CN114313305A - 一种降低喷气式飞机地面试车滑移风险的检查方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于飞行器性能评估技术领域，具体涉及一种降低喷气式飞机地面试车滑移风险的检查方法，所述检查方法是以发动机推力特性、飞机重量重心以轮胎的静摩擦力特性为输入，通过理论仿真计算生成检查图表；在地面试车时，根据计划的试车条件事先在生成检查图表中查验，评估地面试车是否存在滑移风险；若有风险，则根据生成检查图表调整试车条件。采用本发明提出的方法可根据机场环境条件确定试车飞机重量、试车发动机转速边界，结合实际使用场景进行权衡选择，避免发生因推力与静摩擦力不平衡引起的滑移事故。

Description

一种降低喷气式飞机地面试车滑移风险的检查方法

技术领域

本发明属于飞行器性能评估技术领域，具体涉及一种降低喷气式飞机地面试车滑移风险的检查方法。

背景技术

喷气式飞机地面试车，是静止状态下，飞机发动机在一定转速下稳定工作的过程。在该过程中，为了维持飞机的静止状态，通常采用地面轮档和停机刹车双重保障措施。而当试车地点无轮档槽时，飞机只能依靠停机刹车作用下，轮胎与地面间的静摩擦力来克服发动机向前的推力，在此种条件下，一旦地面试车条件变化引起推力增加、静摩擦系数降低或试车重量减小都可能会导致飞机在地面试车过程中出现滑移现象。

对于有人机，飞行员可通过感知飞机的位移迅速做出减推力的处置措施，但这势必影响地面准备的效率，而对于无人机，飞行员是通过地面站监控飞机状态，不能直观的感知飞机的滑移运动，再加上链路的延迟，从飞行员真正察觉飞机开始滑移，到飞行员决策采取处置措施，再到飞机响应飞行员的处置措施，这期间飞机可能已发生了显著的滑移运动，造成冲出跑道、机轮爆胎等不良后果。

目前，在飞机设计过程中，地面试车的滑移风险并未引起足够的重视，基本未考虑过试车推力与静摩擦力平衡的问题，对于发动机大状态试车也只是采用简单的加地面轮档、单发暖车、加满油等的方式保障，达不到精细化设计与实用的目的。此外，在相关的飞机设计参考资料中，对于地面静摩擦系数的描述也不够准确，静摩擦系数的参考值并未考虑不同影响因素下的变化。

发明内容

本发明的目的：提供一种降低喷气式飞机地面试车滑移风险的检查方法，旨在无人机和有人机使用过程中，为飞行员、相关工作人员提供地面试车的重量、转速、温度参考，保障飞机不会发生因推力与静摩擦力不平衡引起的滑移事故。

本发明的技术方案：一种降低喷气式飞机地面试车滑移风险的检查方法，所述检查方法是以发动机推力特性、飞机重量重心以及轮胎的静摩擦力特性为输入，通过理论仿真计算生成检查图表；在地面试车时，根据计划的试车条件事先在生成检查图表中查验，评估地面试车是否存在滑移风险；若有风险，则根据生成检查图表调整试车条件。

优选的，所述检查图表生成方法包括以下步骤：

步骤S1、根据地面试车计划得到发动机试车所需参数，发动机试车所需参数至少包括发动机转速N1以及地面大气静温T0和气压高度H；

步骤S2、根据发动机试车所需参数得到发动机的理论推力T,从而得到试车平衡所需的静摩擦力B；

步骤S3、飞机重量W，对应重心CG，以平衡点的推力、静摩擦力B为输入，根据力矩平衡计算得到飞机前轮、主轮的支反力分布；

步骤S4、由主轮支反力、主轮静摩擦力为输入，得到平衡所需摩擦系数μ；

步骤S5、由主轮支反力、主轮物理参数、大气静温T0等参数计算得到轮胎的理论临界静摩擦系数μ_static，以及轮胎所能提供的平衡静摩擦系数μ_ref；

步骤S6、如果μ不等于μ_ref，则改变飞机重量W，返回步骤S3重新计算，直至μ＝μ_ref；

步骤S7、最后输出重量W即为输入试车条件下的最小试车重量。

优选的，力矩平衡计算过程是，首先建立飞机受力模型，然后根据飞机轴向的受力平衡方程以及法向平衡方程，以重心为中心取矩，得到力矩平衡方程。

优选的，飞机受力模型中至少包括：

a)重力G，作用于重心，重心位置随油量变化而变化，方向垂直向下；

b)推力T，作用于推力销推力方向沿机体轴向前；

c)前轮支反力Z_front，作用于前轮胎与地面接触处，方向垂直向上；

d)主轮支反力Z_main，作用于主轮胎与地面接触处，方向垂直向上；

e)主轮静摩擦力B_main，作用于主轮与地面接触处，方向沿地面水平向后；

f)前轮静摩擦力B_front，作用于前轮与地面接触处，方向沿地面水平向后。优选的，在上述飞机受力模型中，飞机轴向的受力平衡方程为：

T＝Z_frontμ_{static_front}+Z_mainμ_{static_main}

法向平衡方程为：

G＝Z_front+Z_main

以重心为中心取矩，得到力矩平衡方程为：

Z_front·l_{x_front}＝T·l_{z_T}+Z_main·μ_{static_main}·l_{z_main}+Z_main·l_{x_main}+Z_front·μ_{static_front}·l_{z_front}

