О тормозных возможностях летательного аппарата. Тормоза самолета и тормозной парашют.

Здравствуйте, уважаемые читатели!

Сегодня немного поговорим о такой важной штуке, как тормоза в авиации. Всем известно, что посадочные скорости современных самолетов достаточно высоки. В большей степени это относится к военной авиации, но и гражданская от нее не очень-то отстает. Однако, чем для более высоких скоростей полета предназначен самолет, тем труднее ему уверенно чувствовать себя на малых посадочных.

«Единство и борьба противоположностей» имеет место в явном виде :-). Планер, к примеру, типичного истребителя-перехватчика на малых скоростях, которые как раз и целесообразны на посадке, летает, мягко говоря, не очень охотно. Его стихия совсем другая, и большая скорость там обязательно присутствует :-).

Но ведь сколько не летай, садиться (а значит и замедляться) все равно надо. Различные конструкторские ухищрения типа изменяемой стреловидности, мощной взлетно-посадочной механизации и т.п. и т.д. позволяют в некоторой степени решить проблему, но всему есть предел. Скорость на посадке остается немаленькой.

А отсюда напрямую проистекают такие неприятности, как большая посадочная дистанция (или длина пробега) летательного аппарата и немалая нагрузка на элементы посадочных устройств или, говоря простым языком, колеса (их шины или «пневматики»).

ВПП бесконечной длины никто строить, понятно, не заинтересован. Кроме того, сама посадка, как и любой другой элемент полета, должна быть, конечно, достаточно безопасной. Поэтому вполне понятно, что любой самолет в соответствии со своими данными и предназначением нуждается в эффективных и безопасных средствах торможения.

Еще надо заметить (как бы в скобках :-)), что практически любой летательный аппарат перед взлетом и после посадки может (и, видимо, должен) осуществлять перемещения по летному полю (руление), и для правильной организации этого процесса без надежных тормозов не обойтись.

В чем, собственно, физическая суть торможения? Любой предмет, находящийся в движении, в результате этого самого движения обладает кинетической энергией. Ее фундаментальная формула K = MV²/2 . Самолет, сам по себе обладающий немалой массой М, совершив посадку со скоростью V (опять же совсем немаленькой, да по формуле еще и в квадрате), в итоге обладает просто таки огромным запасом кинетической энергии К.

Для остановки ее необходимо рассеять (или преобразовать в другие виды энергии, с движением самолета не связанные). Все способы торможения на это как раз и направлены.

В современной авиации широко известны три способа торможения: реверс тяги двигателя, тормозной парашют и, наконец, всем известные колесные тормоза самолета. Как о вспомогательных можно еще говорить о тормозных щитках и интерцепторах.

В первых двух способах кинетическая энергия тратится на преодоление аэродинамического сопротивления, а в третьем на преодоление трения и в итоге преобразуется в тепловую, которая рассеивается в атмосфере (колеса вместе с элементами системы торможения нагреваются и затем остывают).

О реверсе мы с вами уже говорили ранее. Теперь коснемся остальных способов торможения летательных аппаратов.

Колесные тормоза самолета. Они являются по сути своей аналогами тормозов автомобильных и от них же в свое время и произошли. Ничего супернового в этом плане здесь не изобрели. Кинетическая энергия летательного аппарата в этом случае расходуется на борьбу с трением и при этом переходит в тепло.

В авиации существует три вида колесных тормозных устройств. Первые два — колодочные и камерные тормоза. В настоящее время на вновь создаваемых самолетах они уже не применяются (где-то, примерно, с пятидесятых годов), за исключением быть может легких самолетов (мне, однако, такие случаи неизвестны :-)). Но упомянуть о них, я думаю, все же стоит.

В колодочных тормозах главной рабочей деталью является колодка, изготавливаемая чаще всего из легкого сплава и несущая на одной из своих поверхностей тормозную накладку, которая, в свою очередь, сделана из специального достаточно мягкого материала с повышенным коэффициентом трения. Таких колодок может быть несколько.

