民用飛機(jī)剎車系統(tǒng)簡圖頁設(shè)計(jì)研究

趙 暉 易子淳 章光燦 /

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210)

0 引言

剎車系統(tǒng)是飛機(jī)上相對(duì)獨(dú)立的重要安全保障系統(tǒng)，對(duì)飛機(jī)起飛、著陸的安全運(yùn)行有重要影響。機(jī)組通過駕駛艙操縱器件對(duì)剎車系統(tǒng)進(jìn)行操縱控制，并且按照系統(tǒng)的反饋指示進(jìn)行系統(tǒng)狀態(tài)判斷及下一步操作。剎車系統(tǒng)通過機(jī)組告警系統(tǒng)(Crew Alerting System，以下簡稱CAS)、簡圖頁系統(tǒng)(系統(tǒng)狀態(tài)指示)、駕駛艙儀表盤將系統(tǒng)狀態(tài)反饋給機(jī)組。簡圖頁信息不僅幫助機(jī)組確認(rèn)系統(tǒng)狀態(tài)，還配合CAS確認(rèn)系統(tǒng)詳細(xì)故障信息。因此，一套完整、高效、清晰、合理的簡圖頁指示能夠提高機(jī)組的工作效率，減輕工作負(fù)擔(dān)。

目前普遍公認(rèn)的是，系統(tǒng)告警及狀態(tài)指示的復(fù)雜程度與航電系統(tǒng)或飛機(jī)系統(tǒng)的復(fù)雜程度成正比。對(duì)于現(xiàn)代民用飛機(jī)，電氣、機(jī)械或液壓(或任何其他類型)等系統(tǒng)數(shù)量遠(yuǎn)大于早期的飛機(jī)，并且飛機(jī)系統(tǒng)變得更加復(fù)雜和先進(jìn)，故障管理和健康監(jiān)控的需求在不斷增加[1]。在這樣的大環(huán)境下，簡圖頁的設(shè)計(jì)變得越來越困難。

本文基于簡圖頁設(shè)計(jì)需求及設(shè)計(jì)理念，對(duì)典型民用飛機(jī)剎車系統(tǒng)及其簡圖頁設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)分析。在此基礎(chǔ)上對(duì)簡圖頁設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化方案不但更好的滿足了設(shè)計(jì)需求及設(shè)計(jì)理念，也更加高效合理且便于機(jī)組使用。

1 簡圖頁設(shè)計(jì)需求及理念

簡圖頁設(shè)計(jì)時(shí)要滿足所有的設(shè)計(jì)輸入，即設(shè)計(jì)需求。除滿足設(shè)計(jì)需求外，簡圖頁還應(yīng)當(dāng)滿足設(shè)計(jì)理念，好的設(shè)計(jì)理念使簡圖頁完整、高效、清晰、合理。

1.1 簡圖頁設(shè)計(jì)需求

典型的系統(tǒng)研制是通過自上而下的需求分配及需求確認(rèn)和自下而上的需求實(shí)現(xiàn)及設(shè)計(jì)驗(yàn)證的方法并以迭代與并行的方法來進(jìn)行的[2]。本文所提及的設(shè)計(jì)需求是在自上而下的流程中通過捕獲飛機(jī)級(jí)分配給系統(tǒng)級(jí)的需求以及系統(tǒng)級(jí)的衍生需求，這些需求作為簡圖頁設(shè)計(jì)的輸入。主要的設(shè)計(jì)需求如下：

(1)功能需求。譬如常見的針對(duì)簡圖頁的飛機(jī)級(jí)需求為“為機(jī)組提供系統(tǒng)顯示信息”，該需求分配到系統(tǒng)級(jí)即為“為機(jī)組提供剎車系統(tǒng)狀態(tài)信息”。

(2)安全性需求。譬如常見的剎車系統(tǒng)功能危險(xiǎn)性評(píng)估(Functional Hazard Assessment，以下簡稱FHA)中會(huì)有安全性要求“飛機(jī)終止起飛時(shí)，剎車溫度誤指示且伴隨剎車過熱的概率應(yīng)小于某概率”。這條安全性需求分配給簡圖頁的需求即為指示剎車溫度。