式中，T为推力，单位N；Z_front为前轮支反力，单位N；Z_main为主轮支反力，单位N；G为重力，单位N；μ_{static_front}为前轮滚动摩擦系数；μ_{static_main}为主轮静摩擦系数；l_{x_front}为前轮轴向力臂，单位m；l_{z_T}为推力法向力臂，单位m；l_{z_main}为主轮法向力臂，单位m；l_{x_main}为主轮轴向力臂，单位m。

优选的，步骤S4中，主轮平衡所需摩擦系数μ的计算公式为：

μ＝B_main/Z_main，式中，B_main为主轮静摩擦力，Z_main为主轮支反力。

优选的，步骤S5中，理论临界静摩擦系数μ_static的计算公式为：

式中相关参数计算公式为：

式中，G_tread为胎面材料剪切模量，单位N/m²；κ为轮胎结构参数；μ₀为参考摩擦系数；p_abs为轮胎充气绝对压强，单位Pa；λ为轮胎应力、应变相位角，单位rad；f_λ为与地面温度和橡胶软化温度相关的无量纲参数；T_G为跑道温度，单位K；Λ为轮胎载荷系数；Z为法向载荷，单位N；D为轮胎直径，单位m；w为轮胎宽度，单位m。

优选的，所述平衡静摩擦系数μ_ref与理论临界静摩擦系数μ_static的关系为μ_ref＝k*μ_static，其中k为平衡临界比，平衡临界比k的获取可通过若干次实际地面滑移试车试验确定，地面滑移试车试验时需选取不同高度、重量、温度、发动机转速的试验点开展，根据试验结果权衡需求选择最优的k值。

本发明的有益效果：本发明为操作人员提供了降低地面试车过程中滑移风险发生的有效检查方法；以某型飞机在海平面机场试车为例，20℃下的最小试车重量约4900kg，而-20℃下的最小试车重量约5800kg，而机场高度、试车发动机转速的变化同样也会带来最小试车重量的差异，采用本发明提出的方法可根据机场环境条件确定试车飞机重量、试车发动机转速边界，结合实际使用场景进行权衡选择，避免发生因推力与静摩擦力不平衡引起的滑移事故。本发明中通过理论仿真计算生成检查图表，该检查图表可直观反映在不同机场高度温度下，试车飞机最小重量存在明显变化的特点，根据生成检查图表调整试车条件，可有效规避传统试车时因没有试车飞机最小重量导致飞机滑移风险。

附图说明

图1为本发明的计算流程示意图；

图2为本发明的飞机受力模型示意图；

图3为本发明具体实施案例中生成的检查图表。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种降低喷气式飞机地面试车滑移风险的检查方法，旨在无人机和有人机使用过程中，为飞行员、相关工作人员提供地面试车的重量、转速、温度参考，保障飞机不会发生因推力与静摩擦力不平衡引起的滑移事故；以理论仿真计算生成检查图表为检查标准；在地面试车时，根据计划的试车条件事先在生成检查图表中查验，评估地面试车是否存在滑移风险；若有风险，则根据生成检查图表调整试车条件。如图1所示，具体生成检查图表的步骤为：

(1)根据地面试车计划得到发动机试车的转速N1以及地面大气静温T0和气压高度H；

(2)根据发动机N1转速、大气静温T0、气压高度H得到发动机的理论推力T,从而得到试车平衡所需的静摩擦力B；T＝B；

(3)飞机重量W，对应重心CG，以平衡点的推力、静摩擦力为输入，根据力矩平衡得到飞机前轮、主轮的支反力分布；

力矩平衡计算时，构建飞机受力模型见图2，图中的力主要有以下几种：

a)重力G：作用于重心，重心位置随油量变化而变化，方向垂直向下；

a)推力T：作用于推力销推力方向沿机体轴向前；

b)前轮支反力Z_front：作用于前轮胎与地面接触处，方向垂直向上；

c)主轮支反力Z_main：作用于主轮胎与地面接触处，方向垂直向上；

d)主轮静摩擦力B_main：作用于主轮与地面接触处，方向沿地面水平向后。

e)前轮静摩擦力B_front：作用于前轮与地面接触处，方向沿地面水平向后。由此得到飞机轴向的受力平衡方程为：

T＝Z_frontμ_{static_front}+Z_mainμ_{static_main}

法向平衡方程为：

G＝Z_front+Z_main

以重心为中心取矩，得到力矩平衡方程为：

Z_front·l_{x_front}＝T·l_{z_T}+Z_main·μ_{static_main}·l_{z_main}+Z_main·l_{x_main}+Z_front·μ_{static_front}·l_{z_front}

