Шасси самолёта: устройство, типы и принцип работы

Пассажирский самолёт весом в сотни тонн приземляется со скоростью 250-270 км/ч, и вся эта масса в момент касания полосы ложится на шасси — систему опор с колёсами, амортизаторами и тормозами. Шасси должно выдержать удар, погасить энергию, удержать лайнер на полосе и остановить её на ограниченной длине ВВП (взлетно-посадочной полосы). При этом в полёте оно убирается в фюзеляж или крыло, чтобы не создавать лишнего сопротивления.

Конструкция шасси — компромисс между прочностью, весом и компактностью. Слишком лёгкое не выдержит нагрузок, слишком тяжёлое потратит полезную загрузку. Современные решения позволяют Boeing 777 с максимальной посадочной массой 251 тонна приземляться на шести колёсных тележках, а Cessna 172 — на трёх колёсах без всякой уборки.

Устройство шасси

Шасси состоит из нескольких ключевых элементов, каждый из которых выполняет свою функцию:

• Стойка — силовой элемент, соединяющий колёса с конструкцией самолёта. Воспринимает вертикальные и боковые нагрузки
• Амортизатор — гасит удар при посадке и неровности полосы. Обычно олеопневматический: азот сжимается, масло продавливается через калиброванные отверстия
• Колёсная тележка — рама с осями, на которой установлены колёса. На тяжёлых самолётах — многоколёсная
• Колёса с пневматиками — воспринимают контакт с полосой. Давление в шинах 12-15 атмосфер, в разы выше автомобильного
• Тормоза — дисковые, с гидравлическим или электрическим приводом
• Механизм уборки и выпуска — гидроцилиндры, замки, створки

На носовой стойке дополнительно установлен механизм поворота колёс для руления по земле. Пилот управляет им через педали или отдельный штурвал (tiller) в кабине. Там же размещены рулёжные фонари, освещающие полосу и рулёжные дорожки.

Типы шасси по схеме расположения

Расположение опор определяет устойчивость самолёта на земле и технику посадки. В гражданской авиации доминирует одна схема, но существуют и альтернативы:

Трёхопорное с носовой стойкой — стандарт для современных лайнеров. Две основные опоры под крылом или фюзеляжем несут основную нагрузку, носовая стойка поддерживает переднюю часть и обеспечивает управление направлением. Центр тяжести находится перед основными стойками, что делает самолёт устойчивым при торможении — нос не стремится опрокинуться. Так устроены Airbus A320, Boeing 737, Boeing 777 и большинство других пассажирских самолётов.

Трёхопорное с хвостовой стойкой — историческая схема, где основные опоры расположены впереди центра тяжести, а маленькое колесо или костыль — под хвостом. Самолёт стоит с поднятым носом, что усложняет обзор при рулении и требует особой техники посадки. Сегодня встречается на лёгких и исторических самолётах, например, Douglas DC-3 или Ан-2.

Велосипедное — две основные опоры расположены друг за другом вдоль фюзеляжа, а крылья поддерживаются дополнительными боковыми стойками. Использовалось на некоторых бомбардировщиках и планёрах, в пассажирской авиации практически не встречается.

Основные и носовая стойки

Основные стойки воспринимают до 90% веса самолёта при посадке. Они расположены близко к центру тяжести и спроектированы на максимальные нагрузки — вертикальный удар при грубом приземлении, боковые усилия при посадке с креном или сносе ветром. На узкофюзеляжных лайнерах каждая основная стойка несёт по два колеса, на широкофюзеляжных — по четыре-шесть на многоколёсных тележках.

Boeing 777 имеет шестиколёсные основные тележки — по три пары колёс на каждой стойке. Airbus A380 использует сложную схему: две основные стойки под крылом (по шесть колёс) и две под фюзеляжем (по четыре колеса) — итого 20 колёс на основных опорах. Такое количество распределяет давление на покрытие полосы, позволяя тяжёлым самолётам садиться на стандартные ВПП.

Носовая стойка легче и меньше. Она не воспринимает посадочный удар напрямую — в момент касания самолёт опирается на основные стойки, и только потом нос опускается. Главные функции носовой стойки: управление направлением при рулении и восприятие нагрузок от торможения. На ней установлено два колеса, а механизм поворота позволяет отклонять их на 60-70° для маневрирования на перроне.

Некоторые широкофюзеляжные самолёты имеют дополнительную центральную стойку под фюзеляжем. Airbus A340 получил её из-за большой длины и взлётной массы — двух основных стоек под крылом недостаточно для распределения нагрузки. Boeing 777 при сопоставимой массе обходится без центральной стойки — инженеры решили задачу шестиколёсными тележками на основных опорах. Выбор схемы зависит от массы, геометрии фюзеляжа и требований к аэропортам: больше колёс — меньше давление на полосу.

Амортизация

При посадке шасси должно погасить огромную энергию. Boeing 737 с посадочной массой 66 тонн касается полосы с вертикальной скоростью 1-2 м/с — это около 2-4 мегаджоулей кинетической энергии, которую нужно поглотить за доли секунды. Жёсткая конструкция передала бы удар на фюзеляж и пассажиров; задача амортизатора — растянуть процесс во времени и рассеять энергию.

Стандартное решение — олеопневматический амортизатор. Принцип работы простой: внутри стойки находится цилиндр, разделённый на две части — в верхней сжатый азот, в нижней гидравлическое масло. При ударе о полосу стойка сжимается, поршень давит на масло, масло давит на азот. Азот сжимается и работает как пружина, поглощая энергию удара. Одновременно масло продавливается через узкие отверстия — это создаёт сопротивление и превращает резкий удар в плавное замедление. Когда нагрузка уходит, сжатый азот выталкивает поршень обратно, и амортизатор возвращается в исходное положение.

