污染跑道上影響剎車系統(tǒng)性能的研究

1、    污染跑道上影響剎車系統(tǒng)性能的研究    王士浩【摘 要】目前，民用飛機(jī)在污染跑道的起飛著陸性能，由于其試驗(yàn)條件的復(fù)雜性和試飛的高度危險(xiǎn)性，造成主機(jī)制造商無法開展有效的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，適航當(dāng)局也缺乏污染跑道的合格審定經(jīng)驗(yàn)，污染跑道上飛機(jī)起降性能的研究一直受到很大的限制。目前無論是各國的航空規(guī)章，還是咨詢通告中，對污染跑道上的起降性能尚未制定完善的技術(shù)規(guī)范。但是隨著飛機(jī)性能的提高和對污染跑道適應(yīng)能力的增強(qiáng)，將會(huì)對機(jī)輪剎車系統(tǒng)在污染跑道上的制動(dòng)能力提出更高的要求。本文立足于主機(jī)制造商的飛行實(shí)驗(yàn)，從機(jī)輪剎車控制系統(tǒng)角度，對污染跑道起降性能的影響因素和仿真分析或

2、飛行實(shí)驗(yàn)進(jìn)行研究，并為適航審定提供技術(shù)支持?！娟P(guān)鍵詞】適航；污染跑道；剎車性能0 引言飛機(jī)在起飛、著陸階段最容易發(fā)生航空事故，自20世紀(jì)80年代起，在數(shù)百起地面飛行事故中，濕跑道和污染跑道所造成的地面失事超過50%1。因此開展污染跑道飛行實(shí)驗(yàn)研究，無論對航空公司還是主機(jī)制造商都十分重要。far-25、cs-25、caar-25和ap-25各部中，25.109條款對濕跑道條件下的加速-停止距離、剎車摩擦系數(shù)的確定等進(jìn)行了規(guī)定，25.113條款對濕跑道下的起飛距離和起飛滑跑距離給出了定義，25.125條款對濕跑道下的著陸距離提出了要求；同時(shí)，在ap-25部中，除了濕跑道條件外，25.105、25.

3、109、25.113、25.125條款還增加了在污染跑道條件下的上述各項(xiàng)性能規(guī)定2-4。特別注意的是，cs-25部在25.1591條款中提出了污染跑道條件下飛機(jī)運(yùn)行的性能要求，而其它各部中并無相應(yīng)條款規(guī)定5。依據(jù)現(xiàn)有的適航規(guī)章，并未對飛機(jī)在污染跑道上的機(jī)輪剎車系統(tǒng)制動(dòng)性能提出飛行實(shí)驗(yàn)要求，但是作為預(yù)研項(xiàng)目，通過對污染跑道上影響剎車系統(tǒng)性能的因素進(jìn)行分析，進(jìn)而為飛行實(shí)驗(yàn)和適航審定提供技術(shù)支持，并根據(jù)主機(jī)制造商獲得的污染跑道剎車系統(tǒng)性能參數(shù)優(yōu)化剎車控制系統(tǒng)。1 污染跑道上影響剎車系統(tǒng)性能的因素1.1 污染跑道定義在faa發(fā)布的ac 25-13和easa發(fā)布的 amc25-13中對污染跑道進(jìn)行了同樣

4、的定義。污染跑道是指在使用寬度內(nèi)有超過規(guī)定場長25%的區(qū)域?yàn)榉e水或超過3.2毫米（0.125英寸）厚的含水雪所覆蓋、或者上面有積雪或冰的跑道。此外，跑道段表面有積水或含水雪的地方正好是抬頭與離地的地點(diǎn)，或是在起飛滑跑的高速部分，其阻滯影響比若是在起飛早期低速階段遭遇該情況要嚴(yán)重得多。對于這種情況，也把跑道視為“污染跑道”。caac在ac-121-fs-2009-33中對污染跑道給出了定義，與faa和easa的不同之處在于對污染物深度的定義界限為3.0mm6。easa在amc 25. 1591中對污染物及其范圍進(jìn)行了詳細(xì)的定義，并分析了污染物對飛機(jī)在污染跑道上起飛、著陸性能的影響因素。多數(shù)污染跑

5、道都會(huì)削弱飛機(jī)的剎車作用，對起飛著陸性能的主要影響在于：剎車效應(yīng)會(huì)明顯變差，出現(xiàn)滑水的可能性較大，飛機(jī)的方向控制能力會(huì)削弱。此外，跑道污染物還會(huì)對飛機(jī)產(chǎn)生阻力作用，但不作為本文分析的重點(diǎn)。1.2 污染跑道阻力的影響因素污染跑道上污染物對飛機(jī)機(jī)輪及機(jī)體產(chǎn)生阻力作用，進(jìn)而對飛機(jī)剎車性能產(chǎn)生影響，需要考慮的因素主要包括三方面：a）污染物類型影響：一類是積水、含水雪和濕雪；另一類是干雪；b）位移阻力影響；c）機(jī)輪數(shù)量（單輪、雙輪、四輪和六輪）影響。1.2.1 積水、含水雪和濕雪污染跑道飛機(jī)會(huì)在表面有積水、含水雪或濕雪的污染跑道上發(fā)生高速滑水，不得不分析滑水所造成的飛機(jī)制動(dòng)和方向控制能力降低的影響。一旦

