从部件到系统：基于无源电静液作动器（EHA）的飞机全电刹车防滑系统关键技术研究

 

本文以提升飞机起降系统安全性、可靠性与综合效能为目标，系统研究了起落架收放控制、前轮转弯/减摆控制及主轮刹车防滑控制三大核心子系统的一体化集成技术。研究深入剖析了以无源电静液自控刹车阀（EHA）为代表的核心执行部件的工作原理与关键技术指标，并重点阐述了基于多系统深度融合的“起降综合控制盒”设计理念。通过对比分析国内外技术发展现状，结合国内在复杂工况适应性设计、系统级故障-安全、智能协同控制等领域的技术突破，论证了通过功能集成、信息融合与控制协同实现起降系统重量、体积、成本综合最优的技术路径，为我国起降控制系统自主化与智能化发展提供理论参考。

 

一、飞机起降系统核心分系统技术详解

现代飞机的起降系统是保障飞行安全的关键环节，其性能直接决定了飞机的地面机动能力和着陆安全。该系统由收放、转弯、刹车等多个功能复杂且耦合性强的子系统构成。

1.1 起落架收放控制技术

起落架收放控制系统负责在起飞后安全收起落架以减小阻力，并在着陆前可靠地放下。该系统通常由液压或电动作动筒、上位/下位锁机构、位置传感器及控制单元组成。其核心要求是“收得起、放得下”，在任何单点失效情况下，必须具备可靠的应急释放能力。传统的系统依赖双套液压源保障正常收放，而应急放系统则是安全着陆的“最后堡垒”。随着多电/全电飞机技术的发展，全电应急放系统因其可靠性高、易检性好的优势，成为重要发展方向。国内相关研究已针对具体机型的上位锁机构，设计了空间布局优化的电控作动器，并通过数字样机建模与机械-控制联合仿真，验证了系统的可行性，为突破国外技术垄断积累了重要技术储备。

对于AG600这类特种水陆两栖飞机，其收放系统面临更严峻挑战。其机身与气动布局的特殊性，使得起落架必须采用机身支柱外伸双位插销式等创新结构，运动轨迹涉及复杂的空间圆锥面运动。此外，在水中收放时，水流冲击易导致锁机构对正困难，这催生了配备三角形纠偏滚柱与“V”型导向块的原创性设计，确保了在流体干扰下的可靠锁定。这些针对极端工况的设计，体现了国内在解决复杂工程问题方面的创新能力。

 

1.2 前轮转弯与减摆控制技术

前轮转弯系统实现飞机在地面的机动滑行，而减摆系统则用于抑制前起落架在滑跑过程中可能发生的有害摆振。这是一个典型的机电液耦合控制系统。早期系统多为机械液压式，而现代先进系统则普遍采用电传控制（Fly-by-Wire），由飞行员通过侧杆发出指令，经飞控计算机解算后，控制电液伺服阀驱动转弯作动筒。减摆功能通常通过一个专用的减摆器（如油液式或电控式）实现，其本质是一个阻尼器，消耗摆振能量。

技术的发展聚焦于控制精度、响应速度与智能纠偏。特别是在湿滑跑道或侧风条件下，飞机容易发生偏航。传统方法依赖飞行员操纵前轮修正，而先进的控制策略则追求前轮主动纠偏与主轮差动刹车的协同。研究表明，建立包含横纵力矩耦合及侧风干扰的六自由度动力学模型，并设计基于平衡补偿滑模策略的协同控制器，可有效估计并补偿侧风干扰，实现自动纠偏，大幅提升滑跑安全性。这为前轮控制从单纯执行转向智能决策提供了理论基础。

 

1.3 主轮刹车与防滑控制技术

主轮刹车系统是保证飞机在有限距离内安全停住的核心，防滑刹车系统（ABS）则是防止机轮抱死、维持最大刹车子陆效率的关键。这是一个强非线性、快时变的控制过程。其工作原理是：控制器接收刹车指令，并实时采集轮速、机轮减速度等信息，通过计算滑移率来判断机轮趋向抱死的程度，进而以极高频率（通常达数十赫兹）动态调节刹车压力，使滑移率保持在最佳区间。

