CJA 2024年第6期封面文章由北京航空航天大学焦宗夏院士团队完成。文章第一作者为北京航空航天大学刘晓超研究员，通信作者为北京航空航天大学齐鹏远副研究员。飞机自主牵引滑行系统是提高机场地面运行效率以及增强舰载机作战能力的关键技术。本文提出了一种基于液压二次调节原理的飞机自主牵引滑行系统新配置，其核心思想是在飞机前轮安装液压马达驱动装置，从而实现飞机在不依赖主发动机情况下的自主牵引滑行。基于液压二次调节原理的自主牵引滑行系统体积小、重量轻、无节流发热，具备技术优势和发展潜力，为飞机自主牵引滑行技术提供了可行的研究方向。
 

引用格式

    Xiaochao LIU (刘晓超), Zhongyi QIU (邱钟毅), Hao ZHANG (张昊), Pengyuan QI (齐鹏远), Zhenyu WANG (王振宇), Yaoxing SHANG (尚耀星), Zongxia JIAO (焦宗夏). Design of an aircraft autonomous traction taxiing system based on hydraulic secondary control[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2024, 37(6): 348-359.

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研究背景

    飞机是现代社会最主要的交通和运输工具之一。作为完整飞行阶段的重要组成部分，飞机地面滑行的时间占据了整个飞行任务时间的10%-30%，目前飞机在地面滑行所需的推力由飞机主发动机提供，这种依赖主发动机产生滑行推力的方案存在效率低、油耗高、污染严重等一系列问题和潜在的安全风险。军用舰载飞机的矛盾更为突出，航母甲板地面运行效率低，严重降低了舰载机的出动频次，影响作战效能。实现飞机的自主牵引滑行是提高机场地面运行效率以及提高舰载机出动效率的关键。

    本文提出一种基于液压二次调节原理的飞机自主牵引滑行系统，在飞机的前轮安装液压马达驱动装置从而实现飞机在地面上的自主牵引滑行功能。同时，提出了一种考虑地面结合力饱和特性的牵引滑行速度控制方法，通过调整机轮驱动扭矩来调节机轮纵向滑移率，以充分利用地面结合力，提高牵引滑行效率。

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研究亮点

    1）飞机自主牵引滑行系统新配置

    本文提出一种飞机前轮自主牵引滑行的新构型，系统配置包括隔离阀、排量控制阀、二次调节液压马达、减速器和机轮等组件。隔离阀用于控制自主牵引滑行系统的工作状态，排量控制阀和排量控制液压缸共同完成液压马达排量调节功能，以改变驱动扭矩。二次调节液压马达作为驱动装置，通过改变斜盘倾角以改变旋转方向，从而实现飞机自主前向和后向滑行。

    液压马达驱动装置安装在飞机前轮上，不会与主轮刹车系统干扰，且不容易产生过热风险，进一步确保了滑行安全。与电机驱动方案相比，液压马达在相同的体积和重量下能够实现更大的驱动扭矩。与此同时，由于二次调节液压马达直接连接到恒压油源，避免了传统阀控液压马达系统的节流损失，能量利用效率高。

图1 飞机前轮自主牵引滑行系统配置

图2 二次调节液压马达驱动装置原理图

    2）考虑地面结合力饱和特性的牵引滑行速度控制

    飞机在滑行过程中受到气动阻力、滚动阻力、坡道阻力等影响，将飞机在地面滑行过程受到的各种阻力综合等效处理，归一化为对飞机产生的纵向加速度，并对系统性能指标影响因素进行了分析。同时，提出了一种考虑地面结合力饱和特性的牵引滑行速度控制方法，地面结合力与滑移率不直接可控，唯一直接可控的变量是机轮驱动扭矩，可通过调整机轮驱动扭矩，进而调节机轮纵向滑移率，使地面结合力得到充分利用。

图3 地面结合力饱和特性

    为实现飞机滑行速度实时跟踪的控制目标，针对滑行过程中的地面结合力与阻力两处不确定因素，分别设计滑模观测器与非线性干扰观测器进行观测估计，为速度控制器提供准确的信号输入，确保精确的牵引滑行速度闭环控制。

图4 飞机自主牵引滑行系统控制框图

    3）飞机自主牵引滑行地面惯性台试验

    本文完成了飞机前轮自主牵引滑行系统原理样机设计，并进行了地面惯性台试验。试验台主要由惯量模拟系统、加载系统、驱动系统和控制系统四部分构成，可以用于模拟一定范围内惯量的飞机。加载系统将机轮推出并向飞机惯量轮施加压力，来模拟驱动机轮受到的垂直载荷。通过调整液压马达的排量来控制机轮的驱动扭矩，实现机轮驱动系统的精确闭环控制。控制器完成对传感器的数据采集、控制算法的数据运算及记录，并产生加载伺服阀指令与马达排量控制阀指令，保证控制闭环的稳定性与控制精度。

图5 飞机自主牵引滑行地面惯性台

为了验证控制器和观测器的实际运行效果，设计了常值加速度驱动和变加速度驱动两组工况的试验进行测试。试验结果验证了控制器、观测器工作的有效性，驱动系统的跟踪效果良好，速度跟踪误差始终在0.1m/s以下，马达驱动系统可以在全工况稳定工作。

图6 自主牵引滑行试验曲线

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作者简介

    焦宗夏（团队带头人），中国工程院院士，北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院教授、北航机载系统创新中心主任、北航宁波创新研究院院长。长期从事航空机载机电系统与飞行控制系统研究，在电液控制理论、核心基础件、新概念飞行器、高端试验装备等方面取得多项原创性成果，系统解决了飞行器高可靠液压、高安全制动、伺服作动与飞行器试验等难题。获国家技术发明二等奖2项、国家科技进步二等奖1项。

    刘晓超（第一作者），北京航空航天大学研究员、博导，国家级青年人才，主要从事飞行器电液作动系统技术研究，解决飞机高安全制动、高性能作动等难题。担任中国商飞-北航大飞机研究院副院长、北航宁波创新研究院机载中心主任等，获得中国航空学会优秀博士学位论文提名奖。在TM、TIE、CJA等领域内权威学术期刊发表论文50余篇，授权国家发明专利60余项，获得省部级一等奖4项。

    齐鹏远（通信作者），北京航空航天大学副研究员，国家级青年人才，发表高水平学术论文30余篇，其中包括IEEE T AERO ELEC SYS等航空领域国际权威期刊论文，获得省部级科技奖励1项。

供稿：刘晓超

编辑：李世秋，许雅婷

审核：蔡斐，范真真