污染跑道上影响刹车系统性能的研究

王士浩

【摘 要】目前，民用飞机在污染跑道的起飞着陆性能，由于其试验条件的复杂性和试飞的高度危险性，造成主机制造商无法开展有效的验证实验，适航当局也缺乏污染跑道的合格审定经验，污染跑道上飞机起降性能的研究一直受到很大的限制。目前无论是各国的航空规章，还是咨询通告中，对污染跑道上的起降性能尚未制定完善的技術规范。但是随着飞机性能的提高和对污染跑道适应能力的增强，将会对机轮刹车系统在污染跑道上的制动能力提出更高的要求。本文立足于主机制造商的飞行实验，从机轮刹车控制系统角度，对污染跑道起降性能的影响因素和仿真分析或飞行实验进行研究，并为适航审定提供技术支持。

【关键词】适航；污染跑道；刹车性能

0 引言

飞机在起飞、着陆阶段最容易发生航空事故，自20世纪80年代起，在数百起地面飞行事故中，湿跑道和污染跑道所造成的地面失事超过50%[1]。因此开展污染跑道飞行实验研究，无论对航空公司还是主机制造商都十分重要。

FAR-25、CS-25、CAAR-25和AP-25各部中，25.109条款对湿跑道条件下的加速-停止距离、刹车摩擦系数的确定等进行了规定，25.113条款对湿跑道下的起飞距离和起飞滑跑距离给出了定义，25.125条款对湿跑道下的着陆距离提出了要求；同时，在AP-25部中，除了湿跑道条件外，25.105、25.109、25.113、25.125条款还增加了在污染跑道条件下的上述各项性能规定[2-4]。

特别注意的是，CS-25部在25.1591条款中提出了污染跑道条件下飞机运行的性能要求，而其它各部中并无相应条款规定[5]。

依据现有的适航规章，并未对飞机在污染跑道上的机轮刹车系统制动性能提出飞行实验要求，但是作为预研项目，通过对污染跑道上影响刹车系统性能的因素进行分析，进而为飞行实验和适航审定提供技术支持，并根据主机制造商获得的污染跑道刹车系统性能参数优化刹车控制系统。

1 污染跑道上影响刹车系统性能的因素

1.1 污染跑道定义

在FAA发布的AC 25-13和EASA发布的 AMC25-13中对污染跑道进行了同样的定义。污染跑道是指在使用宽度内有超过规定场长25%的区域为积水或超过3.2毫米（0.125英寸）厚的含水雪所覆盖、或者上面有积雪或冰的跑道。此外，跑道段表面有积水或含水雪的地方正好是抬头与离地的地点，或是在起飞滑跑的高速部分，其阻滞影响比若是在起飞早期低速阶段遭遇该情况要严重得多。对于这种情况，也把跑道视为“污染跑道”。

CAAC在AC-121-FS-2009-33中对污染跑道给出了定义，与FAA和EASA的不同之处在于对污染物深度的定义界限为3.0mm[6]。

EASA在AMC 25. 1591中对污染物及其范围进行了详细的定义，并分析了污染物对飞机在污染跑道上起飞、着陆性能的影响因素。

多数污染跑道都会削弱飞机的刹车作用，对起飞着陆性能的主要影响在于：刹车效应会明显变差，出现滑水的可能性较大，飞机的方向控制能力会削弱。此外，跑道污染物还会对飞机产生阻力作用，但不作为本文分析的重点。

1.2 污染跑道阻力的影响因素

污染跑道上污染物对飞机机轮及机体产生阻力作用，进而对飞机刹车性能产生影响，需要考虑的因素主要包括三方面：

a）污染物类型影响：一类是积水、含水雪和湿雪；另一类是干雪；

b）位移阻力影响；

c）机轮数量（单轮、双轮、四轮和六轮）影响。

1.2.1 积水、含水雪和湿雪污染跑道

飞机会在表面有积水、含水雪或湿雪的污染跑道上发生高速滑水，不得不分析滑水所造成的飞机制动和方向控制能力降低的影响。一旦发生滑水现象，轮胎-跑道间的最大刹车摩擦系数将急剧下降，导致飞机滑行距离变长，严重时可造成飞机偏航或冲出跑道，严重影响机组和乘客安全。

