Момент приземления самолета всегда довольно захватывающий, особенно для больших самолетов, таких как Boeing 747, весом в 255 тонн, который сильно сотрясает землю при ударе. В этих онлайн-видео клубы белого дыма вырываются наружу, как только колеса касаются взлетно-посадочной полосы, как будто земля протестует. Не дайте себя обмануть дыму; на самом деле это тепло, выделяемое шинами, которые трутся о бетонное покрытие на высокой скорости, мгновенно испаряя частицы резины. Мы все видели что-то подобное при торможении автомобиля, только в масштабе в сотни раз больше. Это проверяет не только прочность самого самолета, но и способность взлетно-посадочной полосы выдерживать удар. Если взлетно-посадочная полоса слишком тонкая, она может треснуть под весом самолета, что было бы серьезной проблемой.
Давайте сначала обсудим, почему возникает такая огромная сила удара. Максимальный посадочный вес Boeing 747 действительно составляет около 255 тонн, согласно официальным данным Boeing, что эквивалентно силе, которые могут выдержать более сорока слонов. Приземление не является плавным и постепенным; скорость обычно составляет около 260 километров в час. В момент касания земли перегрузка увеличивается до 1,5 g и даже выше, что приводит к силе удара в 370–380 тонн при соприкосновении с взлётно-посадочной полосой. «g» означает ускорение свободного падения, проще говоря, вес самолёта, умноженный на этот коэффициент. Взлётно-посадочная полоса должна мгновенно распределить эту силу. Если полоса не выдержит её, её поверхность легко станет неровной и деформируется, что приведёт к скольжению самолёта при торможении, что создаст серьёзную угрозу безопасности. FAA (Федеральное управление гражданской авиации) прямо заявляет в своих правилах, что конструкция взлетно-посадочной полосы для таких тяжелых самолетов должна соответствовать классификационному номеру воздушного судна (ACN) и классификационному номеру прочности взлетно-посадочной полосы (PCN), чтобы гарантировать, что поверхность не будет накапливать повреждения.
Толщина взлетно-посадочной полосы не определяется произвольно - она зависит от уровня аэропорта и типа самолета. Для небольших аэропортов, принимающих легкие самолеты, достаточно слоя бетона в 30-50 см. Эти самолеты весят всего десятки тонн, что обеспечивает минимальное воздействие, поэтому достаточно стабильного слоя грунтового основания. Однако крупные международные аэропорты отличаются. Им необходимо принимать таких гигантов, как Boeing 747 и Airbus A380, для которых требуется толщина взлетно-посадочной полосы около 1 метра. Сам Boeing рекомендует минимальную толщину бетона 80 см для взлетно-посадочных полос 747 для равномерного распределения нагрузки. Например, в руководстве FAA AC 150/5320-6G подробно описана прочность покрытия на изгиб под тяжелыми самолетами; недостаточная толщина приведет к тому, что покрытие рассыплется как печенье. При реальном строительстве взлетно-посадочных полос речь идет не только о заливке бетона; Она состоит из нескольких слоев: уплотненного грунтового основания, среднего слоя дренажного гравия и верхнего слоя железобетонных плит с температурными швами между каждой плитой для предотвращения растрескивания из-за теплового расширения и сжатия.
Толщина слоя взлётно-посадочной полосы должна быть адаптирована к местным условиям, ключевыми факторами которых являются климат и почва. В северных регионах, где зимние температуры опускаются до десятков градусов ниже нуля, слой вечной мерзлоты расширяется и сжимается, что легко приводит к образованию дуг и трещин на взлётно-посадочных полосах. Поэтому толщину необходимо увеличить до 80-100 сантиметров и даже больше. Современные аэропорты учитывают это при проектировании взлётно-посадочной полосы, укладывая под неё толстый слой бетона и прокладывая под ним трубы отопления для защиты от обледенения. На юге, где больше дождей и влажности, а почва более мягкая, толщина поддерживается на уровне около 50 сантиметров. Однако необходима надёжная дренажная система: по обеим сторонам взлётно-посадочной полосы выкапываются канавы с уклоном 1,5%, чтобы предотвратить накопление воды и размягчение поверхности. В спецификациях FAA подчёркивается, что несущая способность грунта земляного полотна имеет основополагающее значение. Сначала необходимо измерить показатель CBR (коэффициент прочности на сжатие). Если он низкий, необходимо добавить стабилизирующий слой, укреплённый известью или цементом. В документации по планированию аэропорта для Boeing 747 также приведены таблицы с толщиной от 60 см до 1,2 м в зависимости от типа грунта, что гарантирует соответствие значения PCN (полимеризованной прочности на сжатие) значению ACN (накопленному коэффициенту прочности на сжатие). В противном случае поверхность станет непригодной для использования после нескольких полётов.
