民用飞机自动刹车系统设计研究

费思聪

摘 要：在目前运营的大型民用飞机上，例如波音737，空客A320，自动刹车系统已经成为必不可少的系统，自动刹车系统在航线上受到了广泛的应用。自动刹车系统可以有效缩短刹车停止距离，提供平稳的减速，提高乘客的舒适性，并且大大减少了飞行员在起飞着陆阶段的工作负担，因而深受民机飞行员的喜爱。该文简述了民用飞机自动刹车系统的典型架构及其工作方式，简析了自动刹车系统的设计要求以及着陆和中止起飞的运行逻辑，说明了自动刹车系统的验证方法。

关键词：刹车系统自动刹车 运行逻辑 民用飞机

中图分类号：TH13 文献标识码：A 文章编号：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

飞机刹车系统在飞机起飞和着陆过程中起着至关重要的作用，随着航空工业技术的迅速发展，刹车系统也得到了长足的发展，自动刹车技术也成为了研究热点，现如今几乎所有的民用飞机刹车系统都设置有自动刹车系统[1]。自动刹车系统为飞行员在着陆或者起飞过程中提供了自动刹车控制的选择，对于民用飞机来说，设置自动刹车系统已成一种趋势，它对缩短地面刹车距离，提高安全性；减少飞行员的工作负担；刹车平稳、提高乘客舒适性等都有很多好处。在传统的自动刹车系统基础上，空客公司研发出了BTV（Brake to Vacate）技术，该技术的应用使自动刹车系统更为智能，可以自动地调整刹车减速率，并提供在不同跑道下刹车距离的指示。目前国内的民机自动刹车系统技术处于初级阶段，仍需进一步的研究。

1 概述

自动刹车系统是在飞机着陆或者中止起飞过程中，一种无需操纵即可实施飞机自动刹车减速的系统。自动刹车系统根据其系统输入进行自动刹车控制和刹车压力施加，按照预先设定的目标减速率进行减速。

（1）飞机着陆过程中，飞行员在空中设定自动刹车的减速率等级，当飞机满足自动刹车逻辑条件时，自动刹车迅速施加刹车压力，以所选择的减速率刹停飞机。

（2）飞机起飞高速滑跑时，飞行员在起飞前设定中止起飞，当飞机满足中止起飞刹车逻辑条件时，自动刹车迅速施加满刹车，在有效范围内刹停飞机。

一种典型的自动刹车系统架构如图1所示，该系统主要由以下几部分组成：自动刹车选择开关，ABS（自动刹车）电子控制单元，ABS液压模块（包含切断阀和伺服控制阀）和梭阀[2]。同时该系统需要外部系统的输入，例如地面扰流板状态，机轮速度信息，防滑系统信息，油门杆状态，飞机地面加速度信息，刹车脚蹬行程信息以及飞机轮载信号等等。以飞机着陆为例来说明自动刹车系统工作：飞行员在着陆前，通过自动刹车选择开关设置减速率，ABS电子控制单元判断自动刹车预位条件，当外部输入满足预位逻辑时，自动刹车设置成功，驾驶舱自动刹车指示灯点亮。在飞机着陆触地后，ABS电子控制单元判断外部输入，当满足执行逻辑时，ABS液压模块中的切断阀打开，伺服控制阀工作，刹车装置施加刹车压力，ABS电子控制单元闭环控制伺服控制阀，保证飞机按选择的减速率实施刹车。一旦ABS电子控制单元检测到外部输入符合解除逻辑，立即控制切断阀关闭，伺服控制阀停止工作，驾驶舱自动刹车指示灯熄灭，自动刹车解除。

