E ‘ abbastanza sorprendente che gli aerei possono volare. Ma battere la gravità e ottenere aerei a scivolare attraverso i cieli non è sufficiente. Come facciamo a far sì che queste enormi masse di metallo si muovano a una velocità così elevata da tornare a uno stato di riposo? Questa era la domanda esatta con cui si trovavano i primi progettisti dell’aereo. Sebbene la maggior parte dei primi aerei non avesse sistemi di frenatura, l’approccio per realizzare questo compito è cambiato significativamente nel corso degli anni.
Se confrontato con i freni sulla vostra auto, freni aerei sono più complessi e sono disponibili in una forma molto più pesante. Oggi, gli aerei sono dotati di diversi sistemi di frenatura tra cui freni a disco, freni ad aria, inversori di spinta e altri tipi di miglioramenti del sistema frenante. Tuttavia, in generale, questi freni possono essere classificati in due gruppi: freni pneumatici e freni di atterraggio.
In sostanza, i freni ad aria compressa vengono utilizzati per ridurre la velocità dell’aeromobile a mezz’aria. Questo è il motivo per cui sono chiamati freni di velocità pure. Freni ad aria decelerare l’aereo aprendo in un modo che aumenta la resistenza senza influenzare significativamente ascensore. Possono anche essere talvolta utilizzati per aumentare l’angolo di avvicinamento dell’aereo nel processo di atterraggio.
Al contrario, i freni di atterraggio includono tutti i diversi freni coinvolti nella riduzione della velocità dell’aereo quando si avvicina al suolo e al suolo. Poiché i freni di atterraggio devono portare l’aereo a riposo, devono ridurre l’ascensore e aumentare la resistenza. I freni a disco sono i componenti principali del sistema frenante di atterraggio. Saranno, quindi, l’obiettivo principale di molte sezioni di questo articolo.
Indice
Storia dei freni degli aeroplani
I primi aeroplani progettati non includevano alcun sistema frenante. La domanda evidente poi si apre. Se questi aerei non avevano freni, come sono atterrati?
È interessante notare che i piloti hanno dovuto fare affidamento su altri fattori. Al posto dei freni, dipendevano dalla bassa velocità dell’aeromobile, dalle superfici morbide dell’aerodromo e dall’attrito. Ma questi non potevano più bastare come aereo peso e le dimensioni sono aumentate e tecnologie di aviazione migliorata nel corso degli anni.
Dopo la prima guerra mondiale, i primi sistemi frenanti furono progettati per l’uso negli aerei. Il primo tipo di freni utilizzati in un aereo è il paracadute drogue. Un paracadute drogue è un paracadute attaccato alla parte posteriore di un aereo che viene distribuito a destra prima di atterrare per rallentare l’aereo. Il paracadute drogue fu inventato nel 1912 da un russo Gleb Kotelnikov. Ma non entrarono in pieno uso nell’aviazione fino al 1937.
Un altro tipo di freni per aeromobili che hanno ricevuto l’ammissione anticipata negli aerei comuni sono i sistemi di frenatura ad aria. Tuttavia, al momento, erano per lo più sotto forma di semplici alette controllate manualmente da una leva nella cabina di guida. A seguire da vicino c’erano i freni a disco.
Freni a disco sono stati sviluppati in Inghilterra nel 1890, ma sono stati utilizzati in precedenza in automobili e treni passeggeri ferroviari solo. Fu solo poco prima della seconda guerra mondiale che i freni a disco furono usati per la prima volta nell’aviazione. Da allora, i sistemi di frenatura degli aerei si sono sviluppati dai freni d’acciaio del multi-disco ai sistemi di frenatura elettrici più avanzati.
Tipi di freni per aeromobili
Nell’aviazione oggi, la maggior parte degli aerei utilizza principalmente freni a disco. Normalmente, in un impianto frenante a disco, un disco ruota insieme al gruppo ruota girevole. Quando i freni sono applicati, una pinza stazionaria resiste al movimento rotatorio di questo disco causando attrito contro il disco. La complessità e il design di un sistema di freni a disco dipendono spesso dal peso, dalle dimensioni e dalla velocità di atterraggio dell’aeromobile. I tipi più comuni di freni a disco utilizzati negli aerei sono freni a disco singoli, doppi e multipli.
