楊 鵬∕YANG Peng

(上海飛機設計研究院，上海201210)

民用飛機剎車系統接地保護、鎖輪保護和滑水保護研究

楊 鵬∕YANG Peng

(上海飛機設計研究院，上海201210)

介紹了民用飛機剎車系統的三個保護功能，即接地保護、鎖輪保護和滑水保護功能，這三者雖然是剎車防滑功能的輔助功能，卻對飛機的安全性和操作性有著重要影響。針對三個保護功能，分別分析了其設置目的、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，進行了定性的安全性FHA需求分析。同時，對于控制邏輯相對復雜的鎖輪保護功能，對比分析了兩種不同控制方案，并給出了結論。

剎車系統；接地保護；鎖輪保護；滑水保護；邏輯；FHA

0 引言

剎車系統作為民用飛機的重要組成部分，承擔著使飛機在滑行、中斷起飛和著陸過程中安全減速的重要作用。最初，機輪剎車系統不具有防滑功能。為了防止機輪抱死和減少輪胎磨損[1]，二十世紀五十年代,英國鄧祿普公司發(fā)明了防滑剎車系統。隨著飛機的起飛、著陸速度逐漸提高，對防滑系統提出了更高的需求，要求防滑系統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Hydro-Aire公司是其中的先行者和佼佼者，其開發(fā)的MARK系列自二十世紀至今已經有五代[2]，即MARK I～MARK V，廣泛應用于飛機中，隨著對飛機安全性和操縱性等要求的進一步提高，飛機剎車系統實現了接地保護、鎖輪保護和滑水保護等功能，這些功能作為防滑系統的輔助功能，同樣承擔著特定工況下防止機輪抱死和輪胎爆胎的作用[3]?；诖?，本文以具有2個自動轉動的前機輪和左右主起落架上的各2個共4個剎車主機輪的典型三點式起落架為例，著重描述了這三個輔助功能的工作狀況、控制邏輯，并進行了初步的定性FHA安全性分析。對于相對復雜的鎖輪保護功能，還分析了兩種不同控制方案。

1 接地保護

1.1 接地保護的工作階段及作用

飛機在空中時，機輪是靜止的。在著陸時的接地瞬間，速度比較大，此時如果機輪上有剎車壓力(如著陸前飛行員就已經腳踩剎車腳蹬、飛行員已設置自動剎車指令等)，機輪來不及快速起轉，就有很大概率導致出現輪胎爆破，且可能是多個輪胎同時爆破。根據當前飛機主起落架布置，考慮剎車機輪所在起落架支柱上布置的剎車管路和電纜，很難避免因多個輪胎爆破而造成的剎車功能全部喪失等影響，而導致出現災難級事件。在飛機設計時，根據CS§25.734[4]和SAE ARP 4761[5]，要求不能因輪胎爆破而導致發(fā)生災難級事件。因此必須在飛機著陸時增加相應的保護動作，即接地保護功能。

1.2 接地保護的控制邏輯

根據設置接地保護功能的目的，需要在著陸時使所有機輪上剎車壓力為零(即使此時飛行員已經腳踩剎車腳蹬給出剎車指令)，使機輪隨飛機而自由滾轉加速。當機輪加速到一定值時，或者飛機已經在地面上無剎車著陸一段時間后，再對機輪正常供壓，實施剎車動作。

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

根據以上分析，接地保護的執(zhí)行狀態(tài)控制邏輯為：

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

其中，t接地為接地的時間閾值，如可以設為2s～5s；V接地為參考輪速的速度閾值，根據飛機實際參數及著陸場長等指標進行選取，如30kn(1.852km/h)、60kn等；參考輪速是用于判斷飛機機輪輪速的參考值，如可以使用四個機輪輪速的平均值，也可以使用四個機輪輪速的最小值等。

通過以上邏輯，就可以使飛機在空中時以及在接地的t接地時間內且飛機參考輪速尚未上升到V接地閾值時，使機輪剎車壓力為零。

相應地，當滿足飛機在地面上，且接地時間大于t接地或者參考輪速大于V接地閾值時，就可以抑制接地保護功能，使飛機正常供壓進行剎車動作。

1.3 接地保護的FHA分析

FHA為功能危害性分析，是對飛機系統功能的安全性進行定性評估的一種方法，考量的是系統故障后對飛機的影響，分為災難級(I級，機毀人亡)、危險級(II級，機體結構部分損壞或者人員少量傷亡)、較大級(III級，較大降低飛機性能或者人員受傷)、較小級(IV級，輕微降低飛機性能或者人員不舒服)和無影響(V級，人員不方便)，詳見SAE ARP 4761。

