機輪剎車系統

機輪剎車系統是民用飛機地面減速中最關鍵的一部分，決定了飛機的著陸安全。飛機機輪剎車系統包括兩部分產品，一部分是剎車機輪，有時簡稱為機輪，一部分是剎車控制系統，也簡稱為剎車系統。

現代飛機的發展，對飛機提出越來越高的要求。 飛機機輪剎車系統將朝著多餘度、集成化、智慧型化和全電剎車等方向發展。

基本介紹

• 中文名：機輪剎車系統
• 外文名：Aircraft Wheel and Brake System
• 組成：機輪、剎車系統
• 發明時間：1950
• 發展趨勢：全電剎車
• 發展方向：多餘度、集成化、智慧型化

簡介

飛機機輪剎車系統包括兩部分產品，一部分是剎車機輪，有時簡稱為機輪，一部分是剎車控制系統，也簡稱為剎車系統。剎車機輪由支撐飛機進行地面運動的機輪和在制動過程中吸收轉化飛機動能的剎車裝置構成。剎車控制系統則包含液壓、機械、電器、電子部件，以操縱控制剎車裝置的制動狀態。

機輪和剎車裝置設計

最早的飛機機輪與汽車輪子類似，上世紀四十年代開始大量使用鑄鎂合金機輪，六十年代開始使用鍛鋁合金機輪，八十年代套用了精密模鍛鋁合金機輪。早期的機輪結構一般是輪轂加活動輪緣結構，八十年代以後對開式結構越來越多。

最初的飛機剎車裝置是氣壓作動的。早期的設計包含摩擦塊、制動鼓和氣壓膠囊，用氣壓膠囊對摩擦塊加力，使摩擦塊壓緊制動鼓，形成摩擦力。後來卡鉗盤式剎車被引入，類似於現代轎車上使用的剎車裝置，其初期也是氣壓作動。第二次世界大戰開始後，航空工業趨向於套用液壓系統、盤式剎車和高壓輪胎，使飛機適合於使用專用跑道，起降效率提高，成為快速打擊敵人的制勝法寶。

早期的起落架是不收起的，二戰前飛機機輪的尺寸非常大。隨著飛機速度的提高，就需要收起起落架，這意味著機輪必須變小，相應的剎車裝置可得到的空間變小，必須替代單動盤剎車，在同一軸線上並排放置多個動盤，當然動盤之間裝有靜盤。這種多盤式剎車設計多年來沒有明顯的改變，儘管剎車材料和剎車系統設計取得了巨大進步。

早期的剎車熱庫用酚醛樹脂基材料製造，後來用銅基材料製造，再後來用鐵基材料製造。在碳剎車出現之前，包括銅基材料剎車盤和鐵基材料剎車盤的鋼剎車一直受到青睞。碳剎車先用於軍機，後在民機上套用，1972 年開始用於協和飛機。碳剎車的主要優點是顯著比鋼剎車輕，有更高的能量吸收能力，在高溫下性能不衰減。如果協和飛機不用碳剎車，將顯著影響飛機起飛重量，將不能滿載荷飛行倫敦到紐約航線。

碳剎車不利的方面包括體積大，比等效的鋼剎車需要更大的機輪轂部空間；碳材料容易受潮，吸水性強，潮濕碳盤的動摩擦係數將顯著下降；製造成本更高，鋼剎車費用約為碳剎車的三分之二。經過多年努力，碳剎車價格在持續下降，但是仍然有一些案例很適合於鋼剎車，尤其是短途運輸作業。ABSC 公司認為，一般來說如果飛機的平均行程小於等於 2.5 小時，那么鋼剎車就可作為商業運輸的候選方案。

鋼剎車設計有重要的優點。相對於碳剎車它能夠在可得到的包線內做得更大。通過技術改進，以前每次大修達到 1000 起落的鋼剎車現在打算被設計達到大約2000 起落，與同等功能的碳剎車的壽命相當。

剎車系統設計

最早的飛機剎車系統是沒有防滑功能的，所以在濕態和冰凍跑道條件下剎車很容易鎖死，導致輪胎打滑，剎車效率低下。這引起 ABSC、Westinghouse、Hydro Aire和 Dunlop Aviation 等公司的重視，從上個世紀四十年代開始都研究其防滑剎車系統。

1950 年 Dunlop Aviation 首先發明了一種機械防滑系統，被命名為 Maxaret, 其中有一個比較重的小盤，與機輪輪輞接觸轉動。當小盤與機輪之間的相對運動顯示機輪出現鎖死時，剎車系統的液壓力就被釋放，從而防止機輪打滑，避免輪胎爆破。這種系統常常被稱作“開關”（on-off）系統 , 系統提供的是脈衝剎車壓力。

