浅说飞机制动系统的算法

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1刹车装置尺寸计算

一般来说，刹车装置的重量会随着刹车能量的增大而增大，通过统计单位重量刹车能量值可以对刹车装置重量进行估算。而通过已给出的飞机着陆重量、飞机重心到前起落架的距离和飞机重心到主起落架的距离，可以计算得到轮胎的停机载荷，从数据库中选择适当的轮胎和机轮。对于盘式刹车，美国Goodrich公司推荐的方法为参照刹车组件重量与刹车能量、刹车片容积与刹车组件重量和轮胎结合径与刹车片直径等的曲线图来确定基本尺寸参数，《航空机轮设计指南》也提供了相关的尺寸估算方法。对于盘式刹车装置来说，为了增加刹车力矩，动盘和静盘交错排列，因此产生的刹车力矩与摩擦面的对偶个数有关，对刹车力矩进行推导，得出式，由式可计算得到刹车盘的数量。式中:μ为刹车盘的摩擦系数;pb为刹车压力;N为摩擦面的对偶个数;R1为刹车盘内径;R2为刹车盘外径。

2刹车体容温度计算

飞机刹车组件一般由铁基片、碳盘和钢骨架组成，因为它们的比热不相同，所以在计算体容温度时必须考虑不同材料的重量。式中:tb为刹车装置体容温度;to为环境温度;K为经验系数;A为不同刹车状态下的刹车能量;mi为组成热库不同材料的重量;ci为组成热库不同材料的比热。材料的比热还跟温度有关，故用到了迭代求解。在计算刹车距离时，可近似不考虑发动机推力及气动力，一般前轮不刹车而主轮刹车，所以存在主轮卸载问题，考虑刹车效率式中:η为刹车效率;V为飞机主轮接地速度;μs为机轮地面静摩擦系数。刹车系统主要分为液压刹车系统和全电刹车系统，二者唯一的不同之处在于全电刹车系统采用电作动机构取代集中式的液压系统。本节以全电刹车系统为例，该系统一般采用四电机四滚珠丝杠作动机构布局，电机选用重量轻、体积小的稀土永磁无刷直流电机，每个电机通过谐波减速器、伞齿轮等传动装置控制一个滚珠丝杠作动器。在确定滚珠丝杠送进时的转速和传动比之后，可以进行滚珠丝杠的选取。首先要计算单根滚珠丝杠的平均载荷Fp，据此可以确定丝杠的动载荷选用适当的滚珠丝杠来满足动载荷要求，计算滚珠丝杠的传动效率、驱动力矩和传动所需功率，根据齿轮的传动效率和传动比计算折算到电机上的负载转矩和功率，选取适当的无刷直流电机．刹车系统快速性计算全电刹车系统具有良好的快速性和稳定性，本节主要介绍液压刹车系统的快速性。液压刹车系统的快速性计算主要包括两部分:刹车时间和松刹时间。刹车时间也主要包括两部分:充填动态容积至压力p''''s所需时间和由p''''s增加到pmax所需时间，p''''s是当刹车装置摩擦面之间的间隙完全消除时移动刹车装置活动零件所必需的压力。

3刹车系统稳定性计算

为了进行液压刹车系统动态计算，需得到由对象方程和调节器方程组成的系统方程，再进一步得到系统的特征方程。在MATLAB中建立刹车系统模型，其中包含六个子模型的建立:机身模型、起落架缓冲系统模型、起落架航向上的刚度模型、刹车机轮模型、飞机着陆滑跑跑道模型和飞机液压伺服刹车模型飞机机身模型简化为航向、俯仰和竖直三个运动方向上的刚体模型，根据动量定理及动量矩定理即可得到机身模型。设计实例以某无人机为例，其基本参数所示。该无人机采用盘式刹车结构、全电刹车系统以及基于滑移率的防滑控制。首先计算得到主轮受载为1198．78N，由此选定主轮胎规格为300mm×130mm－102mm;由轮胎结合径102mm估算得到刹车盘内外径分别为52mm和74mm。由GJB1184估算单轮刹车能量为47840J，选用碳刹车结构可得到单轮刹车装置重量为2．7kg，刹车盘容积为476．073cm3，进一步估算得到刹车盘总宽为21．768cm，据此可以确定动静盘数量分别为3个和4个。防滑刹车采用四电机四滚珠丝杠，由刹车盘尺寸和设计刹车力矩估算静刹车活塞推力，据此选取适当的滚珠丝杠和电机。将飞机的基本参数和刹车装置的基本参数输入到刹车系统动力学仿真模型中进行仿真分析，动力学仿真结果的滑移率曲线所示，机轮的角速度曲线仿真总时间为4．27s，前部分滑移率变化很剧烈，然后快速地朝最佳滑移率0．12逼近，结束前由于低速打滑，造成曲线激烈震荡。可以看出，仿真假设飞机机轮开始处于纯滚动状态，开始的刹车力矩偏大，导致角速度减小很剧烈，滑移率偏大，然后在PID控制的作用下刹车力矩开始减小，角速度回升，角速度开始平稳下降至机轮停止转动。从仿真结果来看，刹车系统工作良好。

作者：陶周亮聂宏魏小辉刘向尧尹乔之单位：南京航空航天大学