飛機剎車系統(tǒng)動力模擬試驗方法的探討

吳華偉 陳特放 黃偉明 胡春凱 陽 波

（1.中南大學信息工程學院，湖南 長沙 410083；2.中南大學航空航天學院，湖南 長沙 410083；3.成都飛機設計研究所，四川 成都 610041）

隨著現(xiàn)代社會的發(fā)展，尤其在民機方面，人們對飛機的安全性、可靠性、舒適性及全天候起降要求越來越高。良好的制動性能是飛機安全的重要保障，飛機防滑剎車系統(tǒng)就是在各種跑道狀態(tài)下最大限度合理利用地面所能提供的結(jié)合力矩，使飛機安全平穩(wěn)的制動。

地面動力慣性臺模擬試驗是裝機前最為重要的驗證手段和飛機整體著陸性能確定的主要數(shù)據(jù)來源。如何進行動力試驗模擬外場跑道狀態(tài)，目前國內(nèi)還無統(tǒng)一和明確的對應方法，特別在民機方面，國內(nèi)飛機剎車系統(tǒng)制造廠商動力試驗方法也尚無明確的規(guī)定。根據(jù)飛機制造商的統(tǒng)計，近年來發(fā)生的事故和事故征候主要類型為沖出跑道。其中大部分發(fā)生在濕跑道和污染跑道的著陸[1、2]。

1 跑道狀態(tài)定義

通常將飛機跑道表面狀態(tài)分為：干、濕（潮濕、積水等）和污染（雪、冰、油液、橡膠等）等[1]情況。對飛機安全性和穩(wěn)定性產(chǎn)生影響較大是濕跑道和污染的跑道，由于飛機跑道的特殊性，污染跑道實際制動效果和濕跑道表現(xiàn)形式很相似——輪胎與跑道間的摩擦系數(shù)下降，飛機制動距離加長。表1、表2為飛機在濕跑道上著陸的制動效果[1、2]。

由現(xiàn)行相關飛機剎車系統(tǒng)方面的規(guī)范和標準[2～12]可知：對飛機在不同的跑道狀態(tài)上的剎車制動性能要求，主要集中定性要求方面，而對濕、冰跑道的詳細分類和試驗要求沒有具體規(guī)定和要求。目前國內(nèi)剎車系統(tǒng)動力試驗，主要采取變換輪胎壓縮量或載荷（1、1/2、1/4）的方式來模擬干、濕、冰不同跑道狀態(tài)，這種試驗方法比較籠統(tǒng)，不能充分代表外場實際狀態(tài)。對民機而言，飛機在濕跑道或污染跑道上降落的幾率遠高于軍機，因此，我們需要一套比較完整的動態(tài)聯(lián)試試驗模擬方法。

表1 Boeing公司跑道狀態(tài)描述

表2 剎車效應、道面條件（污染物類型）與摩擦系數(shù)之間的關系

2 動力慣性試驗

在防滑剎車系統(tǒng)動力試驗中，為了盡可能精確地測定系統(tǒng)性能及系統(tǒng)同飛機的協(xié)調(diào)性，機輪、剎車裝置與輪胎等飛機上的部件應采用相應的配套產(chǎn)品；系統(tǒng)所屬各種附件應按飛機的相互關系配置連接，液壓管路長度與導管彎曲半徑應盡量接近飛機上的實際情況；每套剎車裝置所吸收的動能、起始剎車速度、剎車壓力等試驗參數(shù)應與飛機上的真實工作參數(shù)相同，并應考慮不同的跑道表面狀態(tài)。根據(jù)國內(nèi)外對跑道狀態(tài)的要求結(jié)合多年從事剎車系統(tǒng)的經(jīng)歷，并結(jié)合汽車、剎車材料、剎車機輪等方面的要求，我們制定了一套通過改變輪胎載荷來模擬不同跑道狀態(tài)的試驗方法。表3為動力試驗具體要求和類型。

表3 動力試驗要求

2.1 動力試驗所需參數(shù)

