民用飛機(jī)剎車系統(tǒng)簡(jiǎn)圖頁(yè)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(jiǎn)稱CAS)、簡(jiǎn)圖頁(yè)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(jiǎn)圖頁(yè)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(jiǎn)圖頁(yè)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(jiǎn)圖頁(yè)的設(shè)計(jì)變得越來越困難。

本文基于簡(jiǎn)圖頁(yè)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(jiǎn)圖頁(yè)設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)分析。在此基礎(chǔ)上對(duì)簡(jiǎn)圖頁(yè)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(jiǎn)圖頁(yè)設(shè)計(jì)需求及理念

簡(jiǎn)圖頁(yè)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(jiǎn)圖頁(yè)還應(yīng)當(dāng)滿足設(shè)計(jì)理念，好的設(shè)計(jì)理念使簡(jiǎn)圖頁(yè)完整、高效、清晰、合理。

1.1 簡(jiǎn)圖頁(yè)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(jiǎn)圖頁(yè)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(jiǎn)圖頁(yè)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(jiǎn)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(jiǎn)圖頁(yè)的需求即為指示剎車溫度。

(3)客戶需求。包括來自運(yùn)營(yíng)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(jiǎn)圖頁(yè)設(shè)計(jì)時(shí)要顯示剎車壓力。

(4)性能需求。包括簡(jiǎn)圖頁(yè)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(jiǎn)圖頁(yè)上顯示的LRU(Line Replaceable Unit，簡(jiǎn)稱LRU，航線/外場(chǎng)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(jiǎn)圖頁(yè)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(jiǎn)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(jiǎn)圖頁(yè)設(shè)計(jì)風(fēng)格是否相同等。

1.2 簡(jiǎn)圖頁(yè)設(shè)計(jì)理念

簡(jiǎn)圖頁(yè)必須清晰無(wú)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(jiǎn)圖頁(yè)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(jiǎn)圖頁(yè)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(yè)面頂部)，并使用簡(jiǎn)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(jiǎn)圖頁(yè)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(jiǎn)圖頁(yè)就能觀察到整個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)，而無(wú)需觀察駕駛艙儀表。

2 典型剎車系統(tǒng)簡(jiǎn)圖頁(yè)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(jiǎn)圖頁(yè)設(shè)計(jì)的對(duì)比，分析其簡(jiǎn)圖頁(yè)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(jiǎn)圖頁(yè)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(wú)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(wú)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(jiǎn)圖頁(yè)

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(jiǎn)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(jiǎn)圖頁(yè)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(wú)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(jiǎn)圖頁(yè)

2.3 簡(jiǎn)圖頁(yè)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(jiǎn)圖頁(yè)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(jiǎn)圖頁(yè)設(shè)計(jì)對(duì)比

續(xù)表1

3 簡(jiǎn)圖頁(yè)設(shè)計(jì)優(yōu)化

基于簡(jiǎn)圖頁(yè)設(shè)計(jì)需求和設(shè)計(jì)理念，以及對(duì)典型機(jī)型簡(jiǎn)圖頁(yè)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(wú)法釋放/施加)時(shí)背景顏色變?yōu)榧t色。圖3 簡(jiǎn)圖頁(yè)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

優(yōu)化后的簡(jiǎn)圖頁(yè)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(jiǎn)圖頁(yè)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(jiǎn)圖頁(yè)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(jiǎn)圖頁(yè)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(jiǎn)圖頁(yè)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(jiǎn)圖頁(yè)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(jiǎn)圖頁(yè)就能了解到磨損指針的數(shù)值，無(wú)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(jiǎn)圖頁(yè)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(jiǎn)圖頁(yè)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(jiǎn)圖頁(yè)方案對(duì)比

5 結(jié)論

簡(jiǎn)圖頁(yè)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(jiǎn)圖頁(yè)設(shè)計(jì)，提出一種新型簡(jiǎn)圖頁(yè)設(shè)計(jì)方案。優(yōu)化后的簡(jiǎn)圖頁(yè)更加高效合理，且便于機(jī)組操作使用。