Freni a disco singolo
Un singolo disco è in genere sufficiente per frenare efficacemente un velivolo piccolo e leggero. Questo disco è calettato o imbullonato a ciascuna delle ruote del velivolo. Per frenare l’aereo, l’attrito viene applicato su entrambi i lati del disco utilizzando una pinza non rotante attaccata alla flangia del carrello di atterraggio. Il movimento della pinza è avviato da pistoni al suo interno. Questi pistoni, sotto pressione idraulica, forzano le pastiglie dei freni o le guarnizioni contro il disco rotante quando viene applicato il freno.
I freni a disco singolo possono essere freni a disco flottanti o freni a disco fissi. La principale differenza tra freni a disco flottanti e fissi è che quando una pastiglia viene spinta in un freno a disco flottante, la pinza si muove in modo tale che la pastiglia opposta tocchi il disco. Tuttavia, nei freni a disco fissi, i pistoni su entrambi i lati del disco si muovono simultaneamente per spingere le pastiglie contro il disco.
Freni a doppio disco
Negli aeromobili più grandi, i freni a disco singolo non possono produrre una quantità sufficiente di attrito frenante necessario per arrestare o rallentare l’aereo. I freni a doppio disco sono spesso utilizzati in tali aeromobili. Nei freni a doppio disco, due dischi sono fissati alla ruota invece di uno. C’è un supporto centrale con rivestimenti su ciascun lato situato tra i due dischi. Ogni volta che vengono applicati i freni, questi rivestimenti contattano ciascuno dei dischi.
Freni a disco multipli
Freno a disco multiplo
Gli aerei più grandi e pesanti richiedono l’uso di freni a disco multipli. Questi tipi di freni sono costruiti per scopi pesanti. Sono utilizzati con le parti della macchina come le valvole di controllo del freno di potere o i cilindri principali di spinta di potere.
Freni a disco multiplo fanno uso di un supporto cuscinetto esteso che assomiglia a un’unità di tipo tubo di coppia. Questo trasportatore è imbullonato alla flangia dell’asse e fornisce il supporto per le parti differenti del freno. Queste parti includono il cilindro anulare e il pistone, un’alternanza di dischi in acciaio e rame o bronzo, una piastra posteriore e un fermo della piastra nera.
Il supporto del cuscinetto si collega agli statori, che sono fatti di acciaio mentre la ruota girante ha i dischi rame o bronzo-placcati che sono calettati ad esso. L’intero assemblaggio di statori e rotori viene compresso quando la pressione idraulica viene applicata al pistone. Il risultato finale è la produzione di una grande quantità di calore e attrito che a sua volta riduce la velocità di rotazione della ruota.
Freni ad aria e inversori di spinta
Oltre ai freni a disco, altri tipi comuni di freni per aeromobili includono freni ad aria e inversori di spinta. Come accennato in precedenza, i freni ad aria compressa vengono utilizzati per aumentare la resistenza che agisce su un aereo a mezz’aria. Aumentando la resistenza, i freni ad aria compressa vengono utilizzati per ridurre la velocità dell’aereo. I tipi più comuni di freni ad aria sono i dumper e le alette di sollevamento.
I dumper di sollevamento
Gli inversori di spinta decelerano l’aereo deviando temporaneamente la spinta generata dal motore dell’aeromobile in modo che si opponga alla corsa in avanti dell’aeromobile. Gli inversori di spinta vengono spesso utilizzati quando l’aereo è già a terra. Aiutano a ridurre l’usura dei freni e accorciano la distanza di atterraggio.
Invertitore di spinta
Come funzionano i freni degli aerei?
In questa sezione, ci concentreremo principalmente sui principi di funzionamento dei freni a disco—il tipo più comune di freni negli aerei moderni. Come ora sappiamo, i freni a disco dipendono dall’attrito tra dischi rotanti e fissi all’interno dei freni per funzionare. I sistemi di frenatura a disco vengono avviati tramite un sistema di frenatura automatico o dal pilota che preme un pedale.