Помимо толщины, взлётно-посадочные полосы также подразделяются на жёсткие и нежёсткие, и эти различия существенны. Жёсткие взлётно-посадочные полосы изготовлены из монолитного бетона, который распределяет нагрузку от самолёта по большой площади, обеспечивая высокую прочность на изгиб и делая их пригодными для тяжёлых самолётов. Нежёсткие взлётно-посадочные полосы, в свою очередь, имеют асфальтобетонное и гравийное покрытие, обеспечивающее хорошую прочность на сжатие, но низкую прочность на изгиб, и подходят только для малых и средних самолётов. Когда Boeing 747 приземляется, давление колёс концентрируется на шестнадцати основных колёсах, каждое из которых несёт нагрузку в несколько тонн. Жёсткие покрытия распределяют эту нагрузку равномерно, в отличие от асфальтобетонных слоёв, которые подвержены образованию вмятин. Фактические данные показывают, что жёсткие взлётно-посадочные полосы имеют усталостную долговечность, составляющую десятки тысяч взлётов и посадок самолётов, в то время как нежёсткие взлётно-посадочные полосы служат максимум несколько тысяч. Во время строительства жестких взлетно-посадочных полос требуется дополнительная арматурная сетка из стальной арматуры, размещаемая на расстоянии 1–2 метров друг от друга, и требуется 28 дней затвердевания после заливки перед использованием для достижения прочности C40 или выше.
Белый дым при посадке в основном вызван выгоранием шин. Шины 747 изготовлены из высокопрочной резины, которая смягчает 10% удара при приземлении. Это трение генерирует тепло, в результате чего частицы резины испаряются и превращаются в дым. Количество дыма зависит от скорости и неровности взлетно-посадочной полосы; сухие взлетно-посадочные полосы производят больше дыма, в то время как мокрые взлетно-посадочные полосы - меньше. Этот дым также напоминает нам, что поверхности взлетно-посадочных полос должны иметь коэффициент трения; FAA требует не менее 0,3, что достигается за счет канавок, созданных текстурированными роликами в целях противоскольжения. Boeing планирует, что шины 747 будут достигать температуры 150 градусов по Цельсию после посадки, что требует термостойких взлетно-посадочных полос для предотвращения отслоения поверхности. Техническое обслуживание включает в себя ежегодную шлифовку высоких точек, ремонт трещин и проведение испытаний на прочность с использованием падающих молотов для имитации удара; любая взлетно-посадочная полоса, несоответствующая требованиям, требует переделки.
Взлетно-посадочные полосы должны быть толстыми и длинными, а не просто толстыми. Для 747-го требуется взлетно-посадочная полоса длиной не менее 3000 метров для взлета и посадки. Большой тормозной путь при посадке в сочетании с реверсом тяги и дисковыми тормозами означает, что он может проехать один или два километра, прежде чем остановиться. В руководстве по проектированию аэропортов FAA AC 150/5300-13 перечислены требования к взлетно-посадочной полосе для 747-го: на уровне моря в стандартной атмосфере посадочная полоса начинается на высоте 3200 метров, при этом для высокогорных аэропортов требуются более длинные полосы. Толщина и длина связаны; в конце взлетно-посадочной полосы должна быть вырыта неглубокая траншея, чтобы предотвратить выкатывание. Для Boeing 747-400 с посадочным весом 285 тонн требуется еще более высокая прочность взлетно-посадочной полосы, с PCN 70 или выше, и соответствующим увеличением толщины на 10 сантиметров.
