飞翼布局无人机滑跑阶段横航向稳定性与不对称刹车扰动机理研究

近年来，飞翼布局无人机在全球范围内呈现快速发展态势。从土耳其安卡-3的成功首飞，到印度自主飞翼技术演示机的全状态飞行试验，再到俄罗斯“猎人-B”无人机投入实战应用，飞翼布局已成为越来越多航空大国竞相发展的重点方向。这一发展趋势并非偶然——飞翼布局通过将机身与机翼深度融合，形成了独特的翼身融合体结构，使其在气动效率、结构重量与隐身性能等方面展现出显著优势。

一、飞翼布局无人机的发展趋势

飞翼布局的核心优势主要体现在三个方面：其一，气动效率高。由于机身与机翼平滑过渡，取消了传统布局中机身与尾翼之间的干扰阻力，同时浸润面积减小降低了摩擦阻力，翼身融合体本身也能产生较大升力，使得整机升阻比显著提升。其二，结构重量轻。飞翼布局通过功能融合简化了结构形式，取消了垂尾、腹鳍等安定面，使整机结构重量大幅降低，同时机身承重沿机翼伸展方向分布，与气动载荷基本一致，获得刚度设计上的先天优势。其三，隐身性能好。无尾飞翼布局的正向及侧向投影面积小，全向雷达散射截面积大幅降低，加之发动机进气道和尾喷口可采用隐身设计，使其具备出色的雷达隐身能力。

然而，飞翼布局的优势背后同样伴随着显著的技术挑战。由于取消了垂尾、腹鳍等安定面，飞翼布局无人机的横航向稳定性明显弱于常规布局飞机。这一特点在空中飞行阶段已对飞控系统提出了较高要求，在地面滑跑阶段则表现得更为突出——缺少垂尾意味着缺少了重要的航向安定面，当受到不对称刹车力矩、侧风或跑道不平整等扰动因素影响时，无人机难以像常规布局飞机那样依靠垂尾恢复航向，极易发生偏离跑道的危险。

更为棘手的是，飞翼布局无人机的高气动效率在着陆阶段反而成为不利因素。由于机翼升力显著，无人机接地时仍保持较高的升力状态，主机轮所受的地面支反力相对有限。在此条件下，若刹车力矩过大，机轮与地面之间的结合力矩无法与之平衡，便会出现机轮打滑甚至拖胎现象。尤其在起始刹车阶段，由于刹车压力从零开始建立，若建压速率过快，打滑风险更为突出。

此外，飞翼布局无人机的刹车系统还面临一个特殊矛盾：差动刹车是飞翼布局无人机地面方向控制的重要手段，当垂尾缺失导致航向稳定性不足时，差动刹车的纠偏功能显得尤为重要；然而，传统的防滑刹车系统在单侧启动防滑时，仅降低该侧刹车压力，而另一侧仍按原压力执行，这种不对称刹车恰恰会对横航向稳定本就偏弱的飞翼布局无人机产生额外扰动。因此，如何设计一套既能高效制动、又能与差动刹车协调配合、同时不加剧横航向扰动的防滑刹车系统，成为飞翼布局无人机研制的关键技术问题。

二、电液伺服防滑刹车系统方案

2.1 系统组成与工作原理

电液伺服防滑刹车系统主要由机电管理计算机、刹车控制阀组件、刹车压力传感器、机轮刹车装置和轮速传感器等核心部件组成，形成一个完整的闭环控制系统。

机电管理计算机作为系统的控制核心，承担着信号采集、逻辑运算与控制指令输出的关键职能。它实时采集来自刹车压力传感器的压力信号和轮速传感器的速度信号，通过内置的防滑控制算法进行计算，向刹车控制阀组件输出相应的驱动电流。此外，机电管理计算机还集成了周期自检和维护自检功能，能够定期对系统各部件的工作状态进行诊断，及时发现潜在故障，为维修保障和应急处置提供依据。

刹车控制阀组件由刹车电磁阀和刹车伺服阀串联组成，是执行刹车压力调节的关键执行机构。刹车电磁阀布置在刹车伺服阀前端，用于切断或接通液压油液，起到安全隔离的作用。当系统处于非刹车状态或检测到异常时，电磁阀可快速切断液压供应，防止误刹车。刹车伺服阀采用射流管阀结构，负责将输入的液压压力精确调节至指令要求的目标压力值。射流管阀具有抗污染能力强、响应速度快、压力控制精度高等优点，适合在无人机刹车系统这类对可靠性和动态响应要求较高的场合应用。

