民用飛機自動剎車系統(tǒng)設(shè)計研究

費思聰

摘 要：在目前運營的大型民用飛機上，例如波音737，空客A320，自動剎車系統(tǒng)已經(jīng)成為必不可少的系統(tǒng)，自動剎車系統(tǒng)在航線上受到了廣泛的應用。自動剎車系統(tǒng)可以有效縮短剎車停止距離，提供平穩(wěn)的減速，提高乘客的舒適性，并且大大減少了飛行員在起飛著陸階段的工作負擔，因而深受民機飛行員的喜愛。該文簡述了民用飛機自動剎車系統(tǒng)的典型架構(gòu)及其工作方式，簡析了自動剎車系統(tǒng)的設(shè)計要求以及著陸和中止起飛的運行邏輯，說明了自動剎車系統(tǒng)的驗證方法。

關(guān)鍵詞：剎車系統(tǒng)自動剎車 運行邏輯 民用飛機

中圖分類號：TH13 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（a）-0120-03

Abstract：Autobrake System is an essential part of the large civil aircraft.Autobrake system could decrease the brake distance， provide smooth deceleration，and increase passenger comfort.This Paper describes the architecture of civil aircraft Autobrake System，briefly introduces the design requirements and operating logic of Autobrake System，and describes the verification methods.

Key Words：Brake System；Autobrake；Operating Logic；Civil Aircraft

飛機剎車系統(tǒng)在飛機起飛和著陸過程中起著至關(guān)重要的作用，隨著航空工業(yè)技術(shù)的迅速發(fā)展，剎車系統(tǒng)也得到了長足的發(fā)展，自動剎車技術(shù)也成為了研究熱點，現(xiàn)如今幾乎所有的民用飛機剎車系統(tǒng)都設(shè)置有自動剎車系統(tǒng)[1]。自動剎車系統(tǒng)為飛行員在著陸或者起飛過程中提供了自動剎車控制的選擇，對于民用飛機來說，設(shè)置自動剎車系統(tǒng)已成一種趨勢，它對縮短地面剎車距離，提高安全性；減少飛行員的工作負擔；剎車平穩(wěn)、提高乘客舒適性等都有很多好處。在傳統(tǒng)的自動剎車系統(tǒng)基礎(chǔ)上，空客公司研發(fā)出了BTV（Brake to Vacate）技術(shù)，該技術(shù)的應用使自動剎車系統(tǒng)更為智能，可以自動地調(diào)整剎車減速率，并提供在不同跑道下剎車距離的指示。目前國內(nèi)的民機自動剎車系統(tǒng)技術(shù)處于初級階段，仍需進一步的研究。

1 概述

自動剎車系統(tǒng)是在飛機著陸或者中止起飛過程中，一種無需操縱即可實施飛機自動剎車減速的系統(tǒng)。自動剎車系統(tǒng)根據(jù)其系統(tǒng)輸入進行自動剎車控制和剎車壓力施加，按照預先設(shè)定的目標減速率進行減速。

