飞机刹车如何工作？

（来源：中国航空报）

波音787电动刹车。

波音737NG主起落架上的刹车组件，拆卸一个轮子后可见。

　　GS100飞机刹车冷却器配备一个由汽油或柴油发动机驱动的风扇，可提供吸力冷却，从而缩短周转时间。

湾流G450主起落架刹车组件。

　　一架A380飞机在法国南部伊斯特雷空军基地的跑道上进行中断起飞测试时，刹车发出炽热的红光。

波音767碳刹车。

A380主轮和刹车。　　飞机刹车通过机轮中刹车组件的旋转盘和固定盘之间的摩擦，将飞机的动能转化为热能，从而使飞机停下来。　　刹车在飞机着陆时提供关键的制动力，使飞机能够在跑道长度内停下。由于发动机故障、爆胎、其他系统故障或空中交通管制指令，飞机在起飞前沿跑道滑行时，即将起飞的飞机可能被中止起飞。在这种情况下，刹车还能在飞机起飞中断时使飞机停下。　　飞机刹车还能防止飞机停放时移动，限制其滑行速度，甚至可以通过向左右两侧刹车施加不同程度的制动力来帮助飞机在地面上转向。　　飞机刹车与其他刹车装置（例如反推力装置、气动制动器和扰流板）协同工作。反推力装置部署在发动机喷气气流路径上，用于将推进推力转向与飞机运动方向相反的方向。气动制动器和扰流板是飞行控制面，部署在飞机周围气流路径上时会产生额外的气动阻力。飞机刹车的工作原理　　飞机上最常用的刹车类型是盘式刹车。盘式刹车利用刹车内部旋转盘和静止盘之间的摩擦力来工作。　　当收到刹车指令信号（例如飞行员踩下脚踏板或自动刹车系统发出的指令）时，刹车内的执行器会移动活塞，挤压盘片，产生摩擦力，从而减慢机轮的转速。盘片之间的摩擦会产生热量，因为飞机的动能会转化为热能。在此功能中，刹车充当散热器，在飞机释放动能时吸收大量热量。在中断起飞（RTO）期间，碳盘式刹车的温度可能超过1800℃。　　制动盘安装在由扭矩管组成的托架组件上，扭矩管用于抵抗制动扭矩并将其传递至起落架结构。制动盘夹在托架组件外壳和背板之间，以转子和定子交替排列的方式排列。每个转子圆周上的凹槽与机轮上的相应几何形状相吻合，将转子与机轮锁紧，使其随之旋转。定子与扭矩管锁紧，由于扭矩管与轮轴和起落架结构相连，因此定子保持静止。　　托架组件内的圆柱形空间容纳执行器活塞。当活塞力将制动盘挤压在一起时，就会发生制动。　　每次制动时，制动盘材料都会因摩擦力而磨损。托架组件外突出的销状磨损指示器指示了制动盘堆叠的厚度。经过数百次刹车应用，材料会磨损，刹车盘会变薄，需要在定期维护后进行更换。刹车设计　　飞机刹车的主要设计考虑因素包括刹车盘数量、刹车盘直径和刹车盘材质。　　飞机刹车设计的一个主要考虑点是最大滑行速度V1（即决断速度）下中断起飞（RTO）的最坏情况。超过V1时，飞机无法安全中止起飞，否则飞机可能无法在跑道尽头前停下来，从而造成严重风险。在这种情况下，刹车需要吸收的能量比其他任何情况都要大。　　为了说明这需要多少能量，我们以世界上最大的客机——空客A380，以V1速度执行RTO为例。A380的最大起飞重量为575000千克，其最大V1速度约为170节（约313千米/时或87.45米/秒）。通过计算飞机的动能（忽略反推力装置、减速板、顺风、逆风和跑道坡度的影响），可以粗略估算出A380飞机16个刹车在中断起飞期间需要消散的最大能量。　　由于动能（KE）是质量（m）和速度（v）的二次函数关系，其数学公式如下：KE = ½mv2　　A380在RTO期间的动能计算如下：　　KE=0.5×575000kg×(87.4556m/ s)2　　=2.2×109 J=2.2GJ　　2.2GJ（千兆焦耳）大约相当于一次平均云地雷击所消散的能量。该能量还足以为8W LED灯泡（光输出相当于60W灯泡）连续供电8年零10个月。　　为了在跑道长度内产生必要的摩擦力并处理如此巨大的能量，大型商用运输飞机通常需要每个刹车组件配备多个盘式制动器，并且大多数（如果不是全部）机轮都需要配备制动器。　　例如，一架A380飞机有22个机轮分布在五个起落架支柱上，以支撑其巨大的重量：两个前轮安装在飞机机头下方的起落架支柱上；8个机翼机轮分布在两个从机身下方折叠出来的起落架支柱上，以支撑左右机翼；12个机体机轮分布在机身下方的两个内侧起落架支柱上。