民用飞机刹车系统简图页设计研究

赵 晖 易子淳 章光灿 /

(上海飞机设计研究院，上海201210)

0 引言

刹车系统是飞机上相对独立的重要安全保障系统，对飞机起飞、着陆的安全运行有重要影响。机组通过驾驶舱操纵器件对刹车系统进行操纵控制，并且按照系统的反馈指示进行系统状态判断及下一步操作。刹车系统通过机组告警系统(Crew Alerting System，以下简称CAS)、简图页系统(系统状态指示)、驾驶舱仪表盘将系统状态反馈给机组。简图页信息不仅帮助机组确认系统状态，还配合CAS确认系统详细故障信息。因此，一套完整、高效、清晰、合理的简图页指示能够提高机组的工作效率，减轻工作负担。

目前普遍公认的是，系统告警及状态指示的复杂程度与航电系统或飞机系统的复杂程度成正比。对于现代民用飞机，电气、机械或液压(或任何其他类型)等系统数量远大于早期的飞机，并且飞机系统变得更加复杂和先进，故障管理和健康监控的需求在不断增加[1]。在这样的大环境下，简图页的设计变得越来越困难。

本文基于简图页设计需求及设计理念，对典型民用飞机刹车系统及其简图页设计进行了详细分析。在此基础上对简图页设计进行优化，优化方案不但更好的满足了设计需求及设计理念，也更加高效合理且便于机组使用。

1 简图页设计需求及理念

简图页设计时要满足所有的设计输入，即设计需求。除满足设计需求外，简图页还应当满足设计理念，好的设计理念使简图页完整、高效、清晰、合理。

1.1 简图页设计需求

典型的系统研制是通过自上而下的需求分配及需求确认和自下而上的需求实现及设计验证的方法并以迭代与并行的方法来进行的[2]。本文所提及的设计需求是在自上而下的流程中通过捕获飞机级分配给系统级的需求以及系统级的衍生需求，这些需求作为简图页设计的输入。主要的设计需求如下：

(1)功能需求。譬如常见的针对简图页的飞机级需求为“为机组提供系统显示信息”，该需求分配到系统级即为“为机组提供刹车系统状态信息”。

(2)安全性需求。譬如常见的刹车系统功能危险性评估(Functional Hazard Assessment，以下简称FHA)中会有安全性要求“飞机终止起飞时，刹车温度误指示且伴随刹车过热的概率应小于某概率”。这条安全性需求分配给简图页的需求即为指示刹车温度。

(3)客户需求。包括来自运营商、机组、维修公司等的需求。譬如航空公司要求在踩踏刹车脚蹬时要有刹车压力指示以便观察刹车系统工作是否正常，这条需求会使得简图页设计时要显示刹车压力。

(4)性能需求。包括简图页显示精度、保真度、范围、解析度、响应时间等。

(5)物理需求。包括简图页上显示的LRU(Line Replaceable Unit，简称LRU，航线/外场可更换单元)颜色、尺寸等方面要求，以及全机显示的一致性要求。另外，简图页颜色也需要与驾驶舱内的灯(警告灯、戒备灯和提示灯[3])及EICAS(Engine Indication and Crew Alert System，简称EICAS，发动机指示和机组告警系统)指示的颜色理念保持一致。

(6)其他需求。包括全机各个系统的简图页设计风格是否相同等。

1.2 简图页设计理念

简图页必须清晰无误地为机组提供系统的工作状态，并提供相关的过程信息以操纵飞机运行在预定的轨道上，在任何正常和非正常情况下这些信息都必须是准确易懂、清晰可辨的[4]。除了简图页设计需求外，还应当遵循以下设计理念：

(1)应以直观的形式显示系统状态和系统信息，减少机组看到简图页后用于思考反映的时间；

(2)应包含系统示意图，该示意图应与飞机情况一致(譬如前机轮位于页面顶部)，并使用简化的轮廓代表系统的主要部件；

(3)应便于确认系统状态，包括静态状态(如刹车温度、轮胎压力、刹车蓄压器压力等)及动态状态(如驾驶舱器件操作后系统的状态)；

(4)应便于辅助CAS操作，譬如当CAS出现“刹车蓄压器压力低”告警后，机组应查看简图页中刹车蓄压器压力并判断剩余压力能够支持几次刹车操作；

(5)应仅通过简图页就能观察到整个系统状态，而无需观察驾驶舱仪表。

2 典型刹车系统简图页分析

目前主流民用飞机刹车系统架构为电传液压作动形式，本文选择两种主流机型进行分析，分别为波音777及空客A320。通过其简图页设计的对比，分析其简图页设计的优缺点。

2.1 波音777机型刹车系统分析

波音777的刹车系统实现的主要功能包括：人工刹车、自动刹车、防滑保护、停机刹车、告警及状态指示。

在驾驶舱中的操纵器件及指示器包括刹车脚蹬、自动刹车开关、停机刹车手柄、刹车液压能源指示灯、刹车蓄压器压力指示表。其简图页设计如图1所示。

注：① 刹车温度数值：指示该机轮温度数值；② 刹车温度状态：当常温时图形为白色空心框，当高温时为白色实心框，当超高温时为橙色实心框；③ 单个机轮故障：当显示字符为BRAKE时表示该机轮无法进行刹车作动，当显示字符为ASKID时表示该机轮无防滑保护；④ 胎压指示：指示该机轮轮胎的压力。图1 波音777机型简图页

