国泰航空航班疑似起飞阶段突然爆胎,高速滑行时被迫中断起飞,18人因此受伤。爆胎这种事在飞机上不算非常稀少,毕竟庞大的吨位和速度,都要靠几个起落架承受,难免出现问题。同时,为了给起落架降低压力,尤其是刹车盘工作时的温度,设计人员可谓绞尽脑汁。
(国泰客机中断起飞,返回停机位后可以看到有轮胎损坏)
(资料图片)
有网友就注意到了运-20的主起落架,在轮毂上多了一些不同寻常的东西,同样的设计也可以在部分大型民航飞机上见到,比如空客的A330和A350。但是其他飞机上又并不常见,比如美军C-17上就没有。这个设备,其实就是“刹车冷却风扇”。那么,这种装备有何用途?又能给运-20带来哪些特殊优势?
(运20轮胎上,配备了刹车冷却风扇)
目前大型客机,最大起飞重量有些超过了300吨,如此庞大的飞机,使用和普通100多200吨飞机的跑道是一样的,基本都在3000米左右,如何在有限的跑道长度内安全将飞机停下来,就需要一套强大的减速系统,正常飞机减速就依靠三种:减速板、发动机反推和刹车,飞机降落消耗的大部分能量,约70%都消耗在机轮刹车上了,减速板占20%左右,反推10%左右,而且后两者只在高速滑跑中起作用。
那么就出现了一个疑问,碳刹车可以耐受3000度的高温,中国的运-20也采用了这种材料,为何还要多此一举,安装这种风扇?
(飞机巨大的动能,绝大部分被刹车盘吸收转换成了热能,热量之大可想而知)
空客是上世纪70年代的民航制造业的后起之秀,先后熬死了洛克希德公司,麦道公司,最近几年,势头又压制住了波音公司,在高端远程客机上,两家基本平分秋色,空客的A330/A350和波音777/787打得难解难分。
对于航空公司而言,一款客机除了基本的安全性和经济性之外,出动时间,出勤率就是生死线,空客公司经过多年研究发现,新型碳刹车虽然重量轻,耐温高,寿命长,摩擦力大等优点,但是也存在一些比较怪异的特点。
炭刹车在低压和高压磨损最小,中等压力磨损反而最大,这一点和老旧的钢刹车完全不同。钢刹车的磨损和压力成正比,压力越高磨损越大,成线性增长关系,驾驶老飞机的飞行员更换新飞机之后,频繁在中等温度区域时踩刹车,反而会造成最大的磨损,所以碳刹车要么就轻轻用,要么就拼命用,就是不能折中,这是碳刹车的独特之处。
(红色钢刹车与黑色碳刹车,在不同能量区域时的磨损度对比,特性一目了然)
为此空客飞机的起落架供应商梅西耶布加迪公司建议,为了延长刹车寿命,运行建议应注重把刹车温度维持在低磨损区。简单来说,为了延长刹车寿命,应该在低温区或者高温区多使用刹车,中温区减少使用,80-250度之间是危险的中温区域,要尽量避免长时间在该期间使用刹车。
(碳刹车在中等温度状态下,损耗最大,损耗与温度不是简单正相关,而是波动变化)
为了为客户节省费用,该公司给起落架安装冷却风扇后,取得了很好的效果,在滑行,起飞前,降落滑跑过程中,停机时候都可以使用冷却风扇,可以消弱刹车的磨损,也可以消除起落架轮舱过热造成的起火风险,地面停机时候,借助冷却风扇,可以尽快给刹车降温,这也提高了周转效率。
(客机从落地到停泊时间较长,期间可以用风扇协助降温,大幅缩减运转时间)
刹车冷却风扇是空客公司的怪招,在其他公司产品上并不太多,而有些航空公司会自己选择配置移动的冷却设备。这些冷却设备设计五花八门,但原理与轮毂冷却风扇基本相同。区别就是这些设备需要抵达停泊位后才能被地勤安装使用,用完还需要再撤除,这都是人力、物力和时间成本。
(有些航空公司会使用这种外置的移动冷却设备,有些则就地取材用纸板和大桶水降温……)
中国运-20作为军机,采取这种设计不仅仅是为了降低成本,更重要的是提高了周转效率,不依赖地勤就能快速实现自我冷却,尽快恢复升空能力。无论是出国执行任务,还是在野外简易机场起降,运-20都不需要依赖地勤设备降温,实战能力自然更强,更方便。
(刹车冷却风扇结构示意图,利用电机带动一个叶盘实现通风,其实并不复杂)
再来说说这个碳刹车盘,它的主要优势在于密度轻,减重效果良好,碳/碳刹车盘的密度为1.5~1.9 g/cm3,钢的密度为7.8 g/cm3,优异的高温热稳定性,在1200~1500℃条件下,其强度不但不降低,反而有所提高,所以高温耐磨性好;同时,由于热膨胀系数小,导热性能好,抗热震能力强,刹车盘不易产生热翘曲变形及表面龟裂现象,使用寿命长,比粉末冶金刹车盘寿命提高3~4倍。
(碳刹车可以承受3000度高温,而一般钢铁在1500度就已经融化了)
炭刹车工作过程中无卡滞,刹车力矩平稳,而且抗卡滞能力强,刹车过程平稳可靠,而且耐高温,高温力学性能优良,使用工作温度高达2000℃以上,极限3000度,是目前最好的飞机刹车盘材料。
碳刹车盘是大飞机的一项关键技术,外国一直对此严格保密,长期以来,中国刹车盘技术一直落后。但经过20多年的努力,1998年成功研发第一款碳/碳刹车盘在歼-10飞机上首飞成功,这是军用飞机的一大技术成功,为此刹车系统节省了不少于30%的结构重量,而且延长了使用寿命。
(从各种意义上来说,歼10战机都是一款“争气机”)
2003年碳/碳刹车盘获中国第一个TSOA技术标准批准书,随新舟60飞机飞出国门。中国碳刹车盘技术,还杀进了国际市场,开始给波音737飞机和A320 飞机供货,为国家节省了大量宝贵的外汇。
2008年,中国研究成功更先进的碳/陶刹车盘,在成都某飞机上首飞,可以做到全球唯一一个能在1500度高温下、材料各项性能不衰减的刹车盘,这种技术,也用于沈飞的歼-15舰载机上,获得了很好的效果。
(歼15开始使用更新型的刹车材料)
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