飛機剎車系統先進技術研究與發展

雷曉犇， 高光輝 ， 李兵強， 劉帥楠， 曲青陽

(1.空軍工程大學航空工程學院，西安，710038；2.西北工業大學自動化學院，西安，710129)

隨著各國航空工業技術的不斷進步，促進了飛機性能不斷提高。在軍事領域，空中力量優勢是現代戰爭取勝的關鍵因素之一。因此，迫切需要研發高速、多功能的高性能戰機來提高綜合作戰能力。在民用航空領域，人們對飛機的安全、舒適性顯得格外重視。著陸作為飛機執行飛行任務的最后階段，具有時間短、故障率高的特征。 據調查，大約50%的航空事故都發生在飛機著陸階段，其中大多數都是由于滑跑超限或者偏離跑道[1-2]，因此，飛機剎車系統的綜合制動性能就十分重要。如何適應未來高性能飛機制動特點的變化，同時滿足穩定舒適的乘客需求，成為各國航空制動工業亟需解決的問題。

飛機剎車系統主要由剎車控制器、剎車作動器、傳感器和機輪剎車裝置等組成[3]，其基本架構如圖1所示。剎車控制器主要是對剎車過程進行控制，并具有防滑功能。早期的飛機速度低、重量小，飛行員可以憑經驗采用點剎的方式剎停飛機而不發生嚴重打滑現象。但是對于現代高速重載的飛機，必須加入防滑控制功能以避免出現輪胎嚴重磨損，甚至爆胎的現象。剎車作動器主要根據控制信號輸出剎車力矩，根據作動方式可以為分液壓作動器、電靜液作動器和機電作動器。目前最常用的是液壓作動器，電靜液作動器和機電作動器仍處于部分機型試驗驗證階段，尚未完全推廣。隨著近年來各國對多電/全電飛機技術的研究不斷深入，使用機電作動器的電剎車系統擁有了廣闊的應用前景[4]。機輪和剎車裝置主要研究剎車機輪、剎車盤摩擦材料及其附件。剎車盤摩擦材料，又稱“熱庫”，主要用來吸收飛機制動過程中產生的巨大能量，對材料性能要求極高，是剎車系統的重點研究方向之一。

圖1 現代飛機防滑剎車系統基本架構

1 防滑剎車控制系統

1.1 研究進展

20世紀40年代以后，隨著飛機噴氣式時代的到來，飛機的著陸速度顯著提高，運載能力顯著增強，防滑控制成為保障飛機安全制動的必要功能。第一臺具有防滑控制功能的剎車系統是Hydro-Aire公司于1948年生產的Mark Ⅰ型剎車系統，該系統最初是為B-47轟炸機研發設計，而后又大批量裝備于B-52、B-707等軍民用飛機[5]。此后，防滑剎車控制系統不斷更新和完善，經歷了機械慣性式、模擬電子式、數字電傳式，目前正逐漸向全電剎車系統發展，如圖2所示[6]。

圖2 防滑剎車控制系統發展過程

早期的防滑剎車控制系統受限于電力電子器件和傳感器技術，都是使用基于繼電器的機械慣性式系統。該系統在控制方式上屬于開-關式，主要由剎車閥、電磁活門、慣性傳感器等部件組成。因為系統中無電子元件，所以不存在電磁干擾問題，具有可靠性高的優勢，一直是蘇式或俄式的主導產品。但是此類系統制動效率較低，一般只有40%～60%。后期俄羅斯Rubin公司在機械慣性式系統的基礎上，改進了剎車指令信號的傳輸模式，優化了控制流程，研發了雙信號慣性防滑剎車系統和遠距離遙控電液壓剎車系統(電傳剎車)[7]。例如Su-27剎車系統采用雙信號工作模式，根據飛機滑跑速度的變化采用不同的控制方式，使制動性能得到較大改善；伊爾-76在Su-27剎車系統的基礎上增加了電傳操縱技術，減少了機輪附件數量，節省了重量和體積。這是該技術的首次成功應用，為此后全電剎車系統的研發奠定了基礎[8]。

20世紀60年代，電液伺服閥的出現以及電力電子器件的發展為防滑剎車系統的更新換代提供了良好的契機，英美等國開始研發新型電子防滑剎車系統[9]。相比于機械慣性式系統結構(對比見圖3)，電子防滑剎車系統中增加了速度傳感器、電子控制盒、電液伺服閥等部件。系統工作時電子控制盒根據速度傳感器反饋的機輪狀態向電液伺服閥(外形見圖4)輸出控制信號，電液伺服閥再將接收到的控制信號轉換成輸出壓力[10]。早期的電子控制盒內部采用模擬電路進行邏輯運算，因此這類系統也被稱為模擬電子式剎車系統，如Hydro-Aire公司生產的Mark Ⅱ和Mark Ⅲ、Dunlop公司生產的MK Ⅴ和MK Ⅵ[11]型剎車系統。

