[发明专利]一种采用差动刹车控制飞机极限转弯的方法

权利要求书

1.一种采用差动刹车控制飞机极限转弯的方法，其特征在于，具体过程是：

步骤1，确定飞机当前滑行条件下的最大允许摩擦系数；所述的最大允许摩擦系数μ根据跑道条件、飞行员的操控经验、转弯任务的紧急程度和轮胎条件和气候条件综合确定；

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，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、前机轮侧向力平衡方程、飞机重心的偏转角β和前轮偏转角α的求解方程、前机轮垂直载荷分配方程、转弯内侧主机轮垂直载荷分配方程、转弯外侧的松刹车主机轮垂直载荷分配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及能够达到的状态参数：

所述的飞机转弯时的控制参数包括飞行员应该施加的刹车力矩和发动机推力；所述飞机转弯时能够达到的状态参数包括转弯半径r、转弯线速度、转弯角速度和前轮偏转角；具体过程是：

所述转弯半径r是以最小转弯半径l为起点，逐步增大转弯半径，得到若干个飞机转弯半径r；将得到的各转弯半径r分别作为输入量，利用Matlab仿真计算软件，在Simulink环境下，通过建立的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、前机轮侧向力平衡方程、飞机重心的偏转角β和前轮偏转角α的求解方程、前机轮垂直载荷分配方程、转弯内侧机轮垂直载荷分配方程、转弯外侧机轮垂直载荷分配方程和刹车机轮的刹车阻力方程，得到在稳定的持续转弯状态下，飞行员应该施加给飞机的刹车力矩和发动机推力，以及飞机在稳定转弯状态下所能达到的各状态参数；将所述每一个飞机转弯半径r下实现极限转弯所需的控制参数以及能够达到的状态参数连接起来，得到差动刹车过程的极限转弯曲线；

所述逐步增大转弯半径时的步长根据需要任意设定；

所述最小转弯半径l通过公式(10)确定：

l2=a2+(B2)2---(10)]]>

步骤4，通过飞行员对刹车力矩和发动机推力进行控制；

飞行员根据得到的差动刹车过程的极限转弯曲线，对刹车力矩和发动机推力进行控制。

2.如权利要求1所述一种采用差动刹车控制飞机极限转弯的方法，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：

Ⅰ建立以飞机转弯外侧主机轮接地点为轴的飞机自转力矩平衡方程：

TmzB-FeB2+Nn·bcosα+Nn[(a+b)cosα+B2sinα]-Rnfr[(a+b)sinα-B2cosα]=0---(1)]]>

其中：其中：T_mz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；F_e为发动机的推力，单位：N；N_n为地面作用给前机轮的侧向力，单位：N；b为飞机重心到前机轮轴的距离，单位：m；a为飞机重心到主机轮轴的距离，单位：m；α为前机轮相对机身中心线的偏转角，单位：rad；R_n为地面作用在前机轮上的垂直载荷，单位：N；f_r为机轮与跑道的自由滚动摩擦系数；

Ⅱ建立飞机绕转动中心A转弯的力矩平衡方程：

Fercosβ-Tmz(rcosβ-B2)-Rmyfr(rcosβ+β2)-Rnfra+bsinα=0---(2)]]>

其中：其中：r为飞机转弯过程中重心点的转弯半径，单位：m；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，单位：rad；R_my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---(3)]]>

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；N_m为地面作用在两个主机轮上的侧向力的合力，单位：N；

Ⅳ前轮侧向力平衡方程：

Nn=ma+b+esinα(Vr)2---(4)]]>

其中：m为随前轮一起偏转的所有部件的总质量，单位：Kg；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

Ⅴ飞机重心的偏转角β和前轮偏转角α的求解方程

在得到的以飞机转弯外侧主机轮接地点为轴的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转弯的离心力方程和前机轮侧向力平衡方程中，飞机重心和转动中心之间的连线与主机轮轴线的夹角β与飞机重心到主机轮轴的距离a和飞机转弯过程中重心点的转弯半径r的关系满足公式(5a)：

sinβ=ar---(5a)]]>

通过公式(5a)能够确定飞机重心和转动中心之间的连线与主机轮轴线的夹角β；前机轮相对机身中心线的偏转角α与飞机重心到主机轮轴的距离a、飞机重心到前机轮轴的距离b、前机轮轴中心线到前起落架支柱中心线的水平距离e，以及飞机重心和转动中心之间的连线与主机轮轴线的夹角β的关系满足公式(5b)：

tanα=a+b+eatanβ---(5b)]]>

通过公式(5b)能够确定前机轮相对机身中心线的偏转角α；

Ⅵ前机轮垂直载荷分配方程：

Rn=aa+bMg---(6)]]>

其中：g为重力加速度，单位：m/s²；

Ⅶ转弯内侧主机轮垂直载荷分配方程：

Rmz=b2(a+b)Mg-MV2r·HB---(7)]]>

其中：R_mz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；

Ⅷ转弯外侧的松刹车主机轮垂直载荷分配方程：

Rmy=b2(a+b)Mg+MV2r·HB---(8)]]>

Ⅸ刹车机轮的刹车阻力方程：

在稳定的刹车状态，刹车机轮的刹车阻₃力T_mz与地面作用在转弯内侧的刹车主机轮上的垂直载荷R_mz之间满足公式(9a)：

T_mz＝μ·R_mz   (9a)

飞行员主动施加在机轮刹车装置上的刹车力矩M_b与刹车机轮的刹车阻力T_mz之间满足公式(9b)：

Tmz=Mbrm---(9b)]]>

其中：μ为飞机当前滑行条件下地面与机轮的最大允许摩擦系数；M_b为刹车力矩，单位：Nm；r_m为转弯内侧刹车主机轮的滚动半径，单位：m。