一种采用差动刹车控制飞机最小半径极限转弯的方法技术

一种采用差动刹车控制飞机最小半径极限转弯的方法，根据轮胎与跑道的摩擦系数，给飞行员提供可视化的刹车压力和转弯线速度控制参数，让飞机以结构允许的最小转弯半径实现飞机的快速转弯，确保飞行员在地面通过差动刹车操控飞机转弯过程的机动性和安全性。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及飞机地面转弯控制领域，具体是一种采用差动刹车控制飞机以最小半径作极限转弯的方法。
技术介绍
西安航空制动科技有限公司在申请号为2015102194044的专利技术创造中提出了一种采用差动刹车控制飞机极限转弯的方法。该方法对飞机在各种工况和转弯要求的条件下达到持续而稳定转弯的状态参数及控制参数进行了计算，指出了飞机在各种持续稳定的转弯状态下的操控方法。但是所述采用差动刹车控制飞机极限转弯的方法并没有考虑到飞机设计时存在的一些实际的结构限制，而且该方法的可操作性不强，具有一定的安全隐患。在飞机的结构设计过程中，为了保证转弯过程的安全，对前轮可以实现的最大偏转角度是有限制的，特别是对没有前轮转弯主动控制系统的飞机，对前轮的偏转限制要更严格，一般只允许左右方向最大偏转45°上下，这就基本决定了飞机的最小转弯半径。其次，质地不同的跑道(水泥、沥青、土质等)和各种气候环境和状况(干跑道、湿跑道、积水、积雪、结冰等)下的跑道提供给轮胎的摩擦系数是有限的，轮胎与跑道之间存在一个最大可以利用的摩擦系数，超过这个峰值，若再给转弯内侧机轮施加更大的刹车压力，机轮会打滑，造成跑道提供给内侧机轮的摩擦力反而要下降，表现为差动刹车对飞机转弯不受控，带来一定的安全隐患，也给飞行员造成很大的压力，为了消除这种安全隐患，必须针对不同转弯条件对施加在内侧机轮上的最大刹车力矩进行保守性的限制。最后，由于前面所述方法中要求对刹车力矩和发动机的推力进行控制，而实际的飞机中，通常在座舱的仪表板上最多只能看到刹车压力和飞行的速度，因为对刹车力矩和发动机的推力的机上检测还不易实现。刹车压力与刹车力矩虽然呈正比关系，但刹车盘在不同的温度、湿度、线速度和比压(压紧力与承压面积之比)条件下，表现出的摩擦系数特性是不一样的，甚至波动还比较大。另外发动机的推力在座舱的仪表上也是看不到的，因此要实现转弯过程中对刹车力矩和发动机推力的可视化控制是比较困难的，若能对飞行员施加的刹车压力和飞机速度进行指导性的限制，则可以让飞机以最小的转弯半径实现安全快速的转弯。有关通过差动刹车对飞机进行转弯控制的研究，大都是基于前期的设计和飞行员操控经验，理论研究比较少，像本专利技术这样纯粹通过差动刹车对飞机在低速段进行转弯能力的研究很少涉及。
技术实现思路
为克服现有技术中存在的没有考虑到飞机设计时存在的一些实际的结构限制、可操作性不强，并具有安全隐患的不足，本专利技术提出了一种采用差动刹车控制飞机以最小半径作极限转弯的方法。所述的确定飞机以最小半径作极限转弯控制参数的方法，其特征在于，具体过程是：步骤1，确定飞机的初始化参数：所述飞机的初始化参数包括飞机最小转弯半径r、飞机重心的偏转角β和飞机前轮的垂直载荷。建立飞机最小转弯半径r的方程：公式(1)为最小转弯半径r的方程：r=a+b+etgα·cosβ---1)]]>其中：a为飞机重心到主机轮轴的距离，单位：m；b为飞机重心到前机轮轴的距离，单位：m；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：m；α为前起落架产品结构设计所限定的前机轮相对机身中心线的最大偏转角度，单位：rad；β为飞机重心和转动中心之间的连线与主机轮轴线的夹角；建立飞机重心的偏转角β的方程公式(2)为飞机重心的偏转角β的方程：sinβ=ar---2)]]>通过联立求解公式(1)和公式(2)，得到飞机最小转弯半径r和飞机重心的偏转角β；确定飞机前轮的垂直载荷Rn：通过公式(3)确定所述飞机前轮垂直载荷Rn：Rn=aa+bMg---3)]]>其中：M为飞机的总质量，单位：Kg；g为重力加速度，本专利技术中，g为9.8m/S2；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，包括飞机自转力矩平衡方程4)、飞机绕转动中心A转弯的力矩平衡方程5)、飞机绕转动中心A转弯的离心力方程6)、前机轮侧向力方程7)、转弯内侧刹车机轮的垂直载荷方程8)、转弯外侧松刹车主机轮垂直载荷方程9)和刹车机轮的刹车阻力方程10)。