时速几百公里,刹车盘怎样刹住几百吨的飞机?
出品|网易新闻
导语:碳基复合材料一直是时速公认的耐高温摩擦材料的“扛把子”,中国制造从碳/碳到碳/陶被用来生产刹车盘和其他耐高温结构件 ,车盘中国的样刹C919、舰载机 、住百歼击机和运输机等10多种先进飞机广泛应用国产刹车盘 。飞机
一 、时速管家婆一码一肖免费公开飞机这样的车盘庞然大物,是样刹怎么刹车的 ?
可别小看这飞机的刹车盘,它却是住百飞机的关键部件之一 ,与飞机的飞机“心脏”发动机和“大脑”飞控一样 ,同等重要。时速
和汽车其实原理一样,车盘飞机着陆时,样刹只是住百耐热性能要好很多,普遍使用多片刹车系统机轮上的飞机刹车提供了绝大部分减速效果,把飞机巨大的动能转化为刹车盘的内能,当飞机在高速滑跑中遭遇突发情况,需要中断起飞时 ,紧急制动使刹车盘经受更加严酷的考验 ,急剧升温到红热状态 。
飞机刹车系统测试
飞机刹车系统一般采用液压制动技术(波音787除外),由发动机为液压泵提供动力,液压泵将低压转换为高压 ,通过液压管路将压力传输给刹车作动器。澳门一肖一码必中一肖期期精准刹车作动器推动压紧刹车盘 ,通过刹车盘间的摩擦 ,提供阻止机轮滚动的力矩 ,以减小飞机滑跑速度 。
这个听起来简单,其实一点儿都不简单。因为飞机着陆时速度很快,蕴含巨大能量 ,根据能量守恒定律,飞机需要依靠反推装置和刹车装置去吸收掉这个巨大能量(当然气动阻力也能帮一点忙),才能使飞机静止下来。刹车盘在摩擦过程中,把大部分飞机动能转化为热能 ,因此,刹车盘的工作温度至少在几百度。
飞机刹车盘
不仅如此 ,飞机刹车系统在设计时,还要考虑许多运营中可能出现的意外情况,这对刹车盘提出了更高要求。比如飞机在跑道高速滑跑准备起飞时 ,遇到突发状况需要终止起飞。又比如飞机起飞不久发现系统故障需要返回,而且这个时候襟缝翼又无法完全打开 。澳门今期开奖结果开奖查询这些意外状况一旦发生,那么刹车盘就需要吸收比正常着陆情况大得多的能量。
飞机刹车盘结构
二 、飞机降落时 ,刹车盘要吸收多大能量 ?
由于飞机有着更高的速度与重量对刹车盘的挑战最严酷,需要开展“最严酷着陆停止试验”来验证刹车盘是否满足设计需求。
在这个试验工况下 ,飞机比正常着陆情况更重(油箱几乎是满的)、速度更快 、气动阻力更小(襟缝翼不能完全打开)、反推装置关闭,几乎全靠刹车盘吸收飞机动能 。
那么这种情况下,刹车盘要吸收多大能量呢 ?按照飞机重78吨、以200节速度着陆来计算的话,这个能量大约是360兆焦。按照高中物理学到的知识,1焦耳能量可以把1N(牛顿)物体举起1米。假设这个1N的物体是颗小苹果 ,那么360兆焦的能量可以把3.6万吨苹果举起1米,或者把这颗小苹果举起36万公里——这差不多是地球到月球的距离。
这时的刹车盘由于吸收了巨大的能量 ,温度急剧上升 ,能达到一千多度 ,高温使其呈现明亮的橙色 ,看上去就像一颗滚烫的火球 。
试验中
,高温碳盘呈现明亮的橙色
制造飞机刹车盘的材料既需要扛得住摩擦又得耐得了高温,什么材料能满足这样的条件呢?答案就是 ,碳/碳复合材料 。
三 、意外带来的惊喜 :碳/碳复合材料
早先飞机使用的是粉末冶金的钢制刹车盘 ,存在重量大 、高温性能差、寿命短的缺点。与之相比 ,碳/碳复合材料刹车盘具有更加优异的性能,且比钢制刹车盘减重40%(对于有多个机轮的大飞机,就是数百千克乃至上吨的减重效果),因而获得广泛应用。
钢刹车和碳刹车对比
所谓碳/碳复合材料,是以碳纤维为骨架、碳为基体构成的复合材料。其中碳纤维的形态可以是连续纤维构成的立体框架,也可以是无序分布的短切纤维;碳基体由浸渍的树脂 、沥青炭化得到 ,或由碳氢化物气体(如天然气 、丙烷)热解沉积而来。
它的发现过程是个意外的惊喜。1958年,Chance vought航空公司在研究碳纤维/酚醛树脂复合材料时,发生了一些失误,使树脂基体未被氧化而发生了热解形成基体碳 ,这是世界上首次发现碳/碳复合材料 。
碳纤维/酚醛树脂复合材料是一种应用广泛的树脂基复合材料。碳纤维树脂基复合材料由于具有较高的比强度 、比模量、较好的延展性 、卓越的抗腐蚀性等特点 ,被广泛应用在航空航天等工业领域,其研究较早、“知名度”较高,所以在许多人的概念里,复合材料就等同于碳纤维树脂基复合材料。
