СПОСОБ ДОПОЛНИТЕЛЬНОГО ТОРМОЖЕНИЯ КОЛЕС ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF ADDITIONAL BRAKING OF AIRCRAFT WHEELS AND DEVICE TO THIS END

Изобретение относится к авиации и, в частности, к системам торможения колес шасси летательных аппаратов (ЛА).
После касания колесами ЛА, например самолета, поверхности взлетно-посадочной полосы (ВПП) или грунта (если аэродром не оборудован твердым покрытием), начинается этап торможения самолета, определяющий длину пробега, а следовательно, и длину ВПП.
Известен способ торможения самолета с помощью тормозного парашюта [1], когда, при касании колесами ВПП, выпускается тормозной парашют, который, обладая аэродинамическим сопротивлением, тормозит самолет, сокращая длину пробега.
Недостатком этого способа торможения ЛА является то, что он эффективен на первом участке пробега, когда скорость движения самолета по ВПП достаточно велика. После этого участка тормозной парашют сбрасывается (отделяется от самолета).
Известен способ торможения ЛА реверсом тяги двигателя [1], когда, при касании колесами шасси ВПП, тяга двигателя меняет свое направление на противоположное.
Недостатком этого способа является сложность устройства по его реализации и образование пыльного или снежного облака, когда используется грунтовый аэродром или заснеженная ВПП, что затрудняет экипажу осуществлять движение ЛА при пробеге.
Наиболее близким по своей сути к предлагаемому является способ торможения с помощью силы трения F, образующейся между колесами (покрышками) шасси и поверхностью ВПП.
Сила трения F определяется по формуле [1]:
<mrow><mi>F</mi><mo>=</mo><mi>f</mi><mi>N</mi><mo>=</mo><mi>f</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>G</mi><mo>−</mo><mi>Y</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext>                                                                     </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>1</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
где f - коэффициент трения; N - сила нормальной реакции от поверхности ВПП; G - сила тяжести ЛА; Y - подъемная сила, которая, по мере уменьшения скорости движения ЛА по поверхности ВПП, будет уменьшаться.
пок
т
Из формулы (1) видно, что сила трения F зависит от коэффициента трения f и силы нормальной реакции N. Коэффициент трения f есть величина постоянная для условий посадки, и ее максимальное значение f равно коэффициенту трения покоя. При пробеге f будет меньше, чем в состоянии покоя. Таким образом, сила трения между покрышками колес и поверхностью ВПП зависит, в основном, от силы реакции поверхности ВПП, которая определяется, главным образом, силой тяжести ЛА и имеющейся на пробеге подъемной силой Y: чем быстрее будет уменьшаться Y, тем больше будет сила N и тем больше будет сила F. Но, в свою очередь, уменьшение силы Y будет определять увеличение силы F. Момент от силы F относительно оси колеса уравновешивает прилагаемый к колесу тормозной момент М от тормоза колеса, т.е. [2]
<mrow><msub><mi>M</mi><mi>f</mi></msub><mo>=</mo><mi>F</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>R</mi><mo>−</mo><mi>δ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext>                                                                        </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>2</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
Здесь: R - радиус колеса; δ - обжатие пневматика колеса.
Чем больше сила F, тем больше тормозной момент, тем интенсивнее будет торможение ЛА.
Недостатком этого способа торможения является то, что максимальное значение F ограничено значением [2]:
<mrow><msub><mi>F</mi><mrow><mi>м</mi><mi>а</mi><mi>к</mi><mi>с</mi></mrow></msub><mo>=</mo><msub><mi>f</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>к</mi></mrow></msub><mi>N</mi><mtext>                                                                              </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>3</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
т
F
макс
Если тормозной момент М окажется больше максимального уравновешивающего момента M, определяющего F, то появится проскальзывание всего контакта колеса (покрышки) относительно поверхности ВПП, т.е. появится «юз», что приводит к уменьшению сопротивления движения и большому износу покрышек колес.
Технический результат изобретения достигается тем, что создается дополнительная сила трения, тормозящая ЛА, когда при посадке, в момент касания колесами шасси поверхности ВПП или грунта, вектор тяги двигателя отклоняется вверх на 90° по отношению от обычного его направления вдоль оси ЛА и удержания его в таком положении до конца пробега. Это вызывает появление дополнительной реакции от поверхности земли и силу трения между покрышками колес шасси и поверхностью ВПП или грунтом. Дополнительная сила трения является тормозящей силой движению ЛА на пробеге. В результате суммарная сила трения увеличивается, что уменьшает длину пробега, а следовательно, и длину ВПП.