Под воздействием силового механизма (он обычно распорного типа гидравлический, либо пневматический, хотя на ранних самолетах был и простой механический привод) колодки своими накладками при задействовании тормоза прижимаются к поверхности (внутренней) тормозного барабана (или тормозной рубашки), неподвижно закрепленного на внутренней поверхности корпуса колеса и поэтому вращающимся вместе с ним. Тормозная рубашка изготавливалась обычно из малоуглеродистой стали.

При выключении тормоза колодки возвращаются в исходное положение под действием пружинного механизма, смонтированного вместе с силовым. Вобщем достаточно похоже на автомобильный или мотоциклетный тормоз часто называемый в просторечии барабанным (кто в курсе:-)).

Такого рода тормоза самолета применялись где-то начиная с 20-х годов. Они были (и есть :-)) относительно малоэффективны. Неэнергоемкие, с небольшим тормозным моментом (особенно без гидро- или пневматического усиления) и неравномерным износом колодок.

В тридцатых годах появились камерные тормоза. Камера там действительно имеется, она резиновая и расположена внутри цилиндрического барабана (та же тормозная рубашка), закрепленного в корпусе колеса. На наружной поверхности камеры установлены тормозные накладки (пластины) из фрикционного материала.

При включении тормоза внутрь камеры подается воздух или жидкость (значительно реже) под давлением. Камера увеличивается в объеме и тормозные накладки прижимаются к барабану. Далее все понятно :-). Такого рода тормоза достаточно компактны и просты как в изготовлении, так и в эксплуатации, равномерно передают тормозное усилие и имеют небольшую массу.

Однако, быстродействие их невелико, расход воздуха немалый, а эластичность резиновой камеры – величина непостоянная, особенно при низких температурах наружного воздуха.

Тормозной момент и энергоемкость двух этих конструкций тормозов самолета относительно невелики. Правда и посадочные скорости, да, кстати сказать, и массы самих летательных аппаратов, на которых они применялись не такие уж большие по сравнению с современными типами.

Надо сказать, что применение более мощных тормозов на самолетах, создаваемых до 50-х годов в определенном смысле ограничивалось еще и схемой шасси. Оно было в большинстве своем трехопорное с хвостовым колесом, что в принципе грозило переворачиванием самолета на нос при резком торможении.

Как пример применения колодочных тормозов можно назвать послевоенный учебно-тренировочный самолет ЯК-18. Камерные тормоза применены на известных истребителях ЛА-5 и ЛА-7. А вот на спортивном ЯК-55 стоят уже совсем другие тормоза. О них и поговорим далее.

Итак, на современных самолетах применяется третий тип авиационных тормозов – дисковые. Количество дисков в них может быть различным. Тормоза с одним диском применяются в основном на легких самолетах. Конструкция их в принципе идентична дисковым автомобильным или мотоциклетным тормозам. То есть имеется один тормозной диск, неподвижно закрепленный на корпусе колеса и вращающийся вместе с ним.

По обе стороны диска в специальном устройстве, называемом тормозной суппорт (встречается еще название тормозная машинка), попарно расположены тормозные пластины (иногда их называют колодками).

Эти пластины при включении тормоза одновременно прижимаются к диску при помощи гидравлически приводимых толкателей (поршней), что, естественно, вызывает возникновение тормозного момента.

Однако, наиболее распространены в наше время (и наиболее эффективны) многодисковые тормоза самолета. Такие устройства сейчас стоят практически на всех современных гражданских лайнерах и военных самолетах. Конструкций их существует множество, но принцип действия у всех одинаковы. Они похожи на обычную фрикционную муфту сцепления.

Многодисковый тормоз в основе своей представляет из себя пакет, состоящий из нескольких тормозных дисков. Часть из них вращаются вместе с колесом, часть неподвижны в плоскости вращения. Они расположены друг за другом через один. Вращающиеся диски имеют специальные выступы, а в корпусе колеса сделаны прорези для этих выступов (для совместного вращения).

Все диски имеют возможность в некоторой степени перемещаться в осевом направлении (можно сказать на оси колеса вдоль нее), и при выключенном тормозе между ними имеется зазор. При этом колесо (вместе с вращающимися дисками) имеет возможность свободно поворачиваться на своей оси.

