Полеты — главная часть работы самолета, но и на земле он проводит немало времени. Контакт с перроном аэропорта и, самое главное, со взлетно-посадочной полосой обеспечивают шасси. Во время взлета и посадки они испытывают огромные нагрузки, это очень важная и сложная часть самолета.
Уборка шасси — в своем роде граница между взлетом и собственно полетом. Самолет из стихии, где он, можно сказать, родился, переходит в стихию, для которой предназначен. Шасси работают на неотъемлемых и очень важных этапах полета — разбеге перед взлетом и пробеге после посадки. Ведь чтобы крыло обрело подъемную силу и самолет оторвался от земли, он должен разогнаться до определенной скорости.
Три необходимо и достаточно
Самолет братьев Райт Flyer имел вместо привычных нам колес полозья. Однако довольно быстро стало ясно, что полозья создают слишком большое сопротивление при разбеге, и они дополнили их колесами. Колес было три — как известно, для того, чтобы устойчиво опираться на плоскость, достаточно трех точек. В первое время в хвосте ставили маленькую лыжу, «костыль», но потом и его заменили небольшим колесом.
С ростом скорости самолетов становилось все важнее аэродинамическое сопротивление. Шасси решили убирать — складывать после отрыва от земли и снова раскладывать перед посадкой. Первым таким самолетом стал спортивный Dayton-Wright RB‑1 в 1920 году. Однако механизм складывания шасси усложнял самолет и утяжелял его, а также, как всякий новый механизм, не был абсолютно надежным. Поэтому массовые модели для коммерческих перевозок еще какое-то время делали с фиксированными шасси. Для снижения аэродинамического сопротивления на них ставили обтекатели — либо только на колеса, либо на всю стойку — их прозвали «штанами». Но в тридцатые годы убирающиеся шасси распространились почти повсеместно. Правда, без подстраховки не обошлось: на авиалайнере DC‑3, который выпускали по лицензии в СССР под названием ПС‑84, а потом Ли‑2, в сложенном состоянии колеса шасси слегка выступали — в случае отказа системы выпуска шасси и необходимости садиться «на брюхо», они амортизировали удар.
Чтобы не мешали
В первые десятилетия основным вариантом стали шасси с основными колесами под крылом в передней части самолета и хвостовой опорой — такая схема применялась даже на самом большом самолете своего времени АНТ‑20 «Максим Горький». Пилотам и пассажирам при посадке в самолет приходилось подниматься по наклонному полу салона. Но это был не единственный недостаток шасси с хвостовым колесом — ими сложнее управлять на земле из-за плохой обзорности, они склонны к капотированию при торможении, а для реактивных самолетов эта конструкция вообще не подходит из-за наклона двигателей, потому что реактивная струя, отражаясь от земли, мешает работе оперения.
Уже в 1934 году появились первые самолеты с трехстоечным шасси, которое теперь применяется практически для всех типов самолетов, кроме разве что самых маленьких. Эта схема стала быстро распространяться в сороковые годы сначала на бомбардировщиках и транспортных самолетах, а затем и на пассажирских лайнерах.
Для некоторых самолетов выбирали шасси велосипедного типа — с расположением основных стоек в передней и задней части фюзеляжа. Это позволяло убрать стойки шасси с крыла, но затрудняло управление самолетом на взлете. Так что эта схема осталась уделом некоторых военных самолетов — американского бомбардировщика B‑52 и советского М‑4, а также истребителя Як‑28. Для подстраховки на концах крыла у них стоят небольшие колеса. Трехстоечная схема иногда тоже требует дополнительной опоры — на дальнемагистральном лайнере Ил‑62 при отсутствии топлива и нагрузки центр тяжести смещается так, что он может «сесть на хвост». Чтобы это предотвратить, у него есть хвостовая опора, которая выдвигается на стоянке. Для самых тяжелых самолетов двух основных опор недостаточно, и добавляют еще одну по центру фюзеляжа, как на Ил‑86, или даже две, как на Boeing 747.
Куда их девать?
Колеса шасси довольно большие, и для их уборки надо предусмотреть место. Носовая опора почти всегда убирается в фюзеляж по оси самолета — как правило, она поднимается в сторону носа, чтобы при маловероятном, но возможном отказе привода набегающий поток воздуха поставил ее на место. Хотя и тут возможны варианты. Например, на британском HS 121 Trident носовая стойка убиралась поперек самолета вправо. И поэтому была смещена относительно оси фюзеляжа влево. Это необычное решение понадобилось для того, чтобы разместить в носовой части электронное оборудование — в те ламповые времена оно требовало немало места.
Основные опоры сейчас чаще складываются перпендикулярно оси самолета, и тележки шасси прячутся в фюзеляж. На самолетах Туполева шасси обычно убираются в гондолы на крыле. Для того, чтобы снизить давление на полосу на основные опоры шасси Ту‑154 поставили тележки из шести колес. Его одноклассник Boeing 727 обходился двумя колесами на каждой тележке. При подъеме в гондолу тележки шасси Ту‑154 эффектно поворачиваются. Интересно, что на поздних модификациях Ту‑154Б‑2 и Ту‑154М передние колеса тележек сделаны управляемыми для уменьшения радиуса поворота. Настоящий инженерный шедевр!