Заявляемый способ реализуется в устройстве, состоящем из нескольких секций, повторяющих форму нижней половины хвостовой части фюзеляжа (корпуса двигателя), соединенных друг с другом и рычагами отклонения шарнирно, что обеспечивает их поворот относительно друг друга при выдвижении и уборке таким образом, что при уборке они вдвигаются шарнирными колесиками в две направляющие по обеим сторонам фюзеляжа (корпуса двигателя) внутри его, не мешая газовому потоку вытекать из сопла, а при выдвижении, с помощью двух криволинейных рычагов отклонения, связанных каждый со своим гидроцилиндром, они устанавливаются так, что газовый поток от двигателя отклоняется на 90° вверх, создавая дополнительную реакцию от поверхности ВПП или грунта, вызывающую дополнительную силу трения между покрышками колес шасси и землей.
Новыми признаками, обладающими существенными отличиями по способу, являются:
1. Отклонение вектора тяги двигателя вверх на 90° для создания дополнительной реакции поверхности ВПП или грунта и, как следствие, дополнительной силы трения между покрышками колес шасси и поверхностью земли.
Существенными отличительными признаками по устройству являются:
- наличие выдвигающихся и вдвигающихся секций створок в хвостовой части фюзеляжа (корпуса двигателя), повторяющих форму его нижней части;
- наличие двух криволинейных рычагов отклонения, соединенных с секциями створок и штоками гидроцилиндров шарнирно;
- наличие шарниров между секциями створок и рычагами отклонения;
- наличие двух специальных направляющих в нижней части фюзеляжа (корпуса двигателя), куда вдвигаются на шарнирных колесиках секции створок;
- наличие двух гидроцилиндров, соединенных своими штоками с рычагами отклонения и заставляющих последние поворачиваться вокруг своей оси крепления, выдвигая или вдвигая секции створок.
у
т
Использование новых признаков, в совокупности с известными, и новых связей между ними обеспечивают достижение технического результата изобретения, а именно: сокращение длины пробега ЛА и размеров ВПП, а также разгрузку передней опоры, т.к. при интенсивном торможении развивается большая, по величине, сила инерции ЛА, которая, поворачивая ЛА вокруг центра масс, уравновешивается реакцией земли от передней опоры. А появляющаяся дополнительно сила Р, действующая на плече L, который значительно больше плеча h при действии силы тяги вдоль оси самолета, создает момент, направленный противоположно моменту от силы инерции, что и уменьшает нагрузку на переднюю опору.
Изобретение поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена схема сил, действующих на самолет (для примера взят одномоторный самолет с двигателем в хвостовой части фюзеляжа и трехколесным шасси с передней опорой) при пробеге, вид «а». На виде «б» показан схематично принцип торможения колеса. На фиг.2 изображено устройство для поворота сзади, вид «А», и сверху, вид «В».
ин
x
у
ин
ин
Кроме указанных выше сил F, G, Y, N на самолет также действуют силы X, F, P и Р, см. фиг.1, вид «а», где: Х - сила лобового сопротивления, зависящая от скорости движения ЛА, - чем больше скорость, тем больше эта сила по величине, т.е. эта сила тормозит движение. На практике она действует, пока поднято носовое колесо; F - сила инерции ЛА. Она возникает, согласно второму закону Ньютона, тогда, когда имеется ускорение. Т.к. на пробеге скорость уменьшается, то ускорение направлено в сторону движения ЛА, т.е. вперед. Чем больше ускорение, тем больше F, а
<mrow><msub><mi>F</mi><mrow><mi>и</mi><mi>н</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>=</mo><mi>j</mi><mi>m</mi></mrow>
,
x
x
у
у
где j - ускорение, m - масса ЛА; P - проекция вектора тяги на продольную ось ЛА. Обычно, когда не осуществляется поворот вектора тяги вверх, то вся оставшаяся на пробеге тяга двигателя и составляет величину P; Р - проекция вектора тяги на вертикальную ось (ось Y). При осуществлении поворота вектора тяги вверх на 90° вся оставшаяся тяга будет по величине равна Р.
г.к
п.к
г.к
п.к
к
В свою очередь, сила трения F=F+F, т.е. состоит из сил трения главных колес (их два) и переднего колеса, действующих на ЛА на пробеге. А сила реакции земли N=N+N, т.е. состоит из реакций земли, действующих на главные колеса и переднее колесо. Реакция поверхности ВПП, действующей на каждое колесо Q=N/3 (три колеса).
у
доп.г
доп.п
доп.г
доп.п
В результате поворота вектора тяги вверх появляется сила Р и, как ответ на нее, дополнительные силы N и N, действующие на главные и переднюю опоры. В результате появятся дополнительные силы трения F и F, действующие на главные и переднее колеса.
