民用飛機(jī)剎車系統(tǒng)接地保護(hù)、鎖輪保護(hù)和滑水保護(hù)研究

楊 鵬∕YANG Peng

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210)

民用飛機(jī)剎車系統(tǒng)接地保護(hù)、鎖輪保護(hù)和滑水保護(hù)研究

楊 鵬∕YANG Peng

(上海飛機(jī)設(shè)計(jì)研究院，上海201210)

介紹了民用飛機(jī)剎車系統(tǒng)的三個(gè)保護(hù)功能，即接地保護(hù)、鎖輪保護(hù)和滑水保護(hù)功能，這三者雖然是剎車防滑功能的輔助功能，卻對(duì)飛機(jī)的安全性和操作性有著重要影響。針對(duì)三個(gè)保護(hù)功能，分別分析了其設(shè)置目的、工作階段、作用原理和控制邏輯，并給出了控制邏輯的建議值。鑒于其重要的安全性作用，進(jìn)行了定性的安全性FHA需求分析。同時(shí)，對(duì)于控制邏輯相對(duì)復(fù)雜的鎖輪保護(hù)功能，對(duì)比分析了兩種不同控制方案，并給出了結(jié)論。

剎車系統(tǒng)；接地保護(hù)；鎖輪保護(hù)；滑水保護(hù)；邏輯；FHA

0 引言

剎車系統(tǒng)作為民用飛機(jī)的重要組成部分，承擔(dān)著使飛機(jī)在滑行、中斷起飛和著陸過(guò)程中安全減速的重要作用。最初，機(jī)輪剎車系統(tǒng)不具有防滑功能。為了防止機(jī)輪抱死和減少輪胎磨損[1]，二十世紀(jì)五十年代,英國(guó)鄧祿普公司發(fā)明了防滑剎車系統(tǒng)。隨著飛機(jī)的起飛、著陸速度逐漸提高，對(duì)防滑系統(tǒng)提出了更高的需求，要求防滑系統(tǒng)能夠盡可能提高效率，減少中斷起飛和著陸等情況下的剎車距離。美國(guó)Hydro-Aire公司是其中的先行者和佼佼者，其開(kāi)發(fā)的MARK系列自二十世紀(jì)至今已經(jīng)有五代[2]，即MARK I～MARK V，廣泛應(yīng)用于飛機(jī)中，隨著對(duì)飛機(jī)安全性和操縱性等要求的進(jìn)一步提高，飛機(jī)剎車系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了接地保護(hù)、鎖輪保護(hù)和滑水保護(hù)等功能，這些功能作為防滑系統(tǒng)的輔助功能，同樣承擔(dān)著特定工況下防止機(jī)輪抱死和輪胎爆胎的作用[3]?；诖?，本文以具有2個(gè)自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)的前機(jī)輪和左右主起落架上的各2個(gè)共4個(gè)剎車主機(jī)輪的典型三點(diǎn)式起落架為例，著重描述了這三個(gè)輔助功能的工作狀況、控制邏輯，并進(jìn)行了初步的定性FHA安全性分析。對(duì)于相對(duì)復(fù)雜的鎖輪保護(hù)功能，還分析了兩種不同控制方案。

1 接地保護(hù)

1.1 接地保護(hù)的工作階段及作用

飛機(jī)在空中時(shí)，機(jī)輪是靜止的。在著陸時(shí)的接地瞬間，速度比較大，此時(shí)如果機(jī)輪上有剎車壓力(如著陸前飛行員就已經(jīng)腳踩剎車腳蹬、飛行員已設(shè)置自動(dòng)剎車指令等)，機(jī)輪來(lái)不及快速起轉(zhuǎn)，就有很大概率導(dǎo)致出現(xiàn)輪胎爆破，且可能是多個(gè)輪胎同時(shí)爆破。根據(jù)當(dāng)前飛機(jī)主起落架布置，考慮剎車機(jī)輪所在起落架支柱上布置的剎車管路和電纜，很難避免因多個(gè)輪胎爆破而造成的剎車功能全部喪失等影響，而導(dǎo)致出現(xiàn)災(zāi)難級(jí)事件。在飛機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)CS§25.734[4]和SAE ARP 4761[5]，要求不能因輪胎爆破而導(dǎo)致發(fā)生災(zāi)難級(jí)事件。因此必須在飛機(jī)著陸時(shí)增加相應(yīng)的保護(hù)動(dòng)作，即接地保護(hù)功能。

