一种采用差动刹车控制飞机极限转弯的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及飞行员在地面作低速滑行时，通过对左、右机轮使用不同的刹车压力， 在确保安全的前提下，操控飞机以最大极限速度进行转弯的控制方法。
【背景技术】
[0002] 早期的飞机大都不带有主动的前机轮转弯控制装置，在地面上滑行需要转弯时， 特别是在低速滑行时，舵面对飞机的方向基本没有控制作用，因此要靠飞行员对左、右机轮 施加不同的刹车压力来控制机轮转弯。地面滑行时的前机轮处于减摆状态，即跟随机头作 偏摆，但在偏摆过程中要受到安装在前起落架上的减摆器施加的阻尼力。减摆器产生的阻 尼力与前机轮偏摆的速度呈正比，而且是双向的，也就是说它可以对机轮的左右偏摆都产 生阻力，可见减摆器能对前机轮的偏摆起一定的稳定作用。
[0003] 现代的飞机大都具有可以对前机轮的偏转角度进行主动控制的前机轮转弯控制 系统，但是当该系统出现故障时，系统会自动切换到减摆状态，不具有转弯的主动控制功 能，这时依旧要靠差动刹车来对飞机进行转弯控制。
[0004] 飞机转弯过程中，如图1是以飞行员对左侧机轮实施刹车，右侧机轮轮处于自由 滚转状态下的飞机受力分析图。图中飞机受到发动机的推力、地面作用在左侧机轮的刹车 阻力、作用在右侧机轮和前机轮的滚动阻力、以及在转弯过程中地面产生的作用于前机轮、 主机轮的侧向力。前机轮受到的偏转力矩其实是一个合力矩，一方面由于前机轮轴中心线 到前起落架支柱中心线的水平距离存在偏心矩e，因此前机轮在受到地面提供的侧向力，来 给飞机提供向心力的同时，会产生一个使前机轮相对机身偏角减小的力矩；另一方面，飞行 员对左侧机轮实施刹车，会带动前起落架立柱中心C点左转，从而给前机轮一个使其相对 机身偏角增大的力矩，这两个方面的力矩相互制约，如果不平衡，就会使前机轮的偏转角产 生变化。前起落架上的减摆器会根据偏摆角的变化自动产生一定的阻力，适当地平衡前面 两个方面的力矩，让飞机前机轮的偏转角尽快趋于稳定。当飞机所受的各种外力与飞行员 操控的发动机推力和刹车阻力相平衡时，前机轮相对机身的偏转角度也会保持不变，飞机 进入稳定的绕固定圆心和恒定半径作勾速转弯的状态。
[0005] 这种采用差动刹车对飞机进行转弯控制的方法结构很简单，操作也很方便，但是 有一定的安全隐患。由以上分析可知，利用差动刹车对飞机进行转弯控制，要通过刹车来使 轮胎与跑道接触面发生摩擦来产生转弯所需的力矩，而跑道的质地不同（水泥、沥青、土质 等）、各种气候环境和状况不同（干跑道、湿跑道、积水、积雪、结冰等），使用状况不同（转 弯的速度、转弯半径、飞机的载重、转动惯量和重心位置、发动机的推力、差动刹车力矩的大 小等）都是转弯控制过程中要充分考虑的因素，如何快速地实现转弯控制，并确保飞机转 弯过程的安全，不至于出现转弯困难、或者前机身侧滑、后机身甩尾、甚至于倾翻等安全隐 患和事故，有必要对飞机通过差动刹车进行转弯控制的性能进行研宄，寻求出一种可量化 的极限转弯控制方法。
[0006] 有关通过差动刹车对飞机进行转弯控制的研宄，大都是基于前期的设计和飞行员 操控经验少，理论研宄比较少，但是对飞机着陆刹车过程中差动刹车对飞行航向的纠偏作 用还有一些论述，如上海飞行设计研宄院周涛发表在2011年的《计测技术》上的一篇《飞机 滑行中差动刹车性能的仿真测试》的文章，对飞机在着陆刹车的高速阶段通过差动刹车过 程对航向的纠偏作用进行了一些仿真分析研宄，但对纯粹通过差动刹车对飞机在低速段进 行转弯控制的仿真研宄比较少。