所述建立的飞机的运动及动力学方程分别是：Ⅰ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：TmzB-FeB2+Nn[(a+b)cosα+B2sinα]-Rnfr[(a+b)sinα-B2cosα]=0---4)]]>其中：Tmz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；Fe为发动机的推力，单位：N；Nn为地面作用给前机轮的侧向力，单位：N；Rn为地面作用在前机轮上的垂直载荷，单位：N；fr为机轮与跑道的自由滚动摩擦系数；Ⅱ飞机绕转动中心A转弯的力矩平衡方程：Fercosβ-Tmz(rcosβ-B2)-Rmyfr(rcosβ+B2)-Rnfra+bsinα=0---5)]]>其中：Rmy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：MV2r=(Tmz+Rmyfr-Fe)sinβ+Nncos(α-β)-Rnfrsin(α-β)+Nmcosβ---6)]]>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；Nm为地面作用在两个主机轮上的侧向力的合力，单位：N；Ⅳ前轮侧向力方程所述前轮侧向力方程为：Nn=m[a+b+esinα(Vr)2-(Fe-Tmz-Rmyfr)sinα-NmcosαM]---7)]]>其中：m为随前轮一起偏转的所有部件的总质量，单位：Kg；Ⅴ转弯内侧刹车主机轮的垂直载荷方程：所述转弯内侧刹车主机轮的垂直载荷方程为：Rmz=b2(a+b)Mg-MV2r·HB---8)]]>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；Ⅸ转弯外侧松刹车主机轮的垂直载荷方程：所述转弯外侧刹车主机轮的垂直载荷方程为：Rmy=b2(a+b)Mg+MV2r·HB---9)]]>Ⅷ刹车机轮的刹车阻力方程：所述刹车机轮的刹车阻力方程为：通过对内侧机轮实施刹车以保持飞机以极限速度转弯并达到稳定状态，应确保刹车机轮的刹车阻力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(10)：Tmz＝μ·Rmz10)其中：μ为飞机当前滑行条件下跑道与机轮的峰值摩擦系数。步骤3，确定飞机转弯时的控制参数：所述的飞机转弯时的控制参数包本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用差动刹车控制飞机最小半径极限转弯的方法，其特征在于，具体过程是：步骤1，确定飞机的初始化参数；所述飞机的初始化参数包括飞机最小转弯半径r、飞机重心的偏转角β和飞机前轮的垂直载荷；建立飞机最小转弯半径r的方程：公式(1)为最小转弯半径r的方程：r=a+b+etgα·cosβ---(1)]]>其中：a为飞机重心到主机轮轴的距离，单位：m；b为飞机重心到前机轮轴的距离，单位：m；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：m；α为前起落架产品结构设计所限定的前机轮相对机身中心线的最大偏转角度，单位：rad；β为飞机重心和转动中心之间的连线与主机轮轴线的夹角；建立飞机重心的偏转角β的方程公式(2)为飞机重心的偏转角β的方程：sinβ=ar---(2)]]>通过联立求解公式(1)和公式(2)，得到飞机最小转弯半径r和飞机重心的偏转角β；确定飞机前轮的垂直载荷Rn：通过公式(3)确定所述飞机前轮垂直载荷Rn：Rn=aa+bMg---(3)]]>其中：M为飞机的总质量，单位：Kg；g为重力加速度，本专利技术中，g为9.8m/S2；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，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、前机轮侧向力方程、转弯内侧刹车机轮的垂直载荷方程、转弯外侧松刹车主机轮垂直载荷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；所述的飞机转弯时的控制参数包括飞机转弯的角速度和飞机转弯的线速度；在确定飞机转弯时的控制参数时，将跑道与机轮之间的峰值摩擦系数μ作为输入量，利用Matlab仿真计算软件，在Simulink环境下，联立求解所述的飞机自转力矩平衡方程(4)、飞机绕转动中心A转弯的力矩平衡方程(5)、飞机绕转动中心A转弯的离心力方程(6)、前机轮侧向力方程(7)、转弯内侧刹车机轮的垂直载荷方程(8)、转弯外侧松刹车主机轮垂直载荷方程(9)和刹车机轮的刹车阻力方程(10)，能够得到在稳定的持续转弯状态下，飞机以最小半径极限转弯的控制参数；步骤4，通过飞行员对转弯线速度和转弯角速度进行控制；飞行员根据得到的飞机转弯的角速度和飞机转弯的线速度，对飞机进行差动刹车的转弯控制；在控制转弯角速度时，通过增大刹车压力以提高转弯角速度，或减小刹车压力以降低转弯角速度；在控制转弯线速度时，通过增大发动机推力以提高转弯线速度，或减小发动机推力以降低转弯线速度。...