典型的双轮起落架的阻力证明是单轮阻力的2.0倍（含干涉），对典型四轮车架式布局其阻力是单轮阻力的4倍（同样含干涉），对六轮车架式布局建议给出4.2倍单轮阻力这一合理的偏保守估算[3]。

1.2.2 干雪污染跑道

选择自然界常见的且比重为0.2的雪作为研究对象进行位移阻力分析，并且在可能遇到的各种比重的雪的范围内，其产生的阻力随地面速度的变化最大。

单轮胎干雪中的滚动时的总位移阻力可表示为：

表中d=雪的深度，b=轮胎表面宽度，V=地面速度，R=轮胎半径。

双轮胎起落架上的阻力就是简单将两个单轮胎的阻力相加。双轮胎配置在融雪或积水中滑跑时可见到的两个轮胎之间的相互干涉效应，不大可能在被雪覆盖的道面上滚动中出现。其阻力源自雪层的垂直压实，尽管沿垂直轮胎运动方向有一些变形，但是这种变形主要发生在位于或低于轮辙的底部，不会影响旁边轮胎的前部变形，因此可以忽略干涉效应。

对于车架式起落架情况，计算阻力时只须考虑前面的轮胎。积雪经过前面轮胎的首次挤压后，轮辙的积雪会强化，要进一步挤压时必须用更大的压力，这使得后面轮胎上的阻力可以忽略不计，从而假设车架式起落架上的阻力就等于双轮胎配置的阻力。所有其它多轮胎配置都可以作相同方式的处理。

1.3 刹车摩擦系数的影响因素分析

污染跑道上在确定轮胎与地面之间最大摩擦系数的时候应该使用被批准的最大轮胎压力来进行，用严苛的胎压条件来保证最大摩擦系数的可靠性和安全性。EASA在AMC 25. 1591中给出了如表2所示的不同污染物与摩擦系数之间的关系。为了在缺少任何直接试验证据下偏保守地计算飞机性能，可使用表2给出的默认的摩擦值。这些摩擦值表示防滑受控的刹车机轮/轮胎的有效刹车系数。

表2中在污染物为积水和融雪时给出的函数关系是在飞机速度小于临界滑水速度条件得出的。特别注意，在积水和融雪跑道对于地速v大于临界滑水速度Vp时，摩擦系数μ=0.05。图2绘制了积水和融雪跑道条件下的摩擦系数与飞机速度关系。随着飞机速度的提高污染跑道上的摩擦系数是逐渐降低的。由于采用了最大轮胎压力来获得实验数据，因此未对其它不太严苛条件下的轮胎压力进行实验。此外，在积水和融雪跑道上的摩擦系数只有在地速低于50时才比其他污染跑道类型高，因此除了冰跑道外，积水和融雪跑道的严苛程度较高，可以作为具有代表性的污染跑道进行分析。

如果主机制造商没有采用上述表中的默认摩擦系数来进行试验，还可以使用地面摩擦力测量装置，建立飞机刹车性能与摩擦力指数之间的关系。为了找出跑道摩擦力测量装置的读数与飞机的刹车性能之间的直接关系，相关人员做了大量的测试。但是，这些测试还没能针对所有跑道污染物种类给出一个可复现的决定性的结论。因此，目前要根据国际公认的地面摩擦力装置测得的摩擦力指数来确定飞机性能尚不可行。

污染跑道摩擦力系数对刹车控制系统的性能有着直接的影响，构建以相对湿雪、干雪、压实雪或冰污染跑道的地面速度与机轮刹车摩擦系数的函数，来提供起飞和着陆的性能数据，并建立该数据与地面摩擦力装置测得的摩擦力指数之间的关系，是今后主机制造商的一个重要的研究方向。

