É incrível o suficiente para que os aviões podem voar. Mas vencer a gravidade e fazer com que os aviões deslizem pelos céus não é suficiente. Como podemos fazer com que essas enormes protuberâncias de metal se movam a uma velocidade tão alta para retornar a um estado de repouso? Esta foi a pergunta exata com a qual os primeiros projetistas do avião foram confrontados. Embora a maioria das primeiras aeronaves não tivesse sistemas de frenagem, a abordagem para realizar essa tarefa mudou significativamente ao longo dos anos.
quando comparados com os freios do seu carro, os freios do avião são mais complexos e vêm em uma forma muito mais pesada. Hoje, os aviões são equipados com diferentes sistemas de frenagem, incluindo freios a disco, freios a ar, reversores de empuxo e outros tipos de aprimoramentos do sistema de freio. No entanto, em geral, esses freios podem ser classificados em dois grupos: freios a ar e freios de pouso.
em essência, os freios a ar são usados para reduzir a velocidade da aeronave no ar. É por isso que eles também são chamados de freios de velocidade. Os freios a ar desaceleram o avião abrindo-se de uma maneira que aumenta o arrasto sem afetar significativamente a sustentação. Eles também podem ser usados às vezes para aumentar o ângulo de aproximação do avião no processo de pouso.
pelo contrário, os freios de pouso incluem todos os diferentes Freios envolvidos na redução da velocidade do avião quando ele está se aproximando do solo e no solo. Como os freios de pouso precisam trazer a aeronave para descansar, eles precisam reduzir a sustentação e aumentar o arrasto. Os freios a disco são os principais componentes do sistema de freio de pouso. Eles serão, portanto, o foco principal de muitas seções deste artigo.
Índice
história dos freios de avião
os primeiros aviões projetados não incluíam nenhum sistema de freio. A pergunta evidente então aparece. Se essas aeronaves não tinham freios, como pousaram?
curiosamente, os pilotos tiveram que confiar em alguns outros fatores. No lugar dos freios, eles dependiam da baixa velocidade da aeronave, superfícies macias do aeródromo e fricção. Mas isso não poderia mais ser suficiente, pois o peso e o tamanho do avião aumentaram e as tecnologias de aviação melhoraram ao longo dos anos.
após a Primeira Guerra Mundial, os primeiros sistemas de freio foram projetados para uso em aeronaves. O primeiro tipo de freio usado em uma aeronave é o pára-quedas drogue. Um pára-quedas drogue é um pára-quedas preso à parte traseira de um avião que é implantado logo antes do pouso para desacelerar a aeronave. O pára-quedas drogue foi inventado em 1912 por um russo Gleb Kotelnikov. Mas eles não entraram em pleno uso na aviação até 1937.
outro tipo de freios de aeronaves que receberam admissão antecipada em aviões comuns são os sistemas de freio a ar. No entanto, na época, eles estavam principalmente na forma de abas simples controladas manualmente por uma alavanca no cockpit. Seguindo de perto estavam os freios a disco. Os freios a disco foram desenvolvidos pela primeira vez na Inglaterra na década de 1890, mas foram usados anteriormente apenas em automóveis e trens de passageiros ferroviários. Não foi até pouco antes da Segunda Guerra Mundial que os freios a disco foram usados pela primeira vez na aviação. Desde então, os sistemas de freio de aeronaves se desenvolveram a partir dos freios de aço multi-disco para sistemas de frenagem elétrica mais avançados.
tipos de travões de aeronaves
na aviação hoje, a maioria das aeronaves usa principalmente freios a disco. Normalmente, em um sistema de Freio A Disco, um disco gira junto com o conjunto da roda giratória. Quando os freios são aplicados, uma pinça estacionária resiste ao movimento rotacional deste disco, causando atrito contra o disco. A complexidade e o design de um sistema de freio a disco geralmente dependem do peso, tamanho e velocidade de pouso da aeronave. Os tipos mais comuns de freios a disco usados em aeronaves são freios a disco simples, duplos e múltiplos.
Freios A Disco único
um único disco é normalmente suficiente para frear uma aeronave pequena e leve de forma eficaz. Este disco é fechado ou aparafusado a cada uma das rodas da aeronave. Para frear o avião, o atrito é aplicado em ambos os lados do disco usando uma pinça não rotativa Presa ao flange do trem de pouso. O movimento da pinça é iniciado por pistões dentro dela. Esses pistões, sob pressão hidráulica, forçam as pastilhas ou revestimentos de freio contra o disco rotativo quando o freio é aplicado.
os freios a disco simples podem ser freios a disco flutuantes ou freios a disco fixos. A principal diferença entre os freios a disco flutuantes e fixos é que, quando uma pastilha de freio é empurrada em um freio a disco flutuante, a pinça se move de tal forma que a pastilha oposta toca o disco. No entanto, em freios a disco fixos, os pistões em ambos os lados do disco se movem simultaneamente para empurrar as pastilhas contra o disco.
Freios A Disco duplos
em aeronaves maiores, os freios a disco simples não podem produzir uma quantidade suficiente de atrito de frenagem necessário para parar ou desacelerar o avião. Freios a disco duplos são freqüentemente usados em tais aeronaves. Nos freios a disco duplos, dois discos são chaveados para a roda em vez de um. Há uma transportadora central com revestimentos de cada lado localizados entre os dois discos. Cada vez que os freios são aplicados, esses revestimentos entram em contato com cada um dos discos.
