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炭刹车使用注意事项

3系飞行员  · 公众号  ·  · 2020-11-13 06:53

正文


飞机刹车装置是飞机的关键部件之一,刹车装置的优劣对飞机的安全性影响很大——尤其在跑道湿滑条件下或短跑道运行中——一具性能优越的刹车装置能及时有效的吸收飞机的多余动能,使飞机安全地在跑道可用距离内减速至滑行速度脱离起降区域。




航空工业发达国家一惯重视飞机刹车装置和材料的研发和制造。 目前 国内航线上运行的 飞机,装配的炭刹车系统,多由法国Messier -Bugatti公司(SAFRAN 集团旗下飞机刹车系统提供商), 英国meggitt aircraft braking systems公司, 美国GOODRICH、HONEYWELL 等公司 研发制造的。国内的制造商(如位于长沙的BY新材、 西安航空制动科技有限公司等 )还不成气候,可能通过持续的研发投入,国产C919大飞机出来后,装备率应会提高。





飞机刹车装置的核心部件由多个刹车片组成,其中动片和静片交叠安装,形成较大的摩擦面积,可显著提高刹车效率。国外专业领域将这一部分概称为Heat Pack,国内翻译为“热库”。



从字面上理解,就是刹车时热量的产生源。


以空客320系列飞机为例,主轮装有多个炭素刹车片,可以由两个独立刹车系统的任一系统启动。




每个主轮的刹车系统是由分为正常和备用两组,共14个液压作动活塞的盘式刹车构成,刹车盘组件包括 推力盘、四个动片、五个静片和压力盘




静片通过内部边缘上的槽被连接到内部扭力管上,动片通过外部边缘上的键槽被键接到机轮上,随机轮一起转动。刹车制动工作时,来自刹车系统的液压油进入油缸座推动活塞,使交替配置的动片和静片压紧,产生摩擦力矩,制动飞机;松刹车时,利用被压缩的回力弹簧复位,动静片分离,刹车作用消失。



众所周知的是,飞机着陆时,巨大动能的吸收是由扰流板、反推和刹车系统来共同分担的,如此一来,炭刹车在工作过程中就会产生不可避免的磨损。传统的钢制刹车的磨损与消耗的能量成正比,换句话说,就是刹车的能量要求最大,其磨损也就最大。然而炭刹车的问世打破了这种观念,更加复杂的原因将影响到炭刹车的使用寿命。


炭刹车材料有它很娇气的一面,过重的碰撞、硬物划伤、化学液体、油膏油脂、液压油侵蚀污染等等都会降低其可靠性,缩短使用寿命。当然,优点也很多。炭刹车材料具有高比热、高熔点、高强度的特点,具有良好的抗冲击力和较高的导热性,且能使飞机刹车装置减少30%-40%左右的重量,在发达国家已被广泛应用于军民用飞机。




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炭刹车磨损原因分析



总的来说,炭刹车的磨损与刹车次数而不是与所耗能量成正比。根据Messier-Bugatti公司提供的资料,刹车磨损主要与以下几点原因有关:



刹车温度


事实上,炭刹车的磨损与温度之间并不是一个简单的线性关系,而是如下图所示,一个典型的刹车循环包括三个阶段:滑出,着陆,滑入。



Messier-Bugatti 公司炭刹车系统的典型温度特性曲线


无数试验表明,约50% 的炭刹车磨损发生在起飞前用冷刹车滑行时。冷刹车极其敏感,尤其对刹车的大量使用将进一步加剧磨损。飞机滑出时,尽管刹车温度不高,磨损率却呈逐渐增大趋势,甚至会比滑入时刹车温度比较高时的磨损率大。这就是为什么尽管明显缺乏一套刹车程序,空客公司还是要提醒飞行员起飞前滑行时,不应过多的使用刹车。


着陆阶段,即便是在最大反推推力和扰流板的帮助下,刹车系统也将吸收飞机分别26%(自动刹车—LO档)和50%(自动刹车— MED 档)的能量。如果只使用慢车反推推力的话,刹车系统将要吸收的能量当是以上数值的1.5倍。在这一阶段,由于刹车温度的上升,磨损率也将升至最大值的范围区间。


滑入阶段,刹车系统将进入最佳温度范围,磨损率将保持在一个较低的水平。当温度升至500℃以上时,由于炭刹车片本身的热氧化特性,炭刹车本身的质量损失将会增大,而数据显示,5%的质量损失相当于25%的强度损失,这对炭刹车片的破坏也将是巨大的。



值得注意的是,在A320驾驶舱中ECAM上显示的温度是滞后于实际刹车片核心温度的。



外界环境


在湿度比较高时,刹车寿命也会增加。数据显示,在东南亚海洋湿润气候地区,炭刹车片的使用循环就要相对高一些。而在环境比较恶劣的机场运行时,当刹车接触到冰、雪水、沙尘,特别是除冰液里的钾、钠、碱,都会对刹车造成比较严重的接触性氧化或磨损。因此空客公司建议:不用的时候要加装刹车保护罩,在过站维护时要去除刹车上的冰。




刹车使用次数


前文已说明,刹车次数是炭刹车磨损的关键因素。而以下条件将导致刹车次数增加:


繁忙的机场 :中国的航空市场日益繁荣,在比较大的机场现在都有进出港高峰期——长沙黄花这样的非枢纽机场也早已有高峰时段,由于离港排序,飞机在跑道头等待时,需要频繁的启动再制动。




长距离的滑行 :如在上海浦东和广州白云机场使用多跑道平行运行时,不可避免的要使用到飞机所在停机坪对侧的跑道起降,这时候经常要进行飞行员常说的绕场半周甚至一周,滑行距离相当长,由于飞机滑行速度的限制,飞行员不得不频繁使用刹车。



发动机的慢车状态 :由于发动机的选型不同或外界温度影响,最小慢车推力也有所不同。以飞行GO所在运营基地为例,公司同时运行A320和A321机型,A选装的发动机也分为的CFM56和IAE V2500,IAE发动机的慢车要高于CFM。如在运行基地长沙黄花机场,停机坪位于跑道西侧中心点附近,一般停机位至跑道两个端口的距离相差不多。离港时,A320飞机从停机坪到任一跑道头只需要一个增速过程,进入跑道前进行减速就可以了;A321则不然,由于IAE的高慢车状态,飞机的增速很快,限于滑行速度的规定,从机坪到跑道头可能要经历数次加减速过程。



飞行员的刹车使用习惯 :毋庸置疑,这点与刹车的使用次数有直接关系。由于不能超过滑行速度限制,飞行员将使用a 和b 两种方式(如下图所示)。很明显,a 方式要比b 方式刹车使用次数少得多,对刹车的磨损也要少一些。在运行中,观察到有部分飞行员甚至使用“点刹”技术来控制滑行速度,这是强烈不推荐的刹车方式。另外,着陆时不正确的使用自动刹车也是不良习惯之一。由于急于脱离跑道,无视跑道条件直接选择中级自动刹车,或过早的收回最大反推或人工接管自动刹车,也将导致额外的磨损。







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减少炭刹车损耗的一些方法




良好的刹车使用习惯


一个好的刹车使用习惯可大大减少炭刹车的使用次数,从而减少对炭刹车的磨损。有意思的是,调查发现,大部分情况下右主轮要比左主轮的刹车片磨损高10%左右,可能是源于大部分飞行员都是右撇子,并且大家大多持有汽车驾驶执照,一般使用右脚控制油门这类因素。但实际运行中,经常观察到左侧主轮温度较右侧主轮为高,这又是为什么呢?


这可能跟脱离方向一般在左侧或有侧风影响有关。如向左侧快速脱离时,由于速度较快,此时还没有上手轮,一般都使用蹬舵的方式,可能顺带将刹车踩下部分;滑跑阶段遇右侧风影响,飞机会有向右偏航的趋势,低速舵面效果不佳,可能没留神就使用了刹车。。。



自动刹车


尽量多的使用自动刹车,可以减少刹车的使用次数,从而减少刹车的损耗。正常情况下,自动刹车能够更均匀柔和的控制好减速,而飞行员只需要使用少量的舵面操作来控制好方向即可,而这也可帮助飞行员保留精力来监控飞机的减速以便决定从哪一道口脱离。


如果使用的自动刹车LO(低档) 方式不能达到需要的减速率,在跑道为湿滑道面条件或短跑道运行时,可考虑使用MED(中档)方式。MAX(最大刹车)不推荐在着陆时使用。



值得注意的是,过猛的刹车方式可能导致刹车温度超过炭刹车氧化保护层的破坏温度——闪点,超过这一临界点后,氧化保护层将不再起作用,直接导致刹车片损耗,刹车系统失效,而这一过程也不可逆转。当然,如果性能方面要求,任何时候甚至是放前轮之前就可以解除自动刹车,施加最大的刹车压力使飞机能安全地在可用的跑道距离内减速。



最大反推


前面讲过,飞机着陆时,巨大的动能是要靠扰流板、反推和刹车系统来共同吸收的,而最大反推的使用可帮助减少刹车系统吸收的能量。当自动刹车档位已经预选时,减速率也将固定,任何反推推力的减小都会带来刹车的额外损耗。


使用慢车反推固然可以带来燃油上经济性和低的噪音(某些国际机场会有降噪规定),而在轮胎的维护和刹车磨损上的影响确是负面的,甚至会导致炭刹车的氧化,也不利于刹车的冷却,可能导致航班延误。事实上,使用慢车反推时节约的燃油成本要小于炭刹车消耗带来的维护费用,这是得不偿失的。因此建议在机场规定允许的情况下,飞机接地后,按飞行操作手册要求按需使用最大反推,不要为了某些特定原因(飞行品质数据或喊话时机)过早收回最大反推。




程序组合


飞行员准确预测飞机的减速率并选择合适的减速程序组合—— 刹车与反推配合程序是必要的。一个典型的减速过程各系统贡献效果如上图所示。而在大型机场运行时,当使用停机坪对侧的跑道着陆时,由于跑道较长,而脱离道口可以稍晚时,飞行员可通过 不用自动刹车 (注意不是不用刹车,低速阶段人工刹车介入),反推正常使用的标准操作程序,即可使飞机在规定的时间内减速至滑行速度并适时脱离跑道。







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