[科普中国]-机轮刹车系统

简介

飞机机轮刹车系统包括两部分产品，一部分是刹车机轮，有时简称为机轮，一部分是刹车控制系统，也简称为刹车系统。刹车机轮由支撑飞机进行地面运动的机轮和在制动过程中吸收转化飞机动能的刹车装置构成。刹车控制系统则包含液压、机械、电器、电子部件，以操纵控制刹车装置的制动状态。1

机轮和刹车装置设计最早的飞机机轮与汽车轮子类似，上世纪四十年代开始大量使用铸镁合金机轮，六十年代开始使用锻铝合金机轮，八十年代应用了精密模锻铝合金机轮。早期的机轮结构一般是轮毂加活动轮缘结构，八十年代以后对开式结构越来越多。

最初的飞机刹车装置是气压作动的。早期的设计包含摩擦块、制动鼓和气压胶囊，用气压胶囊对摩擦块加力，使摩擦块压紧制动鼓，形成摩擦力。后来卡钳盘式刹车被引入，类似于现代轿车上使用的刹车装置，其初期也是气压作动。第二次世界大战开始后，航空工业趋向于应用液压系统、盘式刹车和高压轮胎，使飞机适合于使用专用跑道，起降效率提高，成为快速打击敌人的制胜法宝。

早期的起落架是不收起的，二战前飞机机轮的尺寸非常大。随着飞机速度的提高，就需要收起起落架，这意味着机轮必须变小，相应的刹车装置可得到的空间变小，必须替代单动盘刹车，在同一轴线上并排放置多个动盘，当然动盘之间装有静盘。这种多盘式刹车设计多年来没有明显的改变，尽管刹车材料和刹车系统设计取得了巨大进步。

早期的刹车热库用酚醛树脂基材料制造，后来用铜基材料制造，再后来用铁基材料制造。在碳刹车出现之前，包括铜基材料刹车盘和铁基材料刹车盘的钢刹车一直受到青睐。碳刹车先用于军机，后在民机上应用，1972 年开始用于协和飞机。碳刹车的主要优点是显著比钢刹车轻，有更高的能量吸收能力，在高温下性能不衰减。如果协和飞机不用碳刹车，将显著影响飞机起飞重量，将不能满载荷飞行伦敦到纽约航线。

碳刹车不利的方面包括体积大，比等效的钢刹车需要更大的机轮毂部空间；碳材料容易受潮，吸水性强，潮湿碳盘的动摩擦系数将显著下降；制造成本更高，钢刹车费用约为碳刹车的三分之二。经过多年努力，碳刹车价格在持续下降，但是仍然有一些案例很适合于钢刹车，尤其是短途运输作业。ABSC 公司认为，一般来说如果飞机的平均行程小于等于 2.5 小时，那么钢刹车就可作为商业运输的候选方案。

钢刹车设计有重要的优点。相对于碳刹车它能够在可得到的包线内做得更大。通过技术改进，以前每次大修达到 1000 起落的钢刹车现在打算被设计达到大约2000 起落，与同等功能的碳刹车的寿命相当。1

刹车系统设计最早的飞机刹车系统是没有防滑功能的，所以在湿态和冰冻跑道条件下刹车很容易锁死，导致轮胎打滑，刹车效率低下。这引起 ABSC、Westinghouse、Hydro Aire和 Dunlop Aviation 等公司的重视，从上个世纪四十年代开始都研究其防滑刹车系统。

1950 年 Dunlop Aviation 首先发明了一种机械防滑系统，被命名为 Maxaret, 其中有一个比较重的小盘，与机轮轮辋接触转动。当小盘与机轮之间的相对运动显示机轮出现锁死时，刹车系统的液压力就被释放，从而防止机轮打滑，避免轮胎爆破。这种系统常常被称作“开关”（on-off）系统 , 系统提供的是脉冲刹车压力。

上世纪六十年代，Hydro Aire 研制了 Mark Ⅱ调制防滑刹车系统，也叫固定减速率控制系统，使刹车系统的刹车效率从约 60% 提高到 70%-85%。

1973 年引入的 Mark Ⅲ系统是基于一种模拟式闭合电路反馈的防滑控制系统，该系统的刹车效率达到90%。这种防滑系统包含计量阀、双通道防滑阀（ASV）、机轮速度传感器（WST）、刹车控制单元（BCU）等。