(3)客戶需求。包括來自運(yùn)營商、機(jī)組、維修公司等的需求。譬如航空公司要求在踩踏剎車腳蹬時(shí)要有剎車壓力指示以便觀察剎車系統(tǒng)工作是否正常，這條需求會(huì)使得簡圖頁設(shè)計(jì)時(shí)要顯示剎車壓力。

(4)性能需求。包括簡圖頁顯示精度、保真度、范圍、解析度、響應(yīng)時(shí)間等。

(5)物理需求。包括簡圖頁上顯示的LRU(Line Replaceable Unit，簡稱LRU，航線/外場可更換單元)顏色、尺寸等方面要求，以及全機(jī)顯示的一致性要求。另外，簡圖頁顏色也需要與駕駛艙內(nèi)的燈(警告燈、戒備燈和提示燈[3])及EICAS(Engine Indication and Crew Alert System，簡稱EICAS，發(fā)動(dòng)機(jī)指示和機(jī)組告警系統(tǒng))指示的顏色理念保持一致。

(6)其他需求。包括全機(jī)各個(gè)系統(tǒng)的簡圖頁設(shè)計(jì)風(fēng)格是否相同等。

1.2 簡圖頁設(shè)計(jì)理念

簡圖頁必須清晰無誤地為機(jī)組提供系統(tǒng)的工作狀態(tài)，并提供相關(guān)的過程信息以操縱飛機(jī)運(yùn)行在預(yù)定的軌道上，在任何正常和非正常情況下這些信息都必須是準(zhǔn)確易懂、清晰可辨的[4]。除了簡圖頁設(shè)計(jì)需求外，還應(yīng)當(dāng)遵循以下設(shè)計(jì)理念：

(1)應(yīng)以直觀的形式顯示系統(tǒng)狀態(tài)和系統(tǒng)信息，減少機(jī)組看到簡圖頁后用于思考反映的時(shí)間；

(2)應(yīng)包含系統(tǒng)示意圖，該示意圖應(yīng)與飛機(jī)情況一致(譬如前機(jī)輪位于頁面頂部)，并使用簡化的輪廓代表系統(tǒng)的主要部件；

(3)應(yīng)便于確認(rèn)系統(tǒng)狀態(tài)，包括靜態(tài)狀態(tài)(如剎車溫度、輪胎壓力、剎車蓄壓器壓力等)及動(dòng)態(tài)狀態(tài)(如駕駛艙器件操作后系統(tǒng)的狀態(tài))；

(4)應(yīng)便于輔助CAS操作，譬如當(dāng)CAS出現(xiàn)“剎車蓄壓器壓力低”告警后，機(jī)組應(yīng)查看簡圖頁中剎車蓄壓器壓力并判斷剩余壓力能夠支持幾次剎車操作；

(5)應(yīng)僅通過簡圖頁就能觀察到整個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)，而無需觀察駕駛艙儀表。

2 典型剎車系統(tǒng)簡圖頁分析

目前主流民用飛機(jī)剎車系統(tǒng)架構(gòu)為電傳液壓作動(dòng)形式，本文選擇兩種主流機(jī)型進(jìn)行分析，分別為波音777及空客A320。通過其簡圖頁設(shè)計(jì)的對(duì)比，分析其簡圖頁設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)。

2.1 波音777機(jī)型剎車系統(tǒng)分析

波音777的剎車系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能包括：人工剎車、自動(dòng)剎車、防滑保護(hù)、停機(jī)剎車、告警及狀態(tài)指示。

在駕駛艙中的操縱器件及指示器包括剎車腳蹬、自動(dòng)剎車開關(guān)、停機(jī)剎車手柄、剎車液壓能源指示燈、剎車蓄壓器壓力指示表。其簡圖頁設(shè)計(jì)如圖1所示。