2 设计要求和运行逻辑

2.1 自动刹车系统一般应满足下列设计要求

（1）自动刹车由飞行员在地面（起飞前）或者空中（着陆前）进行设定，且在着陆或者中止起飞过程中，对所有刹车机轮自动施加刹车压力，无需使用飞行员人工操作；

（2）自动刹车系统应对所有的刹车装置实施同等的刹车压力；

（3）飞机着陆后，自动刹车应能按照运行逻辑条件，以所选择的减速率迅速施加刹车压力，控制飞机平稳减速，且能完全刹停飞机；

（4）自动刹车应能补偿扰流板、发动机反推和气动阻力等因素引起的减速率变化；

（5）飞机起飞高速滑跑，满足自动刹车逻辑，自动刹车应能迅速施加满刹车，且能在有效范围内刹停飞机；

（6）刹车系统工作正常时，自动刹车系统才能工作，自动刹车系统应与防滑系统兼容；

（7）自动刹车减速的调节应保持平稳确保乘客的舒适性；

（8）人工刹车可以超控自动刹车；

（9）满足相应逻辑时，自动刹车解除。

为了满足以上设计要求，自动刹车系统需要设计适当的控制逻辑，这些逻辑分为着陆过程运行逻辑和中止起飞过程运行逻辑，两种逻辑分别按照预位，执行和解除来分析。

2.2 着陆过程运行逻辑

2.2.1 预位

自动刹车选择开关闭锁在选择的着陆减速率档位（例如：低、中、高），必须满足下列全部条件。

（1） 手动设置自动刹车选择开关减速率；

（2） 无解除情况出现。

当自动刹车预位后，自动刹车选择开关应保持在所选的档位，自动刹车指示应显示当前自动刹车预位状态直到自动刹车解除。当解除条件出现或者自动刹车选择开关人工旋转到解除档位（DISARM）时，有自动刹车解除提示。