1.2 接地保護(hù)的控制邏輯

根據(jù)設(shè)置接地保護(hù)功能的目的，需要在著陸時(shí)使所有機(jī)輪上剎車壓力為零(即使此時(shí)飛行員已經(jīng)腳踩剎車腳蹬給出剎車指令)，使機(jī)輪隨飛機(jī)而自由滾轉(zhuǎn)加速。當(dāng)機(jī)輪加速到一定值時(shí)，或者飛機(jī)已經(jīng)在地面上無(wú)剎車著陸一段時(shí)間后，再對(duì)機(jī)輪正常供壓，實(shí)施剎車動(dòng)作。

因此接地保護(hù)功能的邏輯共分為2種情況：執(zhí)行狀態(tài)和解除狀態(tài)。執(zhí)行狀態(tài)即接地保護(hù)功能起作用的狀態(tài)，解除狀態(tài)即不需要使用接地保護(hù)功能的狀態(tài)。

根據(jù)以上分析，接地保護(hù)的執(zhí)行狀態(tài)控制邏輯為：

飛機(jī)狀態(tài)指示在空中或飛機(jī)狀態(tài)指示為由在空中轉(zhuǎn)化為在地面上，且轉(zhuǎn)化時(shí)間小于t接地且參考輪速小于V接地。

其中，t接地為接地的時(shí)間閾值，如可以設(shè)為2s～5s；V接地為參考輪速的速度閾值，根據(jù)飛機(jī)實(shí)際參數(shù)及著陸場(chǎng)長(zhǎng)等指標(biāo)進(jìn)行選取，如30kn(1.852km/h)、60kn等；參考輪速是用于判斷飛機(jī)機(jī)輪輪速的參考值，如可以使用四個(gè)機(jī)輪輪速的平均值，也可以使用四個(gè)機(jī)輪輪速的最小值等。

通過(guò)以上邏輯，就可以使飛機(jī)在空中時(shí)以及在接地的t接地時(shí)間內(nèi)且飛機(jī)參考輪速尚未上升到V接地閾值時(shí)，使機(jī)輪剎車壓力為零。

相應(yīng)地，當(dāng)滿足飛機(jī)在地面上，且接地時(shí)間大于t接地或者參考輪速大于V接地閾值時(shí)，就可以抑制接地保護(hù)功能，使飛機(jī)正常供壓進(jìn)行剎車動(dòng)作。

1.3 接地保護(hù)的FHA分析

FHA為功能危害性分析，是對(duì)飛機(jī)系統(tǒng)功能的安全性進(jìn)行定性評(píng)估的一種方法，考量的是系統(tǒng)故障后對(duì)飛機(jī)的影響，分為災(zāi)難級(jí)(I級(jí)，機(jī)毀人亡)、危險(xiǎn)級(jí)(II級(jí)，機(jī)體結(jié)構(gòu)部分損壞或者人員少量傷亡)、較大級(jí)(III級(jí)，較大降低飛機(jī)性能或者人員受傷)、較小級(jí)(IV級(jí)，輕微降低飛機(jī)性能或者人員不舒服)和無(wú)影響(V級(jí)，人員不方便)，詳見(jiàn)SAE ARP 4761。

一個(gè)系統(tǒng)的功能故障一般分為兩類：功能喪失和功能非指令作動(dòng)。功能喪失即功能無(wú)法使用，功能非指令作動(dòng)是指在飛機(jī)不需要此執(zhí)行此功能，或者飛行員未下達(dá)執(zhí)行指令時(shí)，此功能卻自動(dòng)執(zhí)行。其中，對(duì)于功能喪失，還分為通告的功能喪失和未通告的功能喪失。通告的功能喪失是指在功能喪失后，會(huì)在駕駛艙種通過(guò)告警信息告知飛行員，從而使飛行員可以提前做好準(zhǔn)備；未通告的功能喪失是指在功能喪失后，飛行員無(wú)法收到告警信息，只可能在由于功能喪失而對(duì)飛機(jī)造成影響后才可能感知到。