注：① 剎車溫度數(shù)值：指示該機(jī)輪溫度數(shù)值；② 剎車溫度狀態(tài)：當(dāng)常溫時(shí)圖形為白色空心框，當(dāng)高溫時(shí)為白色實(shí)心框，當(dāng)超高溫時(shí)為橙色實(shí)心框；③ 單個(gè)機(jī)輪故障：當(dāng)顯示字符為BRAKE時(shí)表示該機(jī)輪無法進(jìn)行剎車作動(dòng)，當(dāng)顯示字符為ASKID時(shí)表示該機(jī)輪無防滑保護(hù)；④ 胎壓指示：指示該機(jī)輪輪胎的壓力。圖1 波音777機(jī)型簡圖頁

2.2 空客A320機(jī)型剎車系統(tǒng)分析

空客A320機(jī)型剎車系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能與波音777機(jī)型相同。

該系統(tǒng)在駕駛艙中的操縱器件及指示器包括剎車腳蹬、自動(dòng)剎車選擇面板、防滑解除開關(guān)、停機(jī)剎車手柄、剎車風(fēng)扇選擇開關(guān)，剎車壓力指示表、剎車蓄壓器壓力指示表，自動(dòng)剎車減速率指示燈。此外，空客A320機(jī)型還配備了故障預(yù)測(cè)及健康管理(Prognostic and Health Management，以下簡稱PHM)等[5]輔助安全措施，用以保證系統(tǒng)的安全操作運(yùn)行。其簡圖頁設(shè)計(jì)如圖2所示。

注：① 剎車模式：指示正常/備份剎車模式及相應(yīng)的液壓能源狀態(tài)；② 防滑：指示防滑系統(tǒng)故障或關(guān)閉狀態(tài)；③ 自動(dòng)剎車：指示自動(dòng)剎車檔位或故障狀態(tài)；④ 機(jī)輪編號(hào)：飛機(jī)沿航向從左側(cè)到右側(cè)依次為1、2、3、4；⑤ 釋壓：指示無法釋放剎車壓力的狀態(tài)；⑥ 剎車溫度：指示剎車溫度數(shù)值及超高溫度狀態(tài)；⑦ 輪胎壓力：指示輪胎壓力數(shù)值及過高和過低胎壓狀態(tài)。圖2 空客A320機(jī)型簡圖頁

2.3 簡圖頁設(shè)計(jì)對(duì)比分析

基于波音777機(jī)型與空客A320機(jī)型進(jìn)行簡圖頁設(shè)計(jì)分析對(duì)比，結(jié)果見表1。

表1 兩種典型機(jī)型的簡圖頁設(shè)計(jì)對(duì)比

續(xù)表1

3 簡圖頁設(shè)計(jì)優(yōu)化

基于簡圖頁設(shè)計(jì)需求和設(shè)計(jì)理念，以及對(duì)典型機(jī)型簡圖頁設(shè)計(jì)的分析結(jié)果，提出一種優(yōu)化方案，如圖3所示。

注：① 剎車模式：指示正常/備份等剎車模式；② 防滑：指示防滑系統(tǒng)ON/ OFF/ FAULT狀態(tài)；③ 自動(dòng)剎車：指示自動(dòng)剎車檔位及故障狀態(tài)；④ 停機(jī)剎車：指示停機(jī)剎車ON/ OFF/ FAULT狀態(tài)；⑤ 剎車溫度：指示單個(gè)機(jī)輪上剎車溫度，當(dāng)溫度過高時(shí)圖標(biāo)顏色變化。每個(gè)剎車溫度旁邊對(duì)應(yīng)有實(shí)心方框，方框的顏色會(huì)隨著溫度數(shù)字顏色的變化而變化；⑥ 剎車風(fēng)扇：指示單個(gè)機(jī)輪上剎車風(fēng)扇ON/OFF/FAULT狀態(tài)；⑦ 機(jī)輪編號(hào)：飛機(jī)沿航向從左側(cè)到右側(cè)依次為1、2、3、4；⑧ 單側(cè)剎車壓力：指示左側(cè)/右側(cè)剎車壓力；⑨ 蓄壓器壓力：指示剎車蓄壓器壓力；⑩ 輪胎壓力：指示單個(gè)機(jī)輪上輪胎壓力，壓力過低或過高時(shí)圖標(biāo)顏色變化；單個(gè)機(jī)輪剎車能力：指示單個(gè)機(jī)輪的剎車能力，當(dāng)該機(jī)輪喪失剎車能力(如該機(jī)輪對(duì)應(yīng)的伺服閥、壓力傳感器、輪速傳感器等故障，或剎車壓力無法釋放/施加)時(shí)背景顏色變?yōu)榧t色。圖3 簡圖頁設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