值得注意的是，刹车电磁阀和刹车伺服阀均采用双余度设计，并设置了余度供压口。这意味着单侧刹车电磁阀在双余度均发生故障的情况下，仍可通过另一侧的余度供压口获得液压供应。这种冗余设计显著提高了系统的任务可靠性和安全性，尤其适用于飞翼布局无人机这类对刹车系统可靠性要求极高的平台。

机轮刹车装置是刹车力矩的直接执行部件，其内部设置有动盘与静盘。当刹车控制阀组件输出的刹车压力进入刹车腔后，推动活塞压紧动、静盘，产生摩擦制动力矩，使飞机减速制动。为避免在未施加刹车压力时动、静盘意外接触产生异常阻力矩，机轮刹车装置内部设置了回位弹簧，确保无压力状态下刹车盘处于分离状态。

轮速传感器用于检测主机轮的转动速度，为防滑控制提供基础数据。传感器通常采用磁电式或霍尔式原理，安装在机轮轮轴上，能够实时输出与轮速成正比的电信号。刹车压力传感器则用于监测刹车腔内的实际压力值，一方面为闭环控制提供反馈信号，另一方面用于判别系统工作状态的正确性，当指令压力与反馈压力出现异常偏差时，系统能够及时识别并采取相应措施。

2.2 系统核心优势

相较于传统防滑刹车系统，本文提出的电液伺服防滑刹车系统在以下几个方面具有显著优势。

其一，高可靠性与安全性。通过双余度阀体设计、余度供压口配置以及完备的自检功能，系统在发生单点故障时仍能维持基本刹车能力。机电管理计算机的周期自检功能可及时发现隐患，维护自检功能则为地面维护提供了便捷的故障定位手段。这种“故障-安全”的设计理念，使系统具备较高的任务可靠性和安全性。

其二，精准的压力控制能力。采用射流管式伺服阀作为压力调节元件，配合压力传感器的闭环反馈，系统能够实现对刹车压力的精确控制。这一特性对于飞翼布局无人机尤为重要——精确的压力控制意味着可以精确设置预置刹车压力和软化曲线，避免因压力控制偏差导致的刹车力矩突变。

其三，优良的响应特性。电液伺服系统本身具有响应快、频响高的特点，加之机轮刹车装置设置的回位弹簧使刹车盘在无压力状态下保持分离，进一步缩短了建压响应时间。快速的响应能力意味着防滑控制系统能够在机轮打滑初期迅速介入，将打滑程度控制在浅层范围内，避免发展成深度打滑或拖胎。

其四，良好的系统透明度与可维护性。周期自检和维护自检功能为系统状态监测提供了有效手段，维修人员可在地面通过自检接口了解系统各部件的工作状态，针对性地采取维修保养措施。这一特点在无人机实际使用中尤为重要——无人机往往缺乏飞行员对刹车脚感的直观反馈，系统状态更多依赖自检功能进行感知和传递。

三、系统控制策略

3.1 预置刹车压力的设置

飞翼布局无人机在起飞滑跑过程中，当刹车控制阀组件未输出刹车压力时，机轮刹车装置的动、静盘在回位弹簧作用下保持分离状态。然而，从零压力开始建压到实际产生刹车力矩之间，存在一定的间隙消除时间和压力建立时间。若采用常规的“零压力起始”建压方式，刹车响应时间较长，不利于紧急制动场景下的减速需求。

为解决这一问题，系统引入了预置刹车压力策略。所谓预置刹车压力，是指在无人机起飞滑跑时，机电管理计算机控制刹车控制阀组件输出一个较小的刹车压力，该压力刚好能够克服回位弹簧弹力并使刹车力矩接近零值。在此状态下，刹车盘动、静盘处于临界接触状态，一旦需要刹车，只需在预置压力基础上叠加控制压力即可快速产生刹车力矩，从而显著缩短刹车响应时间。

需要指出的是，由于左右机轮刹车装置的回位弹簧弹力和间隙存在差异，相同的预置压力在左右两侧可能产生不同的刹车力矩状态。因此，系统分别设置左、右预置刹车压力，通过地面调试确定各自的参数值。在进行差动纠偏时，纠偏压力在叠加预置刹车压力后得出，使纠偏控制更为精准，提升了差动纠偏对于航向、侧偏距调节的准确度和快速性。