к
c
т.
c
f
F
т
доп
На виде «б» изображена схема сил и моментов, действующих на каждое колесо. На каждое колесо, как было показано выше, действует сила Q (реакция поверхности ВПП) и сила F (сила трения между пневматиком колеса и поверхностью ВПП). ЛА движется со скоростью V (показано стрелкой). Вращается колесо с угловой скоростью ω. Радиус колеса равен R. Прогиб пневматика при его деформации составляет δ. При включении в работу тормозов создается тормозной момент М, стремящийся уменьшить угловую скорость вращения колеса ω и тем самым снизить скорость движения самолета V. Сила трения F создает момент M=F(R-δ), который направлен против тормозного момента. Этот момент должен быть немного больше тормозного момента, т.к. иначе начнется проскальзывание поверхности колеса о поверхность ВПП («юз»). Если увеличивать силу трения F, то будет увеличиваться ее момент M. Тогда можно будет увеличивать и тормозной момент М. Следовательно, при отклонении вектора тяги вверх появляется дополнительная сила трения F, которая и будет увеличивать тормозной момент.
На фиг.2 схематично изображено предлагаемое устройство. Оно содержит створки 6, соединенные друг с другом шарнирами 7 и накладками 8 между ними. Створки повторяют форму полуфюзеляжа (нижней части фюзеляжа или корпуса двигателя), но размер меньше, чтобы они могли уместиться внутри фюзеляжа, скользя своими шарнирными колесиками 7 по направляющим 5, расположенным с обеих сторон фюзеляжа 4. Крайние наружные шарниры 7 крайней створки 6 также шарнирно связаны с двумя криволинейными рычагами 9, которые, в свою очередь, шарнирно соединены со штоками двух гидроцилиндров 10, закрепленных корпусом шарнирно на конструкции фюзеляжа 1 внутри его. Главные стойки 3 и передняя стойка 2 позволяют ЛА совершать движение по ВПП или грунту.
у
доп
доп
т
пр
Таким образом, отклонение вектора тяги вверх на 90°, см. фиг.1 вид «а», позволяет получить силу Р, а от нее - силу N, а от нее - силу F, в результате чего увеличивается тормозной момент М и ускорение торможения j. Но известно [1], что длина пробега ЛА L определяется по формуле 2
<mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>=</mo><mo>−</mo><msub><mi>V</mi><mrow><mi>п</mi><mi>о</mi><mi>с</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>/</mo><mn>2</mn><msub><mi>j</mi><mrow><mi>с</mi><mi>р</mi><mo>.</mo></mrow></msub></mrow>
cp
А величина среднего значения ускорения jвычисляется как
<mrow><msub><mi>j</mi><mrow><mi>c</mi><mi>p</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>=</mo><mo>−</mo><mi>g</mi><msub><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>X</mi><mo>+</mo><mi>F</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mi>c</mi><mi>p</mi><mo>.</mo></mrow></msub><mo>/</mo><mi>G</mi></mrow>
cp
cp
пр
Из последнего уравнения видно, что среднее ускорение торможения j зависит от среднего значения силы трения F: чем оно больше, тем больше ускорение. Но, с другой стороны, чем больше ускорение торможения, тем меньше длина пробега L, тем короче длина ВПП.
у
доп
доп
х
у
доп
доп
Устройство для дополнительного торможения ЛА работает следующим образом. Исходное положение устройства таково: оно убрано внутрь фюзеляжа (корпуса двигателя), не мешая вытекать из сопла струе газов двигателя. В момент касания основными стойками поверхности ВПП (грунта), инерционный (или какой-то другой конструкции) датчик срабатывает (или экипаж выключателем) и запитывает электроклапан, который открывает линию от гидросистемы ЛА к гидроцилиндрам 10. При поступлении в них жидкости под давлением штоки гидроцилиндров начинают выпускаться и воздействуют на криволинейные рычаги 9, которые поворачиваются вокруг своей оси крепления и выводят из направляющей 5 друг за другом створки 6, которые устанавливаются таким образом, что струя газа из сопла двигателя отклоняется вверх на 90°, создавая силу Р, от которой появляется дополнительная реакция земли N и дополнительная сила трения F. В таком положении створки находятся до конца пробега. Чем больше оставляется тяги двигателя на пробеге (Р), тем больше будет сила Р, а следовательно, и больше будут дополнительные силы N и F, что сократит длину пробега и длину ВПП. После окончания пробега выключателем прекращается подача электропитания на электроклапан, который переключает подачу высокого давления в другую полость гидроцилиндров 10, штоки которых втягиваются внутрь корпуса и увлекают за собой криволинейные рычаги 9, поворачивающиеся вокруг своих осей крепления и перемещающие створки 6 на уборку их в направляющие 5. Створки 6 убираются внутрь фюзеляжа, не мешая вытекать газовой струе из сопла двигателя. ЛА может осуществлять руление по аэродрому или совершать взлет и полет.
Использование заявляемого изобретения может значительно сократить длину пробега ЛА, а следовательно, и длину ВПП.
Источники информации
1. Аэродинамика и динамика полета маневренных самолетов. - М.: Воениздат, 1984. - С.494-495.
2. Основы конструкции самолетов./ Под ред. профессора, д.т.н. Туркина К.Д. - М.: Воениздат, 1974. - С.133.