Давайте поговорим о шасси, еще одном ключевом компоненте конструкции взлетно-посадочной полосы. Основные стойки шасси 747 изготовлены из стали марки 300M прочностью от 1900 до 2100 МПа, что эквивалентно давлению в 20 000 атмосфер, и могут выдерживать температуры от -50 °C до 150 °C. Амортизаторы циркулируют масло, преобразуя удар в тепловую энергию, обеспечивая двухслойную амортизацию: передняя рама поглощает 15%, а основная рама поглощает большую часть удара. Шестнадцать шин, заполненных азотом, дополнительно смягчают первоначальный удар. Проектирование взлетно-посадочной полосы должно учитывать нагрузку на колесо; каждое колесо 747 весит приблизительно 20 тонн, а жесткая панель размером 2,5 квадратных метра достаточна для распределения нагрузки. FAA использовало программное обеспечение для конечно-элементного анализа, чтобы подтвердить, что толщина была достаточной.
Во всем мире стандарты толщины взлётно-посадочных полос (ВПП) едины, но их применение различается. В Европе стандарты EASA и FAA схожи, в то время как в Азии на эти стандарты ссылаются государства-члены ИКАО. Например, в аэропорту Токио Нарита используется ВПП толщиной 1,1 метра с дополнительным гибким слоем для обеспечения сейсмостойкости. В Сиднее (Австралия), где грунт твёрдый, достаточно толщины 80 сантиметров. Boeing 747 эксплуатируется уже более 50 лет, по всему миру эксплуатируется более 1500 самолётов, и низкий уровень аварийности на ВПП подтверждает надёжность конструкции. Однако при модернизации старых аэропортов необходимы перерасчёты; если толщины недостаточно, добавляются дополнительные слои, что обходится в сотни миллионов долларов.
Техническое обслуживание — это долгосрочный процесс. После нескольких лет эксплуатации поверхность взлётно-посадочных полос изнашивается. Федеральное управление гражданской авиации (FAA) требует ежегодного лазерного сканирования для измерения ровности; если она превышает норму на 2 миллиметра, её необходимо шлифовать. Трещины заполняют эпоксидной смолой, а толщина измеряется с помощью георадара. Тяжёлые самолёты, такие как Boeing 747, ускоряют усталость поверхности; при проектном сроке службы 20 лет им требуется промежуточный капитальный ремонт. Стоимость высока — десятки миллионов на километр взлётно-посадочной полосы, — но преимущества в плане безопасности того стоят. В новых аэропортах используются сборные железобетонные плиты толщиной 1,2 метра, спроектированные по модульному принципу, что ускоряет строительство.
Расчет толщины покрытия также учитывает экономические соображения. Слишком толстая полоса увеличивает стоимость, удваивая затраты на транспортировку материалов и рабочую силу; слишком тонкая полоса увеличивает риск, делая невозможным компенсацию за задержки рейсов и аварии. Плановый документ Boeing включает экономическую модель, рассчитывающую влияние толщины на срок службы, при этом оптимальное значение — 80 сантиметров — является весьма экономически эффективным. С экологической точки зрения, новая взлетно-посадочная полоса использует переработанные заполнители для снижения выбросов углерода, но ее прочность необходимо оценить.
В целом, толщина взлетно-посадочной полосы от 80 сантиметров до 1 метра является минимальным требованием, чтобы выдержать 255-тонный вес 747-го, основанным на расчетах удара, материаловедении и полевых испытаниях. Белый дым от посадки впечатляет, но за ним кроется защитная сетка, созданная инженерами. Если задуматься, это не просто технический подвиг - это также влияет на плавный поток мировых путешествий. При хорошо построенном аэропорту и стабильном полете каждый может удобно сидеть и смотреть на облака. По мере того, как более крупные самолеты становятся тяжелее, как A380 весом 575 тонн, взлетно-посадочные полосы должны будут продолжать развиваться, возможно, с увеличением толщины или использованием композитных материалов.