飞机自动刹车系统设计要点分析

刘辉 刘沛

【摘  要】国内正在使用的飞机多数仍然在采用手动的方式进行刹车，而国外的一些民用飞机已经采用了自动的方式进行刹车，这一类刹车可以实现在起飞过程中和着陆滑行中的刹车自动控制。当飞机在准备降落时将自动刹车开关接通，飞机在落地后则会自动接通刹车的控制电路，提供刹车压力，刹车压力根据轮速大小和滑行状态而自动控制。当采集到轮速降低较快时，飞机制动过程中的减速率则判断飞机出现打滑，此时飞机进入防滑过程，飞行员在采用手动方式进行刹车时，往往需要采用点刹的方法才能防止飞机打滑，而自动刹车方式则将飞行员点刹方式改变为飞机自动控制，减少了飞机减速过程中刹车刹爆轮胎的风险。自动控制的另一种应用环境是在起飞阶段，起飞阶段如果飞行员判断由于飞机故障或者是天气原因无法起飞而选择减速时，则无须踩刹车，而是直接将油门手柄收回到慢车油门位置，自动刹车则可以自行输出适宜于轮速的刹车压力，此过程也不需要驾驶员的主动操作，只需要自动刹车控制系统进行控制即可。

【关键词】自动刹车;系统设计;飞机

1 自动刹车的结构组成

通常的情况下，飞机的自动刹车功能通过防滑刹车系统来实现，自动刹车系统是防滑刹车系统的一个子模块，其功能的实现一般需要几个分系统的集成：刹车指令传感器可以将飞行员脚踩刹车的行程大小转变为电信号;刹车控制器则完成飞机的刹车功能和防滑功能;液压伺服阀能够将刹车控制器传出的指令以电流的形式输入，液压伺服阀根据接收到的阀电流输出相应的刹车压力;机轮的轮速传感器用来采集轮速信号，当轮速降低过快时防滑刹车功能发挥作用;刹车装置和机轮是防滑刹车系统的机械组成部分，其结构组成原理。自动刹车挡位选择开关示意图，自动刹车的挡位选择开关通常装在座舱内，不同的挡位对应自动刹车的不同工作状态，不同的工作状态是依据飞行员起飞阶段和着陆阶段来判断的。

2 自动刹车系统存在的设计问题

2.1 稳定性隐患

飞机的自动刹车系统要对飞机减速率误差信号进行控制。飞机的减速率涉及两个组成部分，其中一个部分是飞机实际减速率。实际减速率的计算是通过飞机轮速传感器采集到的轮速信号随时间的变化关系得到的，而设定的减速率信号是计算机进行拟合的减速率信号，二者的差值就是减速率误差信号。减速率信号作为一个加速度变量，受到很多外界因素的影响，因此很容易出现突变，所以使用环境的不稳定因素为减速率的控制增加了不小的难度。人们对自动刹车控制系统的减速率研究仍然不够，体现为减速率控制不够稳定、可靠性不好，往往通过了仿真实验和试飞验证之后稳定性仍然得不到保证，在飞机的实际使用过程中这套加速度控制系统并没有在多种机型中体现出令人满意的自动刹车效果，给飞行员增加了安全隐患。

2.2 控制设计思路缺陷

刹车控制器在设计之初有优先权的考虑。防滑控制设计和自动刹车控制相比，防滑控制优先权更高，即在产生防滑信号则切断自动刹车控制，以防滑刹车控制为主，可以防止因刹车爆胎而无法保证飞机的滑跑安全的情况发生。这样的设计思路虽然可以保证飞机的滑跑安全，但造成了防滑控制回路对刹车压力的大幅度高频调整，且周期长、刹车效率低。由于防滑状态有一定的不可预知性，若只以出现防滑信号为判断依据来实现防滑功能，相对于自动刹车的优先控制而言，刹车系统的稳定性和自动刹车过程的平稳性存在不足。

3.自动刹车系统设计方案创新

3.1 设计方案分析

通过对挡位的控制可以调节最大刹车压力的初始上限值的限制，随着挡位的提高，刹车压力的上限制也随之提高。这种设计方案的更改可以有效解决防滑刹车介入次数多的问题，也可以改善刹车压力调节不准确、刹车压力调整不及时的问题，提升了刹车系统稳定性和飞机滑行的平稳性。这种设计方案的改良和创新弥补了系统辨识困难、修正难度大等缺陷，显著地提高了防滑刹车的防滑效率。

3.2 模型建立与仿真情况

对某型飞机的自动刹车系统设计方案进行创新设计后，采用仿真的实验方法对自动刹车控制系统进行建模，对飞机的特定行驶过程特点进行拟合，研究了飞机着陆初期自动刹车过程的仿真情况。设定初始的刹车速度为276km/h，设定每个挡位的减速率不同，低擋、中挡以及高挡分别设定为1.7m/s2/2.5m/s2和3.5m/s2，把接收到的来自导航系统的减速率解算出飞机的实际速度信号，并采取一定的滤波措施。减速率设置为低挡、跑道的路面比较干燥的情况下某型飞机刹车过程仿真曲线。飞机着陆后刹车伊始，刹车还没有起作用，飞机速度与机轮轮速传感器所采集的机轮地速相差无几，二者都比目标减速率要低，出现这种仿真结果的原因是飞行员将减速率选择至一挡，因此在飞行员没有进行主动刹车的情况下在速度较大的状态仍然受到较大的风阻，因此不踩刹车的情况下实际减速率仍然要高于目标减速率。随着刹车时间的增加和进程的延长，飞机的实际速度与目标速度非常接近，从曲线上看已经基本重合，飞机的速度要比机轮速度稍高。从曲线可以看出这种设计思路的更改提高了飞机对减速率的控制，选择较低的自动刹车挡位又使得驾驶员在踩刹车时只输出较低的刹车压力，使机轮速度略低于飞机速度就已经满足了减速率的控制要求。除此之外，跑道比较干燥是整个刹车过程机轮未发生打滑现象的原因，跑道的摩擦阻力大，刹车较轻，因此未出现打滑。但也存在一个刹车时间长的缺陷，这是由于自动刹车减速率挡位设置较低引起的，如果遇到跑道较短的情况，则有冲出跑道的危险。

参考文献：

[1]刘泽华，贾爱绒，谢彦，等.飞机自动刹车系统仿真验证技术[J]. 航空科学技术，2014，25（4：62-68.

（作者单位：西安航空制动科技有限公司）