圖3 剎車系統結構對比圖

圖4 Hydro-Aire生產的高精度電液伺服閥

到20世紀80年代，電子控制盒的內部普遍采用高性能微處理機進行邏輯運算，這類系統則被稱為數字電傳式剎車系統。微處理機的使用使得運算效率大大提升，一些復雜的防滑控制算法得以實現，使得剎車系統集成技術[12]、控制律優化技術[13]、系統冗余技術[14]、健康診斷技術[15]的應用成為可能。為了進一步提高制動安全性，數字電傳式剎車系統還增加了一些功能附件，如Mark Ⅳ型系統增加了故障顯示單元見圖5(a), 能夠提供可視化的故障指引，提高系統的可維護性。Mark Ⅴ型(見圖5(b))通過SmartStem?實現了先進的遠程數據集中器架構，控制盒集成了制動溫度檢測系統和無線輪胎壓力指示系統，通過實時獲取制動溫度和輪胎壓力，實時監控輪胎磨損情況[16]。Hydro-Aire公司作為美國最大的剎車控制系統生產商，其主要型號Mark系列產品的研發過程很好地反映了現代剎車控制系統的發展歷程，主要技術特點見表1。

(a)故障顯示單元

(b)Mark V型剎車控制單元圖5 故障顯示單元和Mark V型剎車控制系統

表1 Hydro-Aire 制動技術發展過程

由表1可以看出，飛機剎車系統不斷向機電綜合控制方向發展，并且在多電/全電飛機技術的推動下，電剎車系統必將成為未來剎車系統的發展趨勢[17-18]。早在1998年，美國Goodrich公司就在F-16HD成功進行了電剎車系統的滑行試驗驗證。該剎車系統采用4個高精度伺服電機取代原來的液壓作動器，在高速、濕跑道和降額剎車條件下均達到了預期效果。2004年，Goodrich公司又為B-787客機提供了電剎車裝置(如圖6所示)，這也是電剎車系統的首次商業應用[19]。相比之下，國內關于電剎車系統的研究起步較晚，但是目前也取得了一系列突破性的成果：航空工業集團趙文慶團隊成功完成了國家預研項目“航空機輪全電剎車系統技術”，為國內全電剎車技術做出貢獻；西北工業大學團隊于2013年成功在某型無人機上開展全電剎車系統試驗，成為我國電剎車系統研制與應用的里程碑[20]。

(a)電剎車裝置

(b)剎車裝置與機輪圖6 B-787飛機電剎車裝置

1.2 全電剎車技術及問題

隨著航空工業技術的不斷發展，多電/全電飛機技術逐漸成為研究熱點。全電剎車系統作為多電/全電飛機的重要功能子系統，是實現多電/全電飛機的關鍵。相比于傳統的液壓剎車，全電剎車系統機電一體化程度顯著提高，不但避免了了液壓元件過多導致的液壓油污染、泄露誘發的系統故障，而且便于實現系統在線測試和診斷功能[21]。全電剎車系統與液壓剎車系統架構對比見圖7。此外，全電剎車系統使用機電作動器作為剎車壓力輸出部件，使系統響應頻率提高了2～3倍，顯著改善了制動穩定性，其外形和內部結構如圖8所示。

圖7 全電剎車系統與液壓剎車系統架構對比

圖8 機電作動器及其作動結構

在全電剎車系統的工程化應用進程中，還存在以下問題需要重點關注：

我國制造業的前進不但要看重大企業的壯大，也應兼顧中小制造企業的主動性，使市場配置更加科學，維護企業間的競爭秩序。但是科技和人力資源存在瓶頸，新經濟環境下中小制造企業獲得了機遇的同時，也將會面臨挑戰。

