飞机防滑刹车控制技术研究综述

飞机防滑刹车控制技术研究综述

曾繁星,李运涛 ,李天生

95905部队,辽宁 锦州 121000

摘要：现代航空工业经过半个多世纪的发展，使得军、民用飞机的安全性得到了提高。但是，除传统航空业所着重关注的空中安全外，飞机在地面阶段的安全性问题仍不容忽视，尤其在起飞前和着陆后的事故量已超过其飞行阶段。现代大型飞机所具备的减速手段主要包括机轮刹车、引擎反推、减速板制动和减速伞制动等。但是，引擎反推、减速板和减速伞的使用效果在飞机单次降落过程中均会随风速和机速的变化存在不确定性，无法在飞机降落的全速度范围下提供可靠的制动力。因此机轮刹车系统是保障飞机顺利着陆最基本的系统，在飞机研制过程中与飞行控制系统在安全性上具有同等要求，被国际标准定为安全等级要求最高的A类子系统之一。另外，当前世界各国致力于发展高速飞机，对机轮刹车的能力提出了更高的需求。

关键词：飞机刹车；防滑；控制技术；

引言

防滑制动系统是飞机起降系统的一个重要组成部分，用于起降、地面运动、方向控制、停转、降低飞机降落距离和停止安全制动。本文从飞机防滑制动系统的发展历程出发，探讨了主动式飞机防滑制动系统急需解决的飞机防滑制动系统技术发展方向和关键技术问题。促进飞机电传数控制动系统的安全性、可靠性、维修性、测试性、安全性和环境适应性。

1飞机刹车基本原理

飞机刹车的基本原理是通过控制刹车力矩调整机轮与地面的滑移状态进而使得地面的摩擦力（结合力）矩与刹车力矩近似平衡。但是，机轮与跑道间独特的非线性关系使地面的结合力受道路条件、机轮速度、飞机速度、轮载、胎面温度[11]等多方面因素影响，尤其在刹车过程中速度跨度较大，机轮载荷在升力作用下的变化达到20%以上，致使同样的路况可能在不同的载荷条件下产生不同的结合力矩。而且，多数飞机刹车系统可用于实时控制的传感器只有轮速和刹车压力，无法实现对刹车力矩的可靠闭环，刹车盘的摩擦系数在自身材料、速度、湿度和温度等耦合因素影响下波动可能达到50%以上。另外，全天候飞机的刹车系统要求在不同着陆条件和整个着陆速度内均具有一致性，即飞机刹车系统应具备在可能遇到的所有着陆条件下（正常的机体着陆配置、不同机速、不同阵风和不同道路条件）、在有限跑道长度内、经过相似的刹车过程后使飞机平稳、可靠刹停的能力。但是，不确定着陆方式及可能存在的阵风干扰更是进一步突出了地面结合力矩和刹车力矩的非线性影响，使得飞机在地面滑跑时非常容易出现机轮抱死，尤其在高速状态下一旦抱死300ms即可能引起爆胎。

2飞机刹车系统架构

2.1数字电传防滑刹车系统

电传数字防滑制动系统由制动踏板、制动顺序传感器、电动液体压力伺服阀(液压锁)、量子器、车轮速度传感器和防滑制动控制箱(BCU)组成；带有自动制动功能的数字电传制动系统在防滑数字制动系统中添加了自动制动选择开关。①数字电传制动系统的制动功能(手动制动)由制动指令传感器、电解压力伺服阀(带液压锁)、量具、防滑制动控制箱、车轮转速传感器和实现。②数字电传制动系统的防滑功能由车轮转速传感器、防滑制动控制箱和电动液体压力伺服阀(带有液压锁)执行。③具有自动制动功能的电传自动制动系统的自动制动功能(自动制动)由自动制动选择开关、电液压力伺服阀(液压锁)、仪表和防滑制动控制盒实现。其中，自动和人工制动会根据定义的控制律自动切换。随着集成电路的发展，大规模可编程微控制器的出现，使得制动系统集成、控制律优化、系统过载和健康诊断等技术得以发展。

2.2液压刹车系统

传统的液压刹车系统主要由脚蹬指令传感器、轮速传感器、刹车控制盒、减压阀、液压电磁阀、防滑刹车控制阀、刹车作动器与刹车盘构成的刹车装置以及其他液压附件构成。脚蹬踏板采集飞行员刹车指令，刹车控制器以轮速信号为反馈，根据刹车指令调节供给刹车作动器的油液压力，液压作动器受刹车压力作用推动刹车装置内的动、静盘贴合产生刹车力矩。防滑刹车控制阀作为飞机刹车系统的核心元件，其性能是高效防滑刹车的基础。在MarkI系统时代，开关电磁阀作为主要控制单元，仅能配合简单的控制逻辑实现基本的防滑功能；随着液压控制元件的发展，到MarkII系统时期已经由具有一定压力调节能力的比例阀执行防滑操作，使得压力控制更准确，有效降低了轮胎因深打滑而造成的磨损。而MarkIII系统中，随着具有高频响应的电液压力伺服阀的应用，将飞机防滑刹车能力提升到了新的高度，也为恶劣跑道条件下的防滑刹车提供了必要的硬件基础。直至今日，国内外众多机型如B737、B747、B777、F-16、F-22等仍依赖于电液压力伺服阀进行防滑刹车控制。

