扭矩法在剎車防滑效率試飛的工程應(yīng)用

胡澤瑋

摘? 要：剎車系統(tǒng)防滑效率的確定是民用飛機剎車系統(tǒng)試飛中的重要科目，其結(jié)果直接影響到民用飛機的使用。該文采用扭矩法來驗證民用飛機剎車系統(tǒng)防滑效率，提出了利用止轉(zhuǎn)剎車試驗的數(shù)據(jù)計算機輪慣性矩的新思路，并通過該方法應(yīng)用于ARJ21-700飛機的數(shù)據(jù)處理當(dāng)中，結(jié)果證明采用扭矩法得到的結(jié)果是可信的，扭矩法能夠應(yīng)用于民用飛機剎車防滑效率試飛驗證。此技術(shù)對其他同類飛機具有通用性，對于今后民用飛機在剎車系統(tǒng)妨礙效率試飛具有參考價值。

關(guān)鍵詞：民用飛機? 適航審定? 剎車防滑效率? 扭矩法? 試飛技術(shù)

中圖分類號：V217+.1? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼：A文章編號：1672-3791（2021）03（c）-0076-03

Engineering Application of Torque Method in Flight Test of Brake Anti-slip Efficiency

HU Zewei

（Chinese Flight Test Establishment， Xi'an， Shaanxi Province， 710000? China）

Abstract： The determination of anti-skid efficiency of braking system is an important subject in the flight test of civil aircraft braking system， and its results directly affect the use of civil aircraft. In this paper， the torque method is used to verify the anti-skid efficiency of civil aircraft braking system， and a new idea of calculating wheel inertia moment by using the data of non rotation braking test is proposed. The method is applied to the data processing of ARJ21-700 aircraft. The results show that the results obtained by the torque method are reliable， and the torque method can be applied to the flight test verification of anti-skid efficiency of civil aircraft braking. This technology is universal to other similar aircraft， and has reference value for future civil aircraft in the efficiency test of brake system in China.

Key Words： Civil aircraft; Airworthiness certification; Brake anti-slip efficiency; Torque method; Flight test technology

系統(tǒng)防滑效率的確定是民用飛機剎車系統(tǒng)試飛中的重要科目。CCAR25R4中規(guī)定，地面最大剎車摩擦系數(shù)必須考慮濕跑道上防滑系統(tǒng)的效率并加以調(diào)整。必須在平整濕跑道上進行飛行試驗演示防滑系統(tǒng)的工作，并且必須確定它的效率[1]。在防滑系統(tǒng)效率的試飛試驗中，AC25-7C中推薦了兩種可接受的方法，即機輪滑動法和扭矩法[2]。該文首次采用扭矩法來驗證民用飛機剎車系統(tǒng)防滑效率，對該方法的試飛方法和數(shù)據(jù)處理方法進行了詳細(xì)的論證。

1? 剎車防滑效率試飛方法

在扭矩法剎車防滑效率試飛中，采用濕跑道中斷起飛的試飛方法[3]。根據(jù)適航條款要求，每一構(gòu)型進行3次完整剎停。由于試驗?zāi)康氖球炞C飛機防滑系統(tǒng)效率，因此被試飛機重量選擇飛機運營的正常重量，驗證重量應(yīng)大大低于最大能量終止起飛的邊界重量。在必要時，可按照飛機重量自大至小的順序安排試驗。飛機重心因使用最臨界的重心位置。機翼襟縫翼處于起飛位置。

由于試驗?zāi)康氖球炞C飛機防滑系統(tǒng)效率，因此采用濕跑道全發(fā)加速停止距離試驗方法即可[4]：全發(fā)工作情況下，飛機加速到V1，飛行員在V1時采取第一個中斷起飛的動作，并陸續(xù)采取之后的中斷起飛動作，直至飛機完全停下來。在中斷起飛中，可以使用擾流板、反推減速。試飛員需對防滑系統(tǒng)相應(yīng)特性及飛機的操縱性給出定評評述，評述內(nèi)容需包括飛機起落架有無異常動態(tài)特性;飛機航跡是否基本為直線，是否受跑道接縫、水坑及積水區(qū)位置和范圍的影響。

2? 扭矩法確定剎車防滑效率試飛數(shù)據(jù)處理方法

扭矩法，其原理是將飛機著陸和剎停過程中剎車盤所實際吸收的能量，與在實際剎車過程中對瞬時剎車力的曲線峰值形成的曲線的積分計算出的能量進行比較，由此確定防滑系統(tǒng)的效率（見圖1） 。在整個剎車過程中，剎車盤吸收的全部能量，可通過瞬時剎車力的積分來計算[5]。

獲得跑道剎停試驗的數(shù)據(jù)后，可通過下列關(guān)系式計算出瞬時剎車力：

（1）

式（1）中：Fb為地面對機輪的剎車力;Tb為剎車系統(tǒng)對機輪的剎車扭矩;a為機輪加速度;I為機輪和輪胎慣性矩;Rtire為輪胎半徑。

對于無法直接測量剎車扭矩的那些剎車安裝，如果存在合適的關(guān)聯(lián)性，可由其他參數(shù)（如剎車壓力）來確定扭矩，應(yīng)在整個剎停距離上對瞬時剎車力和峰值剎車力進行積分。用于確定跑道加速-停止距離的防滑效率值是瞬時剎車力積分與峰值剎車力積分之比值為：