Ход амортизатора на пассажирских самолётах составляет 30-50 см. Этого достаточно для штатных посадок и даже для грубых приземлений с вертикальной скоростью до 3 м/с. При ещё большей перегрузке срабатывают предохранительные элементы — лучше повредить шасси, чем фюзеляж.

Уборка и выпуск шасси

Выпущенное шасси создаёт значительное аэродинамическое сопротивление — на крейсерской скорости это снизило бы экономичность на 20-30%. Поэтому после взлёта шасси убирается в специальные отсеки в крыле, фюзеляже или мотогондолах.

Механизм уборки приводится гидравликой. Пилот переводит рычаг шасси в положение UP, гидроцилиндры сначала открывают створки, затем поднимают стойки и укладывают их в отсеки, после чего створки закрываются. Весь цикл занимает 10-15 секунд. Три зелёных индикатора в кабине подтверждают, что каждая стойка зафиксирована в выпущенном положении; при уборке они гаснут.

Выпуск происходит в обратном порядке. За несколько минут до посадки пилот переводит рычаг в положение DOWN. Если гидравлика откажет, предусмотрен аварийный выпуск: пилот дёргает специальную рукоятку, которая механически разблокирует замки створок и стоек. Створки открываются под напором воздуха, стойки падают под собственным весом, а пружины помогают зафиксировать их в выпущенном положении. 

На многоколёсных тележках колёса перед посадкой часто расположены под углом к полосе, а не параллельно ей. Это не неисправность, а конструктивное решение с тремя целями: наклонённая тележка компактнее укладывается в отсек при уборке, последовательное касание колёс снижает пиковую нагрузку на стойку, а на удлинённых версиях вроде Boeing 777-300ER наклон защищает от тейлстрайка — касания хвостом полосы при взлёте. Система SLG (Semi-Levered Gear) позволяет тележке наклоняться так, что задние колёса остаются на земле, даже когда передние уже в воздухе, и самолёт словно «встаёт на носки».

Тормозная система

Остановить самолёт после посадки — задача не менее сложная, чем погасить удар. Boeing 777 с посадочной массой 250 тонн касается полосы на скорости 270 км/ч и должен остановиться за 2-2,5 км. Тормоза основных колёс — главный инструмент.

На современных лайнерах используются многодисковые тормоза из углерод-углеродного композита. Диски из этого материала выдерживают температуру свыше 1500°C и эффективны даже при экстренном торможении после прерванного взлёта, когда вся энергия разгона должна рассеяться за секунды.

Тормоза управляются через педали в кабине, но между педалью и колодками стоит электроника. Система антиблокировки (Anti-skid) отслеживает скорость вращения каждого колеса и ослабляет давление, если колесо начинает блокироваться. Это предотвращает юз, разрыв шины и потерю управляемости — по аналогии с ABS в автомобилях, но при несопоставимых нагрузках.

Помимо ручного торможения педалями, на лайнерах есть система Autobrake. Перед посадкой пилот выбирает режим — LOW, MED, или MAX. Как только колёса коснулись полосы и раскрутились, компьютер автоматически начинает торможение с заданной интенсивностью. Это позволяет экипажу сосредоточиться на удержании самолёта по центру полосы, а не дозировать усилие на педалях.

Колёсные тормоза работают не в одиночку. Сразу после касания пилот включает реверс тяги двигателей, перенаправляющий поток воздуха вперёд, что даёт значительную часть замедления на первых секундах пробега, когда скорость ещё высока. Одновременно выпускаются спойлеры на крыле: они гасят остаточную подъёмную силу и прижимают самолёт к полосе, увеличивая нагрузку на колёса и эффективность тормозов. На мокрой или обледенелой полосе роль реверса возрастает ещё больше — коэффициент сцепления падает, и колёсные тормоза работают хуже.

Руление и управление на земле

На скоростях руления до 30 км/ч пилот управляет направлением через поворот носовых колёс. Штурвал руления (tiller) расположен слева от командира и справа от второго пилота, позволяя отклонять колёса на полный угол. На малой скорости можно развернуться практически на месте.

На скоростях выше 30 км/ч и при разбеге управление переходит к педалям руля направления. Они тоже связаны с носовыми колёсами, но диапазон отклонения ограничен — около 7-8°. Этого достаточно для удержания курса, но не для резких манёвров. Такая логика защищает от потери управления на высокой скорости.

При буксировке носовая стойка переводится в режим bypass — связь с кабиной отключается, и тягач свободно управляет направлением. После расцепки пилот возвращает систему в штатный режим.

Практическое значение

Шасси — одна из самых нагруженных систем самолёта. Каждая посадка — это удар, торможение, руление; каждый взлёт — разгон под полной массой. Ресурс шасси измеряется в циклах (взлёт-посадка) и тщательно отслеживается. При достижении предела стойки отправляются на капитальный ремонт или замену.

Для пассажира работа шасси проявляется в знакомых моментах: характерный гул при выпуске перед посадкой, мягкий или жёсткий удар при касании, замедление на пробеге. За каждым из них — инженерные решения, отработанные десятилетиями: амортизаторы, которые превращают удар в плавное сжатие, тормоза, способные остановить сотни тонн, и механизмы, работающие безотказно тысячи циклов подряд.