飞机刹车系统如何工作并保持冷却

孟尝门军武 2024-11-15 11:04:46

重型飞机的刹车与汽车的刹车并无太大区别。在典型汽车的制动系统中,刹车片或摩擦片被压在以车轮速度旋转的转子上。当驾驶员踩下刹车时,受压的制动液被送入活塞,活塞将刹车片推向转子并停止车轮旋转。

由于结构简单,轻型飞机也使用类似的系统。这种类型的制动器最广为人知的是单板盘式制动器。飞机制动器必须在着陆和起飞中断时吸收大量能量。由于涉及大量能量,飞机制动器需要坚固可靠。

图片:牛津 ATPL

有几个原因可以解释为什么这种制动系统可能不适合大型飞机。其中一个原因是,这种系统无法简单地消散所需的能量。我们可以对塞斯纳 172 和空客 A320 进行简单的计算,以进行比较。由于制动器将动能转化为热量,我们可以计算出两架飞机着陆时所涉及的能量。我们假设塞斯纳 172 的质量为 700 公斤,着陆速度为 32 米/秒。而 A320 的质量为 64,000 公斤,速度为 70 米/秒。

以塞斯纳 172 为例KE = ½ xmxv^2动能 = ½ x 700 x 30^2动能 = 315,000 焦耳空客 A320 示例KE = ½ xmxv^2动能 = ½ x 64000 x 70^2动能 = 156,800,000 焦耳

根据计算,空客 A320 的刹车在着陆时必须吸收的能量几乎是塞斯纳 172 的 500 倍。因此,很明显,前者需要更好的刹车系统。为了提高大多数大型飞机的刹车能力和效率,使用了一种称为多盘刹车装置的刹车系统。在这个系统中,有一堆转子,中间夹着一种叫做定子的东西。定子有点像摩擦垫。转子随车轮移动,而定子保持静止。

在定子的起始点处,有一个压板,控制转子​和定子的运动。与普通汽车中的单个活塞不同,在这种类型的制动系统中,使用多个活塞。由于这些制动器往往很重,因此使用主液压系统的液压来驱动活塞。

图片:牛津 ATPL

松开制动器时,压板会通过制动调节器组件移开。这是一个固定在板上的弹簧加载装置。按下制动器时,弹簧会压缩;松开制动器时,弹簧会伸长,从而移动压板。这会将定子从转子上释放出来,制动不再存在。

在许多制动系统中,调节器上都附有一根销钉,可用于测量制动器的磨损程度。随着制动器的磨损,通常从外部观察可见的销钉会不断缩进。一旦肉眼看不到销钉,触摸时也感觉不到,则需要更换制动器。

图片:牛津 ATPL

为了实现冗余,飞机使用两个或多个液压系统来为刹车提供动力。如果一个系统发生故障,另一个系统可以接管。还有紧急刹车系统,稍后会介绍。

过去,人们使用钢材制造刹车。然而,如今人们使用碳刹车。碳刹车更轻,能够吸收更多能量,而且更耐用。出于这些原因,碳刹车更受飞机制造商的青睐。

照片:Anas Maaz

飞行员如何操作飞机刹车?

刹车通常用脚踩方向舵踏板顶部来操作。刹车也可以通过差速方式在地面上急转弯。例如,如果飞行员想在飞机移动时向右转,他/她可以踩下右刹车。这将锁定右轮,而左轮继续移动,使飞机转弯。

图片:空中客车

防滑和自动刹车系统

在短跑道、湿跑道或污染跑道上,刹车锁死可能非常危险。刹车锁死可能导致飞机滑出跑道或产生过多热量,从而引发火灾。出于这些原因,需要一种系统来防止机轮锁死和滑行。

防滑系统在检测到车轮可能锁死时会释放刹车,从而防止打滑。它的工作原理是将飞机的速度(称为参考速度)与每个车轮的速度进行比较。车轮速度由转速表测量,飞机速度则通过使用惯性数据计算飞机加速度来确定。当车轮速度下降到阈值时,防滑系统会发出释放刹车的命令。

照片: 托马斯·德尔科罗 |弗利克

自动刹车或自动刹车会自动施加刹车。需要时,飞行员会启动该装置。启动时,需要满足某些条件,这在很大程度上取决于飞机。例如,在空客飞机上,自动刹车只有在地面扰流板伸出时才会启动。当飞行员手动刹车时,可以将其停用。