式中，T为推力，单位N；Z_front为前轮支反力，单位N；Z_main为主轮支反力，单位N；G为重力，单位N；μ_{static_front}为前轮滚动摩擦系数；μ_{static_main}为主轮静摩擦系数；l_{x_front}为前轮轴向力臂，单位m；l_{z_T}为推力法向力臂，单位m；l_{z_main}为主轮法向力臂，单位m；l_{x_main}为主轮轴向力臂，单位m。

(4)由主轮支反力、主轮静摩擦力为输入，得到平衡所需摩擦系数μ；

主轮平衡所需摩擦系数的计算公式为：

μ＝B_main/Z_main

(5)由主轮支反力、主轮物理参数、大气静温T0等参数计算得到轮胎的理论临界静摩擦系数μ_static，以及轮胎所能提供的平衡静摩擦系数μ_ref；

理论的临界静摩擦系数μ_static与轮胎受的支反力、跑道温度、轮胎物理特性等因素相关，计算公式为：

上述公式中相关参数计算公式为：

式中，G_tread为胎面材料剪切模量，单位N/m²；κ为轮胎结构参数；μ₀为参考摩擦系数；p_abs为轮胎充气绝对压强，单位Pa；λ为轮胎应力、应变相位角，单位rad；f_λ为与地面温度和橡胶软化温度相关的无量纲参数；T_G为跑道温度，单位K；Λ为轮胎载荷系数；Z为法向载荷，单位N；D为轮胎直径，单位m；w为轮胎宽度，单位m。

而轮胎所能提供的平衡静摩擦系数μ_ref则是在μ_static的基础上，考虑一定的工程经验系数得到的，该工程经验系数定义为平衡临界比k，即μ_ref＝k*μ_static。

平衡临界比k确的获取可通过若干次实际地面滑移试车试验确定，地面滑移试车试验需选取不同高度、重量、温度、发动机转速的试验点开展，根据试验结果权衡需求选择最优的k值或直接取平均值。

(6)如果μ不等于μ_ref，则改变飞机重量W，返回第(3)步重新计算，直至μ＝μ_ref；

(7)最后输出重量W即为输入试车条件下的最小试车重量。

本发明采用如上所述的计算方法最可形成如图3所示的图表，图表中，横坐标为大气静温，纵坐标为最小试车重量，图中不同的曲线代表不同的机场气压高度，同一图表代表相同的试车转速条件，因此在实际使用中应是由一系列图表组成的图集。操作人员可根据计划的试车条件查图检查地面试车是否存在滑移风险，并可根据该图表调整试车条件，保障试车安全。具体调整使用案例示意如下：

(1)对于某次任务，预计的飞机试车重量为W1，预计的任务时刻机场气温Temp、气压高度Hp，同时，预先设定了暖机转速N1_req；

(2)根据上述输出，查如图3所示的图表集中转速N1对应的图表，得到机场气温Temp、气压高度Hp时最小试车重量为W2；

(3)当预计试车重量W1小于最小暖机试车重量W2时，需调整暖机试车条件，而根据实际使用需求，存在两种调整方向供使用者决策使用：a)维持试车转速不变、增加载油量：使得预计试车重量不小于W2；b)维持载油量不变、降低试车转速：查更小转速对应的图表，直至最小试车重量W2小于W1，并降低试车转速至该图表对应状态。

本发明通过理论仿真计算生成检查图表；在地面试车时，根据计划的试车条件事先在生成检查图表中查验，评估地面试车是否存在滑移风险；若有风险，则根据生成检查图表调整试车条件。采用本发明提出的方法可根据机场环境条件确定试车飞机重量、试车发动机转速边界，结合实际使用场景进行权衡选择，避免发生因推力与静摩擦力不平衡引起的滑移事故。

需要说明的是,以上所述，仅为本发明的具体实施例，对本发明进行详细描述，未详尽部分为常规技术。但本发明的保护范围不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种降低喷气式飞机地面试车滑移风险的检查方法，其特征在于，所述检查方法是以发动机推力特性、飞机重量重心以及轮胎的静摩擦力特性为输入，通过理论仿真计算生成检查图表；在地面试车时，根据计划的试车条件事先在生成的检查图表中查验，评估地面试车是否存在滑移风险；若有风险，则根据生成检查图表调整试车条件。

