民用飛機最嚴酷著陸剎車能量定義和驗證

王曉梅

摘 要：民用飛機最嚴酷著陸停止是在最臨界的飛機著陸重量和速度組合狀態下的停止，若不能排除，則剎車設計和驗證必須考慮最嚴酷著陸停止工況。在定義單輪最嚴酷著陸能量時，需首先分析出定義最嚴酷著陸工況、全機最嚴酷著陸能量值、剎車起始溫度、可執行剎車的機輪數量。

關鍵詞：民用飛機；最嚴酷著陸；剎車能量；合理計算方法；剎車起始溫度

中圖分類號：V212.13+1 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）23-0011-02

Abstract： The harshest landing stop of civil aircraft is in the most critical combination of aircraft landing weight and speed. If it can not be excluded， the brake design and verification must consider the most severe landing stop condition. When defining the harshest landing energy of a single wheel， it is necessary to first analyze the definition of the harshest landing condition， the harshest landing energy value of the whole aircraft， the starting temperature of the brake， and the number of wheels that can execute the brakes.

Keywords： civil aircraft； harshest landing； braking energy； reasonable calculation method； braking starting temperature

1 介紹

民用飛機的高速運行和運營重量的增加，勢必導致剎車能量增加。飛機著陸后巨大的動能主要由剎車轉為熱能吸收。因此剎車研發離不開剎車能量的定義。

剎車能量的大小，直接影響剎車和機輪的重量，以及航空機輪輪胎和剎車的安全性。剎車能量若過于保守，則實際剎車重量偏大，飛機每天背負不必要的重量飛行而增加成本；剎車能量定義若不保守，導致在發生大能量著陸時無法剎停飛機，而發生災難。

本文結合實際經驗，旨在系統性講解如何合理定義25.735（f）的最嚴酷著陸工況。

2 最嚴酷著陸工況定義

CCAR25.735（f）條款要求：

“最嚴酷著陸停止是在最臨界的飛機著陸重量和速度組合狀態下的停止。必須確定每一個機輪、剎車和輪胎組件最嚴酷的停止剎車動能吸收要求。必須通過測功器測試驗證，在剎車熱庫達到完全磨損極限情況下，機輪、剎車和輪胎組件能夠吸收不少于該水平的動能。對于極不可能的失效情況或當最大動能加速停止能量更嚴酷時，不必考慮最嚴酷的著陸停止”。

最嚴酷著陸停止情況，與最大動能加速停止一同用于確定飛機機輪剎車組件的最大吸能能力。在飛機設計初期，就需要考慮飛機是否出現最嚴酷著陸情況，并貫穿飛機的整個設計周期。最嚴酷著陸停止，是在飛機著陸重量和速度最臨界的組合狀態下的停止，是基于安全性分析得到的結果。若不能排除下列兩種情況，則在剎車設計時必須考慮最嚴酷著陸停止：（1）若安全性分析結果表明極不可能（發生概率小于10-9）的失效情況可不必考慮；（2）若這些失效導致的最嚴酷著陸停止不比最大動能加速停止更嚴酷時，也可不必考慮。

本文從臨界飛機重量、臨界飛機著陸速度以及臨界飛機著陸重量和速度組合三個方面研究如何完整的定義飛機最嚴酷著陸。

2.1 臨界飛機著陸重量

考慮到飛機起飛后，可能發生應急返場著陸而導致飛機超過最大設計著陸重量。AC25.735-1中給出，最嚴酷停止中的臨界重量是指最大起飛重量減去起飛和返場著陸的耗油量，假設總飛行時間為30分鐘，若飛機安裝放油系統，則應計入15分鐘的放油量。

在定義飛機臨界著陸重量時，飛機性能還需滿足CCAR25.1001的要求。此處不疊加考慮故障導致的著陸速度增加，可僅考慮因飛機著陸重量增加而導致的著陸速度和能量增加，得到的能量定義為超重著陸能量。

2.2 臨界飛機著陸速度

此處以最大設計著陸重量著陸，通過安全性分析得到各種可能導致著陸速度增加且失效概率大于10-9的單個或多個失效狀態，包括單發失效、襟/縫翼失效等。尋找出其中最大能量的情況，得到的能量定義為超速著陸能量。

2.3 臨界飛機著陸重量和速度組合

最嚴酷著陸停止情況是基于典型的單個或多個可預見的失效情況。最嚴酷著陸停止中的臨界著陸重量和速度的組合定義，是一項龐大的系統工作，需跨專業合作完成全機系統安全性分析以及特定風險分析得到所有可能導致飛機超重且超速著陸的失效狀態或組合（參見圖1）。