При введении тормоза в действие, специальные поршни с гидравлическим (или пневматическим) управлением сжимают все эти диски в один пакет. Из-за больших сил трения, возникающих при сжатии вращающихся и невращающихся дисков, возникает тормозной момент, что нам, собственно, и нужно :-). При отключении тормоза пружинные механизмы возвращают поршни в исходное положение.

Тормозные диски бывают как металлические (малоуглеродистая сталь), так и биметаллические. Делают их также с применением порошковой металлургии с использованием чугуна и бронзы. Кроме того в последнее время используются различные синтетические материалы и ткани с применением специальной термообработки, углеводородное волокно и различные смолы.

Карбоновые тормозные диски массово применяются на лайнерах Airbus, Boeing и других фирм уже около 20 лет. Все это делается к тому, чтобы обеспечить максимальный коэффициент трения в тормозах самолета, при этом до минимума уменьшая их вес.

В последние несколько лет разработаны, испытаны и готовятся к применению на перспективных самолетах (типа Boeing 737NG, 787, Airbus 350XWB), а также на других по желанию фирмы-эксплуатанта (и возможностям самолета, конечно :-)) тормоза, в которых вместо гидравлического управления используется электро-механическое (так называемые electric brake). Блок тормозных дисков у них карбоновый. Главные разработчики этого направления известные «колесные» фирмы Messier-Bugatti-Dowty и Goodrich.

При использовании такого тормоза информация о нажатии пилотом на тормозную педаль передается компьютером в электронный блок управления, который преобразует эти команды в электрические сигналы, передаваемые на электродвигатель, чье вращение через редуктор превращается в механическое перемещение карбоновых тормозных дисков.

Дисковые тормоза создают большое тормозное усилие и очень энергоемки. Однако, именно из-за последнего их большим недостатком является то, что они при неоднократном торможении довольно быстро нагреваются и своевременный отвод тепла от них затруднен. Поток тепла может быть очень большим, и оно отрицательно влияет на элементы тормозного механизма, на корпус колеса и на его резиновую шину (пневматик).

Следующие два видеоролика на эту тему. Первый показывает испытания тормоза самолета А380-800. Второй показывает возможность разрушения пневматика из-за перегрева. Колесо, правда, автомобильное, но для нашей темы все это актуально.

В связи с этим для определения возможно произошедшего перегрева колеса существует такая интересная фишка, как термосвидетель. Этим странным словом называется специальная легкоплавкая пробка, которая размещается в корпусе колеса, обычно в районе обода.

Термосвидетелей чаще всего три. Они размещаются под 120^º друг относительно друга в корпусе колеса и могут быть легко осмотрены. Обычно допустимая температура нагрева колеса составляет что-то около 110 градусов, температура плавления выступающей части (головки) термосвидетеля примерно 125 градусов, а его полное выплавление наступает примерно при 140 градусах.

В случае, если один из них (или же два и даже три) оказываются выплавленными, то выполняется специальный (для каждого случая) комплекс работ, как смотровых, так и работ по замене определенных частей тормозного механизма или полностью всего узла, корпуса колеса или пневматика.

Для защиты колеса могут также применяться специальные тепловые экраны, дополнительное охлаждение воздухом, забираемым от компрессора ТРД или же автоматически распыляемая на диски вода.

То есть в этом плане может даже присутствовать целая самостоятельная система контроля температуры колес (и, кстати, не только температуры :-)), автоматически применяющая защитные меры и так же автоматически фиксирующая превышение предельной температуры в накопителе данных бортового регистратора параметров полета (черный ящик). Но это, в общем-то, больше относится к современным крупным лайнерам.

А что касается, например, наших военных самолетов, то здесь, по-моему, до сих пор более распространено простое охлаждение колес водой из шланга специальной поливочной машины (КПМ) вручную. Сам этим занимался в свое время неоднократно на летних полетах самолетов СУ-24МР :-). Обобщать, правда, не стоит. Не все тормозные диски можно поливать водой в разогретом состоянии. Все зависит от их материала и конкретной конструкции узла.

На всех современных колесных тормозах обязательно присутствует антиюзовая автоматика. Опять же, проводя аналогию с автомобильным транспортом, что-то типа ABS. Ведь известно, что максимальная эффективность торможения возможна при максимальном коэффициенте трения между резиновой шиной колеса и поверхностью ВПП, то есть, соответственно, при большом тормозящем усилии со стороны тормозного механизма.