根據(jù)以上分析原則，考慮接地保護(hù)功能的工作機(jī)理，可知：當(dāng)著陸前接地保護(hù)功能喪失且告知飛行員時(shí)，飛行員可以有意識(shí)地不踩剎車腳蹬，且不打開(kāi)自動(dòng)剎車功能，從而使著陸時(shí)不帶剎車壓力著陸，當(dāng)已接地t接地時(shí)間后，再執(zhí)行剎車動(dòng)作，因?yàn)閠接地時(shí)間比較短，不會(huì)使飛機(jī)因著陸距離過(guò)長(zhǎng)而沖出跑道，因此定位III級(jí)；當(dāng)著陸前接地保護(hù)功能喪失且未告知飛行員時(shí)，飛行員如果腳踩剎車腳蹬或者設(shè)置自動(dòng)剎車指令，則會(huì)在著陸時(shí)帶剎車，這樣有很大概率導(dǎo)致多個(gè)輪胎爆破，進(jìn)而導(dǎo)致完全喪失剎車功能等影響，因此定為I級(jí)；當(dāng)在地面上非指令地執(zhí)行接地保護(hù)功能時(shí)，會(huì)使剎車系統(tǒng)喪失供壓而完全喪失剎車功能，因此定為I級(jí)。

因此接地保護(hù)功能的FHA應(yīng)為如下三條：

1)著陸前通告的喪失接地保護(hù)功能，III級(jí)；

2)著陸前未通告的喪失接地保護(hù)功能，I級(jí)；

3)非指令的接地保護(hù)功能，I級(jí)。

2 鎖輪保護(hù)

2.1 鎖輪保護(hù)的工作階段及作用

由于實(shí)際跑道路面情況多變，飛機(jī)氣動(dòng)力也在調(diào)整，同時(shí)可能還存在側(cè)風(fēng)等情況，因此輪胎與地面的摩擦系數(shù)也在不停地變化中，這就會(huì)對(duì)防滑系統(tǒng)的工作帶來(lái)極強(qiáng)的非線性。因此，實(shí)際剎車過(guò)程中，就可能出現(xiàn)某個(gè)機(jī)輪由于防滑工作不夠及時(shí)而導(dǎo)致的打滑現(xiàn)象。當(dāng)出現(xiàn)打滑時(shí)，機(jī)輪由滑動(dòng)摩擦逐漸變?yōu)闈L動(dòng)摩擦，這會(huì)降低整個(gè)飛機(jī)的剎車能力，增大剎車距離。同時(shí)，由于對(duì)應(yīng)另一側(cè)起落架上的剎車能力不變，因而會(huì)由于力矩不平衡而導(dǎo)致可能出現(xiàn)飛機(jī)偏轉(zhuǎn)，甚至沖出跑道，帶來(lái)嚴(yán)重后果。因此，需要在剎車系統(tǒng)中增加對(duì)打滑機(jī)輪的保護(hù)動(dòng)作，即鎖輪保護(hù)功能。

2.2 鎖輪保護(hù)配對(duì)機(jī)輪選擇方案對(duì)比分析

根據(jù)設(shè)置鎖輪保護(hù)功能的目的，一般選擇一個(gè)配對(duì)機(jī)輪作為參考對(duì)象，通過(guò)比較配對(duì)機(jī)輪輪速與目標(biāo)機(jī)輪的輪速，當(dāng)目標(biāo)機(jī)輪的輪速比其配對(duì)機(jī)輪輪速低于一定比例時(shí)，就認(rèn)為此機(jī)輪發(fā)生了嚴(yán)重打滑現(xiàn)象，此時(shí)就將其剎車壓力設(shè)置為零，使之隨飛機(jī)自由滾轉(zhuǎn)。當(dāng)其輪速轉(zhuǎn)上來(lái)時(shí)，就可以施加剎車壓力，重新執(zhí)行剎車動(dòng)作。