6、發(fā)生滑水現(xiàn)象，輪胎-跑道間的最大剎車摩擦系數(shù)將急劇下降，導(dǎo)致飛機(jī)滑行距離變長，嚴(yán)重時(shí)可造成飛機(jī)偏航或沖出跑道，嚴(yán)重影響機(jī)組和乘客安全。典型的雙輪起落架的阻力證明是單輪阻力的2.0倍（含干涉），對典型四輪車架式布局其阻力是單輪阻力的4倍（同樣含干涉），對六輪車架式布局建議給出4.2倍單輪阻力這一合理的偏保守估算3。1.2.2 干雪污染跑道選擇自然界常見的且比重為0.2的雪作為研究對象進(jìn)行位移阻力分析，并且在可能遇到的各種比重的雪的范圍內(nèi)，其產(chǎn)生的阻力隨地面速度的變化最大。單輪胎干雪中的滾動(dòng)時(shí)的總位移阻力可表示為：表中d=雪的深度，b=輪胎表面寬度，v=地面速度，r=輪胎半徑。雙輪胎起落架上的阻力

7、就是簡單將兩個(gè)單輪胎的阻力相加。雙輪胎配置在融雪或積水中滑跑時(shí)可見到的兩個(gè)輪胎之間的相互干涉效應(yīng)，不大可能在被雪覆蓋的道面上滾動(dòng)中出現(xiàn)。其阻力源自雪層的垂直壓實(shí)，盡管沿垂直輪胎運(yùn)動(dòng)方向有一些變形，但是這種變形主要發(fā)生在位于或低于輪轍的底部，不會(huì)影響旁邊輪胎的前部變形，因此可以忽略干涉效應(yīng)。對于車架式起落架情況，計(jì)算阻力時(shí)只須考慮前面的輪胎。積雪經(jīng)過前面輪胎的首次擠壓后，輪轍的積雪會(huì)強(qiáng)化，要進(jìn)一步擠壓時(shí)必須用更大的壓力，這使得后面輪胎上的阻力可以忽略不計(jì)，從而假設(shè)車架式起落架上的阻力就等于雙輪胎配置的阻力。所有其它多輪胎配置都可以作相同方式的處理。1.3 剎車摩擦系數(shù)的影響因素分析污染跑道上在確

8、定輪胎與地面之間最大摩擦系數(shù)的時(shí)候應(yīng)該使用被批準(zhǔn)的最大輪胎壓力來進(jìn)行，用嚴(yán)苛的胎壓條件來保證最大摩擦系數(shù)的可靠性和安全性。easa在amc 25. 1591中給出了如表2所示的不同污染物與摩擦系數(shù)之間的關(guān)系。為了在缺少任何直接試驗(yàn)證據(jù)下偏保守地計(jì)算飛機(jī)性能，可使用表2給出的默認(rèn)的摩擦值。這些摩擦值表示防滑受控的剎車機(jī)輪/輪胎的有效剎車系數(shù)。表2中在污染物為積水和融雪時(shí)給出的函數(shù)關(guān)系是在飛機(jī)速度小于臨界滑水速度條件得出的。特別注意，在積水和融雪跑道對于地速v大于臨界滑水速度vp時(shí)，摩擦系數(shù)=0.05。圖2繪制了積水和融雪跑道條件下的摩擦系數(shù)與飛機(jī)速度關(guān)系。隨著飛機(jī)速度的提高污染跑道上的摩擦系數(shù)是

9、逐漸降低的。由于采用了最大輪胎壓力來獲得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，因此未對其它不太嚴(yán)苛條件下的輪胎壓力進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。此外，在積水和融雪跑道上的摩擦系數(shù)只有在地速低于50時(shí)才比其他污染跑道類型高，因此除了冰跑道外，積水和融雪跑道的嚴(yán)苛程度較高，可以作為具有代表性的污染跑道進(jìn)行分析。 如果主機(jī)制造商沒有采用上述表中的默認(rèn)摩擦系數(shù)來進(jìn)行試驗(yàn)，還可以使用地面摩擦力測量裝置，建立飛機(jī)剎車性能與摩擦力指數(shù)之間的關(guān)系。為了找出跑道摩擦力測量裝置的讀數(shù)與飛機(jī)的剎車性能之間的直接關(guān)系，相關(guān)人員做了大量的測試。但是，這些測試還沒能針對所有跑道污染物種類給出一個(gè)可復(fù)現(xiàn)的決定性的結(jié)論。因此，目前要根據(jù)國際公認(rèn)的地面摩擦力裝置測得的摩擦力