【发明内容】
[0007] 为克服现有技术中存在不能满足快速转弯要求和存在安全隐患的不足，本发明提 出了一种采用差动刹车控制飞机极限转弯的方法。
[0008] 本发明的具体过程是：
[0009] 步骤1，确定飞机当前滑行条件下的最大允许摩擦系数。所述的最大允许摩擦系 数y根据跑道条件、飞行员的操控经验、转弯任务的紧急程度和轮胎条件和气候条件综合 确定。
[0010] 步骤2,建立飞机的运动及动力学方程：
[0011] 所述飞机的运动及动力学方程指飞机在低速滑行时实现稳定转弯的运动及动力 学方程，包括飞机自转力矩平衡方程、飞机绕转动中心A转弯的力矩平衡方程、飞机绕转动 中心A转弯的离心力方程、前机轮侧向力平衡方程、飞机重心的偏转角0和前轮偏转角a 的求解方程、前机轮垂直载荷分配方程、转弯内侧机轮垂直载荷分配方程、转弯外侧的松刹 车主机轮垂直载荷分配方程和刹车机轮的刹车阻力方程。
[0012] 所述建立飞机的运动及动力学方程的具体过程是：
[0013] 1)建立以飞机转弯外侧主轮接地点为轴的飞机自转力矩平衡方程：
【主权项】
1. 一种采用差动刹车控制飞机极限转弯的方法，其特征在于，具体过程是： 步骤1，确定飞机当前滑行条件下的最大允许摩擦系数；所述的最大允许摩擦系数y根据跑道条件、飞行员的操控经验、转弯任务的紧急程度和轮胎条件和气候条件综合确 定； 步骤2,建立飞机的运动及动力学方程： 所述飞机的运动及动力学方程指飞机在低速滑行时实现稳定转弯的运动及动力学方 程，飞机自转力矩平衡方程、飞机绕转动中心A转弯的力矩平衡方程、飞机绕转动中心A转 弯的离心力方程、前机轮侧向力平衡方程、飞机重心的偏转角0和前轮偏转角a的求解方 程、前机轮垂直载荷分配方程、转弯内侧主机轮垂直载荷分配方程、转弯外侧的松刹车主机 轮垂直载荷分配方程和刹车机轮的刹车阻力方程； 步骤3,确定飞机转弯时的控制参数及能够达到的状态参数： 所述的飞机转弯时的控制参数包括飞行员应该施加的刹车力矩和发动机推力；所述飞 机转弯时能够达到的状态参数包括转弯半径r、转弯线速度、转弯角速度和前轮偏转角；具 体过程是： 所述转弯半径r是以最小转弯半径1为起点，逐步增大转弯半径，得到若干个飞机转弯 半径r;将得到的各转弯半径r分别作为输入量，利用Matlab仿真计算软件，在Simulink环 境下，通过建立的飞机自转力矩平衡方程、飞机绕转动中心A转弯的力矩平衡方程、飞机绕 转动中心A转弯的离心力方程、前机轮侧向力平衡方程、飞机重心的偏转角0和前轮偏转 角a的求解方程、前机轮垂直载荷分配方程、转弯内侧机轮垂直载荷分配方程、转弯外侧 机轮垂直载荷分配方程和刹车机轮的刹车阻力方程，得到在稳定的持续转弯状态下，飞行 员应该施加给飞机的刹车力矩和发动机推力，以及飞机在稳定转弯状态下所能达到的各状 态参数；将所述每一个飞机转弯半径r下实现极限转弯所需的控制参数以及能够达到的状 态参数连接起来，得到差动刹车过程的极限转弯曲线； 所述逐步增大转弯半径时的步长根据需要任意设定； 所述最小转弯半径1通过公式（10)确定：
步骤4,通过飞行员对刹车力矩和发动机推力进行控制； 飞行员根据得到的差动刹车过程的极限转弯曲线，对刹车力矩和发动机推力进行控 制。
2. 如权利要求1所述一种采用差动刹车控制飞机极限转弯的方法，其特征在于，所述 建立飞机的运动及动力学方程的具体过程是： I建立以飞机转弯外侧主机轮接地点为轴的飞机自转力矩平衡方程：