一個系統的功能故障一般分為兩類：功能喪失和功能非指令作動。功能喪失即功能無法使用，功能非指令作動是指在飛機不需要此執(zhí)行此功能，或者飛行員未下達執(zhí)行指令時，此功能卻自動執(zhí)行。其中，對于功能喪失，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，會在駕駛艙種通過告警信息告知飛行員，從而使飛行員可以提前做好準備；未通告的功能喪失是指在功能喪失后，飛行員無法收到告警信息，只可能在由于功能喪失而對飛機造成影響后才可能感知到。

根據以上分析原則，考慮接地保護功能的工作機理，可知：當著陸前接地保護功能喪失且告知飛行員時，飛行員可以有意識地不踩剎車腳蹬，且不打開自動剎車功能，從而使著陸時不帶剎車壓力著陸，當已接地t接地時間后，再執(zhí)行剎車動作，因為t接地時間比較短，不會使飛機因著陸距離過長而沖出跑道，因此定位III級；當著陸前接地保護功能喪失且未告知飛行員時，飛行員如果腳踩剎車腳蹬或者設置自動剎車指令，則會在著陸時帶剎車，這樣有很大概率導致多個輪胎爆破，進而導致完全喪失剎車功能等影響，因此定為I級；當在地面上非指令地執(zhí)行接地保護功能時，會使剎車系統喪失供壓而完全喪失剎車功能，因此定為I級。

因此接地保護功能的FHA應為如下三條：

1)著陸前通告的喪失接地保護功能，III級；

2)著陸前未通告的喪失接地保護功能，I級；

3)非指令的接地保護功能，I級。

2 鎖輪保護

2.1 鎖輪保護的工作階段及作用

由于實際跑道路面情況多變，飛機氣動力也在調整，同時可能還存在側風等情況，因此輪胎與地面的摩擦系數也在不停地變化中，這就會對防滑系統的工作帶來極強的非線性。因此，實際剎車過程中，就可能出現某個機輪由于防滑工作不夠及時而導致的打滑現象。當出現打滑時，機輪由滑動摩擦逐漸變?yōu)闈L動摩擦，這會降低整個飛機的剎車能力，增大剎車距離。同時，由于對應另一側起落架上的剎車能力不變，因而會由于力矩不平衡而導致可能出現飛機偏轉，甚至沖出跑道，帶來嚴重后果。因此，需要在剎車系統中增加對打滑機輪的保護動作，即鎖輪保護功能。

2.2 鎖輪保護配對機輪選擇方案對比分析

根據設置鎖輪保護功能的目的，一般選擇一個配對機輪作為參考對象，通過比較配對機輪輪速與目標機輪的輪速，當目標機輪的輪速比其配對機輪輪速低于一定比例時，就認為此機輪發(fā)生了嚴重打滑現象，此時就將其剎車壓力設置為零，使之隨飛機自由滾轉。當其輪速轉上來時，就可以施加剎車壓力，重新執(zhí)行剎車動作。

對于配對機輪的選擇，一般有兩種方案，其中方案A選擇同側主起落架上的機輪作為配對機輪，即左內機輪與左外機輪作為一對配對機輪，右內機輪與右外機輪作為一對配對機輪；方案B選擇另一側主起落架上的鏡像機輪作為配對機輪，即左內機輪與右內機輪作為一對配對機輪，左外機輪與右外機輪作為一對配對機輪。在正常情況下，兩種方案都可以在某一機輪打滑到一定程度時執(zhí)行鎖輪保護功能，效果也是一樣的。但是，當出現以下兩種非正常情況時，兩種方案就會有區(qū)別。

1)情況1：當同側兩個機輪同時打滑時，如跑道上某處有積水，此時方案A無法執(zhí)行，方案B仍可以執(zhí)行鎖輪保護。相對來說，左右兩側機輪由于積水同時打滑的概率就小得多。

2)情況2：當某一機輪輪速信號故障時，如輪速傳感器故障，導致非指令地執(zhí)行了鎖輪保護功能，切掉配對機輪的剎車壓力，此時如果按照方案A，可能導致同側兩個機輪無法剎車，或者同側一個機輪無法剎車、一個機輪無法防滑的情況，飛機可能出現嚴重的偏轉；而方案B則可能出現左右各一個機輪無法剎車，或者左右一個機輪無法剎車、一個機輪無法防滑的情況，由于是左右各一個機輪剎車故障，因此偏轉影響比較小。

