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，由于其試驗條件的復(fù)雜性和試飛的高度危險性，造成主機(jī)制造商無法開展有效的驗證實驗，適航當(dāng)局也缺乏污染跑道的合格審定經(jīng)驗，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)，將會對機(jī)輪剎車系統(tǒng)在污染跑道上的制動能力提出更高的要求。本文立足于主機(jī)制造商的飛行實驗，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飛行實驗進(jìn)行研究，并為適航審定提供技術(shù)支持。

【關(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驗研究，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，在AP-25部中，除了濕跑道條件外，25.105、25.109、25.113、25.125條款還增加了在污染跑道條件下的上述各項性能規(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)制動性能提出飛行實驗要求，但是作為預(yù)研項目，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)而為飛行實驗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)域為積水或超過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3.0mm[6]。

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)污染跑道都會削弱飛機(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)的方向控制能力會削弱。此外，跑道污染物還會對飛機(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)制動和方向控制能力降低的影響。一旦發(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時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就是簡單將兩個單輪胎的阻力相加。雙輪胎配置在融雪或積水中滑跑時可見到的兩個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中出現(xiàn)。其阻力源自雪層的垂直壓實，盡管沿垂直輪胎運(yùn)動方向有一些變形，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，計算阻力時只須考慮前面的輪胎。積雪經(jīng)過前面輪胎的首次擠壓后，輪轍的積雪會強(qiáng)化，要進(jìn)一步擠壓時必須用更大的壓力，這使得后面輪胎上的阻力可以忽略不計，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

污染跑道上在確定輪胎與地面之間最大摩擦系數(shù)的時候應(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證據(jù)下偏保守地計算飛機(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，摩擦系數(shù)μ=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)是逐漸降低的。由于采用了最大輪胎壓力來獲得實驗數(shù)據(jù)，因此未對其它不太嚴(yán)苛條件下的輪胎壓力進(jìn)行實驗。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，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)制造商的一個重要的研究方向。

2 污染跑道上剎車控制系統(tǒng)飛行試驗

目前除了EASA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告提交給局方評審。主機(jī)廠在進(jìn)行污染跑道剎車性能的研發(fā)試飛時，基于干跑道以及濕跑道的多次飛行試驗結(jié)果，得到剎車系統(tǒng)的實際防滑效率數(shù)據(jù)，進(jìn)而完善和驗證仿真模型，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，通過仿真計算出的不同污染物跑道條件下實際著陸距離。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際著陸距離比濕雪、干雪、壓實的雪跑道上的著陸距離要長。冰跑道上的實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)行此試驗的條件，因此本文暫不考慮冰跑道的試驗要求。著重分析在3mm 以上積水或含水雪跑道上的試驗要求及相應(yīng)剎車系統(tǒng)性能。計算結(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際著陸距離，因此這個計算結(jié)果更加保守。

通過實驗獲得的參數(shù)可以用來計算剎車控制系統(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)行飛行試驗以演示防滑系統(tǒng)的工作，進(jìn)而確定它的效率。跑道試驗段應(yīng)能得到許多防滑動作的循環(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算方法-滑移率法和壓力法，計算剎車系統(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)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]李巖，費(fèi)雅東，張雅妮.跑道污染對飛機(jī)地面安全的影響分析[J].國際航空，2010（9）.

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[5]魯素芬，張磊.污染跑道上的起飛著陸性能計算研究[J].民用飛機(jī)設(shè)計與研究，2012（4）.

[6]AC-121-FS-2009-33.航空承運(yùn)人濕跑道和污染跑道運(yùn)行管理規(guī)定.中國民用航空局飛行標(biāo)準(zhǔn)司，2009.

[7]吳華偉，陳特放，胡春凱，黃偉明.多輪飛機(jī)滑水保護(hù)[J].民用飛機(jī)設(shè)計與研究，2011（4）.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]