2 污染跑道上刹车控制系统飞行试验

目前除了EASA在AMC25.1591中提出了符合性要求外，其它組织没有对污染跑道的试验提出符合性和适航审定要求。目前，所有适航当局尚未提出针对污染跑道的飞行试验要求，通常是主机厂通过仿真和建模的手段，对刹车性能进行分析，并作出符合性分析报告提交给局方评审。主机厂在进行污染跑道刹车性能的研发试飞时，基于干跑道以及湿跑道的多次飞行试验结果，得到刹车系统的实际防滑效率数据，进而完善和验证仿真模型，在该仿真模型的基础上，根据污染跑道类型，选择不同的裕度系数对模型进行修正，逐渐建立污染跑道仿真模型，测算出飞机在污染跑道上的刹车性能。

图3是根据某型号飞机的构型，通过仿真计算出的不同污染物跑道条件下实际着陆距离。这里的着陆距离是指从高于着陆表面15米（50英尺）的一点到飞机着陆并完全停止所需的水平距离。采用的飞机重量为35000Kg。在同等飞机重量、同一构型飞机和相同的机场压力高度条件下，在3mm以上积水或融雪跑道上的实际着陆距离比湿雪、干雪、压实的雪跑道上的着陆距离要长。冰跑道上的实际着陆距离是所有污染跑道上最长的，由于目前大部分民用机场不具备进行此试验的条件，因此本文暂不考虑冰跑道的试验要求。着重分析在3mm 以上积水或含水雪跑道上的试验要求及相应刹车系统性能。计算结果没有考虑污染物附加阻力，例如位移阻力、喷溅冲击阻力等影响，仅仅考虑了不同污染跑道的摩擦系数对着陆距离的影响，由于考虑污染物附加阻力将减少污染物的实际着陆距离，因此这个计算结果更加保守。

通过实验获得的参数可以用来计算刹车控制系统的防滑效率，这是刹车控制系统的主要性能评价指标。污染跑道轮胎—地面最大刹车摩擦系数，需要考虑污染跑道上防滑系统的效率加以调整，在平整污染跑道上进行飞行试验以演示防滑系统的工作，进而确定它的效率。跑道试验段应能得到许多防滑动作的循环，但不应产生滑水现象。根据 AC25-7C 中提供的防滑效率计算方法-滑移率法和压力法，计算刹车系统防滑效率值。关于污染跑道防滑效率最低值目前航空规章中没有统一的要求。但是，需要保证飞机减速平稳无冲击，没有产生引起任何过度的前翻倾向，并且无前轮起跳现象。

3 结论

本文总结了FAA、EASA和CAAC中与污染跑道有关的相关条款规定，详细分析了污染跑道轮胎-地面摩擦系数的影响因素，并对刹车控制系统在污染跑道仿真分析提出了指导意见。虽然适航当局还尚未对污染跑道作性能要求，但为刹车控制系统在污染跑道上的预研及适航审定奠定了基础。

【参考文献】

[1]李岩，费雅东，张雅妮.跑道污染对飞机地面安全的影响分析[J].国际航空，2010（9）.

[2]中国民用航空总局.CCAR-25，中国民用航空规章第25部[S].北京：中国民用航空总局，2001.

[3]CS-25，Certification Specifications for Large Aeroplanes， Amendment 11，EASA，2011.

[4]FAR-25，Airworthiness Standards：Transport Category Airplanes，Amendment 134，FAA，2012.

[5]鲁素芬，张磊.污染跑道上的起飞着陆性能计算研究[J].民用飞机设计与研究，2012（4）.

[6]AC-121-FS-2009-33.航空承运人湿跑道和污染跑道运行管理规定.中国民用航空局飞行标准司，2009.

[7]吴华伟，陈特放，胡春凯，黄伟明.多轮飞机滑水保护[J].民用飞机设计与研究，2011（4）.

[责任编辑：朱丽娜]