綜上，方案B更有效。

2.3 鎖輪保護的控制邏輯

根據以上分析，選擇方案B對每一個剎車機輪執(zhí)行鎖輪保護。鎖輪保護功能的邏輯共分為兩種情況：執(zhí)行狀態(tài)和解除狀態(tài)。

針對每一機輪的鎖輪保護的執(zhí)行狀態(tài)控制邏輯為：

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

其中X鎖輪%為機輪輪速為與配對機輪輪速的比例閾值，如可以設為20%～50%；V鎖輪為配對機輪輪速閾值，只有在配對機輪輪速大于此閾值時才能執(zhí)行鎖輪保護功能，防止在地速時差動剎車轉彎時非指令地執(zhí)行鎖輪保護功能，如可以設為60kn。

當滿足執(zhí)行狀態(tài)邏輯時，就將此機輪上的剎車壓力設為零。當不滿足此邏輯時，就抑制鎖輪保護功能，執(zhí)行正常的剎車動作。

2.4 鎖輪保護的FHA分析

根據FHA分析原則，當鎖輪功能故障且告知飛行員時，飛行員可以輕踩剎車并隨時準備糾偏，定為IV級；當鎖輪保護功能故障且未告知飛行員時，飛機可能出現剎車能力降低和偏轉，定為III級；當非指令地執(zhí)行鎖輪保護功能時，可能出現比較嚴重的剎車能力降低和偏轉，定為II級。

因此鎖輪保護功能的FHA應為如下三條：

1)通告的喪失鎖輪保護功能，IV級；

2)未通告的喪失鎖輪保護功能，III級；

3)非指令的鎖輪保護功能，II級。

3 滑水保護

3.1 滑水保護的工作階段及作用

當飛機在積水等摩擦系數過低的跑道上中斷起飛或者著陸時，有可能會由于積水等帶來的摩擦系數太低而導致機輪打滑，從而導致無法剎車、剎車能力降低、剎車距離增大，并且導致飛機偏轉。因此，針對這些情況，需要在剎車系統中增加對摩擦系數過低的跑道情況的適應性和保護，即滑水保護。

3.2 滑水保護的控制邏輯

由于飛機在積水等摩擦系數過低的跑道上剎車時，可能出現兩個以上甚至所有機輪一起打滑的情況，因此就不能采用鎖輪保護中配對機輪作為參照的方式，而是需要根據飛機地速進行判斷。飛機地速是指飛機相對地面的相對速度，一般由飛機上的慣導系統提供。當出現某一機輪速度低于地速一定值時，就將此機輪上的剎車壓力降為零，從而使此機輪可以隨飛機自由滾轉；當其輪速上升到地速附近時，就重新施加剎車壓力進行正常剎車。

相應來說，積水等摩擦系數過低的跑道情況比較少，跑道上全程積水等情況出現的概率也比較低，因此只需要在左右主起落架機輪中各選出一個機輪執(zhí)行滑水保護功能即可。本文推薦采用左外輪和右內輪或者左內輪和右外輪的組合，這樣可以覆蓋盡可能多的工況。

因此，針對左外輪和右內輪或者左內輪和右外輪的滑水保護的控制邏輯為：

飛機狀態(tài)指示在地面上且機輪輪速比地速小V滑水且地速大于V滑水。

其中，V滑水為機輪輪速比地速小的差值閾值和地速的閾值，以此來判斷機輪輪速比飛機速度小的程度，地速達到閾值且差值達到閾值時就認為此機輪出現滑水情況，當地速小于閾值時，飛機處于低速階段，不需要執(zhí)行滑水保護，如可以設置為30kn～60kn。

當滿足執(zhí)行狀態(tài)邏輯時，就將此機輪上的剎車壓力設為零。當不滿足此邏輯時，就抑制滑水保護功能，執(zhí)行正常的剎車動作。

3.3 滑水保護的FHA分析

根據FHA分析原則，當滑水功能故障且告知飛行員時，飛行員可以輕踩剎車并隨時準備糾偏，定為IV級；當滑水保護功能故障且未告知飛行員時，飛機可能出現剎車能力降低和偏轉，定為III級；當非指令地執(zhí)行滑水保護功能時，由于僅僅在左右各一個機輪上有滑水保護設置，剎車能力降低和偏轉不會太嚴重，定為III級。

因此滑水保護功能的FHA應為如下三條：

1)通告的喪失滑水保護功能，IV級；

2)未通告的喪失滑水保護功能，III級；

3)非指令的滑水保護功能，III級。

4 結論

本文介紹了飛機剎車系統防滑功能的三個輔助功能：接地保護、鎖輪保護和滑水保護，分析了功能來源、工作階段、工作方式、控制邏輯和定性的安全性要求，并進行了鎖輪保護兩種不同控制方案的對比分析，對于飛機剎車系統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實際飛機的參數和需求進行最優(yōu)選擇，并輔助仿真和可行的試驗進行驗證。

[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.飛機防滑剎車系統的回顧與展望[J]. 航空科學技術，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

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