Una volta che il freno riceve il segnale di avvio, gli attuatori all’interno del freno muovono un pistone che stringe insieme il disco. Nel processo viene generata una forza di attrito che a sua volta riduce la velocità di rotazione della ruota. Durante questo processo, l’attrito tra i dischi converte l’energia cinetica dell’aereo in energia termica.
I freni degli aerei assorbono un’enorme quantità di calore che spesso può superare i 1800°C. Ogni volta che vengono applicati i freni, il materiale del disco subisce molta usura a causa delle forze di attrito in eccesso coinvolte. Dopo diverse applicazioni (centinaia in genere), i dischi iniziano a diventare più sottili. Questo è il motivo per cui spesso richiedono la sostituzione dopo intervalli di manutenzione periodici.
Di quali materiali sono fatti i freni degli aerei?
Per molto tempo, la maggior parte dei freni degli aerei erano in acciaio. Non è stato fino al 1963 che il berillio è stato introdotto come materiale del freno degli aerei. L’uso del berillio, tuttavia, è venuto a proprie spese. Mentre il berillio ha fornito proprietà termiche altamente migliorate—che è una considerazione importante nella progettazione dei freni degli aerei-c’erano anche difficoltà a gestire il materiale a causa della natura tossica dell’ossido di berillio.
Oggi, i moderni aerei commerciali fanno uso di freni in carbonio. I freni in carbonio sono diventati ampiamente accettati negli 1980. E generalmente si comportano bene da molti indici. Ad esempio, i freni in carbonio realizzati con fibre di carbonio in una matrice di grafite sono più leggeri, più stabili termicamente, si raffreddano più velocemente e possono assorbire meglio l’energia.
Grazie al calore specifico più elevato del carbonio, i freni in carbonio pesano sempre meno dei freni in acciaio. Il carbonio ha anche una minore espansione termica, una maggiore resistenza agli shock termici e un limite di temperatura più elevato rispetto all’acciaio. A differenza dell’acciaio e del berillio, il carbonio ha una resistenza specifica più costante su un’ampia gamma di temperature. Anche l’acciaio e il berillio presentano tipicamente un forte calo della resistenza specifica a temperature elevate superiori a 650°C.
Recentemente, Safran Landing Systems ha vantato che i freni in carbonio resistenti all’ossidazione Sepcarb III dei loro Boeing 787 sono 4 volte più leggeri dei freni in acciaio. Hanno anche affermato che i freni hanno una resistenza 3 volte maggiore e una capacità di assorbimento da 2 a 3 volte superiore. Altri produttori utilizzano anche altri materiali per la costruzione di freni. Ad esempio, Cerametalix di Honeywell è una combinazione sinterizzata di metalli in polvere e ceramica.
Fattori considerati nella costruzione dei freni
In parole povere, il fattore principale che decide il tipo di sistema di frenatura impiegato in un aeromobile è la dimensione dell’aeromobile. Questo fattore definisce quindi alcuni parametri che devono essere presi in considerazione durante la progettazione dei freni. Questi parametri di progettazione primari includono il numero di dischi, il diametro dei dischi e il materiale dei dischi.
Un altro concetto importante che si apre nella progettazione dei freni degli aerei è uno scenario peggiore chiamato decollo respinto (RTO). RTO si verifica ad una velocità massima di rotolamento comunemente chiamato la velocità di decisione. A velocità superiori a questa velocità di decisione, un decollo non può essere interrotto in modo sicuro senza mettere l’aeromobile a rischio significativo di non essere in grado di fermarsi prima della fine della pista. I freni degli aerei sono progettati per assorbire più energia in tali circostanze.
In genere, prima di progettare il sistema frenante di un aereo, viene calcolata la sua energia cinetica durante l’RTO. Viene quindi determinata anche la quantità di forza di attrito necessaria per conquistare questa energia. Per generare le forze di attrito necessarie, i grandi aerei da trasporto commerciali richiedono in genere più dischi per gruppo frenante e freni sulla maggior parte, se non tutti, delle loro ruote.
A380
Ad esempio, un A380 ha 22 ruote distribuite su cinque gambe del carrello di atterraggio per sostenere il suo peso massiccio. Queste ruote sono distribuite in questo modo:
- 2 ruote anteriori su una gamba sotto il naso dell’aeromobile;
- 8 ruote alari divise tra due gambe che si ripiegano da sotto la fusoliera per sostenere le ali sinistra e destra e;
- 12 corpo ruote diviso tra due entrobordo carrello di atterraggio gambe sotto la fusoliera.