2.4 最嚴酷著陸工況定義

2.1～2.3章節分別從臨界飛機重量、臨界飛機著陸速度以及臨界飛機著陸重量和速度組合進行定義。從3種工況中找出其中最嚴酷的情況，將該最嚴酷的情況與最大動能加速停止相比。若最大動能加速停止更嚴酷，則可不考慮該項；若該項最嚴酷著陸情況更嚴酷，則需通過分析和試驗表明在該最臨界的故障情況下剎車有能力剎停飛機。

3 最嚴酷著陸剎車能量的計算方法

每個機輪和剎車裝置的剎車動能吸收要求可按下述方法之一確定：（1）直接計算方法：剎車能量等于開始使用剎車時的飛機動能；（2）保守分析方法：對使用剎車過程中預期會出現的事件序列進行保守的合理分析，應考慮：a.第一次使用剎車時的保守飛機地速；b.預期的輪胎對地摩擦系數范圍；c.輪胎對地正壓力；d.氣動阻力；e.發動機正推力；f.若更嚴酷則需考慮單發失效情況。

使用保守分析方法計算剎車能量，需首先確定剎車過程中所有參數的保守值，然后通過能量守恒法得到整個過程中剎車吸能的總量。使用保守分析方法計算剎車能量更加合理，但困難在于，保證每一參數值的準確和保守。

4 最嚴酷著陸停止驗證所需考慮因素

4.1 剎車起始溫度

剎車吸能能力的驗證要求在指定起始溫度下進行，而該溫度應盡可能的代表實際使用過程中的典型情況。此處的剎車起始溫度，與起飛線安全放飛溫度息息相關。

剎車起始溫度值影響剎車吸能量。在執行最嚴酷著陸停止時，如果剎車熱包起始溫度超過門限值，剎車可能無法產生足夠力矩在允許場長內剎停飛機，或者無法吸收如此大能量而導致起火。

TSO給出了兩種定義剎車起始溫度的方法：

（1）經驗方法，對最嚴酷著陸停止，起始溫度為環境溫度加上10%的RTO能量產生的溫升。（2）合理分析方法定義剎車起始溫度時，應計及：a.前一次典型著陸后的剎車溫度；b.滑入停機坪過程中使用剎車的溫度變化；c.停放時的溫度變化；d.滑出停機坪過程中使用剎車的溫度變化；e.起飛加速過程的剎車溫度變化；f.剎車收入艙內的溫度變化。

4.1.1 安全放飛溫度

定義最嚴酷著陸剎車起始溫度時，需結合安全放飛溫度一起考慮，并綜合進最嚴酷著陸剎車試驗進行驗證。AMC 25.735要求應保證實際使用時剎車溫度低于實驗室驗證的剎車起始溫度。

安全放飛溫度為起飛線處允許飛機放飛的安全剎車溫度值，是由前一次典型著陸，經過滑入、過站停放、滑出等一系列溫度變化后得到的起飛線處剎車溫度值。

4.1.2 滑行溫度變化

滑行時頻繁使用剎車，一方面是需要轉彎或機場地面交通限制，另一方面是飛機的滑行速度超過滑行道限制而需剎車減速。定義剎車起始溫度時，需要考慮滑入和滑出停機坪中剎車的溫度變化。因此，特別需要清楚飛機在地面慢車推力作用下的運動情況：（1）若飛機在地面慢車推力作用下加速度大，滑行速度遠超滑行道速度限制，則需頻繁使用剎車；針對此種情況，建議由滑行距離要求及每公里滑行能量值分析滑入和滑出過程中的溫度變化。（2）若飛機在地面慢車推力作用下不會超過滑行道速度限制，則可通過統計分析定義出典型的滑入和滑出停機坪時的剎車使用頻率，分析滑入和滑出過程中的溫度變化。

4.2 剎車自身狀態

最嚴酷著陸停止能量是分配到每一個機輪、剎車和輪胎組件剎車動能吸收要求。因此應通過安全性分析得到，有單一故障或多個故障疊加的情況下，在各種可預期的條件下實際可執行剎車功能的剎車機輪的數量，據此分析全機總能量分配到每個剎車上的吸能要求。

5 結束語

最嚴酷剎車能量的定義，對剎車研發設計至關重要。根據適航條款要求，若不能排除最嚴酷著陸工況，則必須確定每一個機輪剎車輪胎組件最嚴酷著陸停止工況下的剎車動能吸收要求。在定義單輪最嚴酷著陸能量時，需首先定義最嚴酷著陸工況、全機最嚴酷著陸能量值、剎車起始溫度、可執行剎車的機輪數量。保守分析方法計算剎車能量比直接計算方法更合理，但是難以保證每一參數值的準確和保守。合理的剎車能量定義，既能保證剎車使用和飛機的安全，又不致使飛機背負不必要的重量飛行而降低成本。

參考文獻：

[1]CCAR25R4.運輸類飛機適航標準[S].

[2]AC 25.735-1 BRAKES AND BRAKING SYSTEMS CERTIFIC

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[3]AMC 25.735 Acceptable Means of Compliance.