1978 年 Hydro Aire 在 B767 等飞机上引入了其第一种数字式防滑刹车系统，被称为 Mark IV 系统。数字式 Mark IV 控制运算法则在非常苛求的条件下提供了高度适应的控制，并且在所有跑道条件下稳定地提供较高的刹车效率。右上图显示了一种典型的数字式 Mark IV传统四轮防滑刹车的控制架构。踩刹车脚蹬就会给计量阀发送机械指令。控制单元处理安装在轴上的机轮速度传感器的信号，给防滑阀提供一个防滑校正信号，减少指令压力，形成一个保证最大刹车力的刹车压力指令，峰值可利用机轮 / 跑道滑动速率得到。

上述所有系统都依靠机械的或者液压机械的方法实现驾驶员刹车脚蹬与刹车装置的联系。而在应用Mark V电传刹车系统的情况下，主要的刹车控制通过电气化方法操纵，尽管还附带机械式备用系统。该种系统的刹车效率可达到 98%。电传刹车设计技术已应用于多种空客飞机，新一代 A340-500、A340-600 和 A380飞机安装了 Messier Bugatti 的全电传刹车系统，没有液压机械备用系统。近年来全电传刹车系统被大量配套于新一代军用飞机。

右图显示了 Hydro-Aire 典型的 Mark V 四轮电传刹车控制架构，应用于大多数支线喷气飞机。脚蹬位置从LVDT 得到，给刹车控制单元输入一个电指令。在地面上刹车控制单元给断流阀提供输出，使单轮刹车控制阀实现压力供应。刹车控制阀支配的刹车压力与刹车脚蹬位置指令是成比例的。来自压力传感器的压力反馈信号用于保证指令刹车压力和结果刹车压力之间的紧密关系。轴上安装的机轮速度传感器的信号被处理后，可对刹车指令信号提供一个防滑校正信号，从而产生一个保证最大刹车力的刹车压力指令，峰值可利用机轮 /跑道滑动速率得到。Hydro-Aire 的 Mark V 电传刹车控制系统在各种条件下表现出稳定的适应性，并且提供最高的可利用刹车效率。1

机轮刹车系统发展趋势及国内现状机轮刹车系统关系着飞机的飞行安全，现代飞机的发展，对飞机提出越来越高的要求。飞机机轮刹车系统将朝着多余度、集成化、智能化和全电刹车等方向发展。

（1）多余度。现在机轮刹车系统的发展方向就是电传控制，可以通过设置供压余度、刹车装置余度、控制系统余度和控制盒中软件余度等来提供系统的安全性和可靠性。

（2）集成化。现代飞机的地面减速功能一般可以由地面减速板、发动机反推和机轮刹车系统等共同完成，同时还需要起落架、方向舵等状态交联，这就要求实现多个系统信息互联，它们之间协调动作，达到安全作用。

（3）智能化。机轮刹车系统的工作环境决定了其复、非线性和不确定性，对控制技术提出了很高的要求，不断发展的模糊控制、神经网络等现代控制技术，为机轮刹车系统的发展提供了技术支持。

（4）全电刹车。液压刹车存在“液压油容易泄漏、引发火灾、难以维修”等难以克服的缺点，基于这些缺点，早在20世纪80年代美国已开始全电刹车的研究和试验，波音787现已完全取消集中式的液压动力方式，采用多余度EMA的全电刹车系统，A380上正常刹车采用传统的供压系统，备用刹车系统采用分布式电静液作动EBHA。试验和实际应用均表明，全电刹车必然是下一代飞机高性能刹车系统。

国内机轮刹车系统已发展到数字式电传防滑控制阶段，科研院所也开展了很多关于全电刹车的研究，但国内技术相比国外还存在以下不足：

（1）尽管数字式电传防滑控制系统已在国内多种机型上使用，但国内刹车系统研制厂商的适航经验存在严重不足，研制时未严格执行适航当局的要求，对于系统构成框架以及软硬件配置方面均存在不足，研制过程中，适航是一大难题。

（2）国内在自动刹车方面使用比较少，现在只有ARJ21飞机使用了自动刹车系统，且为国外厂家研制，国内厂家未有自动刹车研制经验。

（3）国内对全电刹车的研究与国外具有很大的差距，还从未在飞机上进行过测试。国内广泛使用的刹车控制律还比较落后，刹车效率不高，国外采用滑移率控制的电刹车效率已可达98%。国内需要加大对控制律的研究。2