3.2 初始刹车的软化

飞翼布局无人机的高气动效率使主轮在接地后一段时间内仍承受较小的地面支反力。若在此阶段施加较大的刹车压力，机轮极易因地面结合力矩不足而发生打滑甚至拖胎。为解决这一问题，系统设计了初始刹车软化策略。

根据飞翼布局无人机的着陆特性，主轮接地2~3秒后前轮方可可靠接地。基于这一特点，机电管理计算机在主轮接地3秒后发出刹车指令，控制刹车控制阀组件输出预置刹车压力，开始启动刹车过程。这一时间节点的选择基于两方面考量：一是避免依赖前轮载信号判定前轮接地——前轮载信号通常出现较晚，若等待该信号才开始刹车，将导致启动时刻滞后，增加滑跑距离；二是3秒时间足以使前轮可靠接地，此时飞机姿态趋于稳定，刹车系统的介入更为安全。

启动刹车后，刹车指令按照干跑道最佳结合系数设置，并根据地速划分为若干个速度段的额定刹车压力，形成分级指令。在初始刹车阶段，刹车指令由预置刹车压力经过约2秒的软化时间逐渐上升至第一个速度段（高速段）的额定刹车压力。这一缓慢的建压过程使刹车力矩逐渐增加，为主轮载荷的逐步转移留出时间，有效避免了因刹车力矩陡增导致的拖胎现象。

3.3 防滑控制策略

防滑控制是刹车系统的核心功能，其本质是防止机轮在刹车过程中因制动力超过地面所能提供的最大结合力而抱死或打滑。本文提出的防滑控制策略采用速度差加偏压控制构型，并针对飞翼布局无人机的特点进行了创新设计。

3.3.1 速度差加偏压控制构型

系统通过轮速传感器实时检测主机轮转速，并基于轮速计算飞机参考速度。参考速度的确定是防滑控制的关键——它表征了飞机主体的运动速度，通过与各轮速的比较可判断每个机轮的打滑程度。系统实时比较轮速与参考速度的差值（即准滑移速度Δv），当Δv达到预设门限时，判定该机轮发生打滑，需要降低刹车压力以恢复机轮滚动状态。

偏压控制则是在打滑解除后，按照既定策略恢复刹车压力。与传统防滑控制采用的“快速加压-再次打滑-再次泄压”的开关式控制不同，偏压控制通过有节制的压力恢复，使刹车力矩逐步接近地面最大结合力矩，既避免了因压力恢复过快导致防滑功能频繁启动，又避免了因压力恢复过慢造成刹车效率下降。这种控制模式提高了刹车系统对跑道条件变化的适应性，无论在干跑道还是湿滑跑道上均能保持较高的刹车效率。

防滑控制器以准滑移速度Δv为输入变量，采用带PBM（压力偏压调节）的PID算法进行计算。该算法实质为多门限PID算法，其积分级输出既可增加也可减小，使得控制量能够根据打滑深度自适应调整。

3.3.2 针对飞翼布局的创新设计

本文防滑控制策略最为关键的创新点，在于针对飞翼布局无人机横航向稳定性弱的特点进行了专门设计。

传统防滑刹车控制策略在单侧启动防滑控制时，仅将该侧刹车压力降低，另一侧继续按照原有刹车压力执行。这种处理方式在常规布局飞机上尚可接受——垂尾等安定面能够提供一定的航向稳定力矩来抵抗不对称刹车产生的偏航力矩。然而对于飞翼布局无人机而言，由于缺少垂尾，横航向稳定性本就偏弱，这种不对称刹车压力分布将对飞机航向产生明显扰动，严重时甚至导致偏离跑道。

针对这一问题，本文提出的防滑控制策略在单边启动防滑控制时，同时降低双侧刹车压力，有效降低了防滑控制过程中左右刹车压力分布的不一致性。这一策略的核心逻辑在于：防滑控制的目的在于解除打滑，而不是产生纠偏力矩。当一侧机轮打滑时，该侧需要降低压力以恢复滚动；但另一侧并不需要维持原压力——维持原压力既无助于打滑侧的恢复，反而会加剧左右刹车的不对称性。因此，双侧同时降低压力，既保留了足够的制动力，又最大程度地减少了对横航向的扰动。

