“扫描鹰”的“天钩”
近年来自动控制技术日趋成熟，芯片技术让飞控系统也越来越小，无人机垂直起降技术发展很快，主要的目标是降低操作难度、也降低无人机起降时的空间要求（垂直起降不需要起降时有很好的进近航线和空间），也大大减小了对起落架的要求。 “多旋翼-固定翼复合”式、“矢量推力”式……甚至还有些又重新捡回过去的经验——“尾座”式垂直起降！中航工业的TD200已经是航展上的常客了，美国也在试飞类似的型号！未来是无人机广泛应用的时代，无人机上的起落架肯定会和载人飞机有很大的不同，让我们拭目以待！
“尾座式”无人机对飞控技术要求很高
结语
淘金客说，起落架的发展史既说明了技术积累的重要性，也鼓励设计人员要努力创新。尤其是象我们这样过去技术积累不足的，更需要通过学习历史来积累足够的经验，在未来发展又要能足够地开放和创新，才能真正实现超越。
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