Как авиационные шины выдерживают многотонную нагрузку при посадке

При посадке пассажирский самолёт может двигаться относительно полосы со скоростью около 250 км/ч. В момент касания колёса основных стоек почти не вращаются, но за доли секунды набирают более тысячи оборотов в минуту. Одновременно каждая шина принимает многотонную нагрузку, деформируется и работает рядом с сильно нагретыми тормозами.

Выдержать такой режим помогает не одна «особо прочная» резина, а весь комплекс: амортизаторы шасси, высокое давление, армированный каркас, сухой азот, тормозная автоматика и защита колёс от перегрева.

Посадочная скорость — не сила удара

Скорость 250 км/ч относится прежде всего к горизонтальному движению. Самолёт не падает на полосу с такой скоростью: перед касанием его вертикальная скорость значительно меньше, а крыло всё ещё создаёт подъёмную силу. Нагрузка переходит на шасси постепенно.

Основную энергию вертикального толчка поглощает масляно-газовый амортизатор стойки. Шина тоже сжимается и смягчает удар, но является лишь одним элементом системы. Кроме того, масса самолёта распределяется между несколькими колёсами. Для каждой модели шины заранее устанавливают допустимые нагрузку и скорость, а затем подтверждают их испытаниями.

Как колёса раскручиваются при касании

Привода для предварительной раскрутки колёс на большинстве пассажирских самолётов нет. К моменту посадки они почти неподвижны, поэтому нижняя часть шины сначала скользит по бетону. Трение создаёт крутящий момент и быстро разгоняет колесо, пока скорость протектора не сравняется со скоростью движения самолёта.

Если диаметр шины составляет около метра, при 250 км/ч колесо вращается примерно со скоростью 1 300 оборотов в минуту. У шины меньшего диаметра частота вращения будет выше.

Кратковременное скольжение нагревает и истирает верхний слой резины. Так появляются облачко бело-серого дыма и чёрные полосы в зоне приземления. Это не признак неисправности: протектор рассчитан на такие циклы. При проектировании учитывают вертикальное сжатие шины, усилие её раскрутки и последующее упругое восстановление.

Как давление и каркас удерживают многотонную нагрузку

Несущая способность пневматической шины во многом зависит от давления газа. Чтобы сравнительно небольшое колесо выдерживало несколько тонн, давление делают гораздо выше автомобильного. Например, в руководстве Goodyear приведена авиационная шина с рабочим давлением около 13,8 бара. Для сравнения: у автомобильной шины из того же примера оно составляет примерно 2,4 бара. Точное значение зависит от типа самолёта и колеса.

При этом шина не становится жёстким кольцом. Под нагрузкой её боковины прогибаются, а протектор образует плоское пятно контакта. Такая деформация предусмотрена конструкцией, но при каждом обороте она нагревает каркас.

Недостаточное давление усиливает прогиб, повышает температуру и перегружает боковины. В паре колёс часть нагрузки может перейти на соседнюю шину. Избыточное давление уменьшает пятно контакта, ухудшает сцепление и вызывает неравномерный износ.

Сама шина представляет собой композит из резины, высокопрочного корда и стали. В диагональной конструкции слои корда пересекаются под углом. В радиальной шине нити идут от борта к борту, а под протектором расположен отдельный окружной пояс. Стальные бортовые кольца удерживают шину на ободе, внутренний слой обеспечивает герметичность, а наружные боковины защищают силовой каркас.

Протектор остаётся расходной частью. После его износа шину снимают. Если каркас не повреждён и проходит проверку, протектор можно восстановить по утверждённой технологии.

Зачем в шинах используют азот

Шины крупных транспортных самолётов заполняют сухим азотом или другим допущенным инертным газом. Американские нормы требуют, чтобы в шинах на тормозных колёсах самолётов с максимальной взлётной массой более 75 000 фунтов, или примерно 34 тонн, содержание кислорода не превышало 5%, если безопасность не обеспечена другим одобренным способом.

Азот не поддерживает горение и замедляет окисление внутреннего слоя шины, корда и металлического колеса. В сухом газе почти нет водяного пара, который мог бы конденсироваться или замерзать при перепадах температуры.

Распространённое объяснение, будто азот почти не расширяется при нагреве, неверно. Его давление, как и давление воздуха, меняется с температурой. Преимущества азота заключаются в низком содержании кислорода, отсутствии влаги и стабильном составе.

Основное тепло создают тормоза

После касания самолёт замедляют аэродинамическое сопротивление, гасители подъёмной силы, реверс тяги и колёсные тормоза. Значительная часть оставшейся кинетической энергии превращается в тепло в многодисковых тормозных пакетах.

На многих крупных лайнерах используются углеродные тормозные диски. Они легче стальных и способны работать при высокой температуре. Антиюзовая система следит за вращением колёс и снижает тормозное давление при угрозе блокировки. Это сохраняет сцепление и предотвращает продолжительное скольжение, которое быстро разрушило бы протектор.

Ещё более тяжёлым режимом может стать прерванный взлёт. В этом случае самолёт разгоняется почти до скорости отрыва, после чего должен остановиться на оставшейся части полосы. Поэтому узел «колесо — тормоз — шина» испытывают на специальных стендах, проверяя его способность поглощать расчётную энергию.

Зачем нужны плавкие пробки

Тепло от тормозов переходит к металлическому колесу, газу и шине. Давление повышается, а нагретые материалы теряют прочность. Чтобы перегрев не привёл к разрушению колеса или разрыву шины, в обод устанавливают плавкие пробки. Они относятся к конструкции колеса, а не к самой резине.

Внутри пробки находится материал с заданной температурой плавления. При опасном нагреве он открывает канал и выпускает азот. Шина спускается, но давление снижается раньше, чем перегретый узел успевает разрушиться.

Как охлаждение продолжается после остановки

После освобождения полосы тормоза продолжают отдавать накопленное тепло ступице, ободу и шине. Поэтому максимальная температура колеса иногда достигается уже после остановки самолёта.

На некоторых машинах установлены электрические вентиляторы, прогоняющие воздух через тормозной узел. На других тормоза остывают естественно. Экипаж и технические службы контролируют температуру по датчикам или расчётным таблицам. Если узел остаётся слишком горячим, следующий вылет откладывают.

Давление в шинах проверяют после охлаждения, обычно перед первым вылетом. Стравливать газ из горячей шины из-за повышенного показания нельзя: после остывания давление окажется ниже нормы. Во время обслуживания также контролируют порезы, трещины, износ протектора и следы перегрева. После жёсткой посадки, интенсивного торможения или срабатывания плавкой пробки проводят дополнительные проверки.