Тормозная система самолёта: колёсные тормоза, antiskid и autobrake

После касания полосы самолёт массой 70-300 тонн движется со скоростью 250–300 км/ч. Тормозного пути у него значительно меньше, чем у автомобиля в пересчёте на скорость и массу, – даже с учётом того, что длина ВПП составляет 2-4 километра. Колёсные тормоза несут основную нагрузку на пробеге, и их работа куда сложнее, чем кажется снаружи.

На современном авиалайнере тормозная система – это не просто колодки и диски. Это несколько взаимосвязанных подсистем: гидравлические тормоза с многодисковым пакетом, антиюзовая система (аналог автомобильного ABS), автоматическое торможение (autobrake) и управление давлением по каждому колесу отдельно. Все они работают одновременно, и пилот в большинстве случаев только наблюдает.

Конструкция тормоза: диски и гидравлика

Авиационный колёсный тормоз устроен принципиально иначе, чем автомобильный. В автомобиле суппорт снаружи сжимает один тормозной диск. В самолёте используется многодисковый тормозной пакет (multiple-disc brake) – стопка чередующихся вращающихся и неподвижных дисков, которые сжимаются гидравлическим актуатором. На основных стойках шасси Boeing 737 каждое колесо оснащено таким пакетом из 5-6 дисков. На тяжёлых самолётах – до 7-10 дисков на колесо.

Диски изготовлены из углерод-углеродного композита (carbon-carbon) – материала, который выдерживает температуры до 2000 градусов Цельсия без потери прочности. Углеродные тормоза легче стальных при той же эффективности и лучше переносят многократные циклы нагрева и охлаждения. Стальные тормоза встречаются на старых или лёгких региональных воздушных судах, но на современных магистральных лайнерах – исключительно углеродные.

Гидравлическое давление в системе, приводящей тормоза, составляет около 3000 фунтов на квадратный дюйм (примерно 200 бар) – это стандарт для большинства гражданских самолётов. При торможении актуатор прижимает пакет дисков с огромным усилием: на каждую тормозную пару приходятся тонны силы сжатия. Именно это трение превращает кинетическую энергию самолёта в тепло.

Антиюзовая система: как самолётный ABS

Если колесо заблокировать полностью, оно перестаёт вращаться и начинает скользить по полосе. Сила трения при скольжении меньше, чем при качении с оптимальным проскальзыванием, — значит, тормозной путь увеличивается. Вдобавок заблокированное колесо быстро стирается в одном месте до корда и может разрушиться. Та же проблема, что в автомобиле, — и решение аналогичное.

Антиюзовая система (anti-skid system) работает по тому же принципу, что автомобильный ABS: датчики на каждом колесе отслеживают угловую скорость вращения, и если колесо начинает тормозить быстрее, чем нужно (то есть проскальзывает), система мгновенно сбрасывает давление в тормозе и снова его повышает. Цикл повторяется несколько десятков раз в секунду, удерживая колесо на грани блокировки — там, где трение максимальное.

Авиационная антиюзовая система появилась раньше автомобильного ABS. На военных самолётах она применялась уже в 1940-х, на гражданских — с 1950-х. Принцип с тех пор не изменился, но электроника стала цифровой: современные контроллеры анализируют скорость каждого колеса независимо и управляют гидравлическим давлением через электромагнитные клапаны. Каждое колесо — отдельный контур, что позволяет тормозить эффективно даже на скользкой или неравномерной поверхности полосы.

Есть и дополнительная функция — защита при касании (touchdown protection). В момент касания колёса ещё не вращаются, и если сразу приложить тормозное усилие, они заблокируются. Система на короткое время запрещает торможение сразу после касания — примерно 1–3 секунды — давая колёсам раскрутиться до скорости пробега. После этого торможение разрешается.

Autobrake: автоматическое торможение

Пилот не обязан вручную дозировать усилие на педалях тормоза при каждой посадке. Для этого существует система автоматического торможения (autobrake). Пилот выбирает уровень замедления заранее — до посадки — и после касания система автоматически поддерживает заданное замедление, регулируя давление в тормозах.

На Airbus A320 уровни autobrake обозначены как LOW, MED и MAX, на Boeing 737 — цифрами от 1 до MAX (набор зависит от версии). На A320 LOW соответствует замедлению около 1,7 м/с², MED — около 3 м/с², MAX — максимальное давление без фиксированной цели. Чем выше уровень, тем короче пробег и сильнее ощущается торможение.

Принцип работы autobrake — поддержание постоянного замедления, а не постоянного давления в тормозах. Это важное различие. В начале пробега, когда скорость высокая и аэродинамическое торможение велико, давление в тормозах невысокое — самолёт и так замедляется. По мере снижения скорости вклад аэродинамики падает, и система постепенно увеличивает тормозное усилие, сохраняя постоянное ускорение замедления. Пассажир ощущает равномерное, плавное торможение от момента касания до выхода на рулёжную скорость.

Autobrake автоматически отключается, если пилот нажимает на педали тормоза сильнее заданного уровня — система понимает, что пилот взял управление вручную. Также отключение происходит при уходе на второй круг: при нажатии TOGA autobrake немедленно прекращает работу, чтобы не тормозить самолёт в момент набора тяги.