Mark IV防滑系統架構

上世紀六十年代，Hydro Aire 研製了 Mark Ⅱ調製防滑剎車系統，也叫固定減速率控制系統，使剎車系統的剎車效率從約 60% 提高到 70%-85%。

1973 年引入的 Mark Ⅲ系統是基於一種模擬式閉合電路反饋的防滑控制系統，該系統的剎車效率達到90%。這種防滑系統包含計量閥、雙通道防滑閥（ASV）、機輪速度感測器（WST）、剎車控制單元（BCU）等。

1978 年 Hydro Aire 在 B767 等飛機上引入了其第一種數字式防滑剎車系統，被稱為 Mark IV 系統。數字式 Mark IV 控制運算法則在非常苛求的條件下提供了高度適應的控制，並且在所有跑道條件下穩定地提供較高的剎車效率。右上圖顯示了一種典型的數字式 Mark IV傳統四輪防滑剎車的控制架構。踩剎車腳蹬就會給計量閥傳送機械指令。控制單元處理安裝在軸上的機輪速度感測器的信號，給防滑閥提供一個防滑校正信號，減少指令壓力，形成一個保證最大剎車力的剎車壓力指令，峰值可利用機輪 / 跑道滑動速率得到。

上述所有系統都依靠機械的或者液壓機械的方法實現駕駛員剎車腳蹬與剎車裝置的聯繫。而在套用Mark V電傳剎車系統的情況下，主要的剎車控制通過電氣化方法操縱，儘管還附帶機械式備用系統。該種系統的剎車效率可達到 98%。電傳剎車設計技術已套用於多種空客飛機，新一代 A340-500、A340-600 和 A380飛機安裝了 Messier Bugatti 的全電傳剎車系統，沒有液壓機械備用系統。近年來全電傳剎車系統被大量配套於新一代軍用飛機。

Mark V電剎車系統架構

右圖顯示了 Hydro-Aire 典型的 Mark V 四輪電傳剎車控制架構，套用於大多數支線噴氣飛機。腳蹬位置從LVDT 得到，給剎車控制單元輸入一個電指令。在地面上剎車控制單元給斷流閥提供輸出，使單輪剎車控制閥實現壓力供應。剎車控制閥支配的剎車壓力與剎車腳蹬位置指令是成比例的。來自壓力感測器的壓力反饋信號用於保證指令剎車壓力和結果剎車壓力之間的緊密關係。軸上安裝的機輪速度感測器的信號被處理後，可對剎車指令信號提供一個防滑校正信號，從而產生一個保證最大剎車力的剎車壓力指令，峰值可利用機輪 /跑道滑動速率得到。Hydro-Aire 的 Mark V 電傳剎車控制系統在各種條件下表現出穩定的適應性，並且提供最高的可利用剎車效率。

機輪剎車系統發展趨勢及國內現狀

機輪剎車系統關係著飛機的飛行安全，現代飛機的發展，對飛機提出越來越高的要求。飛機機輪剎車系統將朝著多餘度、集成化、智慧型化和全電剎車等方向發展。

（1）多餘度。現在機輪剎車系統的發展方向就是電傳控制，可以通過設定供壓余度、剎車裝置余度、控制系統余度和控制盒中軟體余度等來提供系統的安全性和可靠性。

（2）集成化。現代飛機的地面減速功能一般可以由地面減速板、發動機反推和機輪剎車系統等共同完成，同時還需要起落架、方向舵等狀態交聯，這就要求實現多個系統信息互聯，它們之間協調動作，達到安全作用。

（3）智慧型化。機輪剎車系統的工作環境決定了其復、非線性和不確定性，對控制技術提出了很高的要求，不斷發展的模糊控制、神經網路等現代控制技術，為機輪剎車系統的發展提供了技術支持。

（4）全電剎車。液壓剎車存在“液壓油容易泄漏、引發火災、難以維修”等難以克服的缺點，基於這些缺點，早在20世紀80年代美國已開始全電剎車的研究和試驗，波音787現已完全取消集中式的液壓動力方式，採用多餘度EMA的全電剎車系統，A380上正常剎車採用傳統的供壓系統，備用剎車系統採用分散式電靜液作動EBHA。試驗和實際套用均表明，全電剎車必然是下一代飛機高性能剎車系統。

國內機輪剎車系統已發展到數字式電傳防滑控制階段，科研院所也開展了很多關於全電剎車的研究，但國內技術相比國外還存在以下不足：

（1）儘管數字式電傳防滑控制系統已在國內多種機型上使用，但國內剎車系統研製廠商的適航經驗存在嚴重不足，研製時未嚴格執行適航當局的要求，對於系統構成框架以及軟硬體配置方面均存在不足，研製過程中，適航是一大難題。

（2）國內在自動剎車方面使用比較少，現在只有ARJ21飛機使用了自動剎車系統，且為國外廠家研製，國內廠家未有自動剎車研製經驗。

（3）國內對全電剎車的研究與國外具有很大的差距，還從未在飛機上進行過測試。國內廣泛使用的剎車控制律還比較落後，剎車效率不高，國外採用滑移率控制的電剎車效率已可達98%。國內需要加大對控制律的研究。