著陸載荷G：正常著陸載荷GZL、超載著陸載荷GSC、中止起飛載荷GSZD。

剎車動能A：正常剎車動能AS、超載剎車動能ASC、中止起飛剎車動能ASZD。

著陸速度V：正常著陸速度VZL、正常剎車速度VS、中止起飛剎車速度VSZD。

剎車壓力P：正常剎車壓力PS，起落架收上剎車壓力PSQ，起飛線停機剎車壓力PTQ。

輪胎壓力Q：正常輪胎充氣壓力QS，動力試驗輪胎修正壓力QT。

2.2 試驗準備

2.2.1 測定系統(tǒng)壓力響應時間

迅速施加近似階躍的最大剎車壓力，測量剎車壓力上升和下降時間是否滿足使用要求。

2.2.2 剎車盤磨合試驗

對于未經(jīng)磨合的剎車片，須不帶防滑剎車系統(tǒng)進行磨合試驗，直到機輪的平均剎車力矩達到規(guī)定的公差范圍內(nèi)。

2.3 正常著陸動力試驗

按表3要求，至少要求進行干跑道（G）、濕跑道或輕度污染跑道（3/4G）、淺積水或污染跑道（1/2G）、薄冰跑道或積水跑道（1/4G）、對于民機或特殊要求的飛機還需進行冰跑道（1/8G）動力試驗。此外還應根據(jù)需要進行如下項目。

2.3.1 輪間保護試驗

系統(tǒng)一側(cè)的速度輸入接被試機輪的速度傳感器，另一或幾側(cè)的速度輸入接頻率信號發(fā)生器（模擬某一頻率值）。在動力試驗過程中，當受剎機輪的速度低于模擬頻率某一值時，系統(tǒng)自動釋放受剎機輪的剎車壓力。該功能在50±5km/h以下失效。

2.3.2 變載荷試驗

由于升力的影響，飛機在著陸過程中輪胎的載荷呈先小后大趨勢。

飛機升力一般公式:

式中：Cyh——飛機著陸滑跑時的升力系數(shù)；

ρ——當?shù)貦C場空氣密度；

S——機翼面積；

V——飛機速度。

因此在試驗過程中，可根據(jù)速度與升力的關系，在條件許可下進行變載荷試驗。

2.3.3 低速適應性試驗

2.3.3.1 1/2正常著陸速度

正常1/4剎車能量，1/2著陸速度下進行試驗，并考核剎車效率。

2.3.3.2 低速小能量連續(xù)剎車

連續(xù)若干次50km/h～80km/h剎車試驗，模擬外場低速滑行，要求最大剎車力矩不能變化太大。

2.3.4 高、低電壓試驗

將剎車系統(tǒng)供電電壓分別調(diào)為16V和30V情況下，進行一兩次著陸載荷系統(tǒng)試驗，要求防滑剎車系統(tǒng)應能工作穩(wěn)定，性能不變。

2.3.5 抗衰退試驗

主要考核剎車材料在濕態(tài)和熱態(tài)情況下，剎車材料摩擦性能的穩(wěn)定性。可隨剎車材料一起考核。

2.3.6 多輪試驗

對于小車式多輪起落架結(jié)構(gòu)，還需要進行至少雙輪同時模擬試驗：

一是兩剎車主機輪采用相同載荷模擬進行干跑道、濕跑道、積水跑道及冰跑道防滑剎車試驗，驗證系統(tǒng)對各種跑道的適應性和可靠性；

二是兩剎車主機輪采用不同載荷模擬干跑道和濕跑道、積水跑道和冰跑道進行防滑剎車試驗，驗證系統(tǒng)對多輪飛機的適應性；

三是兩剎車主機輪采用相同載荷，剎車速度為二分之一著陸速度時，模擬干跑道、濕跑道進行防滑剎車試驗，驗證系統(tǒng)對碳剎車機輪的適應性。

2.4 超載著陸動力試驗

按主機規(guī)定的超載著陸的剎車能量、剎車速度和剎車載荷進行動力試驗。試驗方法類似2.3。

2.5 中止起飛動力試驗

按主機規(guī)定的中止起飛的剎車能量、剎車速度和剎車載荷進行動力試驗。試驗方法類似2.3。

3 評價準則

防滑剎車系統(tǒng)應盡一切努力為濕跑道調(diào)好防滑系統(tǒng)，在濕跑道上，防滑控制系統(tǒng)的性能是很關鍵的，剎車距離不是考慮的唯一因素[5、6]。因此在對防滑剎車系統(tǒng)動力試驗進行評價時，我們采用剎車距離、剎車和剎車效率相結(jié)合的方法，同時系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性及有無發(fā)生機輪剎死傾向也應作為評估系統(tǒng)優(yōu)劣的指標之一：