Однако, понятно и то, что при таком коэффициенте трения колесо так сильно тормозится, что может начать проскальзывать, а не катиться по бетонке. То есть попросту может начаться юз (скольжение). Колесо перестает вращаться, блокируется. Такая ситуация неприемлема, так как в этом случае теряется управляемость и на больших скоростях пневматик (шина) колеса может повредиться (то есть просто протереться о бетонку до разрушения).

Поэтому на самолете (как и на автомобиле :-)) есть система управления антиюзовой автоматикой (автомат торможения), которая опираясь на данные датчиков, установленных на колесе ( электрические, электроинерционные и др.) регулирует величину тормозного усилия периодическим отключением и включением тормоза в зависимости от возникновения условий для юза.

А вообще грамотное использование тормозов самолета вполне можно отнести к такому понятию, как мастерство летчика, и оно во многом может зависить от его опыта и качеств, как профессиональных, так и человеческих.

Однако, как бы не были хороши современные дисковые тормоза самолета, они имеют определенный диапазон применения по скорости. Сразу после касания шасси современного самолета ВПП они не могут быть задействованы из-за возможности перегрева и повреждения элементов посадочных устройств (в частности, пневматиков колес).

Более того (и это, пожалуй, главное) на большой скорости тормоза малоэффективны. Ведь крыло еще продолжает выполнять свои функции и создает подъемную силу. Самолет как бы «привстает на цыпочки» 🙂 над ВПП, и поэтому сцепление колес с бетонкой, скажем так, невелико, а отсюда и коэффициент трения далек от своих оптимальных значений.

Кроме того эффективность применения традиционных тормозов самолета зависит от состояния поверхности ВПП. Ведь коэффициент трения (сцепления) ощутимо меняется, если бетонка намокнет под дождем или ее покроет снег или даже лед.

Тормоза самолета обычно применяются начиная со скорости около 150- 180 км/ч. Но до такой скорости его надо еще довести. Вот для этого как раз и используются средства торможения, эффективность которых проявляется именно на большой посадочной скорости. Их относят к разряду аэродинамических и действие их абсолютно не зависит от состояния поверхности ВПП.

Первое — это различного вида тормозные щитки (и им подобные приспособления), иначе еще называемые воздушными тормозами. Они выпускаются в набегающий поток для создания аэродинамического сопротивления, и действие их напрямую зависит от площади поверхности «противопоставляемой» потоку. Располагаются они чаще всего на фюзеляже.

В большей степени они применяются в полете, однако на пробеге для торможения тоже могут быть использованы, пока скорость еще высока. Все определяет конструкция и характеристики самолета.

В отдельную группу выделяются интерцепторы, которые имеют очень многие современные самолеты, не только гражданские, но и военные. Эти аэродинамические поверхности расположены на верхней части крыла и поднимаются в поток, подобно обычным щиткам как в полете, так и на пробеге после посадки.

Однако, это не обычные щитки. Это, как их еще называют, органы непосредственного управления подъемной силой. В полете они используются для управления самолетом по каналу крена (как дополнительная или основная система). Это так называемые элерон-интерцепторы. Не менее важную роль они играют и применительно к нашей теме, то есть во время торможения на пробеге после посадки.

Они, конечно, повышают аэродинамическое сопротивление самолета и способствуют его торможению. Однако, на пробеге после посадки главное их предназначение — это гашение подъемной силы крыла за счет турбулизации и повышения давления потока (а по сути дела срыва) на его верхней поверхности.

При этом самолет под влиянием собственной массы плотнее прижимается к ВПП шинами (пневматиками) колес и эффективность работы тормозов увеличивается. Такого рода интерцепторы называются спойлерами. Спойлеры обычно больше по площади и расположены ближе к фюзеляжу, чем элерон-интерцепторы.

Одним из самых эффективных средств торможения самолета на большой скорости (то есть сразу после посадки), в том числе и по сравнению с тормозными щитками является тормозной парашют.