1)飛機剎車裝置的工作環境溫度高達200 ℃，對電機的可靠性設計提出了嚴峻的考驗。除了研發新型的耐熱材料，還需要采用新型的控制策略或由多臺電機構成余度設計來提高電機的可靠性和容錯能力。由圖8可以看出，機電作動器內部的傳動機構通過傘齒輪進行直線作動力輸出，這必然產生嚙合齒隙，造成動力延遲、噪聲與振動，影響電動伺服機構的動態性能與控制精度[22]。此外，現代高速重載飛機在著陸瞬間往往會產生過大負載，極易導致滾珠絲杠損傷。西北工業大學謝彥等人，在作動器的實驗調試中，也多次出現絲杠卡死無法松剎的情況[23]，嚴重的還會導致滾珠軸承碎裂。因此，在生產過程中要確保所選材料的強度和剛度，并且單獨設計手動松剎裝置，以避免滾珠絲杠卡死造成嚴重的剎車事故。

2)由于全電剎車系統中增加了剎車力矩反饋來消除摩擦力異常變化對控制精確性的影響，因此要考慮力傳感器的可靠性設計和抗干擾問題[24]。在剎車系統復雜的工況下，除了高溫、振動的影響，往往還存在大量電磁干擾，包括內部電源系統的逆變輻射干擾、傳導干擾以及線路之間的耦合干擾。由于力傳感器的工作電壓低，在長距離傳輸中極易造成干擾信號的疊加，使系統處于不穩定的工作狀態。因此建議在設計中增加傳感器的健康狀態識別功能，以實現故障的快速檢測，增強系統的可維護性。

2 防滑控制技術

2.1 研究進展

剎車系統工作過程中，防滑控制盒綜合剎車指令信號和剎車力矩、機輪速度等狀態反饋信號，以一定的控制算法實現對機輪的防滑控制[25]。隨著防滑控制盒的邏輯運算能力不斷提高，控制方法也在不斷迭代升級，從機械慣性剎車系統的開關式控制，經歷了電子防滑剎車系統的減速率式控制、滑移速度式控制，發展到滑移率式控制。開-關式防滑控制主要應用于機械慣性剎車系統中，依靠機輪上安裝的慣性傳感器不斷檢測機輪狀態，通過電磁活門的反復動作進行剎車壓力調節[26]。減速率式則是根據輪速傳感器的反饋信號計算出機輪減速率，與預先設定的減速率值進行比較得到控制信號，再由電液伺服閥根據控制信號來調節剎車壓力輸出。該方法有效降低了打滑深度和頻率，在干跑道上性能表現優異，但是在濕滑跑道上會出現頻繁松剎情況，制動效率嚴重降低[27]。滑移速度式的控制對象是準滑移速度，由飛機參考速度和受剎機輪線速度作差得到。在其控制方法的設計上，國內常采用多門限PID方法，其中積分級改進成了壓力偏調級(PBM)，通過改善這一級的放電特性提高了剎車效率。但是該方法經常存在低速段打滑的現象，并且無法進行精確的跑道辨識，剎車效率一般只能達到90%左右[28]。滑移率式的控制對象為滑移率，即機輪在制動過程中滑動部分所占的比例。滑移率式控制的關鍵是充分利用了輪胎與地面之間的結合力，因此可以從本質上提高制動效率。不同跑道狀態下控制效果對比見表2。

結合表2可知，在不同的跑道狀態下，滑移率式控制均表現較好，尤其在濕滑跑道，由結合系數計算的剎車效率明顯高于其他控制方式[30]。目前這種控制方式已經在歐洲部分機型上得到應用，未來具有廣闊的應用前景。

表2 NASA 關于不同防滑控制方式的試驗結果[29]

2.2 先進控制技術及問題

由于飛機剎車系統是一個高度非線性系統，內部子模塊之間耦合性強，工作環境存在大量的不確定干擾，這就對控制算法的設計提出了很高的要求[31]。在設計控制算法前，首先要分析影響飛機制動效率的主要因素。飛機制動主要依靠輪胎和地面之間的結合力起到阻力的作用，而影響結合力的主要因素是結合系數[32]，不同路況條件下，滑移率與結合系數的關系如圖9所示。 其中最大結合系數對應的滑移率稱為最佳滑移率。

圖9 滑移率-結合系數關系曲線

在實際制動過程中，將滑移率穩定在最佳滑移率附近，就能獲得最大地面結合力，達到最佳剎車效率。但是，如何準確、實時地獲得飛機速度，并且得到不同路況條件下的最佳滑移率，是制約滑移率式控制工程運用的主要因素。主要可以分為以下幾個問題：