對(duì)于配對(duì)機(jī)輪的選擇，一般有兩種方案，其中方案A選擇同側(cè)主起落架上的機(jī)輪作為配對(duì)機(jī)輪，即左內(nèi)機(jī)輪與左外機(jī)輪作為一對(duì)配對(duì)機(jī)輪，右內(nèi)機(jī)輪與右外機(jī)輪作為一對(duì)配對(duì)機(jī)輪；方案B選擇另一側(cè)主起落架上的鏡像機(jī)輪作為配對(duì)機(jī)輪，即左內(nèi)機(jī)輪與右內(nèi)機(jī)輪作為一對(duì)配對(duì)機(jī)輪，左外機(jī)輪與右外機(jī)輪作為一對(duì)配對(duì)機(jī)輪。在正常情況下，兩種方案都可以在某一機(jī)輪打滑到一定程度時(shí)執(zhí)行鎖輪保護(hù)功能，效果也是一樣的。但是，當(dāng)出現(xiàn)以下兩種非正常情況時(shí)，兩種方案就會(huì)有區(qū)別。

1)情況1：當(dāng)同側(cè)兩個(gè)機(jī)輪同時(shí)打滑時(shí)，如跑道上某處有積水，此時(shí)方案A無(wú)法執(zhí)行，方案B仍可以執(zhí)行鎖輪保護(hù)。相對(duì)來(lái)說(shuō)，左右兩側(cè)機(jī)輪由于積水同時(shí)打滑的概率就小得多。

2)情況2：當(dāng)某一機(jī)輪輪速信號(hào)故障時(shí)，如輪速傳感器故障，導(dǎo)致非指令地執(zhí)行了鎖輪保護(hù)功能，切掉配對(duì)機(jī)輪的剎車壓力，此時(shí)如果按照方案A，可能導(dǎo)致同側(cè)兩個(gè)機(jī)輪無(wú)法剎車，或者同側(cè)一個(gè)機(jī)輪無(wú)法剎車、一個(gè)機(jī)輪無(wú)法防滑的情況，飛機(jī)可能出現(xiàn)嚴(yán)重的偏轉(zhuǎn)；而方案B則可能出現(xiàn)左右各一個(gè)機(jī)輪無(wú)法剎車，或者左右一個(gè)機(jī)輪無(wú)法剎車、一個(gè)機(jī)輪無(wú)法防滑的情況，由于是左右各一個(gè)機(jī)輪剎車故障，因此偏轉(zhuǎn)影響比較小。

綜上，方案B更有效。

2.3 鎖輪保護(hù)的控制邏輯

根據(jù)以上分析，選擇方案B對(duì)每一個(gè)剎車機(jī)輪執(zhí)行鎖輪保護(hù)。鎖輪保護(hù)功能的邏輯共分為兩種情況：執(zhí)行狀態(tài)和解除狀態(tài)。

針對(duì)每一機(jī)輪的鎖輪保護(hù)的執(zhí)行狀態(tài)控制邏輯為：

飛機(jī)狀態(tài)指示在地面上且機(jī)輪輪速小于配對(duì)機(jī)輪輪速的X鎖輪%且配對(duì)機(jī)輪輪速大于V鎖輪。

其中X鎖輪%為機(jī)輪輪速為與配對(duì)機(jī)輪輪速的比例閾值，如可以設(shè)為20%～50%；V鎖輪為配對(duì)機(jī)輪輪速閾值，只有在配對(duì)機(jī)輪輪速大于此閾值時(shí)才能執(zhí)行鎖輪保護(hù)功能，防止在地速時(shí)差動(dòng)剎車轉(zhuǎn)彎時(shí)非指令地執(zhí)行鎖輪保護(hù)功能，如可以設(shè)為60kn。