（1）飛機著陸過程中，飛行員在空中設(shè)定自動剎車的減速率等級，當飛機滿足自動剎車邏輯條件時，自動剎車迅速施加剎車壓力，以所選擇的減速率剎停飛機。

（2）飛機起飛高速滑跑時，飛行員在起飛前設(shè)定中止起飛，當飛機滿足中止起飛剎車邏輯條件時，自動剎車迅速施加滿剎車，在有效范圍內(nèi)剎停飛機。

一種典型的自動剎車系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示，該系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：自動剎車選擇開關(guān)，ABS（自動剎車）電子控制單元，ABS液壓模塊（包含切斷閥和伺服控制閥）和梭閥[2]。同時該系統(tǒng)需要外部系統(tǒng)的輸入，例如地面擾流板狀態(tài)，機輪速度信息，防滑系統(tǒng)信息，油門桿狀態(tài)，飛機地面加速度信息，剎車腳蹬行程信息以及飛機輪載信號等等。以飛機著陸為例來說明自動剎車系統(tǒng)工作：飛行員在著陸前，通過自動剎車選擇開關(guān)設(shè)置減速率，ABS電子控制單元判斷自動剎車預位條件，當外部輸入滿足預位邏輯時，自動剎車設(shè)置成功，駕駛艙自動剎車指示燈點亮。在飛機著陸觸地后，ABS電子控制單元判斷外部輸入，當滿足執(zhí)行邏輯時，ABS液壓模塊中的切斷閥打開，伺服控制閥工作，剎車裝置施加剎車壓力，ABS電子控制單元閉環(huán)控制伺服控制閥，保證飛機按選擇的減速率實施剎車。一旦ABS電子控制單元檢測到外部輸入符合解除邏輯，立即控制切斷閥關(guān)閉，伺服控制閥停止工作，駕駛艙自動剎車指示燈熄滅，自動剎車解除。

2 設(shè)計要求和運行邏輯

2.1 自動剎車系統(tǒng)一般應滿足下列設(shè)計要求

（1）自動剎車由飛行員在地面（起飛前）或者空中（著陸前）進行設(shè)定，且在著陸或者中止起飛過程中，對所有剎車機輪自動施加剎車壓力，無需使用飛行員人工操作；

（2）自動剎車系統(tǒng)應對所有的剎車裝置實施同等的剎車壓力；

（3）飛機著陸后，自動剎車應能按照運行邏輯條件，以所選擇的減速率迅速施加剎車壓力，控制飛機平穩(wěn)減速，且能完全剎停飛機；

（4）自動剎車應能補償擾流板、發(fā)動機反推和氣動阻力等因素引起的減速率變化；

（5）飛機起飛高速滑跑，滿足自動剎車邏輯，自動剎車應能迅速施加滿剎車，且能在有效范圍內(nèi)剎停飛機；

（6）剎車系統(tǒng)工作正常時，自動剎車系統(tǒng)才能工作，自動剎車系統(tǒng)應與防滑系統(tǒng)兼容；

（7）自動剎車減速的調(diào)節(jié)應保持平穩(wěn)確保乘客的舒適性；

（8）人工剎車可以超控自動剎車；

（9）滿足相應邏輯時，自動剎車解除。

為了滿足以上設(shè)計要求，自動剎車系統(tǒng)需要設(shè)計適當?shù)目刂七壿嫞@些邏輯分為著陸過程運行邏輯和中止起飛過程運行邏輯，兩種邏輯分別按照預位，執(zhí)行和解除來分析。

2.2 著陸過程運行邏輯

2.2.1 預位

自動剎車選擇開關(guān)閉鎖在選擇的著陸減速率檔位（例如：低、中、高），必須滿足下列全部條件。

（1） 手動設(shè)置自動剎車選擇開關(guān)減速率；

（2） 無解除情況出現(xiàn)。

當自動剎車預位后，自動剎車選擇開關(guān)應保持在所選的檔位，自動剎車指示應顯示當前自動剎車預位狀態(tài)直到自動剎車解除。當解除條件出現(xiàn)或者自動剎車選擇開關(guān)人工旋轉(zhuǎn)到解除檔位（DISARM）時，有自動剎車解除提示。

2.2.2 執(zhí)行

自動剎車處于待命狀態(tài)后，必須滿足下列全部條件，才能按照選擇的減速率等級迅速平穩(wěn)地連續(xù)施加自動剎車，直到解除條件出現(xiàn)或者自動剎車選擇開關(guān)人工旋轉(zhuǎn)到解除檔位。