一是機輪輪胎載荷大于或等于二分之一（正常、超載、中止起飛）著陸載荷下考核剎車距離；機輪輪胎載荷等于或小于二分之一（正常、超載、中止起飛）著陸載荷下考核防滑性能，電子防滑剎車系統(tǒng)的力矩或壓力效率應越高越好。具體見表3中的剎車距離和剎車效率要求。

二是防滑剎車系統(tǒng)防滑工作次數(shù)小于或等于3次/秒，要求相同狀態(tài)下打滑次數(shù)越少越好；

三是防滑剎車系統(tǒng)應在整個有效速度范圍內(nèi)，工作可靠，輪胎磨損均勻，不應有卡滯現(xiàn)象出現(xiàn)；

四是輪胎載荷為1/8著陸停機載荷時剎車時間小于或等于4倍的著陸停機載荷剎車時間。其他2/8G和3/8G載荷試驗時，時間應更小。

4 試驗驗證

以某飛機正常著陸狀態(tài)為例，在大型動力慣性臺上以不同的載荷模擬飛機跑道的各種狀態(tài)下的剎車制動試驗。試驗條件：剎車速度220 km/h，正常剎車能量9.6 MJ，全載荷65 kN，輪胎充氣壓力0.784 MPa，動力試驗修正充氣壓力0.894 MPa。試驗結(jié)果見表4。

從試驗過程和表4中可知，整個剎車過程平穩(wěn)高效，滿足主機要求。在以1/7載荷模擬冰跑道狀態(tài)時，剎車系統(tǒng)任能充分利用跑道與輪胎間的結(jié)合力矩，效率達74%以上。動力試驗要求和方法合理，較充分的模擬了跑道表面所處的各種狀態(tài)，防滑剎車系統(tǒng)控制效果理想。

5 結(jié)論

通過全面完整的模擬剎車系統(tǒng)所面臨的著陸跑道狀態(tài)，更加嚴格考核剎車系統(tǒng)性能，為飛機剎車系統(tǒng)動力試驗方法進行規(guī)范性探索，同時也為飛機全天候起降提供較為全面試驗數(shù)據(jù)，從而提高飛機制動的安全性和可靠性。

表4 某型飛機剎車系統(tǒng)動力試驗

[1] INVESTIGATION REPORT199904538，ATSB，1999.

[2] AC–121–FS–2009–33 航空承運人濕跑道和污染跑道運行管理規(guī)定[S].

[3] GJB 2879A–2008 飛機機輪防滑剎車控制系統(tǒng)通用規(guī)范[S].

[4] GJB 1184A–2005 航空機輪和剎車裝置通用規(guī)范[S].

[5] HB 6080–1986 飛機機輪防滑剎車控制系統(tǒng)通用技術要求[S].

[6] HB 6761–1993 飛機機輪剎車系統(tǒng)設計要求[S].

[7] HB 6482–1992 起落架系統(tǒng)通用技術要求[S].

[8] GJB 3063–1997 飛機起落架系統(tǒng)通用規(guī)范[S].

[9] HB 5648–1981 航空機輪和剎車裝置設計規(guī)范[S].

[10] GJB 1482–1992 飛機液壓系統(tǒng)附件通用規(guī)范[S].

[11] CCAR–25–R3 運輸類飛機適航標準[S].

[12] CCAR–121FS–R2 大型飛機公共航空運輸承運人運行合格審定規(guī)則[S].

[13] HB 5434.4–2004 航空機輪摩擦材料試驗方法 第四部分 動力試驗臺剎車性能試驗方法[S].

[14] GB/T 9747–2004 航空輪胎動態(tài)模擬試驗方法[S].

[15] GB 7258–2004 機動車安全運行技術條件[S].

[16] GB 21861–2008 機動車安全技術檢驗項目和方法[S].

[17] GB 12676–1999 汽車制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能和試驗方法[S].

[18] 鄧揚晨，張爽等.飛機地面滑行過程中最短滑跑距離的確定[J].航空計算技術，2006，36（1）：71-74.

[19] 張建，李勤紅，周曉飛.飛機剎車盤磨損對制動距離的影響研究[J].飛行力學，2009，27（6）:68-71.