技术挑战主要来自跑道环境的时变性与不确定性。轮胎与跑道间的结合系数随道面干湿、积雪、结冰等情况剧烈变化。传统防滑控制律（如PD+PBM）参数固定，适应性有限。当前研究前沿在于实现跑道环境的在线辨识与自适应控制。例如，基于轮胎-跑道结合系数波动范围特征的在线辨识方法，以及引入自适应RBF神经网络来估计未知干扰，使控制系统能实时调整策略，在不同道面上均接近最优刹车效率。此外，由于飞机着陆重量大、动能高，刹车过程中产生的巨大热量对刹车盘材料的耐高温性能及散热设计提出了极致要求。

二、无源电静液自控刹车阀的核心作用

在刹车系统的演进中，执行机构的技术革新至关重要。湖南泰德航空技术有限公司的无源电静液自控刹车阀，代表了从传统集中式液压刹车系统向分布式“多电/全电”刹车系统转型的一种先进解决方案。

2.1 基本构成与工作原理

该刹车阀主要由全数字化驱动控制模块、压力传感器、电机施力组件、液压组件、油杯与出油接口、壳体组成。其核心设计思想是“无源”，即在本地不依赖飞机中央液压系统的持续高压供油，而是自带小型密闭油杯，通过内部电机驱动产生并控制液压。

其工作原理闭环如下：

信号接收与处理：阀内的全数字化驱动控制模块（核心为微控制器或DSP）通过双余度通信总线（如CAN FD和RS-422/485）接收来自飞控系统的刹车指令。同时，模块直接采集最多2路轮速传感器信号，为内置防滑算法提供输入。

智能决策与驱动：控制器对比指令压力与压力传感器反馈的实际输出压力，计算出控制量，驱动伺服电机执行正转、反转、停转或堵转。

机电液转换：电机的旋转运动通过滚珠丝杠副转换为高精度的直线运动。螺母的直线运动直接推动与之相连的液压组件（如活塞），压缩阀内油液，从而建立并精确控制输出至刹车作动筒的压力。

闭环调节与防滑：在整个刹车过程中，压力闭环与轮速信息持续作用，使系统不仅能精确跟随指令，还能独立执行单轮防滑控制（防止本侧机轮抱死）和双轮交叉保护（在一侧机轮严重打滑时，适当降低同侧压力，利用另一侧机轮制动以保持方向稳定）。

2.2 关键性能与操作特性

该阀的设计体现了高安全性与任务适应性：

多重控制通道：支持总线指令控制（用于正常/应急刹车）和硬线PWM控制（用于应急/驻停刹车），在主控系统失效时，提供了有效的备用控制通道，符合“故障-安全”原则。

综合BIT能力：具备上电自检、周期自检和召唤自检功能，便于系统状态监控与故障预测。

长寿命与可靠性：其设计首次翻修期限达2000飞行小时/500起落，总寿命达4000小时/1000起落，满足现代航空器高出勤率要求。

充油排气操作是该类阀装机或维护后的关键步骤，直接关系到建压性能与内部密封寿命。操作核心在于确保液压回路内充满油液且无残留空气。具体流程如下：首先，通过专用接口向阀的油杯内缓慢注入规定的15号航空液压油；随后，在控制系统配合下，以低速、小行程模式反复驱动电机，使阀内活塞进行多次往复运动，将油液逐步泵入并充盈所有腔体和连接管路，同时将气体从预设的最高点排气阀排出。整个过程需监控油液流动的连续性和压力建立的平滑性，严禁在未确认完成排气前进行空载全行程加压，以免气体被剧烈压缩产生高温，或导致活塞冲击缸底，损坏密封组件。

三、三合一起降综合控制盒的集成设计

将起落架收放、前轮转弯/减摆、主轮刹车三个独立的控制系统进行深度物理与功能集成，形成“起降综合控制盒”，是应对飞机，特别是无人机、eVTOL等飞行平台对低成本、轻量化、小体积迫切需求的最优解决方案。