Sedici di queste ruote hanno freni (quattro di loro sono ruote del corpo e le ruote del naso non sono frenate).
Dove si trovano i freni in un aereo?
Diversi tipi di sistemi frenanti per aerei sono posizionati in diverse parti dell’aereo. Oggi, i freni a disco degli aerei possono sempre essere trovati nel carrello di atterraggio, freni ad aria—sulle ali e inversori di spinta—sul motore. Ma queste sono parti meccaniche che non sono viste o controllate dal pilota durante il volo.
La maggior parte dei freni degli aerei moderni sono attivati dalla sezione superiore dei pedali del timone. Questo tipo di freni è chiamato freni a punta. Nei freni a punta, la parte superiore dei pedali del timone è collegata direttamente all’impianto frenante. Tuttavia, è altamente necessario applicare i freni a punta al momento giusto. Se vengono applicati quando l’aereo si muove ad alta velocità sulla pista, ciò può comportare un violento cambiamento di direzione.
Ma non tutti gli aerei hanno freni a punta. Alcuni aerei più vecchi sono dotati di freni del tallone. I piloti trovano più difficile applicare questo tipo di freni. Un tipo ancora più raro di freni degli aerei è il freno a mano. In alcuni altri aerei come Cessna e Mooney, il pilota è tenuto ad applicare prima i freni a punta e poi estrarre una manopola per bloccare i freni.
In che modo i piloti controllano i freni degli aerei?
I sistemi frenanti per aeromobili sono semplici parti meccaniche, in alcuni casi una combinazione di parti meccaniche ed elettroniche. Queste parti devono essere dispiegate e controllate dal pilota. I freni possono essere attivati manualmente dal pilota o utilizzando i freni automatici. I freni automatici, proprio come suggerisce il nome, sono sistemi elettronici che si attivano automaticamente quando l’aereo si avvicina a terra poco prima del touchdown.
La maggior parte delle ruote di qualsiasi aereo moderno sono dotate di un’unità freno. Il naso e la ruota di coda, tuttavia, non hanno freni. In qualsiasi aereo tipico, i piloti possono controllare i freni utilizzando i collegamenti meccanici o idraulici al pedale del timone.
Il freno sulla ruota principale destra si attiva quando il pilota preme la parte superiore del pedale destro. Allo stesso modo, quando il pilota spinge la parte superiore del pedale del timone sinistro, attiva il freno sulla ruota principale sinistra/ruote.
Tuttavia, alcuni nuovi aerei eliminano l’uso del sistema idraulico e impiegano invece energia elettrica per alimentare i freni. Un primo esempio di questo approccio è il 787 Dreamliner. Andando con un impianto frenante elettrico permette ai progettisti di ridurre il peso del velivolo considerevolmente.
In questo sistema, quando i piloti premono sui pedali del freno, viene inviato un segnale elettrico all’unità freno sulla ruota. Gli attuatori elettrici vengono quindi utilizzati per premere il disco del freno in carbonio contro la ruota. Questo di conseguenza rallenta l’aereo verso il basso.
Con quale frequenza vengono sostituiti i freni degli aerei?
A causa degli alti livelli di variazioni di temperatura, i freni degli aeromobili devono essere sostituiti frequentemente. In generale, dopo circa 1000-2000 atterraggi, i freni degli aerei vengono presi per un controllo di manutenzione. Ogni sistema frenante ha un perno situato all’interno del freno. Questo perno è essenzialmente un indicatore che aiuta a rilevare il livello di usura del freno ha sperimentato.
La frequenza di sostituzione del freno negli aeromobili dipende anche in gran parte dal tipo di materiale del freno. In media, i freni in acciaio hanno una durata di 1.100 cicli tra riparazioni e sostituzione. Si può, tuttavia, aspettarsi tra 1.500 e 2.000 cicli di atterraggio dai freni in carbonio per gli stessi motivi discussi in precedenza.