（1）所有油門桿處于慢車位置；

（2）飛機處于地面狀態(tài)（輪載信號指示地面狀態(tài)）；

（3）機輪充分起轉(zhuǎn)（防止抱死），飛機輪速傳感器檢測輪速信號達到一定速度；

2.2.3 解除

當滿足下列任一條件時，自動剎車必須迅速平穩(wěn)地解除。

（1） 任一剎車腳蹬行程大于預先設(shè)定的著陸狀態(tài)下自動剎車調(diào)定的空行程，例如20%腳蹬行程（人工超控自動剎車）；

（2）當飛機接地后，任一發(fā)動機油門桿移動到非慢車位置；

（3）地面擾流板回收（擾流板已經(jīng)展開后）；

（4）自動剎車系統(tǒng)出現(xiàn)故障（例如飛機的減速率低于所選擇的自動剎車減速率，而自動剎車無法施加剎車壓力）；

（5）防滑系統(tǒng)關(guān)閉或者出現(xiàn)故障；

（6）自動剎車選擇開關(guān)人工旋轉(zhuǎn)到解除檔位。

當自動剎車解除后，剎車壓力應及時解除，自動剎車選擇開關(guān)為非閉鎖狀態(tài)，并且回到解除檔位。

2.3 中止起飛（RTO）過程運行邏輯

2.3.1 預位

自動剎車選擇開關(guān)閉鎖在中止起飛（RTO）檔位，必須滿足下列全部條件。

（1）人工設(shè)置自動剎車選擇開關(guān)至中止起飛檔位；

（2）飛機處于地面狀態(tài)；

（3）自動剎車系統(tǒng)無故障；

（4）防滑系統(tǒng)處于工作狀態(tài)并且無故障；

（5） 機輪速度應小于預定值（保證飛機處于停止或者低速滑行狀態(tài)）。

當自動剎車預位后，自動剎車選擇開關(guān)應保持在中止起飛檔位，當解除條件出現(xiàn)或者自動剎車選擇開關(guān)人工旋轉(zhuǎn)到解除檔位時，有自動剎車解除提示。

2.3.2 執(zhí)行

自動剎車處于待命狀態(tài)后，當下列條件全部出現(xiàn)時，迅速施加滿剎車，并持續(xù)作用，直到解除條件出現(xiàn)或者自動剎車選擇開關(guān)旋轉(zhuǎn)到解除檔位。

（1） 所有的油門桿處于非慢車狀態(tài)，飛機加速使飛機速度超過預先設(shè)定的地面速度閾值（一般為60～100節(jié)）；

（2） 在飛機達到預定的速度閾值之后，所有油門桿回收到慢車位。

2.3.3 解除

當滿足下列任一條件時，自動剎車系統(tǒng)必須迅速解除。

（1）任一剎車腳蹬行程大于預先設(shè)定的中止起飛狀態(tài)下自動剎車調(diào)定的空行程（人工超控自動剎車）；

（2）當飛機處于地面狀態(tài)，自動剎車RTO正在執(zhí)行時，任一發(fā)動機油門桿移動到大于慢車位置；

（3）地面擾流板回收（擾流板已經(jīng)展開后）；

（4）自動剎車系統(tǒng)出現(xiàn)故障（例如無法施加滿剎車）；

（5）防滑系統(tǒng)處于關(guān)閉狀態(tài)或者防滑系統(tǒng)出現(xiàn)故障；

（6）自動剎車選擇開關(guān)人工旋轉(zhuǎn)到解除檔位；

（7）輪載信號處于空中狀態(tài)。

當自動剎車RTO解除后，自動剎車選擇開關(guān)為非閉鎖狀態(tài)，并且回到解除檔位，有自動剎車解除提示。

3 系統(tǒng)驗證方法

自動剎車系統(tǒng)驗證一般通過地面試驗和飛行試驗來驗證。

地面試驗一般分為鐵鳥試驗和機上地面試驗，通過地面試驗我們來驗證自動剎車系統(tǒng)的功能是否符合設(shè)計要求，在飛機首飛前確保其功能正常。飛行試驗是在地面試驗之后針對不同需求進行研發(fā)試飛或者表明符合性試飛，對飛機性能以及符合性進行驗證。