3飞机刹车系统需解决的技术问题

3.1控制器、压力传感器故障

控制板的主要失效模式包括:二次电源故障、信号转换电路故障、压力采集电路故障、单片机故障、驱动电路故障。压力传感器的失效模式主要包括:输出漂移，传感器故障。从故障时的飞参曲线来看，产品反馈的压力虽然不能满足指令要求，但有上升下降的过程，同时在最后一次压力下降过程中，压力是缓慢下降，持续了约6s，根据故障反馈现象可以排除控制器、压力传感器故障的可能。

3.2电控刹车阀泄漏

电控刹车阀中刹车阀出现泄漏，刹车阀输出的油液量减少，不能满足主机轮建立刹车压力所需的油液量，会导致产品出现建压异常。根据刹车阀泄漏的故障树，刹车阀出现外部泄漏和内部泄漏后均会使产品产生建压异常的情况。1)外部泄漏刹车阀在出现建压异常后，公司机务人员第一时间对产品外部进行了检查，未发现产品外部泄漏情况。故障产品返厂后，进行了常温条件下的性能试验、低温条件下的性能验证试验等工作，未发现接管嘴、压力传感器处泄漏及接管嘴松动的情况。因此排除产品外部泄漏的情况。(2)内部泄漏刹车阀产生内部泄漏的部位有密封皮碗与衬套配合处，衬套、密封圈与壳体配合处。当上述部位产生内部泄漏后，将导致刹车阀输出的油液量减少，产生产品建压异常的故障。

3.3刹车系统故障检测“虚警”问题

随着制动系统的发展，制动系统故障检测(健康诊断)已成为研究制动系统故障模式和故障影响的必要功能，从飞机安全和人机效率的角度，重新定义了制动系统的物理量和检测方法。

4防滑控制技术

4.1机械开关式防滑控制

早期的机轮防滑，仅仅作为机轮的附属功能，通过开关型控制减小因机轮打滑而造成的胎面损伤，以延长机轮的使用寿命。在以MarkI型刹车系统为代表的早期防滑系统中，当机轮受到刹车力矩作用而减速到一定程度时，通过安装在防滑机轮上的惯性传感器检测机轮的减速率，当超过一定限额时借助机械装置控制液压系统松刹，进而使得机轮恢复转动完成防滑，如图17所示。同时期也有通过惯性传感器触发微动开关利用继电器控制电磁阀实现泄压防滑。究其核心在于判断轮速的变化率是否达到某一特定数值[88]。虽然刹车硬件系统经过多次改进，但从控制的角度来看，机轮轮速的变化率作为一种有效判断机轮打滑状态的控制变量一直沿用至今。

4.2确定液压附件特征信号

制动传感器、减压阀、开关阀、量计、紧急制动阀和电动压力伺服阀安装在飞机不同部位，形成飞机防滑制动系统的液压通道，共同产生制动压力，实现(1)在飞机液压源上安装压力传感器，进行制动压力试验，判断制动系统的输入压力。(2)在飞机防滑制动系统制动装置上安装压力传感器，进行正常制动压力和紧急制动压力测试，判断制动压力。

结束语

随着飞机防滑刹车系统设计、仿真、试验、试飞技术提高，未来飞机防滑刹车系统将是高可靠智能化刹车系统。未来飞机防滑刹车系统与飞机机电系统、起落架系统、刹车机轮匹配良好，系统人机功效优良，系统安全性、可靠性、维修性、测试性、保障性、环境适应性等通用质量特性提高，更好地满足用户需求。

参考文献

[1]焦宗夏,白宁,刘晓超,李珏菲,王壮壮,孙栋,齐鹏远,尚耀星.飞机防滑刹车控制技术研究综述[J/OL].航空学报:1-27[2022-07-22].

[2]邢晓斌,韩亚国,郭琪.飞机防滑刹车系统发展研究[J].航空精密制造技术,2022,58(02):27-30+34.

[3]李文革,刘忠平,韩亚国,邢晓斌.多轮系飞机刹车系统刹车失压现象研究[J].航空精密制造技术,2021,57(04):33-37.

[4]韩亚国,刘忠平,董智超.飞机防滑刹车系统现状和发展方向研究[C]//.第九届中国航空学会青年科技论坛论文集.,2020:525-529.

[5]刘忠平,韩亚国,黄智,乔勇.飞机防滑刹车系统刹车失压分析[J].航空精密制造技术,2018,54(06):59-62.