Durante le riparazioni, le parti comuni dell’impianto frenante che vengono sostituite sono i rivestimenti e i dischi. Gli ingegneri della manutenzione possono spesso consultare il manuale del produttore per le procedure di rodaggio appropriate quando si lavora su nuovi freni.
Costo di sostituzione e riparazione dei freni degli aerei
Acquistare, sostituire e riparare i freni degli aerei può essere un processo enervating. Oltre al costo monetario, trovare le parti giuste per fare un grande acquisto può richiedere molto tempo. Il costo di una nuova unità di freno aereo può variare su una vasta gamma di cifre. Un buon esempio, tuttavia, è il Boeing 777. Un completo 12 pezzi freno set di un Boeing 777 costa circa $100.000. D’altra parte, i set di freni degli aerei più piccoli costano molto meno.
Nel 2019, è stato stimato che la domanda totale di MRO (manutenzione, riparazione e operazioni) per ruote e freni degli aeromobili era di billion 2,5 miliardi. Va a dimostrare che questo è un mercato molto richiesto. Il costo di riparare il freno aereo può essere molto imprevedibile. Dipende principalmente dal componente del sistema frenante che deve essere sostituito.
Il prezzo di un tipico Cleveland standard organico o metallico rivestimento dei freni può facilmente variare da $12.25 a $469. Dischi freno dello stesso produttore vi costerà tanto quanto $149.75 a $1769. Alcuni altri componenti come rivetti, valvole e kit reline possono anche essere bisogno di sostituzioni. Quindi, è difficile dire cosa ci si dovrebbe aspettare in anticipo.
In che modo l’acqua e il ghiaccio incidono sulle prestazioni di frenata?
Quando un aereo atterra su una pista bagnata o ghiacciata, sta costantemente spremendo l’acqua dal battistrada. Questa azione di spremitura genera pressioni dell’acqua che non solo possono sollevare porzioni del pneumatico dalla pista, ma anche ridurre la quantità di attrito che il pneumatico può sviluppare. Questa azione è chiamata idroplaning.
L’idroplaning causa attrito pneumatico-terra che può essere basso alle alte velocità e migliorare man mano che la velocità si riduce. Esistono tre tipi di idroplaning, ovvero idroplaning in gomma viscoso, dinamico e invertito.
L’idroplaning viscoso è l’effetto più comune che le piste bagnate hanno sulle prestazioni di frenatura degli aeromobili. Si verifica su tutte le piste bagnate ed è un termine tecnico usato per descrivere la solita scivolosità o azione lubrificante dell’acqua. Mentre l’idroplaning viscoso riduce l’attrito, non è a un livello così basso che la ruota non può essere ruotata poco dopo il touchdown per avviare il sistema antiscivolo.
In caso di idroplaning dinamico molto raro, il pneumatico si solleva completamente dalla pista causando una perdita molto consistente di attrito del pneumatico che può impedire uno spin-up della ruota. L’idroplaning di gomma ripristinato, d’altra parte, può verificarsi ogni volta che un pneumatico bloccato viene slittato lungo una pista molto bagnata o ghiacciata per un tempo abbastanza lungo da generare calore di attrito nell’area dell’impronta.
Miglioramenti del sistema frenante
I freni degli aerei non sono più semplici come una volta. A parte i tipi di base discussi in precedenza, aerei anche pack alcuni miglioramenti che aiutano a migliorare le prestazioni dei freni degli aerei. I più comuni disponibili includono protezione antiscivolo, freno automatico e indicatori di temperatura del freno.
Protezione antislittamento
Quando i freni degli aerei sono applicati, c’è un’alta probabilità che le ruote degli aerei possano cominciare a slittare. Per evitare che ciò accada e per mantenere la massima frenata efficace, ogni ruota è dotata di protezione antiscivolo.
Un sistema di protezione antiscivolo utilizza vari meccanismi per confrontare la velocità dell’aeromobile con la velocità di rotazione di ciascuna ruota principale. In un caso in cui la velocità di una ruota è troppo lenta rispetto alla velocità dell’aeromobile, il freno su quella ruota viene rilasciato per un po ‘ al fine di evitare lo slittamento.
I sistemi antiscivolo sono progettati per ridurre al minimo l’idroplaning e il potenziale danno agli pneumatici che può verificarsi quando una ruota è bloccata o ruota a una velocità che non corrisponde alla velocità dell’aeromobile. L’anti-skid rimuove anche la possibilità di pattini in gomma ripristinati causati da ruote bloccate.