我國民用飛機在適航取證時要根據(jù)CCAR25部向中國民航總局表明飛機對于條款的符合性，對于自動剎車系統(tǒng)，要向局方表明符合性的適航條款[3]主要包括以下幾點。

（1）CCAR25.1301（a）（4）：在安裝后功能正常；

（2）Issue Paper M-6 （a）：飛機的設(shè)備和系統(tǒng)必須設(shè)計及安裝成：①那些型號合格審定或運行規(guī)則所要求的，或者其功能不正常將降低安全性的系統(tǒng)或設(shè)備能在飛機運行和環(huán)境條件下執(zhí)行預定功能；②其它設(shè)備和系統(tǒng)不會對飛機或其乘員，或者對（a）（1）中所覆蓋系統(tǒng)或設(shè)備的正常工作造成不利的安全性影響；

（3）25.735 （e）（2）： 防滑系統(tǒng)如果安裝了防滑系統(tǒng)：，在所有情況下必須優(yōu)先于自動剎車系統(tǒng)；

（4）25.231（a）（1）：機輪剎車工作必須柔和，不得引起任何過度的前翻傾向；

（5）25.735（k）：機輪和剎車組件與飛機及其系統(tǒng)兼容性必須經(jīng)過驗證。

根據(jù)自動剎車系統(tǒng)的特點，我們根據(jù)不同的需求，在不同試驗中來驗證整個自動剎車系統(tǒng)。我們在鐵鳥試驗中驗證其功能特性，通過各種的試驗方法，設(shè)置不同工況來驗證系統(tǒng)設(shè)計的邏輯是否滿足系統(tǒng)設(shè)計要求；對于上述條款中的（1），（2），（3）項，主要是針對自動剎車系統(tǒng)功能的條款，我們可以在鐵鳥試驗或者機上地面試驗中進行驗證，例如通過防滑解除開關(guān)可以手動解除自動剎車[4]，可以說明25.735（c）（2）對于（4），（5）項，需要在飛行試驗的表明符合性試飛中進行驗證；針對自動剎車系統(tǒng)中的不同減速率，我們則通過研發(fā)試飛進行驗證與調(diào)整。

通過對整個自動剎車系統(tǒng)的驗證，我們才能確認其邏輯是否滿足設(shè)計需求，系統(tǒng)功能是否正常，性能是否符合要求，進而我們才能將自動剎車系統(tǒng)寫入飛行員手冊中供飛行員作為操作依據(jù)。

4 結(jié)語

自動剎車系統(tǒng)作為現(xiàn)代民用飛機剎車系統(tǒng)的重要組成部分，已經(jīng)受到越來越多的關(guān)注。在自動剎車系統(tǒng)典型構(gòu)架的基礎(chǔ)上，各大主制造商已經(jīng)研發(fā)出了各種架構(gòu)，對于自動剎車的設(shè)計也提出了更多的要求。在自動剎車系統(tǒng)未來的發(fā)展方向中，剎車距離與實時跑道的情況是研究熱點，飛機根據(jù)飛行員設(shè)置的剎車停止位置來自動調(diào)節(jié)剎車減速率，或者根據(jù)不同跑道的場長，自動計算出最優(yōu)減速率，使飛機的安全性與舒適性達到最優(yōu)的平衡，自動剎車系統(tǒng)在這些方面還有很大的發(fā)展空間，需要進一步深入的研究。

參考文獻

[1] 劉澤華，李振水，賈愛絨，等.大型飛機機輪剎車系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢[C].中國航空學會，2013

[2] SAE ARP1907，Automatic Braking Systems Requirements[S].2001.

[3] CCAR-25-R4，運輸類飛機適航標準[S]. 2011.

[4] 王浩.民用飛機剎車系統(tǒng)適航符合性考慮[J].科技資訊，2013（13）：76-77.