10、指數(shù)來確定飛機(jī)性能尚不可行。污染跑道摩擦力系數(shù)對剎車控制系統(tǒng)的性能有著直接的影響，構(gòu)建以相對濕雪、干雪、壓實(shí)雪或冰污染跑道的地面速度與機(jī)輪剎車摩擦系數(shù)的函數(shù)，來提供起飛和著陸的性能數(shù)據(jù)，并建立該數(shù)據(jù)與地面摩擦力裝置測得的摩擦力指數(shù)之間的關(guān)系，是今后主機(jī)制造商的一個(gè)重要的研究方向。2 污染跑道上剎車控制系統(tǒng)飛行試驗(yàn)?zāi)壳俺薳asa在amc25.1591中提出了符合性要求外，其它組織沒有對污染跑道的試驗(yàn)提出符合性和適航審定要求。目前，所有適航當(dāng)局尚未提出針對污染跑道的飛行試驗(yàn)要求，通常是主機(jī)廠通過仿真和建模的手段，對剎車性能進(jìn)行分析，并作出符合性分析報(bào)告提交給局方評審。主機(jī)廠在進(jìn)行污染跑道剎車性能

11、的研發(fā)試飛時(shí)，基于干跑道以及濕跑道的多次飛行試驗(yàn)結(jié)果，得到剎車系統(tǒng)的實(shí)際防滑效率數(shù)據(jù)，進(jìn)而完善和驗(yàn)證仿真模型，在該仿真模型的基礎(chǔ)上，根據(jù)污染跑道類型，選擇不同的裕度系數(shù)對模型進(jìn)行修正，逐漸建立污染跑道仿真模型，測算出飛機(jī)在污染跑道上的剎車性能。圖3是根據(jù)某型號飛機(jī)的構(gòu)型，通過仿真計(jì)算出的不同污染物跑道條件下實(shí)際著陸距離。這里的著陸距離是指從高于著陸表面15米（50英尺）的一點(diǎn)到飛機(jī)著陸并完全停止所需的水平距離。采用的飛機(jī)重量為35000kg。在同等飛機(jī)重量、同一構(gòu)型飛機(jī)和相同的機(jī)場壓力高度條件下，在3mm以上積水或融雪跑道上的實(shí)際著陸距離比濕雪、干雪、壓實(shí)的雪跑道上的著陸距離要長。冰跑道上的實(shí)

12、際著陸距離是所有污染跑道上最長的，由于目前大部分民用機(jī)場不具備進(jìn)行此試驗(yàn)的條件，因此本文暫不考慮冰跑道的試驗(yàn)要求。著重分析在3mm 以上積水或含水雪跑道上的試驗(yàn)要求及相應(yīng)剎車系統(tǒng)性能。計(jì)算結(jié)果沒有考慮污染物附加阻力，例如位移阻力、噴濺沖擊阻力等影響，僅僅考慮了不同污染跑道的摩擦系數(shù)對著陸距離的影響，由于考慮污染物附加阻力將減少污染物的實(shí)際著陸距離，因此這個(gè)計(jì)算結(jié)果更加保守。通過實(shí)驗(yàn)獲得的參數(shù)可以用來計(jì)算剎車控制系統(tǒng)的防滑效率，這是剎車控制系統(tǒng)的主要性能評價(jià)指標(biāo)。污染跑道輪胎地面最大剎車摩擦系數(shù)，需要考慮污染跑道上防滑系統(tǒng)的效率加以調(diào)整，在平整污染跑道上進(jìn)行飛行試驗(yàn)以演示防滑系統(tǒng)的工作，進(jìn)而確定

13、它的效率。跑道試驗(yàn)段應(yīng)能得到許多防滑動(dòng)作的循環(huán)，但不應(yīng)產(chǎn)生滑水現(xiàn)象。根據(jù) ac25-7c 中提供的防滑效率計(jì)算方法-滑移率法和壓力法，計(jì)算剎車系統(tǒng)防滑效率值。關(guān)于污染跑道防滑效率最低值目前航空規(guī)章中沒有統(tǒng)一的要求。但是，需要保證飛機(jī)減速平穩(wěn)無沖擊，沒有產(chǎn)生引起任何過度的前翻傾向，并且無前輪起跳現(xiàn)象。3 結(jié)論本文總結(jié)了faa、easa和caac中與污染跑道有關(guān)的相關(guān)條款規(guī)定，詳細(xì)分析了污染跑道輪胎-地面摩擦系數(shù)的影響因素，并對剎車控制系統(tǒng)在污染跑道仿真分析提出了指導(dǎo)意見。雖然適航當(dāng)局還尚未對污染跑道作性能要求，但為剎車控制系統(tǒng)在污染跑道上的預(yù)研及適航審定奠定了基礎(chǔ)?！緟⒖嘉墨I(xiàn)】1李巖，費(fèi)雅東，張

14、雅妮.跑道污染對飛機(jī)地面安全的影響分析j.國際航空，2010（9）.2中國民用航空總局.ccar-25，中國民用航空規(guī)章第25部s.北京：中國民用航空總局，2001.3cs-25，certification specifications for large aeroplanes， amendment 11，easa，2011.4far-25，airworthiness standards：transport category airplanes，amendment 134，faa，2012.5魯素芬，張磊.污染跑道上的起飛著陸性能計(jì)算研究j.民用飛機(jī)設(shè)計(jì)與研究，2012（4）.6ac-121-fs-2009-33.航空承運(yùn)人濕