2.2 空客A320机型刹车系统分析

空客A320机型刹车系统实现的主要功能与波音777机型相同。

该系统在驾驶舱中的操纵器件及指示器包括刹车脚蹬、自动刹车选择面板、防滑解除开关、停机刹车手柄、刹车风扇选择开关，刹车压力指示表、刹车蓄压器压力指示表，自动刹车减速率指示灯。此外，空客A320机型还配备了故障预测及健康管理(Prognostic and Health Management，以下简称PHM)等[5]辅助安全措施，用以保证系统的安全操作运行。其简图页设计如图2所示。

注：① 刹车模式：指示正常/备份刹车模式及相应的液压能源状态；② 防滑：指示防滑系统故障或关闭状态；③ 自动刹车：指示自动刹车档位或故障状态；④ 机轮编号：飞机沿航向从左侧到右侧依次为1、2、3、4；⑤ 释压：指示无法释放刹车压力的状态；⑥ 刹车温度：指示刹车温度数值及超高温度状态；⑦ 轮胎压力：指示轮胎压力数值及过高和过低胎压状态。图2 空客A320机型简图页

2.3 简图页设计对比分析

基于波音777机型与空客A320机型进行简图页设计分析对比，结果见表1。

表1 两种典型机型的简图页设计对比

续表1

3 简图页设计优化

基于简图页设计需求和设计理念，以及对典型机型简图页设计的分析结果，提出一种优化方案，如图3所示。

注：① 刹车模式：指示正常/备份等刹车模式；② 防滑：指示防滑系统ON/ OFF/ FAULT状态；③ 自动刹车：指示自动刹车档位及故障状态；④ 停机刹车：指示停机刹车ON/ OFF/ FAULT状态；⑤ 刹车温度：指示单个机轮上刹车温度，当温度过高时图标颜色变化。每个刹车温度旁边对应有实心方框，方框的颜色会随着温度数字颜色的变化而变化；⑥ 刹车风扇：指示单个机轮上刹车风扇ON/OFF/FAULT状态；⑦ 机轮编号：飞机沿航向从左侧到右侧依次为1、2、3、4；⑧ 单侧刹车压力：指示左侧/右侧刹车压力；⑨ 蓄压器压力：指示刹车蓄压器压力；⑩ 轮胎压力：指示单个机轮上轮胎压力，压力过低或过高时图标颜色变化；单个机轮刹车能力：指示单个机轮的刹车能力，当该机轮丧失刹车能力(如该机轮对应的伺服阀、压力传感器、轮速传感器等故障，或刹车压力无法释放/施加)时背景颜色变为红色。图3 简图页设计优化方案

优化后的简图页从功能、性能两方面充分满足机组的使用需求。

功能方面分析如下：

(1)脚蹬刹车：通过踩踏/松开左侧或右侧刹车脚蹬观察对应的左侧或右侧刹车压力，判断刹车系统作动是否正常；

(2)自动刹车：指示自动刹车档位及故障状态；

(3)防滑保护：指示防滑保护的档位及故障状态在简图页上有对应指示；

(4)停机刹车：停机刹车的档位及故障状态在简图页上有对应指示；

(5)刹车降温：刹车风扇的档位及故障状态在简图页上有对应指示。

性能方面分析如下：

(1)单个机轮刹车能力：当某个机轮的控制电路、伺服阀、压力传感器或轮速传感器故障时，该机轮会丧失刹车能力，此时简图页上机轮的背景颜色会变红，提示该机轮丧失刹车能力；同时机组能够了解到剩余的刹车能力(譬如坏一个机轮时剩余75%刹车能力，坏两个机轮时剩余50%刹车能力)，并且若左侧起落架与右侧起落架上的刹车能力不一致时可能导致刹车时飞机偏航，此时机组需要使用方向舵或前轮转弯对飞机航向纠偏。

(2)刹车温度：指示具体刹车温度。

(3)轮胎压力：指示具体轮胎压力。

(4)刹车压力：指示具体刹车压力。

(5)蓄压器压力：指示具体蓄压器压力。

此外，简图页上还能够显示更多的对机组提供帮助的信息。譬如目前大部分民机的刹车盘磨损程度需要通过磨损指针刻度进行确认，机组在每次飞行前必须要亲自去机轮旁观察刹车盘磨损指针刻度。如果将来能够将位移传感器用在刹车盘磨损指示器上，那么在座舱即可有刹车盘磨损状况显示[6]。这样只需通过查看简图页就能了解到磨损指针的数值，无需进行人工检查，减轻了机组的工作负担，提高了工作效率。

4 简图页优化方案对比

表2对比了优化方案与典型民机简图页设计。通过对比可见优化方案不但吸收了现有机型的设计优点，同时创新提出了新的设计方案。既满足设计需求，也更符合设计理念。

表2 简图页方案对比

5 结论

简图页不但功能重要且设计复杂。在其设计过程中要同时考虑到对设计需求的满足以及对设计理念的符合。通过分析典型民用飞机刹车系统的简图页设计，提出一种新型简图页设计方案。优化后的简图页更加高效合理，且便于机组操作使用。