3.1 集成架构与功能融合

该控制盒并非简单的物理拼装，而是基于统一硬件平台与综合控制软件的系统级重构。

硬件集成：它将原先分散的多个控制器、驱动电路、电源模块、通信接口集成于一个加固的电子机箱内。共用高性能多核处理器、电源总线和通信背板，显著减少了连接器、线缆和结构支架的数量与重量。

功能融合：在软件层面，它运行统一的综合任务管理软件。软件接收飞机总线上关于起落架收放、前轮转弯、刹车等所有指令，进行统一调度和解算。例如，在“应急放下”模式中，软件可协调收放作动筒、刹车阀甚至前轮转弯的动作逻辑和时序。更重要的是，它实现了跨系统的信息共享与功能互备：当检测到主刹车通道故障时，可指令切换到应急刹车阀；当前轮转弯系统失效时，能自动调用差动刹车逻辑实现应急纠偏转弯。这种系统级的“故障-安全”重构能力，是分立系统难以实现的。

3.2 以EHA为核心的集成优势

在综合控制盒架构下，无源电静液自控刹车阀的价值得到最大化：

简化系统交联：EHA的“无源”特性，使其不再依赖复杂的中央液压管路供压，只需供电和通信线缆，极大简化了与综合控制盒的物理接口，便于模块化安装与更换。

支持灵活配置：如后文所述，EHA支持单阀、双阀、三阀等多种应用模式，综合控制盒可根据飞机起落架配置（如单轮、双轮、多轮车式起落架）灵活调用和组合这些阀的控制逻辑，软件定义功能的特性非常突出。

提升系统余度：综合控制盒可以统一管理多个EHA的备份策略。例如，在“三阀双轮”配置中，一个阀作为正常刹车，另一个作为热备份应急阀，第三个则可用于前轮刹车或作为第二级备份。控制盒内的综合电源和管理电路，能为这些关键阀提供更可靠的配电保障。

四、刹车阀的多场景应用模式分析

该阀的灵活性与可配置性，使其能够适配从轻型飞机到大型无人机的多种起落架构型。

4.1 单阀双轮模式

这是最基本的成本优化配置，适用于轻型飞机或无人机。一个刹车阀同时控制左右两个主轮的刹车作动筒。其内置的双通道轮速处理能力，可以独立对两个机轮实施单轮防滑控制。然而，该模式无法实现左右轮的差动刹车（用于辅助转弯或纠偏），且在单阀故障时，将完全丧失刹车能力。因此，该模式多用于对成本极度敏感、且滑跑速度较低的平台。

4.2 双阀双轮模式

这是应用最广泛的配置，实现了性能与成本的平衡。两个刹车阀分别控制左、右主轮。综合控制盒可实现以下高级功能：

独立防滑与交叉保护：每个阀独立负责本侧机轮的防滑，同时双阀数据通过控制盒交互，实现轮间交叉保护，安全性更高。

差动刹车：通过控制盒对左右阀施加不同的压力指令，产生不对称的制动力矩，辅助飞机在地面低速转弯，或在前轮转弯故障时作为应急纠偏手段。

相互备份：可设置为“主从”或“互备”模式。当主用阀故障时，控制盒可自动切换，由另一个健康的阀接管双侧刹车的控制（通常以均压模式），实现“故障-安全”，极大提升了系统任务可靠性。

4.3 三阀双轮模式

这是为追求最高安全性与功能完备性而设计的配置，常见于大型无人机或对安全有极致要求的特种平台。三个刹车阀的角色可以灵活定义，一种典型分配是：两个阀作为“正常”与“备用”分别控制双轮，第三个阀作为独立的“应急”刹车阀。起降综合控制盒的管理逻辑也最为复杂：

层级式故障应对：当正常刹车阀、轮速传感器或与控制盒的通信发生故障时，系统可降级至由备用阀控制。若整个数字控制系统（含控制盒）失效，则可通过硬线信号直接触发独立的应急阀工作，且应急阀本身也可自带简化的防滑逻辑。

系统级功能重构：在当前轮转弯系统完全失效的极端情况下，控制盒可以指挥左、右主轮的两个刹车阀执行精确的差动刹车，协同无动力前轮，实现飞机的应急转向与滑行纠偏，这构成了完整的起降系统级安全网。

