飞机刹车系统动力模拟试验方法的探讨

吴华伟 陈特放 黄伟明 胡春凯 阳 波

（1.中南大学信息工程学院，湖南 长沙 410083；2.中南大学航空航天学院，湖南 长沙 410083；3.成都飞机设计研究所，四川 成都 610041）

随着现代社会的发展，尤其在民机方面，人们对飞机的安全性、可靠性、舒适性及全天候起降要求越来越高。良好的制动性能是飞机安全的重要保障，飞机防滑刹车系统就是在各种跑道状态下最大限度合理利用地面所能提供的结合力矩，使飞机安全平稳的制动。

地面动力惯性台模拟试验是装机前最为重要的验证手段和飞机整体着陆性能确定的主要数据来源。如何进行动力试验模拟外场跑道状态，目前国内还无统一和明确的对应方法，特别在民机方面，国内飞机刹车系统制造厂商动力试验方法也尚无明确的规定。根据飞机制造商的统计，近年来发生的事故和事故征候主要类型为冲出跑道。其中大部分发生在湿跑道和污染跑道的着陆[1、2]。

1 跑道状态定义

通常将飞机跑道表面状态分为：干、湿（潮湿、积水等）和污染（雪、冰、油液、橡胶等）等[1]情况。对飞机安全性和稳定性产生影响较大是湿跑道和污染的跑道，由于飞机跑道的特殊性，污染跑道实际制动效果和湿跑道表现形式很相似——轮胎与跑道间的摩擦系数下降，飞机制动距离加长。表1、表2为飞机在湿跑道上着陆的制动效果[1、2]。

由现行相关飞机刹车系统方面的规范和标准[2～12]可知：对飞机在不同的跑道状态上的刹车制动性能要求，主要集中定性要求方面，而对湿、冰跑道的详细分类和试验要求没有具体规定和要求。目前国内刹车系统动力试验，主要采取变换轮胎压缩量或载荷（1、1/2、1/4）的方式来模拟干、湿、冰不同跑道状态，这种试验方法比较笼统，不能充分代表外场实际状态。对民机而言，飞机在湿跑道或污染跑道上降落的几率远高于军机，因此，我们需要一套比较完整的动态联试试验模拟方法。

表1 Boeing公司跑道状态描述

表2 刹车效应、道面条件（污染物类型）与摩擦系数之间的关系

2 动力惯性试验

在防滑刹车系统动力试验中，为了尽可能精确地测定系统性能及系统同飞机的协调性，机轮、刹车装置与轮胎等飞机上的部件应采用相应的配套产品；系统所属各种附件应按飞机的相互关系配置连接，液压管路长度与导管弯曲半径应尽量接近飞机上的实际情况；每套刹车装置所吸收的动能、起始刹车速度、刹车压力等试验参数应与飞机上的真实工作参数相同，并应考虑不同的跑道表面状态。根据国内外对跑道状态的要求结合多年从事刹车系统的经历，并结合汽车、刹车材料、刹车机轮等方面的要求，我们制定了一套通过改变轮胎载荷来模拟不同跑道状态的试验方法。表3为动力试验具体要求和类型。

表3 动力试验要求

2.1 动力试验所需参数

着陆载荷G：正常着陆载荷GZL、超载着陆载荷GSC、中止起飞载荷GSZD。

刹车动能A：正常刹车动能AS、超载刹车动能ASC、中止起飞刹车动能ASZD。

着陆速度V：正常着陆速度VZL、正常刹车速度VS、中止起飞刹车速度VSZD。

刹车压力P：正常刹车压力PS，起落架收上刹车压力PSQ，起飞线停机刹车压力PTQ。

轮胎压力Q：正常轮胎充气压力QS，动力试验轮胎修正压力QT。

2.2 试验准备

2.2.1 测定系统压力响应时间

迅速施加近似阶跃的最大刹车压力，测量刹车压力上升和下降时间是否满足使用要求。

2.2.2 刹车盘磨合试验

对于未经磨合的刹车片，须不带防滑刹车系统进行磨合试验，直到机轮的平均刹车力矩达到规定的公差范围内。

2.3 正常着陆动力试验

按表3要求，至少要求进行干跑道（G）、湿跑道或轻度污染跑道（3/4G）、浅积水或污染跑道（1/2G）、薄冰跑道或积水跑道（1/4G）、对于民机或特殊要求的飞机还需进行冰跑道（1/8G）动力试验。此外还应根据需要进行如下项目。

2.3.1 轮间保护试验

系统一侧的速度输入接被试机轮的速度传感器，另一或几侧的速度输入接频率信号发生器（模拟某一频率值）。在动力试验过程中，当受刹机轮的速度低于模拟频率某一值时，系统自动释放受刹机轮的刹车压力。该功能在50±5km/h以下失效。

2.3.2 变载荷试验

由于升力的影响，飞机在着陆过程中轮胎的载荷呈先小后大趋势。

飞机升力一般公式:

式中：Cyh——飞机着陆滑跑时的升力系数；

ρ——当地机场空气密度；

S——机翼面积；

V——飞机速度。

因此在试验过程中，可根据速度与升力的关系，在条件许可下进行变载荷试验。

2.3.3 低速适应性试验

2.3.3.1 1/2正常着陆速度

正常1/4刹车能量，1/2着陆速度下进行试验，并考核刹车效率。

2.3.3.2 低速小能量连续刹车

连续若干次50km/h～80km/h刹车试验，模拟外场低速滑行，要求最大刹车力矩不能变化太大。

2.3.4 高、低电压试验

将刹车系统供电电压分别调为16V和30V情况下，进行一两次着陆载荷系统试验，要求防滑刹车系统应能工作稳定，性能不变。

2.3.5 抗衰退试验

主要考核刹车材料在湿态和热态情况下，刹车材料摩擦性能的稳定性。可随刹车材料一起考核。

2.3.6 多轮试验

对于小车式多轮起落架结构，还需要进行至少双轮同时模拟试验：

一是两刹车主机轮采用相同载荷模拟进行干跑道、湿跑道、积水跑道及冰跑道防滑刹车试验，验证系统对各种跑道的适应性和可靠性；

二是两刹车主机轮采用不同载荷模拟干跑道和湿跑道、积水跑道和冰跑道进行防滑刹车试验，验证系统对多轮飞机的适应性；

三是两刹车主机轮采用相同载荷，刹车速度为二分之一着陆速度时，模拟干跑道、湿跑道进行防滑刹车试验，验证系统对碳刹车机轮的适应性。

2.4 超载着陆动力试验

按主机规定的超载着陆的刹车能量、刹车速度和刹车载荷进行动力试验。试验方法类似2.3。

2.5 中止起飞动力试验

按主机规定的中止起飞的刹车能量、刹车速度和刹车载荷进行动力试验。试验方法类似2.3。

3 评价准则

防滑刹车系统应尽一切努力为湿跑道调好防滑系统，在湿跑道上，防滑控制系统的性能是很关键的，刹车距离不是考虑的唯一因素[5、6]。因此在对防滑刹车系统动力试验进行评价时，我们采用刹车距离、刹车和刹车效率相结合的方法，同时系统工作的稳定性及有无发生机轮刹死倾向也应作为评估系统优劣的指标之一：

一是机轮轮胎载荷大于或等于二分之一（正常、超载、中止起飞）着陆载荷下考核刹车距离；机轮轮胎载荷等于或小于二分之一（正常、超载、中止起飞）着陆载荷下考核防滑性能，电子防滑刹车系统的力矩或压力效率应越高越好。具体见表3中的刹车距离和刹车效率要求。

二是防滑刹车系统防滑工作次数小于或等于3次/秒，要求相同状态下打滑次数越少越好；

三是防滑刹车系统应在整个有效速度范围内，工作可靠，轮胎磨损均匀，不应有卡滞现象出现；

四是轮胎载荷为1/8着陆停机载荷时刹车时间小于或等于4倍的着陆停机载荷刹车时间。其他2/8G和3/8G载荷试验时，时间应更小。

4 试验验证

以某飞机正常着陆状态为例，在大型动力惯性台上以不同的载荷模拟飞机跑道的各种状态下的刹车制动试验。试验条件：刹车速度220 km/h，正常刹车能量9.6 MJ，全载荷65 kN，轮胎充气压力0.784 MPa，动力试验修正充气压力0.894 MPa。试验结果见表4。

从试验过程和表4中可知，整个刹车过程平稳高效，满足主机要求。在以1/7载荷模拟冰跑道状态时，刹车系统任能充分利用跑道与轮胎间的结合力矩，效率达74%以上。动力试验要求和方法合理，较充分的模拟了跑道表面所处的各种状态，防滑刹车系统控制效果理想。

5 结论

通过全面完整的模拟刹车系统所面临的着陆跑道状态，更加严格考核刹车系统性能，为飞机刹车系统动力试验方法进行规范性探索，同时也为飞机全天候起降提供较为全面试验数据，从而提高飞机制动的安全性和可靠性。

表4 某型飞机刹车系统动力试验

[1] INVESTIGATION REPORT199904538，ATSB，1999.

[2] AC–121–FS–2009–33 航空承运人湿跑道和污染跑道运行管理规定[S].

[3] GJB 2879A–2008 飞机机轮防滑刹车控制系统通用规范[S].

[4] GJB 1184A–2005 航空机轮和刹车装置通用规范[S].

[5] HB 6080–1986 飞机机轮防滑刹车控制系统通用技术要求[S].

[6] HB 6761–1993 飞机机轮刹车系统设计要求[S].

[7] HB 6482–1992 起落架系统通用技术要求[S].

[8] GJB 3063–1997 飞机起落架系统通用规范[S].

[9] HB 5648–1981 航空机轮和刹车装置设计规范[S].

[10] GJB 1482–1992 飞机液压系统附件通用规范[S].

[11] CCAR–25–R3 运输类飞机适航标准[S].

[12] CCAR–121FS–R2 大型飞机公共航空运输承运人运行合格审定规则[S].

[13] HB 5434.4–2004 航空机轮摩擦材料试验方法 第四部分 动力试验台刹车性能试验方法[S].

[14] GB/T 9747–2004 航空轮胎动态模拟试验方法[S].

[15] GB 7258–2004 机动车安全运行技术条件[S].

[16] GB 21861–2008 机动车安全技术检验项目和方法[S].

[17] GB 12676–1999 汽车制动系统结构、性能和试验方法[S].

[18] 邓扬晨，张爽等.飞机地面滑行过程中最短滑跑距离的确定[J].航空计算技术，2006，36（1）：71-74.

[19] 张建，李勤红，周晓飞.飞机刹车盘磨损对制动距离的影响研究[J].飞行力学，2009，27（6）:68-71.