其中：其中：1为刹车机轮的刹车阻力，单位：N;B为两个主机轮之间的距离，单位：m; 匕为发动机的推力，单位：N#"为地面作用给前机轮的侧向力，单位：N;b为飞机重心到前 机轮轴的距离，单位;a为飞机重心到主机轮轴的距离，单位;a为前机轮相对机身中 心线的偏转角，单位：rad;Rn为地面作用在前机轮上的垂直载荷，单位：N;f\为机轮与跑道 的自由滚动摩擦系数； II建立飞机绕转动中心A转弯的力矩平衡方程：
其中：其中：r为飞机转弯过程中重心点的转弯半径，单位：m; 0为飞机重心和转动中 心之间的连线与主机轮轴线的夹角，单位：rad;R胃为地面作用在转弯外侧的松刹车主机轮 上的垂直载荷，单位：N; III建立飞机绕转动中心A转弯的离心力方程：
其中：M为飞机的总质量，单位：Kg;V为飞机转弯过程中重心点的线速度，单位：m/S为地面作用在两个主机轮上的侧向力的合力，单位：N; IV前轮侧向力平衡方程：
其中：m为随前轮一起偏转的所有部件的总质量，单位：Kg;e为前机轮轴中心线到前起 落架支柱中心线的水平距离，单位 V飞机重心的偏转角0和前轮偏转角a的求解方程 在得到的以飞机转弯外侧主机轮接地点为轴的飞机自转力矩平衡方程、飞机绕转动中 心A转弯的力矩平衡方程、飞机绕转动中心A转弯的离心力方程和前机轮侧向力平衡方程 中，飞机重心和转动中心之间的连线与主机轮轴线的夹角0与飞机重心到主机轮轴的距 离a和飞机转弯过程中重心点的转弯半径r的关系满足公式（5a):
通过公式（5a)能够确定飞机重心和转动中心之间的连线与主机轮轴线的夹角0 ;前 机轮相对机身中心线的偏转角a与飞机重心到主机轮轴的距离a、飞机重心到前机轮轴的 距离b、前机轮轴中心线到前起落架支柱中心线的水平距离e，以及飞机重心和转动中心之 间的连线与主机轮轴线的夹角0的关系满足公式（5b):
通过公式（5b)能够确定前机轮相对机身中心线的偏转角a; VI前机轮垂直载荷分配方程：
其中：g为重力加速度，单位：m/s2; W转弯内侧主机轮垂直载荷分配方程：
其中：Rmz为地面作用在转弯内侧的刹车主机轮上的垂直载荷，单位：N;H为飞机重心相 对跑道地面的高度，单位：m; W转弯外侧的松刹车主机轮垂直载荷分配方程：
IX刹车机轮的刹车阻力方程： 在稳定的刹车状态，刹车机轮的刹车阻3力Tmz与地面作用在转弯内侧的刹车主机轮上 的垂直载荷Rmz之间满足公式（9a): Tmz= ^ ?Rmz (9a) 飞行员主动施加在机轮刹车装置上的刹车力矩Mb与刹车机轮的刹车阻力Tmz之间满足 公式（9b):
其中：U为飞机当前滑行条件下地面与机轮的最大允许摩擦系数;Mb为刹车力矩，单 位：Nm;rm为转弯内侧刹车主机轮的滚动半径，单位：m。
【专利摘要】一种采用差动刹车控制飞机极限转弯的方法，通过差动刹车来对飞机进行极限转弯的控制方法，最大限度地利用地面的摩擦力，在保证飞机转弯过程平稳、安全的前提下，根据不同转弯要求，提供给飞行员相应的可以最高效地控制飞机实现转弯的发动机推力和刹车力矩状态参数，让飞机以最快的转弯速度进行转弯，最大限度地发挥飞机的操控潜力，同时减小转弯过程中前、主机轮轮胎的磨损和发动机的油耗小，飞机也不会发生侧滑和倾翻。这种以设定的轮胎与跑道的最大摩擦系数为输入量的极限转弯控制方法具有转弯速度快、转弯过程平稳、安全、高效等优点。
【IPC分类】B64C25-48
【公开号】CN104843175
【申请号】CN201510219404
【发明人】张谦, 张颖姝
【申请人】西安航空制动科技有限公司
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年4月30日