 

五、技术发展趋势、挑战与国内核心优势

5.1 液压系统角色的演变与控制系统的智能化发展

传统上，液压系统是飞机起降控制无可争议的“力量之源”，提供收放、转弯、刹车所需的高功率密度动力。然而，其存在重量大、管路复杂、易泄漏、维护成本高等缺点。未来，液压系统的作用将向区域化、高压化和与电系统深度融合发展。以EHA为代表的电静液作动器（EHA） 和机电作动器（EMA） 正逐步替代部分中央液压功能，形成“功率电传”架构。

保障飞机安全的控制系统将向以下方向发展：

深度智能化：基于数字孪生、人工智能和大数据分析，实现预测性健康管理（PHM） 和自适应容错控制。系统能提前预警潜在故障，并在故障发生时自主重构控制律，保持最优或可接受的性能。

多系统协同控制：突破当前各系统相对独立控制的局限，实现起落架、刹车、转弯、舱门乃至发动机反推的全局一体化最优控制。例如，在着陆瞬间，根据跑道条件、飞机状态和刹车系统温度，动态协同分配刹车、气动减速和反推的制动力比例。

高安全认证的软件与芯片：随着系统集成度和软件复杂度的爆炸式增长，开发符合DO-178C最高安全等级（A级）的综合控制软件，以及应用国产高可靠、抗辐照的控制芯片，是摆脱封锁、实现完全自主可控的终极保障。

 

5.2 突破技术封锁的国内核心优势

面对国外的长期技术封锁，我国在飞机起降控制系统领域并非亦步亦趋，而是在多个方面形成了独特的核心优势与突破路径：

复杂极端工况的原创设计能力：以AG600起落架为例，面对水陆两栖、空间极端受限、水流冲击等世界级难题，国内团队创造性地提出了外伸双位插销式结构、流体纠偏导航装置等原创方案，并完成了国内首次起落架系统级结冰试验。这种解决“非标”复杂问题的能力，是工程实践中最宝贵的财富。

基于系统工程的“故障-安全”设计：国内研究从系统顶层出发，强调功能冗余与模式重构。从EHA的硬线/总线双余度，到综合控制盒管理的多阀备份与差动刹车纠偏，形成了一套从部件、通道到系统的多层级安全防护体系。这种体系化的设计思想，确保了在单点乃至多点故障下的基本安全。

先进控制算法的快速应用与创新：在刹车防滑、纠偏协同等核心算法领域，国内学术界与工程界结合紧密。例如，中南大学桂卫华院士团队提出的平衡补偿滑模策略，有效解决了非对称载荷与侧风干扰下的协同控制难题。同济大学与商飞合作开展的主轮协同转弯控制律研究，为重载飞机地面机动提供了新思路。这些理论成果能较快地转化为工程实践，提升系统性能。

全链条自主可控的产业实践：以湖南泰德航空为代表的民营企业，坚持从核心部件（如EHA）的研发做起，掌握设计、材料、工艺、测试的全链条能力。这种模式避免了受制于人的供应链风险，正如汽车线控领域格陆博科技实现100%国产化所证明的路径，在航空领域同样意义重大。虽然民航高端刹车市场仍由国外巨头主导，但此类在细分领域的深耕为全面突破积累了坚实的技术与产业基础。

 

飞机起降系统的技术发展，正经历着从分立机械液压到集成多电控制，再到智能协同融合的深刻变革。以无源电静液自控刹车阀为核心的“三合一”起降综合控制方案，代表了通过体系创新实现轻量化、低成本和高可靠性的重要方向。国内在该领域的发展，虽然起步晚于国际先进水平，但在应对中国特色复杂需求、开展原创性集成设计、攻关核心控制算法以及构建自主产业链等方面，正走出一条差异化突破的道路。未来，继续深化机电液一体化设计、发展智能诊断与协同控制算法、并推动相关标准和适航体系的完善，将是我国起降控制系统实现从“并跑”到“领跑”跨越的关键。

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