當(dāng)滿足執(zhí)行狀態(tài)邏輯時(shí)，就將此機(jī)輪上的剎車壓力設(shè)為零。當(dāng)不滿足此邏輯時(shí)，就抑制鎖輪保護(hù)功能，執(zhí)行正常的剎車動(dòng)作。

2.4 鎖輪保護(hù)的FHA分析

根據(jù)FHA分析原則，當(dāng)鎖輪功能故障且告知飛行員時(shí)，飛行員可以輕踩剎車并隨時(shí)準(zhǔn)備糾偏，定為IV級(jí)；當(dāng)鎖輪保護(hù)功能故障且未告知飛行員時(shí)，飛機(jī)可能出現(xiàn)剎車能力降低和偏轉(zhuǎn)，定為III級(jí)；當(dāng)非指令地執(zhí)行鎖輪保護(hù)功能時(shí)，可能出現(xiàn)比較嚴(yán)重的剎車能力降低和偏轉(zhuǎn)，定為II級(jí)。

因此鎖輪保護(hù)功能的FHA應(yīng)為如下三條：

1)通告的喪失鎖輪保護(hù)功能，IV級(jí)；

2)未通告的喪失鎖輪保護(hù)功能，III級(jí)；

3)非指令的鎖輪保護(hù)功能，II級(jí)。

3 滑水保護(hù)

3.1 滑水保護(hù)的工作階段及作用

當(dāng)飛機(jī)在積水等摩擦系數(shù)過(guò)低的跑道上中斷起飛或者著陸時(shí)，有可能會(huì)由于積水等帶來(lái)的摩擦系數(shù)太低而導(dǎo)致機(jī)輪打滑，從而導(dǎo)致無(wú)法剎車、剎車能力降低、剎車距離增大，并且導(dǎo)致飛機(jī)偏轉(zhuǎn)。因此，針對(duì)這些情況，需要在剎車系統(tǒng)中增加對(duì)摩擦系數(shù)過(guò)低的跑道情況的適應(yīng)性和保護(hù)，即滑水保護(hù)。

3.2 滑水保護(hù)的控制邏輯

由于飛機(jī)在積水等摩擦系數(shù)過(guò)低的跑道上剎車時(shí)，可能出現(xiàn)兩個(gè)以上甚至所有機(jī)輪一起打滑的情況，因此就不能采用鎖輪保護(hù)中配對(duì)機(jī)輪作為參照的方式，而是需要根據(jù)飛機(jī)地速進(jìn)行判斷。飛機(jī)地速是指飛機(jī)相對(duì)地面的相對(duì)速度，一般由飛機(jī)上的慣導(dǎo)系統(tǒng)提供。當(dāng)出現(xiàn)某一機(jī)輪速度低于地速一定值時(shí)，就將此機(jī)輪上的剎車壓力降為零，從而使此機(jī)輪可以隨飛機(jī)自由滾轉(zhuǎn)；當(dāng)其輪速上升到地速附近時(shí)，就重新施加剎車壓力進(jìn)行正常剎車。

相應(yīng)來(lái)說(shuō)，積水等摩擦系數(shù)過(guò)低的跑道情況比較少，跑道上全程積水等情況出現(xiàn)的概率也比較低，因此只需要在左右主起落架機(jī)輪中各選出一個(gè)機(jī)輪執(zhí)行滑水保護(hù)功能即可。本文推薦采用左外輪和右內(nèi)輪或者左內(nèi)輪和右外輪的組合，這樣可以覆蓋盡可能多的工況。

因此，針對(duì)左外輪和右內(nèi)輪或者左內(nèi)輪和右外輪的滑水保護(hù)的控制邏輯為：

飛機(jī)狀態(tài)指示在地面上且機(jī)輪輪速比地速小V滑水且地速大于V滑水。

其中，V滑水為機(jī)輪輪速比地速小的差值閾值和地速的閾值，以此來(lái)判斷機(jī)輪輪速比飛機(jī)速度小的程度，地速達(dá)到閾值且差值達(dá)到閾值時(shí)就認(rèn)為此機(jī)輪出現(xiàn)滑水情況，當(dāng)?shù)厮傩∮陂撝禃r(shí)，飛機(jī)處于低速階段，不需要執(zhí)行滑水保護(hù)，如可以設(shè)置為30kn～60kn。