【技术特征摘要】
1.一种采用差动刹车控制飞机最小半径极限转弯的方法，其特征在于，具体过程是：
步骤1，确定飞机的初始化参数；
所述飞机的初始化参数包括飞机最小转弯半径r、飞机重心的偏转角β和飞机前轮
的垂直载荷；
建立飞机最小转弯半径r的方程：
公式(1)为最小转弯半径r的方程：
r=a+b+etgα·cosβ---(1)]]>其中：a为飞机重心到主机轮轴的距离，单位：m；b为飞机重心到前机轮轴的距
离，单位：m；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：m；
α为前起落架产品结构设计所限定的前机轮相对机身中心线的最大偏转角度，单
位：rad；β为飞机重心和转动中心之间的连线与主机轮轴线的夹角；
建立飞机重心的偏转角β的方程
公式(2)为飞机重心的偏转角β的方程：
sinβ=ar---(2)]]>通过联立求解公式(1)和公式(2)，得到飞机最小转弯半径r和飞机重心的偏转
角β；
确定飞机前轮的垂直载荷Rn：
通过公式(3)确定所述飞机前轮垂直载荷Rn：
Rn=aa+bMg---(3)]]>其中：M为飞机的总质量，单位：Kg；g为重力加速度，本发明中，g为9.8m/S2；
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，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、前机轮侧向力方程、转弯内侧刹车机轮的垂
直载荷方程、转弯外侧松刹车主机轮垂直载荷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；
所述的飞机转弯时的控制参数包括飞机转弯的角速度和飞机转弯的线速度；
在确定飞机转弯时的控制参数时，将跑道与机轮之间的峰值摩擦系数μ作为输入
量，利用Matlab仿真计算软件，在Simulink环境下，联立求解所述的飞机自转力
矩平衡方程(4)、飞机绕转动中心A转弯的力矩平衡方程(5)、飞机绕转动中心A转
弯的离心力方程(6)、前机轮侧向力方程(7)、转弯内侧刹车机轮的垂直载荷方程(8)、
转弯外侧松刹车主机轮垂直载荷方程(9)和刹车机轮的刹车阻力方程(10)，能够得
到在稳定的持续转弯状态下，飞机以最小半径极限转弯的控制参数；
步骤4，通过飞行员对转弯线速度和转弯角速度进行控制；
飞行员根据得到的飞机转弯的角速度和飞机转弯的线速度，对飞机进行差动刹车的
转弯控制；
在控制转弯角速度时，通过增大刹车压力以提高转弯角速度，或减小刹车压力以降
低转弯角速度；
在控制转弯线速度时，通过增大发动机推力以提高转弯线速度，或减小发动机推力
以降低转弯线速度。
2.如权利要求1所述采用差动刹车控制飞机最小半径极限转弯的方法，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：
建立以飞机转弯外侧主轮接地点为轴的飞机自...

【专利技术属性】
技术研发人员：张谦，张颖姝，
申请(专利权)人：西安航空制动科技有限公司，
类型：发明
国别省市：陕西;61