（2）

剎停距離定義為在特定的跑道上進行剎停演示驗證過程中所經(jīng)過的距離，從達到滿剎車形態(tài)起至出現(xiàn)防滑循環(huán)的最低速度為止（即剎車尚未處于扭矩受限狀態(tài)） ，但該速度不需要小于10 kn。

對于扭矩法，需要得到剎車扭矩、機輪加速度、機輪和輪胎慣性矩和輪胎半徑，以此來計算得到剎車力。

對于剎車扭矩，當(dāng)無法直接測量剎車扭矩時，可由其他參數(shù)（如剎車壓力）來確定扭矩?？赏ㄟ^以下公式計算出剎車扭矩：

（3）

式（3）中：Pb為剎車壓力。

為便于工程計算，這里假設(shè)剎車系統(tǒng)對機輪的剎車力臂為輪胎半徑。

對于機輪加速度，可由機輪速度的一階導(dǎo)數(shù)計算。在工程計算中，由于剎車防滑效率試驗的數(shù)據(jù)采樣率至少為每秒采樣16次[6]，絕大部分情況為每秒采樣32次，因此可以用很小時間步長內(nèi)的速度增量來計算一階導(dǎo)數(shù)，即：

式中：ω為機輪角速度;V為機輪輪速;t為采樣一次時間。

對于機輪和輪胎的轉(zhuǎn)動慣量，若采用飛行試驗方法直接測量，有一定困難[7]，這里采用計算方法得到，公式推導(dǎo)如下：

（5）

當(dāng)飛機進行止轉(zhuǎn)剎車試驗時，機輪已經(jīng)離開地面，不受地面剎車力作用，此時Fb為零。

所以有：

（6）

將計算得到的I和其他參數(shù)帶入公式（1），得到公式（7）：

（7）

通過公式（7）可以計算出剎車力。之后，通過GPS數(shù)據(jù)計算出飛機的剎停距離，在整個剎停距離上對瞬時剎車力和峰值剎車力進行積分，并計算瞬時剎車力積分與峰值剎車力積分的比值，就可以計算出跑道加速—止距離的防滑效率值。

3? 試驗算例分析

使用以上介紹的扭矩法，現(xiàn)對ARJ21-700飛機的剎車防滑效率進行計算。該型飛機最大輪胎壓力為140 psi，剎車機輪總共有4個，編號分別為機輪1、機輪2、機輪3、機輪4，試驗時跑道為平整濕跑道，輪胎表面狀態(tài)為正常使用狀態(tài)。機輪1的瞬時剎車力和剎車力峰值見圖2。

利用扭矩法計算防滑效率的最終計算的結(jié)果如表1所示，并列出ARJ21-700飛機試飛中利用機輪滑移法計算出的剎車防滑效率，對兩種方法計算出的剎車防滑效率進行對比。

從表1可以看出，兩種方法得到的剎車防滑效率均滿足剎車防滑效率不小于92%的指標(biāo)要求。扭矩法得出剎車防滑效率與機輪滑移法得出的相差不大，證明采用扭矩法得到的結(jié)果是可信的。且扭矩法得出剎車防滑效率更偏保守。

4? 結(jié)語

剎車系統(tǒng)防滑效率的確定是民用飛機剎車系統(tǒng)試飛中的重要科目，其結(jié)果直接影響到民用飛機的使用。該文以此為主旨，提出了通過扭矩法來考核民用飛機剎車系統(tǒng)防滑效率的一種試飛法，主要研究了針對該方法的數(shù)據(jù)處理方法，在數(shù)據(jù)處理方法上進行了創(chuàng)新，提出了利用止轉(zhuǎn)剎車試驗的數(shù)據(jù)計算機輪慣性矩的新思路，并通過該方法應(yīng)用于民用飛機的數(shù)據(jù)處理當(dāng)中。此技術(shù)對其他同類飛機具有通用性，可對其他飛機在該方面的試飛提供良好的技術(shù)支持，對于今后民用飛機在該方面的試飛具有一定的參考價值。

參考文獻

[1] 楊磊.運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)25.1533條款及其符合性驗證方法[J].科技視界，2017（11）：95，234.

[2] 張妙嬋.民用運輸機最大剎車能量加速-停止距離相關(guān)條款及審查關(guān)注點[J].民航學(xué)報，2021（1）：51-54，58.

[3] 劉旭.飛機滑跑剎車減速原理與安全高效分析[J].科技經(jīng)濟導(dǎo)刊，2020（23）：42-43.

[4] 許諍.考慮道面平整度的飛機輪胎滑水安全問題研究[D].中國民航大學(xué)，2019.

[5] 閆珅.大型飛機污染跑道起降性能和飛行操作適航標(biāo)準(zhǔn)研究[D].南京航空航天大學(xué)，2019.

[6] 羅林.飛機剎車系統(tǒng)半實物仿真研究[D].西華大學(xué)，2016.

[7] 邱朝群.運輸類飛機適航標(biāo)準(zhǔn)中的速度研究及應(yīng)用[J].航空科學(xué)技術(shù)，2018（4）：67-72.