自动刹车有多种级别。起飞时,自动刹车通常设置为最大。这将确保在飞行员中断起飞时施加最大制动。着陆时,自动刹车可以设置为飞行员喜欢的级别。在湿滑的跑道上,飞行员通常会选择更高级别的刹车以尽快让飞机停下来。

驻车制动器和紧急制动系统

飞机还配有驻车制动器,飞行员使用它来防止飞机在长时间停放时移动。例如,当飞机在机场某处停放且发动机运转时。

当飞机停在登机口时,通常会关闭停车制动器。这是因为车轮上装有轮挡。如果轮挡安装到位,就不再需要制动器,因为轮挡可以防止车轮意外滚动。这在短距离转弯时非常有用,因为高制动器温度会成为问题。通过关闭停车制动器,转子和定子彼此分离,从而允许适当的气流。这可以使制动器保持凉爽。

照片:美国航空

如果双液压系统发生故障,导致主轮制动系统失效,飞行员可以使用紧急制动系统。在大多数情况下,飞行前预充的制动蓄能器用于此目的。如果主制动系统发生故障,飞行员可以使用该蓄能器压力来操作制动器。由于蓄能器只能容纳有限的压力,因此制动应用次数有限。大多数情况下,飞行员可以使用大约七次制动。

照片:ATSB

控制刹车温度和刹车磨损为了获得更好的性能,必须尽可能保持刹车冷却在临界温度下,刹车无法吸收能量。导致火灾隐患必须保持最高刹车温度

正如上一段所强调的,保持刹车冷却是飞行员的首要任务。较冷的刹车比热刹车性能更好,尤其是在需要中断起飞时。超过一定温度,刹车将无法再吸收所需的能量。热刹车也存在火灾隐患。

由于起落架缩回到飞机的轮舱中,而轮舱内有液压管线,如果发生泄漏,并且落到热刹车上,则极有可能发生轮舱起火。因此,在开始起飞前,刹车温度不得超过最高温度。通常,大多数飞机的驾驶舱上都会显示刹车温度。

照片:Olivier Cleynen | Wikimedia Commons

如果刹车过热,有很多方法可以冷却刹车。有些飞机配备了刹车风扇,飞行员可以打开它。这个系统将空气吹向热刹车,从而冷却刹车。还有便携式冷却风扇,可以挂在机轮上冷却刹车。

图片:赛峰集团

飞行员的飞行技术也起着重要作用。滑行时过多使用刹车可能会导致刹车过热。因此,飞行员应尽量减少刹车使用。此外,使用反推力有助于保持刹车冷却,因为它最大限度地减少了对重型车轮制动的需求。在长跑道上着陆时,还建议进行更长的滑行。这将使飞机使用更长的跑道长度,但实际上减少了刹车使用。

说到碳刹车磨损,科学原理有点复杂。当温度明显较低或温度明显较高时,碳刹车的磨损往往较少。在中等温度范围内,它们的磨损更大。下面是空客制作的一张图表,其中绘制了刹车磨损与温度的关系。它显示了三家刹车制造商的刹车磨损趋势。图表显示,所有刹车在中等温度下的磨损率都达到峰值。

图片:空中客车

但是,不建议在高温下操作刹车以减少磨损,因为这会降低刹车的效率。如果可能的话,特别是在长距离转弯时,飞行员应尽力降低刹车温度,因为在极低温度下操作刹车既有助于减少磨损,又能提高其效率。此外,高温会导致碳氧化。碳自然与空气中的氧气结合形成二氧化碳。热量会加剧这一过程,导致刹车中碳质量损失,从而增加刹车磨损。

图片:波音

与之前一样,适当的驾驶技术也可用于减少刹车磨损。碳刹车对刹车次数非常敏感。滑行时,飞行员应尽量减少刹车。只需踩一次刹车,直到速度降低到较低水平即可。通常,飞机在发动机空转的情况下需要时间才能加速回到较高速度。因此,如果飞行员想在滑行期间减慢飞机速度,可以利用这一点。

图片:Bryan Shirota

此外,在条件合适时,可以进行单引擎滑行。这减少了飞机产生的推力,从而减少了间歇性制动的需要。另一种方法是使用自动刹车着陆。自动刹车在启用时往往只使用一次刹车,它只是通过一次刹车来调节刹车压力。由于这减少了刹车次数,因此减少了刹车磨损。

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孟尝门军武

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