Именно на первом этапе торможения, сразу после посадки его эффективность наиболее высока, потому что лобовое аэродинамическое сопротивление прямо пропорционально квадрату скорости. Применение тормозного парашюта позволяет сократить посадочную дистанцию до 40% (в некоторых случаях даже больше).

Полезное в этом плане применение парашюта интересовало технарей практически сразу после его изобретения. Сам создатель ранцевого парашюта Г.Е. Котельников уже в 1912 году продемонстрировал его тормозящие свойства.

Это было сделано с использованием автомобиля Руссо-Балт, к заднему сидению которого был прикреплен полусферический парашют. Машину разогнали до максимальной скорости (что-то около 70 км/ч), после чего Котельников выбросил его наружу. Торможение было эффективным.

Однако массового применения тормозных парашютов в то время не последовало. Это и понятно: скорости движения не были столь велики. Такого рода тормозные устройства стали применяться позже, сначала в единичных случаях и в основном на специализированных летательных аппаратах.

Впервые на самолете тормозной парашют был применен 21 мая 1937 года. Это был самолет АНТ-6-4М-34Р «Авиаарктика» (командир М.В. Водопьянов) доставлявший участников экспедиции «СП-1» и оборудование к Северному полюсу. Посадочные площадки на льдинах, понятно, были не подготовлены :-), поэтому тормозной парашют сослужил хорошую службу.

Еще один достаточно ранний пример такого применения — германский разведчик-бомбардировщик с реактивными двигателями конца второй мировой войны Arado Ar 234. У этого самолета тормозной парашют применялся как штатное средство для торможения и сокращения длины пробега.

Скорости применения современного тормозного парашюта составляют порядка 180-350 км/ч. В соответствии с условиями использования и типом летательного аппарата рассчитывается его площадь и форма купола. Она может быть круглой, ленточной или крестообразной и самих куполов может быть больше одного (два или даже три). Многое зависит от массы самолета и способа размещения на нем тормозного парашюта.

Общая площадь куполов (купола) на тяжелых самолетах может достигать 200 м², тогда как на легких эта величина обычно не превышает 15-35 м².

Ткань парашюта имеет специальную структуру, поддерживающую ее проницаемость на определенном уровне. То есть она должна создавать нужное лобовое сопротивление, но при этом быть достаточно проницаемой для того, чтобы исключить раскачивание купола, а вместе с ним и самолета.

Одно из преимуществ этого средства торможения в том, что большой по площади тормозной парашют, создающий такое же большое аэродинамическое сопротивление (а значит и достаточно эффективный) после укладки может быть размещен в небольших по объему полостях планера самолета.

Контейнер тормозного парашюта (эта самая полость) обычно располагается в хвостовой части как можно ближе к продольной оси, проходящей через центр тяжести самолета. Сам парашют в уложенном состоянии в защитном чехле чаще всего имеет цилиндрическую форму, однако она может быть и другой. На самолете ЯК-28, например, парашют в снаряженном состоянии имеет треугольную форму.

Стропы парашюта сходятся в силовой трос, на конце которого находится скоба. Она при установке парашюта в контейнер закрывается в замке тормозного парашюта (ЗТП), укрепленном в корпусе планера самолета.

С другой стороны чехол парашюта зачековывается специальной чекой-шпилькой с тросиком на конце. После установки парашюта в контейнер и закрытия створок контейнера чека вытягивается (через спецотверстие) и парашют оказывается готовым к применению.

Ввод в действие чаще всего электродистанционный. Летчик нажимает в кабине кнопку, створки контейнера раскрываются, из расчекованного чехла вылетает небольшой подпружиненный вытяжной купол, который вытягивает за собой основной парашют.

В целом время открытия небольших тормозных парашютов занимает около 1,5 сек., а больших многокупольных систем — около 3 сек.

После использования парашюта, когда он становится уже неэффективен, в определенном месте летного поля он сбрасывается. Для этого в кабине нажимается кнопка «Сброс», замок ЗТП открывается и парашют остается на бетонке. Далее специальные парашютные службы подбирают его и отправляют на переукладку. В среднем тормозной парашют может выдержать около 50-75 применений. Все, в общем, зависит от внешних условий и назначенного ресурса :-).