2.如权利要求1所述的降低喷气式飞机地面试车滑移风险的检查方法，其特征在于，所述检查图表生成方法包括以下步骤：

步骤S1、根据地面试车计划得到发动机试车所需参数，发动机试车所需参数至少包括发动机转速N1以及地面大气静温T0和气压高度H；

步骤S2、根据发动机试车所需参数得到发动机的理论推力T,从而得到试车平衡所需的静摩擦力B；

步骤S3、飞机重量W，对应重心CG，以平衡点的推力、静摩擦力B为输入，根据力矩平衡计算得到飞机前轮、主轮的支反力分布；

步骤S4、由主轮支反力、主轮静摩擦力为输入，得到平衡所需摩擦系数μ；

步骤S5、由主轮支反力、主轮物理参数、大气静温T0等参数计算得到轮胎的理论临界静摩擦系数μ_static，以及轮胎所能提供的平衡静摩擦系数μ_ref；

步骤S6、如果μ不等于μ_ref，则改变飞机重量W，返回步骤S3重新计算，直至μ＝μ_ref；

步骤S7、最后输出重量W即为输入试车条件下的最小试车重量。

3.如权利要求2所述的降低喷气式飞机地面试车滑移风险的检查方法，其特征在于，力矩平衡计算过程是，首先建立飞机受力模型，然后根据飞机轴向的受力平衡方程以及法向平衡方程，以重心为中心取矩，得到力矩平衡方程。

4.如权利要求3所述的降低喷气式飞机地面试车滑移风险的检查方法，其特征在于，飞机受力模型中至少包括：

a)重力G，作用于重心，重心位置随油量变化而变化，方向垂直向下；

b)推力T，作用于推力销推力方向沿机体轴向前；

c)前轮支反力Z_front，作用于前轮胎与地面接触处，方向垂直向上；

d)主轮支反力Z_main，作用于主轮胎与地面接触处，方向垂直向上；

e)主轮静摩擦力B_main，作用于主轮与地面接触处，方向沿地面水平向后；

f)前轮静摩擦力B_front，作用于前轮与地面接触处，方向沿地面水平向后。

5.如权利要求4所述的降低喷气式飞机地面试车滑移风险的检查方法，其特征在于，在飞机受力模型中，飞机轴向的受力平衡方程为：

T＝Z_frontμ_{static_front}+Z_mainμ_{static_main}

法向平衡方程为：

G＝Z_front+Z_main

以重心为中心取矩，得到力矩平衡方程为：

Z_front·l_{x_front}＝T·l_{z_T}+Z_main·μ_{static_main}·l_{z_main}+Z_main·l_{x_main}+Z_front·μ_{static_front}·l_{z_front}

式中，T为推力，单位N；Z_front为前轮支反力，单位N；Z_main为主轮支反力，单位N；G为重力，单位N；μ_{static_front}为前轮滚动摩擦系数；μ_{static_main}为主轮静摩擦系数；l_{x_front}为前轮轴向力臂，单位m；l_{z_T}为推力法向力臂，单位m；l_{z_main}为主轮法向力臂，单位m；l_{x_main}为主轮轴向力臂，单位m。

6.如权利要求2所述的降低喷气式飞机地面试车滑移风险的检查方法，其特征在于，步骤S4中，主轮平衡所需摩擦系数μ的计算公式为：

μ＝B_main/Z_main，式中，B_main为主轮静摩擦力，Z_main为主轮支反力。

7.如权利要求2所述的降低喷气式飞机地面试车滑移风险的检查方法，其特征在于，步骤S5中，理论临界静摩擦系数μ_static的计算公式为：

式中相关参数计算公式为：

式中，G_tread为胎面材料剪切模量，单位N/m²；κ为轮胎结构参数；μ₀为参考摩擦系数；p_abs为轮胎充气绝对压强，单位Pa；λ为轮胎应力、应变相位角，单位rad；f_λ为与地面温度和橡胶软化温度相关的无量纲参数；T_G为跑道温度，单位K；Λ为轮胎载荷系数；Z为法向载荷，单位N；D为轮胎直径，单位m；w为轮胎宽度，单位m。

8.如权利要求2所述的降低喷气式飞机地面试车滑移风险的检查方法，其特征在于，所述平衡静摩擦系数μ_ref与理论临界静摩擦系数μ_static的关系为μ_ref＝k*μ_static，其中k为平衡临界比。

9.如权利要求8所述的降低喷气式飞机地面试车滑移风险的检查方法，其特征在于，平衡临界比k的获取通过若干次实际地面滑移试车试验确定，地面滑移试车试验时需选取不同高度、重量、温度、发动机转速的试验点开展，根据试验结果权衡需求选择最优的k值。

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