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刹车扭矩对飞机减速率的影响

时间:2019-09-30 13:51:02 来源:免费论文网

刹车扭矩对飞机减速率的影响 本文关键词:扭矩,减速,刹车,飞机,影响

刹车扭矩对飞机减速率的影响 本文简介:【摘要】本文建立了飞机刹车过程中的动力学模型,该模型考虑了结合系数与轮胎滑移之间的关系。通过在模型中设置不同的刹车扭矩,得到了飞机刹车减速率与刹车扭矩的关系。  【关键词】刹车扭矩;轮胎滑移;结合系数;减速率  刹车系统是飞机重要的机载设备,刹车是目前飞机地面减速的主要方式,对于飞机的起飞、着陆安全

刹车扭矩对飞机减速率的影响 本文内容:

【摘 要】本文建立了飞机刹车过程中的动力学模型,该模型考虑了结合系数与轮胎滑移之间的关系。通过在模型中设置不同的刹车扭矩,得到了飞机刹车减速率与刹车扭矩的关系。
  【关键词】刹车扭矩;轮胎滑移;结合系数;减速率
  刹车系统是飞机重要的机载设备,刹车是目前飞机地面减速的主要方式,对于飞机的起飞、着陆安全关系重大。飞机着陆刹车距离受到跑道场长的限制,飞机减速率越大,所需的跑道场长也越短。刹车装置的制动性能对于飞机减速率有重要影响,主要表现在刹车扭矩对结合系数的影响上。刹车装置能够提供的刹车扭矩范围越广,就能在刹车过程中获得最优的结合系数。
  1 飞机刹车原理
  飞机在地面减速滑行时,飞行员通过选择刹车控制系统档位或者控制脚蹬,控制信号通过液压系统作动器给刹车装置施加一定的压力,使刹车装置中的动盘和静盘相结合,最终产生一定的刹车扭矩。刹车作用后,轮胎从自由滚动状态转变为滚动与滑移相结合的状态,设飞机滑行速度为V,轮胎外缘线速度为ωr,则轮胎相对跑道的滑移程度可以用滑移率s表示:
  轮胎与跑道之间滑移摩擦产生结合力矩,与刹车装置产生的刹车扭矩共同作用于机轮,影响机轮的角速度变化。当结合力矩大于刹车扭矩,机轮加速转动;当结合力矩小于刹车扭矩,机轮减速运动。设轮胎与地面摩擦力为F,刹车扭矩为T,轮胎半径为r,主机轮的转动惯量为J,则机轮角速度为:
  飞机减速时,飞机员通过控制刹车扭矩的大小,从而使机轮不断减速,飞机刹停。另外,刹车扭矩也不是越大越好,过大的刹车扭矩会使得机轮被抱死,飞机出现打滑轮胎磨损,严重的甚至会使轮胎爆炸。为了避免这类现象,飞机上通常采用防滑刹车系统(Anti-skid braking)来实现点刹,即动盘和静盘以较高的频率不断压紧和松开。
  考虑一架飞机在跑道上以高速滑行并刹车,作用在飞机上的有重力mg,气动升力L,主机轮和前机轮的地面载荷N1、N2,使飞机减速的阻力有地面摩擦力F和气动阻力D,如图1所示。
  其中气动升力L和气动阻力D可分别表示为:
  其中CL、CD为飞机的升力系数和阻力系数,ρ为跑道所在海拔高度对应的空气密度(本文中取海平面下的空气密度)。S为飞机机翼面积,V是飞机相对地面滑行的速度。
  地面摩擦力F等于轮胎地面载荷N1与结合系数μ的乘积,即:
  F=μN(4)
  轮胎地面载荷N1与主轮轮载G1大小相等,方向相反,主轮轮载G1由飞机升力L、重力mg以及重心位置决定,可以简单表示为:
  N1=-G1=-k×(mg-L)(5)
  其中k为主轮载荷的分配系数。
  轮胎与地面的结合系数μ与多种因素有关,包括跑道的类型、质地和粗糙度、跑道表面污染的类型和程度(积雪、结冰、水)、轮胎的构造、胎面设计和充气压力、飞机滑行速度、滑移率等等。当其它因素如跑道状态、轮胎构型、充气压力等因素确定时,结合系数μ与轮胎滑移率s和飞机速度V存在一定的非线性关系。工程上通常采用实验的方法和经验公式来拟合结合系数μ与轮胎滑移率s之间的关系,如有名的Magic公式[1],以及一些更简化的公式,如工程数据中心(ESDU)经验公式[2]:
  2 数值计算及分析
  联合微分方程组(1)、(2)和(8)求数值解,方程各常量的参数见表1。对于不同刹车扭矩T1、T2和T3,分别计算飞机初始滑行速度50m/s、机轮初始角速度98.42rad/s下,刹车作用后飞机速度V、机轮角速度ω、飞机减速率随时间变化的关系,并绘图如图3所示。
  从速度与时间的变化关系中可以发现,刹车扭矩越大,则飞机速度和机轮角速度降低得越快,刹停时间也越短,对应飞机减速率也越高。当刹车扭矩为85342 Nm时,飞机减速率约为-4.5m/s2~-4m/s2之间,对应于刹车档位的高档;当刹车扭矩为61218Nm时,飞机减速率约为-3.5m/s2~-3m/s2之间,对应于刹车档位的中档;当刹车扭矩为36574 Nm时,飞机减速率约为-2.2m/s2~-1.7m/s2之间,对应于刹车档位的低档。
  3 结束语
  本文对刹车扭矩与飞机地面减速率之间的关系进行了研究,建立了的飞机刹车动力学模型。文章基于工程数据中心(ESDU)经验公式给出了跑道结合系数与滑移率的关系,并对飞机刹车动力学方程进行了求解。得到了飞机滑行速度、机轮角速度、减速率等变量随时间变化的关系,表明刹车扭矩对飞机地面减速率具有一定的影响。
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  [1]E. Bakker, L. Nyborg, and H. Pacejka. Tyre modelling for use in vehicle dynamics studies [J]. Society of Automotive Engineers, 1987, 2(870421): 190-204.
  [2]K.J. Balkwill. Development of a Comprehensive Method for Modelling Performance of Aircraft Tyres Rolling or Braking on Dry and Precipitation- Contaminated Runways[R]. UK: ESDU International, 2003.

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