1)最佳滑移率信號的獲取。最佳滑移率信號是實現滑移率控制的前提和關鍵，但是不可直接被測量，目前主要根據結合系數-滑移率之間的關系進行估計得到。由于輪胎和跑道之間的結合是一種復雜的物理現象，很難進行精確的模擬，常用參考模型的方法來描述結合系數-滑移率之間的關系，其關鍵是模型的設計和參數的在線辨識。常用的模型有：魔術公式模型、 LuGre 模型[33]和Burckhardt模型。彭曉燕等人[34]和Sharifzadeh等人[35]分別利用非線性參數估計法和極大似然法實現了對Burckhardt模型參數的在線辨識，得到結合系數-滑移率之間的關系，再通過求極值的方法得到峰值結合系數和最佳滑移率，為滑移率控制提供了參考信號。

2)飛機速度信號的采集。為了實現對最佳滑移率的跟蹤，需要獲取當前飛機速度信號計算出實際滑移率，但是憑借現有的技術條件很難直接獲取精確、實時的飛機速度信號。在已有的滑移率控制方案中，通過采用系統狀態估計方法或直接用前輪速度來代替飛機速度[36]。李玉忍等人[37]設計了一種基于擴展卡爾曼估計的方法，在跑道狀態改變或機輪打滑時也能精確地估計飛機速度，改善了傳統空速管測速在低速時信號波動大的問題。劉文勝等人[38]采用無味卡爾曼濾波(UKF)對機體速度進行在線估計和實時濾波，結合模糊神經網絡控制，很好地完成了滑移率的跟蹤任務。但是實際的著陸過程往往存在許多未知干擾，這就需要對算法進行不斷地升級改進，才能達到裝機使用的要求。

3)控制策略的設計。在對滑移率控制策略的研究中，使用較多的方法有滑模控制[39-42]、反饋線性化控制[39,43]、模糊神經網絡控制[44]等。滑模控制針對含未建模動態和強非線性系統具有顯著的魯棒性，是一種高效的防滑剎車控制器解決方案，缺點是會存在輸出不連續引起的抖振現象。雖然目前關于抖振的抑制算法有很多，但是對于飛機制動控制系統的是否處于穩定的工作狀態則考慮較少。在今后的設計中，可以增加傳感器來獲取系統的工作狀態，這也是實現閉環控制的重要前提與必要條件。隨著人工智能的普及，一些先進的智能控制算法，如免疫算法、遺傳算法、粒子群優化算法等，對跑道辨識和最佳結合系數估計具有重要應用價值。通過將這些算法與滑移率控制經典理論結合起來，實現不同剎車工況下自尋優控制，將成為重點研究方向。

3 剎車材料技術

3.1 研究進展

圖10 A320系列飛機碳剎車盤

3.2 新型材料技術及問題

由于材料本身性質的原因，C/C復合剎車材料存在高溫下易被除冰劑和其他污染物氧化，潮濕狀態下摩擦性能嚴重衰減的問題。目前已有的方法主要是從2個方面來優化材料性能，一是通過加入抗氧化涂層,二是在C/C復合剎車材料的制備過程中引入C/SiC基體，制成新型C/C-SiC摩擦材料，能夠有效改善濕態下的摩擦性能，同時還能增強材料的抗氧化性。

針對當前主流的碳剎車材料高溫下易被氧化的問題，西北工業大學凝固技術國家重點實驗室范尚武等人[49]提出了一種雙層結構SiCN/glass-B4C防氧化涂層的解決方案。該方案首先引入SiCN層作為過渡層來改善硼硅玻璃與C/C復合材料之間的潤濕性，其次將B4C引入外玻璃涂料中消耗擴散到涂層中的氧，反應產物B2O3在800 ℃時具有較好的流動性，可以有效地修復涂層中的裂紋和氣孔(如圖11所示)，顯著改善了涂層的抗氧化性能。國外也開展了許多關于抗氧化涂層的研究，例如Safran集團生產的Sepcarb?Ⅲ OR (抗氧化)碳剎車盤，見圖12(a)，Goodrich公司生產的Carbenix?軍用碳剎車盤，見圖12(b)，均使用了先進的抗氧化涂層技術，有效提高了剎車盤的壽命。