四 、飞机碳刹车盘是怎样造出来的
经过几十年的研究 ,现代工艺生产的碳/碳复合材料已经具备高比强 、高比模、耐高温 、摩擦磨损性能优异等特点,能够很好地满足航空航天对材料在高温 、高速条件下的综合性能要求。因此 ,碳/碳复合材料已经成为新一代航空航天材料发展的重点方向之一。
刹车盘事关航空安全,有非常高的壁垒,法国赛峰、美国霍尼韦尔等巨头垄断了全球80%以上的飞机刹车盘市场 。
以法国航空巨头——赛峰(Safran)公司生产碳刹车盘的过程为例,首先对层层平铺的碳纤维进行针刺 。
碳纤维毡
使一部分纤维转到垂直方向,把各层连接起来,形成碳纤维毡;多层碳纤维毡堆叠 、针刺得到多孔的碳纤维预制体;浸渍树脂炭化,并采用化学气相浸渗法沉积热解碳,填充碳纤维之间的孔隙,实现致密化;
快速沉积在表面的碳形成硬皮 ,须通过机械加工去除 ,以利于后续的浸渗 ,并加工出刹车盘的形状;
致密化和加工要反复多次进行 ,直至达到所需的密度和尺寸 ,随后喷涂磷酸盐等抗氧化涂层;最后进行两三千度的高温热处理 ,使无序的热解碳发生石墨化,提高刹车盘的热导率,改善摩擦性能。
四、C919大型客机用上国产复合材料刹车盘
从1972年起 ,中航工业西安航空制动科技有限公司(西安制动)在国内率先开展碳刹车材料研究,于1983年成功研制出第一代国产碳刹车盘 。目前我国已有多家企业能够生产碳刹车盘 ,应用于歼10 、ARJ21 、C919等军民用飞机。
2008 年,由西安制动与西北工业大学联合研制的碳/陶刹车盘实现国际上首次装机应用,并推广到舰载机、歼击机 、预警机等多个机型,获2016年国家技术发明二等奖。
目前 ,C919大型客机刹车盘使用的就是国产碳基复合材料,其供应商同时也为波音757 、空客320等机型提供刹车盘 。
C919大型客机
,它的刹车盘正是由碳碳复合材料制成
由于刹车盘属于耗材,大约一两千次起降就必须更换 ,使用国外进口刹车盘费用较高。在市场需求的拉动下,国内材料厂商纷纷开始研制民机碳刹车盘 。
碳复合材料的涂层一直是国内外研究的重点。由于碳/碳复合材料在370度左右开始氧化,材料性能下降,因此 ,其在有氧环境下使用,必须在表面制备抗氧化涂层 。涂层除了要有良好的抗氧化性和抗烧蚀性外 ,还要与碳/碳复合材料具有较好的化学物理相容性和相近的膨胀系数。
C919刹车盘非摩擦面使用硼磷系涂层,在高温的工作环境下,可以有效延缓氧气在材料内部的扩散,提高材料使用寿命 。一般的刹车盘可能在一千多个起降后就要更换,而C919的刹车盘经过疲劳试验,证明可以达到两千个起降 。
除了涂层,碳纤维预制体和增密工艺也对碳/碳复合材料的性能产生重要影响。这方面 ,国外一般使用预氧化丝编织碳纤维预制体,它的优点是纤维柔韧性好 、易成型,但是强度较低。而C919刹车盘使用的碳/碳复合材料,使用有机纤维编织碳纤维预制体,虽然编织难度大 ,但是形成的预制体强度要高得多。同时 ,它还采用化学气相渗透和液相浸渍复合的增密工艺,提高了材料的密度,使材料的高能刹车摩擦系数大大提升 。
随着飞行器速度越来越快,其对耐高温材料的要求必然越来越高。作为耐高温材料界的“实力担当”,碳/碳复合材料的研究显然方兴未艾。
目前,国内有机构研究出一种耐3000度超高温多元陶瓷碳/碳复合材料,将多元陶瓷与碳/碳复合材料融合 ,利用陶瓷高熔点、高强度 、高耐磨等特性,进一步提高碳/碳复合材料的耐高温性能和力学性能 ,创造了烧蚀材料耐高温的世界新纪录。
结语:制动一小步 ,中国技术进步一大步。目前 ,国内碳/碳刹车企业已发展成为一个产业 ,10多家专业企业 ,百花齐放。国产飞机刹车盘从“跟跑”到“领跑,背后是新材料从实验室到工业生产的突破创新 ,我们相信,未来国产碳复合材料会在耐高温摩擦材料“实力担当”的道路上越走越远。
参考文献 :
[1] 飞机刹车系统的防滑刹车(Anti-skid)原理
[2]《中国民航报》. 中国飞机刹车盘领先全球成功启示录
[3] 高速制动场景催生碳碳/碳陶刹车材料需求
特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布 ,本平台仅提供信息存储服务。
Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.