Что касается момента и способов ввода тормозного парашюта в действие. Обычно это выполняется после касания ВПП основных стоек шасси вручную, то есть дистанционным способом из кабины, как уже было сказано. Однако могут быть ньюансы.

Например, на самолете МИГ-25 различных модификаций имеется возможность автоматического раскрытия парашюта. В хвостовой части самолета расположены подфюзеляжные аэродинамические гребни. На нижней кромке левого гребня смонтирован специальный щуп, убранный в нормальном положении и выпускаемый перед посадкой. При касании этим щупом поверхности ВПП происходит автоматический ввод в действие тормозного парашюта. То есть по сути дела при нахождении самолета еще в воздухе.

На самом деле имеется практика применения специального тормозного парашюта в воздухе, до касания ВПП колесами шасси. Такого рода парашют называется «парашютом подхода». С его помощью можно формировать профиль снижения летательного аппарата и укорачивать посадочную дистанцию.

Однако, массового применения такой парашют из-за сложности и специфичности пилотажа не имеет и применялся в основном на скоростных специализированных самолетах при определенных обстоятельствах.

Например, на американском бомбардировщике конца 40-х, начала 50-х годов Boeing B-47 Stratojet два тормозных парашюта. Один диаметром около 5 метров, второй вдвое большего диаметра. Меньший парашют как раз и был парашютом подхода.

А применялся он из-за специфической причины. Двигатели этого самолета имели очень большую приемистость. Более 20 сек. им нужно было для выхода с малого газа на максимальный режим. Это сильно ограничивало возможности самолета при необходимости ухода на второй круг.

Поэтому обороты двигателей при заходе на посадку не опускались ниже средних значений, а для торможения самолета еще в воздухе выпускался малый парашют. В случае необходимости он сбрасывался, и самолет уходил на второй круг. А в случае штатной посадки дополнительно к нему на земле выпускался основной тормозной парашют.

Вот, примерно так обстоят дела с самолетными тормозными устройствами. Современные «серьезные» 🙂 самолеты обычно имеют «комплект» как минимум из двух такого рода систем. Только авиация общего назначения, как правило, обходится одними тормозами самолета.

Пассажирские и транспортные аппараты чаще всего имеют реверс тяги и хорошие тормоза. Более скоростная и экстремальная военная авиация вместо реверса использует тормозные парашюты. Хотя, конечно, исключения бывают. Например, известный шведский истребитель Saab-37 Viggen . Я упоминал об этом здесь (в том числе видеоролик).

Кроме того, в свое время первый реактивный пассажирский лайнер ТУ-104 (а за ним и ТУ-124) использовал тормозной парашют. Более того до сих пор летающий ТУ-134 тоже когда-то использовал это полезное устройство. И только после оборудования этого самолета двигателями с реверсом тяги (самолет ТУ-134А с 1970 года), от тормозных парашютов отказались.

Имеющиеся тормозные системы работают в комплексе, дополняя друг друга на различных этапах торможения самолета. Плюс к этому свое положительное действие оказывают вышеупомянутые тормозные щитки и интерцепторы. В итоге получается вполне приемлемая картина 🙂 и, кстати, в немалой степени экономится ресурс тормозов самолета.

Существуют, правда, еще более специализированные тормозные системы. Ведь, к сожалению, бывают ситуации, когда летательный аппарат, имеющий на борту весь набор штатных устройств, тем не менее по какой-либо причине не может затормозиться вовремя. Или же посадочная полоса столь коротка, что это сделать просто физически невозможно (как, например, на авианосном корабле).

В таких ситуациях применяются эти самые специализированные системы (если конечно, они есть в наличии :-)). Но это уже аэродромное оборудование, то есть разговор совсем другой темы и другой статьи.

В заключение небольшая подборка видеороликов. Первых два показывают непосредственную работу тормозов самолета, то есть сжатие тормозных дисков поршнями силовых цилиндров. Далее четырехминутный ролик о самолете ХВ-70, в котором показана его посадка с разрушением пневматика основной стойки шасси. И последний ролик — испытание парашюта для шаттла на самолете В-52 (фото есть в тексте).

До новых встреч.

Фотографии кликабельны.