圖11 SiCN/glass-B4C涂層樣品在800 ℃氧化修復過程

圖12 Sepcarb?Ⅲ OR和Carbenix?碳剎車盤

在改善碳剎車材料濕態摩擦性能方面，Renz R[50]提出了一種新型陶瓷基復合材料(CMC-SiC)的設計方案，通過在1 500 ℃高溫下往C/C復合材料中加入硅顆粒，制成了新型C/C-SiC復合材料,過程見圖13。采用C/C-SiC復合材料生產的剎車盤相比于碳剎車盤磨損率降低50%以上，濕態摩擦性能衰減降低60%以上，靜摩擦系數提高1～2倍。國內西北工業大學張立同院士團隊發明了化學氣相滲透結合反應性熔體滲透的制造工藝，實現了CMC-SiC的低成本快速致密化，解決了國際上生產周期長、成本高的問題[51-54]。在各國對C/C-SiC材料的研究中，我國是世界首個將C/C-SiC摩擦材料用于制造飛機剎車盤的國家[55]。隨著新工藝技術(激光加工、特種加工)的應用，新型C/C-SiC復合材料將向勻質、致密度高、氣孔率低的方向發展。通過結合不同的制備方法，實現材料微結構-力學性能-摩擦磨損性能之間的協同設計，是今后提升材料性能的重點研究方向。

圖13 C/C-SiC材料制備過程

4 發展趨勢

綜合以上剎車系統關鍵技術的研究進展及問題分析，可以預測飛機防滑剎車系統未來的發展趨勢包括：

1)智能化。隨著人工智能技術的不斷興起，具有自主學習功能的智能控制理論在在越來越多的領域中得到廣泛應用。高性能微處理器的發展，極大地提高了系統的運算速度，為智能控制算法的實現提供了硬件保障。若在飛機剎車系統的防滑控制中采用智能控制策略，首先必將極大提高信息處理能力，為飛機剎車過程中干擾抑制、跑道結合系數識別困難等問題提供新的解決方案。其次，在機器學習、自主信息處理能力的加持下，可以改進傳統的控制盒機內自檢測功能(built in test，BIT)，實現系統故障預測和健康管理(prognostic and health management，PHM)功能。通過預測并管理系統未來可能出現的風險，降低維修保障費用、提高戰備完好率和任務成功率。最后，通過對積累的大量剎車系統故障數據進行分析研判，可以根據故障類型和機理建立故障樹，為實現系統故障自修復功能提供理論支撐，進一步推動剎車系統智能化發展進程。

2)綜合化。一是外部信息的綜合。隨著航空電氣化的發展，各類電子信息可以利用5G技術相互傳輸和融合，因此可以在設計中增加剎車系統的在線監測功能。通過監測外部的跑道、氣象等狀態信息，并且與北斗定位系統、飛管、機場導航等系統進行信息交互，構建一個先進、高效的飛機地面運動綜合控制系統。二是內部信息綜合。四代機之后，以機電綜合管理為基礎的先進機電控制系統成為發展趨勢。目前剎車控制系統還是機上“獨立”的模塊，信息獲取方式單一。由于缺乏對飛機整體態勢的感知，導致系統工作穩定性較低。基于現有的機載設備綜合管理技術，采用高速、高可靠總線及分布式控制，遠程管理剎車系統的傳感器和附件，實現飛機剎車系統與機電系統、動力、飛控、航電等信息的共享也是未來主要的發展方向之一。

3)全電化。電能具有無污染、易傳送、低損耗等特點，是飛機上最為理想的二次能源，也是促成多電/全電飛機設計理念的重要因素。隨著各國對多電/全電飛機的研究不斷深入，必將進一步推動剎車系統的全電化進程。首先，相比于傳統的液壓剎車，全電剎車系統具有極大的安全優勢，在提高可靠性和可維護性方面也具有很大的發展空間。其次，隨著新型高性能電機的研發以及智能控制技術的發展，相比于液壓作動機構，在已有的響應頻率優勢上能夠進一步提高控制的精確性，制動效率將顯著提高。最后，全電剎車系統作為多電/全電飛機的功能子系統，降低了機上二次能源形式多樣化需求，提高了能源利用率，并且對于研發綠色電滑行技術、實現航空碳中和目標也具有重要意義。因此，全電化必將成為未來剎車系統的發展趨勢。

5 結語

飛機剎車系統經過幾十年的發展，取得了豐碩的研究成果。防滑控制盒、作動機構、機輪剎車材料等重要部件不斷地進行更新換代，控制策略不斷升級，成功地保障了各種軍民用機型的安全制動。但是，各國對飛機性能的追求沒有止步，因此需要持續開展剎車系統的創新研究。除了在之前技術較為成熟的領域(如液壓剎車系統)進行技術升級改造外，也要敢于打破常規，重新設計，尋求性能提升前景更廣闊的創新點，如全電剎車系統的設計、新型剎車材料的設計等。在未來高性能制動需求的牽引下，不斷推動飛機防滑剎車系統向智能化、綜合化、全電化的方向發展。