2.2.2 执行

自动刹车处于待命状态后，必须满足下列全部条件，才能按照选择的减速率等级迅速平稳地连续施加自动刹车，直到解除条件出现或者自动刹车选择开关人工旋转到解除档位。

（1）所有油门杆处于慢车位置；

（2）飞机处于地面状态（轮载信号指示地面状态）；

（3）机轮充分起转（防止抱死），飞机轮速传感器检测轮速信号达到一定速度；

2.2.3 解除

当满足下列任一条件时，自动刹车必须迅速平稳地解除。

（1） 任一刹车脚蹬行程大于预先设定的着陆状态下自动刹车调定的空行程，例如20%脚蹬行程（人工超控自动刹车）；

（2）当飞机接地后，任一发动机油门杆移动到非慢车位置；

（3）地面扰流板回收（扰流板已经展开后）；

（4）自动刹车系统出现故障（例如飞机的减速率低于所选择的自动刹车减速率，而自动刹车无法施加刹车压力）；

（5）防滑系统关闭或者出现故障；

（6）自动刹车选择开关人工旋转到解除档位。

当自动刹车解除后，刹车压力应及时解除，自动刹车选择开关为非闭锁状态，并且回到解除档位。

2.3 中止起飞（RTO）过程运行逻辑

2.3.1 预位

自动刹车选择开关闭锁在中止起飞（RTO）档位，必须满足下列全部条件。

（1）人工设置自动刹车选择开关至中止起飞档位；

（2）飞机处于地面状态；

（3）自动刹车系统无故障；

（4）防滑系统处于工作状态并且无故障；

（5） 机轮速度应小于预定值（保证飞机处于停止或者低速滑行状态）。

当自动刹车预位后，自动刹车选择开关应保持在中止起飞档位，当解除条件出现或者自动刹车选择开关人工旋转到解除档位时，有自动刹车解除提示。

2.3.2 执行

自动刹车处于待命状态后，当下列条件全部出现时，迅速施加满刹车，并持续作用，直到解除条件出现或者自动刹车选择开关旋转到解除档位。

（1） 所有的油门杆处于非慢车状态，飞机加速使飞机速度超过预先设定的地面速度阈值（一般为60～100节）；

（2） 在飞机达到预定的速度阈值之后，所有油门杆回收到慢车位。

2.3.3 解除

当满足下列任一条件时，自动刹车系统必须迅速解除。

（1）任一刹车脚蹬行程大于预先设定的中止起飞状态下自动刹车调定的空行程（人工超控自动刹车）；

（2）当飞机处于地面状态，自动刹车RTO正在执行时，任一发动机油门杆移动到大于慢车位置；

（3）地面扰流板回收（扰流板已经展开后）；

（4）自动刹车系统出现故障（例如无法施加满刹车）；

（5）防滑系统处于关闭状态或者防滑系统出现故障；

（6）自动刹车选择开关人工旋转到解除档位；

（7）轮载信号处于空中状态。

当自动刹车RTO解除后，自动刹车选择开关为非闭锁状态，并且回到解除档位，有自动刹车解除提示。

3 系统验证方法

自动刹车系统验证一般通过地面试验和飞行试验来验证。

地面试验一般分为铁鸟试验和机上地面试验，通过地面试验我们来验证自动刹车系统的功能是否符合设计要求，在飞机首飞前确保其功能正常。飞行试验是在地面试验之后针对不同需求进行研发试飞或者表明符合性试飞，对飞机性能以及符合性进行验证。

我国民用飞机在适航取证时要根据CCAR25部向中国民航总局表明飞机对于条款的符合性，对于自动刹车系统，要向局方表明符合性的适航条款[3]主要包括以下几点。

（1）CCAR25.1301（a）（4）：在安装后功能正常；

（2）Issue Paper M-6 （a）：飞机的设备和系统必须设计及安装成：①那些型号合格审定或运行规则所要求的，或者其功能不正常将降低安全性的系统或设备能在飞机运行和环境条件下执行预定功能；②其它设备和系统不会对飞机或其乘员，或者对（a）（1）中所覆盖系统或设备的正常工作造成不利的安全性影响；

（3）25.735 （e）（2）： 防滑系统如果安装了防滑系统：，在所有情况下必须优先于自动刹车系统；

（4）25.231（a）（1）：机轮刹车工作必须柔和，不得引起任何过度的前翻倾向；

（5）25.735（k）：机轮和刹车组件与飞机及其系统兼容性必须经过验证。

根据自动刹车系统的特点，我们根据不同的需求，在不同试验中来验证整个自动刹车系统。我们在铁鸟试验中验证其功能特性，通过各种的试验方法，设置不同工况来验证系统设计的逻辑是否满足系统设计要求；对于上述条款中的（1），（2），（3）项，主要是针对自动刹车系统功能的条款，我们可以在铁鸟试验或者机上地面试验中进行验证，例如通过防滑解除开关可以手动解除自动刹车[4]，可以说明25.735（c）（2）对于（4），（5）项，需要在飞行试验的表明符合性试飞中进行验证；针对自动刹车系统中的不同减速率，我们则通过研发试飞进行验证与调整。

通过对整个自动刹车系统的验证，我们才能确认其逻辑是否满足设计需求，系统功能是否正常，性能是否符合要求，进而我们才能将自动刹车系统写入飞行员手册中供飞行员作为操作依据。

4 结语

自动刹车系统作为现代民用飞机刹车系统的重要组成部分，已经受到越来越多的关注。在自动刹车系统典型构架的基础上，各大主制造商已经研发出了各种架构，对于自动刹车的设计也提出了更多的要求。在自动刹车系统未来的发展方向中，刹车距离与实时跑道的情况是研究热点，飞机根据飞行员设置的刹车停止位置来自动调节刹车减速率，或者根据不同跑道的场长，自动计算出最优减速率，使飞机的安全性与舒适性达到最优的平衡，自动刹车系统在这些方面还有很大的发展空间，需要进一步深入的研究。

参考文献

[1] 刘泽华，李振水，贾爱绒，等.大型飞机机轮刹车系统关键技术和发展趋势[C].中国航空学会，2013

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

[3] CCAR-25-R4，运输类飞机适航标准[S]. 2011.

[4] 王浩.民用飞机刹车系统适航符合性考虑[J].科技资讯，2013（13）：76-77.