Freno automatico
I sistemi di freno automatico possono essere utilizzati al decollo dove forniscono la massima frenata in caso di decollo respinto. Possono anche essere utilizzati durante l’atterraggio dove forniscono un tasso di decelerazione programmato a seconda del livello di auto-freno selezionato in una singola applicazione del freno. Queste caratteristiche si combinano per ottimizzare l’utilizzo del freno rispetto al requisito e anche per ridurre al minimo l’usura dei freni.
Indicatori di temperatura del freno
È molto importante monitorare gli elevati livelli di calore generati dall’attrito nel sistema frenante. Pertanto, il ponte di volo ha una pagina sinottica della ruota in cui viene visualizzata la temperatura di ciascuna unità frenante. In questa pagina sinottica, i valori numerici della temperatura del freno sono mostrati accanto a ciascuna ruota. Un valore di 0-4.9 è nell’intervallo normale. Quando una lettura della temperatura supera 5.0, viene inviato un messaggio di avvertimento ai piloti.
Nel caso in cui i freni diventino troppo caldi, c’è la possibilità che il calore trasferito alle ruote possa causare l’esplosione dei pneumatici. Per evitare che ciò accada, quando viene raggiunta una certa temperatura, i tappi dei fusibili nei pneumatici si sciolgono. Ciò consente all’aria di essere rilasciata in modo sicuro e sgonfia lentamente i pneumatici.
Requisiti di certificazione dei freni degli aerei
Molti requisiti di certificazione regolano l’approvazione, la sostituzione e la modifica dei freni degli aerei. In generale, è necessario che il sistema di frenatura di un aeromobile abbia la capacità di fermare l’aeromobile al massimo peso al decollo certificato con il decollo respinto avviato alla velocità di decisione.
Il processo di certificazione deve essere fatto con tutti i freni usurati vicino al loro limite di servizio (nominalmente 10% lasciato sulla durata della vita). Inoltre, il dissipatore di calore del freno e della ruota deve essere abbastanza robusto da non richiedere alcun intervento in termini di lotta antincendio o raffreddamento artificiale per 5 minuti dopo l’arresto dell’aeromobile.
Altri requisiti di certificazione richiedono che i componenti delle ruote, dei freni e dei sistemi di frenatura siano progettati per:
- Resistere a tutte le pressioni e carichi, applicati separatamente e in combinazione, a cui possono essere sottoposti in tutte le condizioni operative per le quali l’aereo è certificato.
- Consentono l’applicazione simultanea delle funzioni di frenatura normale e di emergenza, salvo che siano state adottate altre misure progettuali appropriate per prevenire tale eventualità.
- Soddisfare tutti i requisiti relativi ai requisiti di assorbimento di energia senza utilizzare dispositivi di raffreddamento secondari (ad esempio ventole di raffreddamento, ecc.).
Incidenti legati alla frenata
I due principali fattori associati alla frenata che possono causare incidenti o incidenti aerei sono i freni surriscaldati e il guasto ai freni. I freni surriscaldati possono, a loro volta, causare una perdita di prestazioni di frenata, incendio e deflazione dei pneumatici.
Un incidente legato ai freni è stato lo schianto di un aereo di linea Swearingen a 19 posti turboelica nel 1998. C’era un incendio nel pozzo della ruota causato dal surriscaldamento dei freni. Il surriscaldamento continuò fino a quando l’ala sinistra dell’aereo fallì rendendo l’aereo incontrollabile.
Al giorno d’oggi, gli indicatori di temperatura dei freni vengono controllati frequentemente per garantire che non ci sia surriscaldamento. In caso di surriscaldamento, il pilota a volte lascia la marcia verso il basso per un periodo prolungato a condizione che ciò non abbia un impatto sulle prestazioni di salita.
Sommario
I sistemi frenanti sono una parte molto vitale di un aeromobile. Dai tempi dei paracadute drogue, i freni si sono evoluti in sistemi multidisco e controllati elettronicamente più complessi. E grazie all’innovazione dei materiali, ora sono più resistenti e affidabili che mai.
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