其中16个机轮配有制动器（4个后部机轮和前轮未配备制　　动器）。　　A 3 8 0 使用霍尼韦尔的Carbenix制动器。飞机的16个刹车组件均配备五个由Carbenix 4000碳-碳复合材料制成的转子。刹车组件位于由2014-T6铝合金制成的机轮内，并连接到由300M高强度合金钢、钛和铝部件组成的车轴和起落架结构上。刹车材料　　直到1963年，最常见的飞机刹车盘材料是钢。引入铍作为刹车盘材料，虽然改善了热性能，但由于氧化铍的毒性，材料处理起来也比较困难。　　从20世纪80年代开始，碳刹车盘开始广泛应用于商用飞机。碳刹车盘（由石墨基质中的碳纤维制成）比钢刹车盘更轻、更耐用、热敏性更低、能量吸收率更高、冷却速度更快。　　与钢相比，碳具有更高的比热容（即单位质量的碳使其温度升高一个单位所需吸收的热量），从而可以减轻刹车盘的重量。碳具有更高的导热性，可以实现更快的传热，并使热量在刹车盘内均匀分布。此外，碳的热膨胀系数更低，抗热震性更强，并且耐高温性能也比钢更高。碳的比强度在很宽的温度范围内相对恒定，这与钢和铍不同，后两者的比强度在高温下急剧下降，在650℃（1200℉）左右降至碳的水平。　　赛峰起落架系统公司声称，其用于波音787的SepcarbⅢ抗氧化碳刹车重量只有钢制刹车的四分之一，耐久性提高三倍，吸收能力提高两到三倍。联合技术航空航天系统公司表示，与钢制刹车相比，其Duracarb碳盘技术可为波音737NG每架飞机减轻700磅（318千克）的重量。　　此外，还有其他刹车材料可供选择。例如，霍尼韦尔的Cerametalix，这是一种粉末金属和陶瓷的烧结复合材料。刹车执行器类型　　刹车执行器的关键作用是挤压刹车盘，产生摩擦力，将飞机的动能转化为热能，从而使飞机停止飞行。大多数商用飞机的刹车执行器都是液压式的，但电动机电执行器也已投入使用；空客A220（原庞巴迪C系列）和波音787飞机上的刹车均采用机电驱动。　　液压刹车由飞机的液压系统提供动力。伺服阀调节流向液压执行器的液压油流量，以控制制动力——液压缸将刹车盘压在一起的力。　　电动刹车由飞机的电力系统提供动力。在刹车的机电执行器中，电能被转化为机械能。在这些执行器中，电动机驱动齿轮转动滚珠丝杠和螺母，从而施加力将刹车盘压在一起。　　由于刹车系统提供的关键安全功能，冗余性是飞机刹车系统的必备属性。例如，A380的液压刹车系统由多个独立的5000psi液压系统提供动力。主轮上的刹车组和机体轮上的刹车组分别连接到两个独立的液压系统。刹车系统还由一个称为本地电液发电系统（LEHGS）的备用液压系统供电，该系统在主液压系统发生故障时提供备用液压动力源。LEHGS通过由飞机电气系统供电的电动泵产生液压。　　波音787的电动刹车设计也具有冗余性。由于每个机轮配备四个独立的机电执行器，即使其中一个电动刹车执行器（EBA）发生故障，787仍可保持100%的制动功能。EBA的模块化特性使其能够轻松地进行现场维护，在此期间，可以快速将发生故障的EBA更换为新的。刹车冷却　　飞机刹车过程中产生的大量热量通过被动或主动冷却方式消散。被动冷却的原理是热量通过刹车盘材料自然传导至周围组件，刹车和机轮组件散发热量，以及空气流经刹车组件时产生的对流。主动冷却则通过使用风扇强制空气流经刹车来实现。风扇可以内置于机轮内，也可以作为外部地面支持设备的一部分，该设备紧贴机轮安装，当温度下降到一定程度后即可撤除。自动刹车和侧滑控制　　现代商用飞机配备了自动刹车系统，该系统通过自动优化制动力施加来控制飞机的减速，而无须飞行员操作刹车踏板，从而最大限度地缩短刹车距离，减轻飞行员工作量，并实现平稳的刹车动作。　　飞机刹车系统的另一个常见功能是侧滑控制功能。类似于汽车上的防抱死刹车系统，侧滑控制系统可以防止车轮抱死。它们可以最大限度地缩短刹车距离，并防止侧滑对轮胎造成的负面影响，例如不必要的轮胎磨损和爆胎。侧滑控制是通过施加最佳制动力来实现的，该制动力使摩擦系数最大化，并保持在略低于导致侧滑的制动力的水平。在一个实施例中，通过持续感测机轮速度并将其与计算出的飞机速度进行比较来确定适当的制动力。这两个值之间的差值表示机轮滑移，如果差值超过指定值，则制动力会降低。 （航柯）