更重要的是，这一策略在降低双侧压力的同时，完整保持了原有的差动纠偏控制量。这意味着防滑控制与差动纠偏实现了有机统一，而非相互对立。传统防滑控制策略中，防滑功能与差动纠偏功能存在一定的冲突——防滑功能降低单侧压力可能增加或减小原有的差动纠偏控制量，甚至改变纠偏极性，削弱差动纠偏能力。而本文策略在启动防滑时，左右两侧原有的差动纠偏控制量保持完整，防滑控制量叠加于其上，使两种功能能够协同工作。这一特点对于依靠差动刹车进行地面方向控制的飞翼布局无人机而言尤为重要。

3.3.3 多门限自适应调节

防滑控制器采用的多门限PID算法，使系统能够根据打滑深度自动调节控制量增长率。当打滑较浅时，表明刹车力矩与地面结合力矩相差较小，控制器输出缓慢增加的防滑控制量，使刹车压力缓慢降低，以轻度减小刹车力矩解除打滑，避免过度降压导致刹车效率损失。当打滑较深时，表明机轮已严重打滑，如不及时干预可能发展为拖胎甚至爆胎，控制器输出快速增大的防滑控制量，使刹车压力迅速降低，让机轮快速恢复滚动状态。

当机轮脱离打滑状态后，轮速与参考速度的差值很小甚至为零，控制器输出逐步下降的防滑控制量，使刹车压力逐渐恢复，重新寻找地面最大结合系数。这种缓慢恢复的策略避免了快速升压导致系统频繁进入防滑状态，提高了刹车过程的平稳性和刹车效率。

3.4 刹车安全态设置

尽管防滑控制系统在设计上力求高可靠性，但仍需考虑传感器或执行部件故障情况下的应急保障。为此，系统设置了刹车安全态。

当机电管理计算机通过自检功能监测到轮速传感器等关键设备出现故障，导致防滑功能无法正常使用时，系统将自动切换至刹车安全态。在安全态下，各速度段额定刹车压力降低至正常状态的70%~80%，对应的差动纠偏压力上限也相应调整。通过降低刹车压力上限，可以最大限度地避免因防滑功能丧失而直接施加过大刹车压力，防止主机轮抱死或拖胎。

值得注意的是，70%~80%的额定刹车压力仍保留了较为可观的制动能力，确保系统在防滑功能失效的情况下仍能提供足够的制动力矩，避免制动距离显著增加。这一“降级工作”模式体现了航空领域“故障-安全”的设计理念——即便在部分功能失效的情况下，系统仍能维持基本的安全性。

四、试验验证

4.1 惯性台动态联试

为验证电液伺服防滑刹车系统的功能与性能，研究团队在惯性台上开展了动态联试试验。惯性台试验通过在模拟真实转动惯量的条件下施加刹车压力，观测机轮的减速特性、防滑触发情况以及刹车效率等指标。

试验设置了不同主轮支反力工况。结果表明：当支反力为正常着陆支反力的100%时，刹车过程中未触发防滑功能，说明在此工况下刹车力矩始终低于地面最大结合力矩，系统能够在保证足够制动力的同时维持机轮正常滚动；当支反力降至正常着陆支反力的75%时，系统触发1次防滑功能，表明初始刹车阶段存在短暂打滑，但防滑系统及时介入解除了打滑状态；当支反力进一步降至正常着陆支反力的50%时，系统触发多次防滑功能，防滑工作频率约为0.25次/秒。

经测算，防滑刹车系统的刹车效率约为93%，与现有电液伺服防滑刹车系统相比处于较高水平。刹车效率是评价防滑系统性能的关键指标，它反映了系统在防止打滑的同时对制动能量的利用程度。93%的刹车效率表明系统能够在有效防止打滑的前提下充分利用地面制动力。

对于飞翼布局无人机而言，着陆接地3秒后主轮支反力约为正常着陆支反力的60%。这一数值介于惯性台试验的75%和50%工况之间，意味着着陆初期刹车系统防滑工作频率将低于50%支反力工况下的测试结果，刹车过程将更加平稳高效。

4.2 地面滑行试验

为进一步验证系统的实际工作性能，研究团队开展了地面滑行试验。试验中，无人机仅依靠差动刹车和方向舵进行方向控制，模拟实际着陆滑跑过程中的刹车纠偏场景。

试验过程中，某一时刻（记为t0）右机轮速度正常，但左机轮速度骤降，触发了防滑功能。系统响应后，左右刹车压力同时降低，但完整保持了启动防滑功能前的左右差动纠偏量。这一现象验证了防滑控制策略中“双侧同时降压”与“保持差动量”的设计逻辑。

