[科普中国]-飞机防滑刹车

用途

飞机防滑刹车系统作为飞机重要的机载设备，对飞机的起飞、安全着陆、持续作战和适应机场的能力等方面起着重要的作用，刹车系统性能的好坏直接影响到飞机及机载人员的安全。由于飞机着陆过程持续的时间比较短，所以要求防滑刹车系统必须安全、反应迅速，以确保飞机安全刹车。1

发展历程防滑刹车系统在飞机上使用经历了这样一个过程。按照防滑刹车系统发展先后顺序来分：从最开始的继电开关式开始，历经继电调节式、模拟式机轮速度或滑移误差控制系统、数字式多余度滑移速度误差、压力偏调型电子自动防滑刹车控制系统的发展，到目前的全电刹车系统以及电静液刹车系统等。按照年限来区分可分为：20世纪10年代，飞机上首次使用机轮刹车技术；20世纪20年代，飞机普遍采用机轮刹车技术；20世纪30年代，飞机开始采用液压刹车系统；20世纪40年代，飞机开始采用盘式刹车装置；20世纪50年代，英国Dunlop公司发明了防滑刹车系统，这是一种机械式防滑刹车系统，当时在西欧的旅客机上被广泛采用；20世纪60年代，模拟式电子防滑刹车系统开始出现旧。随后在20世纪70年代后期，出现了数字式防滑刹车系统。按照使用的能量来源又可分为：液压防滑刹车系统、全电防滑刹车系统和电静液防滑刹车系统。1

系统模型分析要建立飞机防滑刹车系统整体的数学模型，就必须综合考虑飞机机体、机轮、轮胎、传感器等因素。系统模型主要包括飞机机体动力学模型、机轮动力学模型、轮胎和跑道间结合系数模型、结合力矩计算单元模型、作动器模型、刹车装置模型以及防滑控制盒模型等组成。要建立整个系统的模型，就必须考虑各部分的作用以及各部分相互之间的关系。下面在逐一介绍飞机防滑刹车系统各部分数学模型的基础上，建立整个系统的动力学模型。

在建立系统模型之前先作如下假设。

(1)将飞机视为理想刚体，不考虑弹性变形，机体简化为一质点。

(2)由于飞机在地面着陆过程中，发动机呈慢车推力状态，所以不考虑发动机转子产生的陀螺力矩。

(3)飞机在地面滑跑有6个方向的运动，假设飞机滑跑时没有侧风或侧风很小，飞机两边跑道状态完全对称，这样就可以将飞机简化为3个自由度的运动体，即纵向、垂直方向和俯仰运动。

(4)主起落架等效为一变长度的悬臂量。轮胎只考虑其垂直变形，无侧向变形。

(5)假定所有受刹机轮的刹车机构性能一致，且同步控制。所有机轮的刹车控制就可以简化为单轮单通道机轮的控制。1

控制方式机械控制方式机械式防滑刹车控制方式是刹车系统最早采用的刹车控制方式，起源于20世纪50年代，英国Dunlop公司发明的采用转速表控制刹车的机械式防滑刹车系统，并取名为Maxaret系统，当时在西欧的旅客机上被广为使。1

模拟控制方式20世纪60年代，随着电子技术的发展，模拟式防滑刹车系统开始出现，最著名的模拟式控制系统是美国HydroAire公司的MARK系列和英国的OSCAR系列，其中又以MARK系列更为典型。MARK系列发展至今，已经从最初的MARK I型已发展到目前最先进的MARKV型。

模拟式控制系统中使用微分电路计算机轮的速度变化率。与惯性机械式的系统一样，模拟式控制系统被控量也是机轮的减速度，但是从MARK I开始已把控制律由“开关式”改为“调节式”，每次松刹车时不用像MARK I型那样使刹车压力回零，因此，MARK I型的刹车效率相对MARK I提高了很多，且刹车变得更加平稳。在MARK I型研制阶段，防滑系统首次增加了机轮防抱死、接地保护、扰流板作动、机轮防加速旋转、前轮防滑等辅助功能。美国现役较先进的战斗机F-16、F-18装备的是模拟式防滑刹车系统。2

数字控制方式20世纪80年代，HydroAire公司在波音757和767上使用世界上第一个使用微处理器的数字式防滑刹车控制系统-MARKⅣ型防滑刹车刹车系统。进入2000年以来，防滑刹车系统的发展比较活跃，飞机防滑刹车控制技术的研究，开始转向高性能控制CPU和先进控制算法结合的方向。1