優(yōu)化后的簡圖頁從功能、性能兩方面充分滿足機(jī)組的使用需求。

功能方面分析如下：

(1)腳蹬剎車：通過踩踏/松開左側(cè)或右側(cè)剎車腳蹬觀察對(duì)應(yīng)的左側(cè)或右側(cè)剎車壓力，判斷剎車系統(tǒng)作動(dòng)是否正常；

(2)自動(dòng)剎車：指示自動(dòng)剎車檔位及故障狀態(tài)；

(3)防滑保護(hù)：指示防滑保護(hù)的檔位及故障狀態(tài)在簡圖頁上有對(duì)應(yīng)指示；

(4)停機(jī)剎車：停機(jī)剎車的檔位及故障狀態(tài)在簡圖頁上有對(duì)應(yīng)指示；

(5)剎車降溫：剎車風(fēng)扇的檔位及故障狀態(tài)在簡圖頁上有對(duì)應(yīng)指示。

性能方面分析如下：

(1)單個(gè)機(jī)輪剎車能力：當(dāng)某個(gè)機(jī)輪的控制電路、伺服閥、壓力傳感器或輪速傳感器故障時(shí)，該機(jī)輪會(huì)喪失剎車能力，此時(shí)簡圖頁上機(jī)輪的背景顏色會(huì)變紅，提示該機(jī)輪喪失剎車能力；同時(shí)機(jī)組能夠了解到剩余的剎車能力(譬如壞一個(gè)機(jī)輪時(shí)剩余75%剎車能力，壞兩個(gè)機(jī)輪時(shí)剩余50%剎車能力)，并且若左側(cè)起落架與右側(cè)起落架上的剎車能力不一致時(shí)可能導(dǎo)致剎車時(shí)飛機(jī)偏航，此時(shí)機(jī)組需要使用方向舵或前輪轉(zhuǎn)彎對(duì)飛機(jī)航向糾偏。

(2)剎車溫度：指示具體剎車溫度。

(3)輪胎壓力：指示具體輪胎壓力。

(4)剎車壓力：指示具體剎車壓力。

(5)蓄壓器壓力：指示具體蓄壓器壓力。

此外，簡圖頁上還能夠顯示更多的對(duì)機(jī)組提供幫助的信息。譬如目前大部分民機(jī)的剎車盤磨損程度需要通過磨損指針刻度進(jìn)行確認(rèn)，機(jī)組在每次飛行前必須要親自去機(jī)輪旁觀察剎車盤磨損指針刻度。如果將來能夠?qū)⑽灰苽鞲衅饔迷趧x車盤磨損指示器上，那么在座艙即可有剎車盤磨損狀況顯示[6]。這樣只需通過查看簡圖頁就能了解到磨損指針的數(shù)值，無需進(jìn)行人工檢查，減輕了機(jī)組的工作負(fù)擔(dān)，提高了工作效率。

4 簡圖頁優(yōu)化方案對(duì)比

表2對(duì)比了優(yōu)化方案與典型民機(jī)簡圖頁設(shè)計(jì)。通過對(duì)比可見優(yōu)化方案不但吸收了現(xiàn)有機(jī)型的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)創(chuàng)新提出了新的設(shè)計(jì)方案。既滿足設(shè)計(jì)需求，也更符合設(shè)計(jì)理念。

表2 簡圖頁方案對(duì)比

5 結(jié)論

簡圖頁不但功能重要且設(shè)計(jì)復(fù)雜。在其設(shè)計(jì)過程中要同時(shí)考慮到對(duì)設(shè)計(jì)需求的滿足以及對(duì)設(shè)計(jì)理念的符合。通過分析典型民用飛機(jī)剎車系統(tǒng)的簡圖頁設(shè)計(jì)，提出一種新型簡圖頁設(shè)計(jì)方案。優(yōu)化后的簡圖頁更加高效合理，且便于機(jī)組操作使用。