启动防滑后，左机轮轮速快速恢复正常，左右刹车压力随后逐步恢复。在整个防滑过程中，方向舵给定量未出现明显变化，仅保留了既有的差动刹车纠偏量，但无人机的航向角和侧偏距均保持稳定，无明显波动。这一结果表明，所设计的防滑控制策略在有效解除机轮打滑的同时，并未对飞机的横航向稳定性造成额外扰动，防滑过程与差动刹车纠偏功能实现了良好协调。

地面滑行试验充分验证了该防滑刹车系统对飞翼布局无人机的适用性——防滑过程满足差动刹车对地面滑跑方向控制的要求，同时有效避免了不对称刹车对无人机横航向的扰动。

五、总结与展望

5.1 系统特点总结

本文针对飞翼布局无人机横航向稳定性弱、气动效率高等特点带来的刹车系统特殊需求，提出了一种新型电液伺服防滑刹车系统方案。通过理论分析与试验验证，该系统展现出以下突出特点：

其一，高可靠性与安全性。系统采用双余度阀体设计、余度供压口配置，并集成周期自检与维护自检功能，形成了完整的故障检测与安全保障体系。刹车安全态的设置为防滑功能失效时提供了可靠的降级工作模式，体现了“故障-安全”的设计理念。

其二，高差动刹车纠偏效率和刹车制动效率。通过预置刹车压力设置缩短了刹车响应时间，通过初始刹车软化策略避免了起始阶段的拖胎风险，通过多门限PID防滑控制实现了浅层打滑与深度打滑的自适应调节。惯性台试验93%的刹车效率验证了系统的高效性。

其三，防滑过程对横航向扰动的最小化。针对飞翼布局无人机横航向稳定性弱的特点，防滑控制策略在单侧打滑时采取双侧同时降压的方式，同时完整保持原有的差动纠偏控制量，使防滑控制与差动纠偏实现有机统一，有效避免了不对称刹车对无人机横航向的扰动。

5.2 未来发展趋势

随着飞翼布局无人机的快速发展，其刹车系统技术也将持续演进。未来发展趋势主要体现在以下方面：

多电化与全电化。当前的电液伺服刹车系统仍依赖于飞机液压源，管路布置复杂、重量较大。基于电静液作动器（EHA）的全电刹车系统将电机、泵、阀、油缸等集成于一体，本地建立液压压力，摆脱了对中央液压源的依赖，具有重量轻、体积小、效率高、便于分布式布置等优势。随着大功率电机、高集成度驱动控制等技术的成熟，全电刹车系统有望成为下一代飞翼布局无人机的优选方案。

智能化与自适应控制。跑道条件的变化（干、湿、积雪、结冰）会导致地面结合系数发生显著变化，传统防滑控制策略难以适应所有工况。基于跑道环境在线辨识与自适应控制的技术方向，通过实时估计轮胎-跑道结合系数特征，动态调整防滑控制参数，使系统在不同道面上均能接近最优刹车效率。结合人工智能技术的智能防滑控制，有望进一步提升系统的环境适应性与控制品质。

系统集成化与协同控制。飞翼布局无人机的起降过程涉及收放系统、转弯系统、刹车系统的协同工作。将多个独立控制系统进行深度物理与功能集成，形成起降综合控制盒，可有效降低系统重量、体积与成本。在此基础上，通过前轮主动纠偏与主轮差动刹车的协同控制，可在侧风、湿滑跑道等复杂条件下实现自动纠偏，进一步提升滑跑安全性。

故障诊断与预测性维护。随着传感器技术与数据分析技术的发展，刹车系统的状态监测将从简单的故障检测向故障预测与寿命预测方向发展。通过分析轮速、压力、温度等参数的演变规律，预测关键部件（如刹车盘、伺服阀、密封件）的剩余寿命，实现视情维护，可进一步提高系统的使用经济性和任务可靠性。

综上所述，本文研究的电液伺服防滑刹车系统对飞翼布局无人机具有良好的适用性，其设计思想与控制策略可为其他类型飞机的刹车系统设计提供借鉴。随着相关技术的持续发展，飞翼布局无人机的刹车系统必将向着更高效、更智能、更可靠的方向不断演进。

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