當(dāng)滿足執(zhí)行狀態(tài)邏輯時(shí)，就將此機(jī)輪上的剎車壓力設(shè)為零。當(dāng)不滿足此邏輯時(shí)，就抑制滑水保護(hù)功能，執(zhí)行正常的剎車動(dòng)作。

3.3 滑水保護(hù)的FHA分析

根據(jù)FHA分析原則，當(dāng)滑水功能故障且告知飛行員時(shí)，飛行員可以輕踩剎車并隨時(shí)準(zhǔn)備糾偏，定為IV級(jí)；當(dāng)滑水保護(hù)功能故障且未告知飛行員時(shí)，飛機(jī)可能出現(xiàn)剎車能力降低和偏轉(zhuǎn)，定為III級(jí)；當(dāng)非指令地執(zhí)行滑水保護(hù)功能時(shí)，由于僅僅在左右各一個(gè)機(jī)輪上有滑水保護(hù)設(shè)置，剎車能力降低和偏轉(zhuǎn)不會(huì)太嚴(yán)重，定為III級(jí)。

因此滑水保護(hù)功能的FHA應(yīng)為如下三條：

1)通告的喪失滑水保護(hù)功能，IV級(jí)；

2)未通告的喪失滑水保護(hù)功能，III級(jí)；

3)非指令的滑水保護(hù)功能，III級(jí)。

4 結(jié)論

本文介紹了飛機(jī)剎車系統(tǒng)防滑功能的三個(gè)輔助功能：接地保護(hù)、鎖輪保護(hù)和滑水保護(hù)，分析了功能來(lái)源、工作階段、工作方式、控制邏輯和定性的安全性要求，并進(jìn)行了鎖輪保護(hù)兩種不同控制方案的對(duì)比分析，對(duì)于飛機(jī)剎車系統(tǒng)的控制研究具有一定意義。其中，控制邏輯的建議閾值需要根據(jù)實(shí)際飛機(jī)的參數(shù)和需求進(jìn)行最優(yōu)選擇，并輔助仿真和可行的試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

[1] Young D W. Aircraft Landing Gears—The Past，Present and Future[S]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers，Part D Transport Engineering， pp. 75-92，1986.

[2] 陸曉潔，謝利理，林輝.飛機(jī)防滑剎車系統(tǒng)的回顧與展望[J]. 航空科學(xué)技術(shù)，2003(2)：29-32.

[3] SAE. AIR 1739A-Information on Antiskid Systems, Society of Automotive Engineers, pp. 12, 2010.

[4] EASA. Certification Specifications and Acceptable Means of Compliance for Large Aeroplanes[S]. Amendment 16, European Aviation Safety Agency, pp. 1-D-13—1-D-15, 2015.

[5] SAE. ARP 4761-Guidelines and Methods for Conducting the Safety Assessment Process on Civil Airborne Systems and Equipment[S]. Society of Automotive Engineers, 1996：26-28.

Research on Touchdown Protection, Locked Wheel Protection and Hydroplaning Protection for Commercial Aircraft Brake System

(Shanghai Aircraft Design and Research Institute, Shanghai 201210, China)

This paper introduces three protection functions for brake system of commercial aircrafts. They are the touchdown protection, locked wheel protection and hydroplaning protection . Though the three functions are parts of antiskid protection, they significantly affect the safety and operability of the aircraft. This paper analyzes the purposes of its establishment, the working phases, the principle and control logic for the three functions ,and gives the proposed value of the control logic. Furthermore, the Functional Hazard Assessment (FHA) requirements are analyzed because of the important safety effect. Meanwhile two control schemes are compared and analyzed for the complexity of locked wheel protection , and the conclusion was given.

brake system; touchdown protection; locked wheel protection; hydroplaning protection; logic; functional hazard assessment(FHA)

10.19416/j.cnki.1674-9804.2016.04.005

V227

A