Еще сложнее кинематика основных стоек шасси на серийном сверхзвуковом Ту‑144 — они имеют по 8 колес на двух осях, а чтобы уместить их между двигателями, тележки поворачивают в вертикальную плоскость, пока стойки поднимаются вперед. Однако со временем все конструкции обычно приходят к единой, оптимальной форме. Поэтому сегодня шасси практически всех среднемагистральных самолетов выглядят одинаково. Впрочем, одно отличие можно увидеть — на популярных лайнерах Boeing 737 ниши шасси не имеют внешних створок. Колеса просто укладываются заподлицо с поверхностью центроплана. Аэродинамическое сопротивление лишь чуть-чуть выше, но конструкция значительно проще и легче.
Только азот!
В отличие от автомобиля или локомотива, у которых к колесам прилагается необходимая для движения сила, у летательных аппаратов тягу создают двигатели, а колеса служат только для опоры. И работают они сравнительно недолго. Но при огромных нагрузках. Взлетная скорость у современных авиалайнеров — от 220 до 280 км/ч. При этом масса Boeing 737 достигает 80 тонн, а Boeing 767–200ER — даже 180. Примерно такая же скорость и при посадке, и шины должны еще замедлять самолет.
Чтобы выдерживать такие нагрузки, авиационные шины рассчитаны на очень высокое давление — обычно от 12 до 20 атмосфер в зависимости от размера и типа самолета. Например, на Boeing 737 — 14 атмосфер. Для сравнения: в шинах обычного легкового автомобиля рекомендуемое давление обычно 2–2,5 атмосферы.
Шины самолета должны выдерживать давление в четыре раза больше номинала в течение короткого времени на случай удара при приземлении. Шины нагреваются от трения об полосу, да и тормоза на колесах тоже их греют — именно в тепло они превращают кинетическую энергию движения. Конечно, у самолетов есть и аэродинамические тормоза на крыле, и во многих случаях при посадке используется реверс — переключение тяги двигателей. Но тормозам на колесах шасси отводится важная роль. При движении с такими скоростями шины разогреваются до 100 градусов, а в некоторых случаях температура может превышать и 200. При этом в горизонтальном полете на высоте 9–12 километров температура воздуха за бортом опускается до -50°С и даже ниже. Отсеки, куда убираются шасси, не отапливаются, а у Boeing 737 и ATR 72 они даже не закрываются. Так что шины испытывают огромные перепады температур. Это основная причина, по которой их накачивают не воздухом, а азотом.
Азот и так основная часть атмосферного воздуха — кислорода в нем лишь 21% по объему, а азота — 78%. Однако в атмосфере содержатся и другие газы, в том числе водяной пар. При охлаждении воздуха содержащийся в нем пар конденсируется в виде капель воды и давлением начинает расширяться. В отличие от азота и кислорода, чье расширение прямо зависит от температуры, водяной пар создает куда большие колебания давления.
Количество воды в воздухе может меняться в довольно широких пределах, поэтому при накачивании шин в разных аэропортах и в разное время результаты могут быть непредсказуемыми. Если для шин автомобиля на скоростях до 60 км/ч отклонения давления на 20% в любую сторону водителю могут быть почти незаметны, то для самолета массой несколько десятков тонн, соприкасающегося с поверхностью ВПП на скорости до 300 км/ч, это может быть рискованно. Поэтому во всем мире уже много десятилетий авиационные шины накачивают чистым азотом — в процессе его извлечения из воздуха практически полностью удаляется и водяной пар. Считается, что нейтральность азота — он не поддерживает горение — исключает возможность воспламенения внутри шины.
Похожи, но не такие же
Поскольку авиационные шины выполняют меньше функций, чем автомобильные, у них куда более простой рисунок протектора — только продольные канавки для отвода воды и предотвращения аквапланирования. Интересно, что ныне обязательная на всех автомобилях АБС, антиблокировочная система в приводе тормозов, гораздо раньше появилась в авиации.
В 1929 году французский авиаконструктор Габриель Вуазен создал противоюзовую систему для самолета. Существенно повысилась безопаcность — раньше пилоты боялись тормозить до упора, потому что трение заблокированных колес приводило к повреждению шин и потере управляемости самолета. АБС, которая удерживает колесо на грани блокировки, позволяет тормозам работать более эффективно, сокращая пробег при посадке примерно на треть, и к тому же сохраняет управляемость самолета и упрощает работу пилота — теперь он может просто давить на тормоз до упора, а не пытаться поймать границу блокировки колес.
На автомобилях работоспособная АБС появилась только к концу шестидесятых. Как и во многих других направлениях, самолеты и в области колес проложили путь для другой техники.
Высокие нагрузки на авиационные шины приводят к сокращению срока их службы. На ВПП любого аэропорта можно видеть черные следы — это резина, которая стерлась с пневматиков при касании и торможении. Когда износ достигает критической величины (обычно об этом свидетельствует исчезновение канавок), шину эксплуатировать нельзя. При средней интенсивности полетов шины приходится менять примерно раз в два месяца. А на автомобилях они отхаживают несколько сезонов. Такова цена эффективности.
ВАЛЕРИЙ ЧУСОВ