Режим MAX и аварийное торможение

Режим MAX autobrake — не для штатной посадки. Его используют в двух ситуациях: при коротком пробеге (короткая полоса, мокрое покрытие, неблагоприятный ветер) и при экстренном торможении. В режиме MAX система сразу после касания прикладывает максимально допустимое тормозное усилие — настолько сильное, что антиюзовая система начинает работать практически непрерывно, удерживая колёса от блокировки. Замедление при этом составляет порядка 3–4 м/с² — ощутимо сильнее, чем при обычной посадке.

Температура тормозов после посадки в режиме MAX может достигать 400–600 градусов Цельсия на поверхности дисков. После таких посадок тормозам нужно время на охлаждение перед следующим взлётом. На некоторых самолётах установлены датчики температуры тормозов, которые выводят данные в кабину. Если тормоза не остыли до допустимого уровня, повторный взлёт задерживается.

Перегретые тормоза — реальный риск. При температуре выше 600–700 градусов давление в пневматике колёс резко растёт, и покрышка может лопнуть. Чтобы предотвратить это, в каждом колесе установлены тепловые предохранительные клапаны (fusible plugs) — специальные вставки из легкоплавкого металла, которые расплавляются при критической температуре и стравливают давление из шины контролируемым образом, до того как покрышка взорвётся.

Как торможение распределяется между системами

Колёсные тормоза — не единственный способ замедлить самолёт на пробеге. На современных самолётах торможение распределено между несколькими системами, которые работают одновременно.

Сразу после касания на крыле автоматически поднимаются спойлеры — воздушные тормоза. Они работают в две стороны: увеличивают лобовое сопротивление и срывают подъёмную силу с крыла. Пока крыло продолжает создавать подъёмную силу, колёса несут лишь часть веса самолёта, и тормозная сила ограничена сцеплением. Спойлеры прижимают машину к полосе, нагружают шасси и дают колёсным тормозам работать на полную.

Реверс тяги добавляет торможение с другой стороны: двигатели перенаправляют поток и создают тягу назад. Он эффективен на высокой скорости в начале пробега. Аэродинамическое сопротивление планёра работает само по себе и тоже сильнее всего на больших скоростях.

Доля каждой системы меняется по мере снижения скорости. В начале пробега, при 250–280 км/ч, основной вклад вносят спойлеры и реверс — они эффективны именно на больших скоростях. На скорости ниже 100 км/ч реверс уже практически бесполезен, и вся нагрузка ложится на колёсные тормоза. Поэтому в нормальных условиях реверс убирается на скорости около 110-150 км/ч, а колёсные тормоза продолжают работать до полной остановки.

Управление давлением и гидросистема

Тормозная система питается от основной гидросистемы самолёта. На большинстве современных лайнеров тормоза подключены к двум независимым гидросистемам — при отказе одной вторая обеспечивает полное торможение. Кроме того, предусмотрена аккумуляторная система: гидроаккумулятор высокого давления хранит запас жидкости под давлением и обеспечивает несколько торможений даже при полной потере гидравлики — достаточно, чтобы остановить самолёт на пробеге.

На случай полного отказа гидравлики предусмотрена аварийная тормозная система с механическим или электрическим управлением. На Airbus A320 аварийные тормоза питаются от аккумулятора и управляются отдельным краном — вне зависимости от состояния основных гидросистем. Это последний резерв, но он есть.

Давление в тормозах каждого колеса контролируется отдельно. Блок управления тормозами (Brake Control Unit) получает данные о скорости от датчиков на каждом колесе, сравнивает их и выдаёт команды на электромагнитные клапаны. Если одно колесо начинает проскальзывать — давление в его тормозе снижается независимо от остальных. Это особенно важно при торможении на полосе с неравномерным покрытием или при аквапланировании.

Аквапланирование и ограничения системы

При интенсивном дожде на полосе может накапливаться слой воды, которого достаточно для аквапланирования (hydroplaning) — колесо перестаёт касаться асфальта и скользит по воде. Скорость, при которой начинается аквапланирование, зависит от давления в шинах и глубины воды. Для типичного авиационного колеса это около 100–130 км/ч. При аквапланировании колесо не вращается, датчик скорости показывает ноль, и антиюзовая система воспринимает это как блокировку — сбрасывает давление в тормозе. В результате тормозная эффективность резко падает.

Именно поэтому полосы имеют специальную поверхностную обработку — канавки или текстуру, отводящие воду. Дистанция торможения на мокрой полосе значительно больше, чем на сухой: коэффициент сцепления падает примерно вдвое. При планировании посадки экипаж учитывает коэффициент сцепления (braking action), который аэропорт передаёт по ATIS или NOTAM, и сравнивает расчётный пробег с реальной длиной полосы.

Расчёт тормозного пути — обязательная часть предполётной подготовки. Данные о массе самолёта, скорости захода, состоянии полосы, ветре и высоте аэропорта вводятся в бортовой компьютер или считаются вручную по таблицам. Если расчётный пробег с запасом не укладывается в доступную длину полосы — посадка на данную полосу не выполняется.