Travões de disco múltiplos
freio a disco múltiplo
as aeronaves maiores e mais pesadas exigem o uso de vários freios a disco. Esses tipos de freios são construídos para fins pesados. São usados com as peças da máquina como válvulas de controle do freio do poder ou cilindros mestres do impulso do poder.
os freios a disco múltiplos utilizam um suporte de rolamento estendido que se assemelha a uma unidade do tipo tubo de torque. Este portador é aparafusado à flange do eixo e fornece o apoio para as peças diferentes do freio. Essas peças incluem o cilindro anular e o pistão, uma alternância de discos de aço e cobre ou banhados a bronze, uma placa traseira e um retentor de placa preta.
o suporte do rolamento se conecta aos estatores, que são feitos de aço, enquanto a roda rotativa possui discos revestidos de cobre ou bronze que são chaveados. Todo o conjunto de estatores e rotores é comprimido quando a pressão hidráulica é aplicada ao pistão. O resultado final é a produção de uma grande quantidade de calor e fricção que, por sua vez, reduz a velocidade de rotação da roda.
freios a ar e reversores de empuxo
além dos freios a disco, outros tipos comuns de freios de aeronaves incluem freios a ar e reversores de empuxo. Como mencionado anteriormente, os freios a ar são usados para aumentar o arrasto atuando em um avião no ar. Ao aumentar o arrasto, os freios a ar são usados para reduzir a velocidade do avião. Os tipos mais comuns de freios a ar são dumpers e flaps de elevação.
os inversores de empuxo desaceleram o avião desviando temporariamente o empuxo gerado pelo motor da aeronave para que ele se oponha à viagem para a frente da aeronave. Reversores de empuxo são freqüentemente usados quando o avião já está no chão. Eles ajudam a reduzir o desgaste dos freios e tornam a distância de pouso mais Curta.
Reversor De Empuxo
Como Funcionam Os Freios Das Aeronaves?
nesta seção, vamos nos concentrar principalmente nos princípios de trabalho dos freios a disco—o tipo mais comum de freios em aeronaves modernas. Como sabemos agora, os freios a disco dependem do atrito entre discos rotativos e estacionários dentro dos freios para funcionar. Os sistemas de freio a disco são iniciados por meio de um sistema de Freio Automático ou pelo piloto pressionando um pedal.
uma vez que o freio recebe o sinal de iniciação, os atuadores dentro do freio movem um pistão que aperta o disco juntos. Uma força de atrito é gerada no processo que, por sua vez, reduz a velocidade de rotação da roda. Durante esse processo, o atrito entre os discos converte a energia cinética da aeronave em energia térmica.
os freios das aeronaves absorvem uma enorme quantidade de calor que muitas vezes pode exceder 1800°C. Toda vez que os freios são aplicados, o material do disco experimenta muito desgaste devido ao excesso de forças de atrito envolvidas. Após várias aplicações (centenas normalmente), os discos começam a ficar mais finos. É por isso que eles geralmente exigem substituição após intervalos periódicos de manutenção.
de que Materiais são feitos os freios de avião?
por muito tempo, a maioria dos freios de aeronaves foi feita de aço. Não foi até 1963 que o berílio foi introduzido como material de freio de aeronave. O uso de berílio, no entanto, veio a seu próprio custo. Embora o berílio proporcionasse propriedades térmicas altamente aprimoradas—o que é uma consideração importante no projeto dos freios das aeronaves-também houve dificuldades no manuseio do material devido à natureza tóxica do óxido de berílio.
hoje, aviões comerciais modernos fazem uso de freios de carbono. Os freios de carbono tornaram-se amplamente aceitos na década de 1980. e eles geralmente têm um bom desempenho em muitos índices. Por exemplo, freios de carbono feitos de fibras de carbono em uma matriz de grafite são mais leves, mais estáveis termicamente, esfriam mais rápido e podem absorver melhor a energia.
graças ao calor específico mais alto do carbono, os freios de carbono sempre pesam menos do que os freios de aço. O carbono também tem uma menor expansão térmica, maior resistência ao choque térmico e um limite de temperatura mais alto que o aço. Ao contrário do aço e do berílio, o carbono tem uma resistência específica mais constante em uma ampla gama de temperaturas. O aço e o berílio também normalmente exibem um declínio acentuado na resistência específica em altas temperaturas superiores a 650°C.Recentemente, a Safran Landing Systems se gabou de que os freios de carbono Resistentes à oxidação Sepcarb III de seus Boeing 787s são 4 vezes mais leves que os freios de aço. Eles também alegaram que os freios têm 3 vezes mais resistência e 2 a 3 vezes maior capacidade de absorção. Outros fabricantes também empregam outros materiais ao construir Freios. Por exemplo, o Cerametalix da Honeywell é uma combinação sinterizada de metais em pó e cerâmica.
fatores considerados na construção de freios
simplificando, o principal fator que decide o tipo de Sistema de frenagem empregado em uma aeronave é o tamanho da aeronave. Este fator define então certos parâmetros que devem ser levados em consideração ao projetar os freios. Esses parâmetros primários de projeto incluem o número de discos, o diâmetro dos discos e o material dos discos.
outro conceito importante que aparece no projeto de freio de aeronaves é um cenário de pior caso chamado decolagem rejeitada (RTO). RTO ocorre em uma velocidade máxima de rolamento comumente chamada de velocidade de decisão. Em velocidades além dessa velocidade de decisão, uma decolagem não pode ser abortada com segurança sem colocar a aeronave em risco significativo de não poder parar antes do final da pista. Os freios das aeronaves são projetados para absorver mais energia em tais circunstâncias.
normalmente, antes de projetar o sistema de freio de um avião, sua energia cinética durante o RTO é calculada. A quantidade de força de atrito necessária para conquistar essa energia também é determinada. Para gerar as forças de atrito necessárias, grandes aeronaves de transporte comercial normalmente exigem vários discos por conjunto de freio e freios na maioria, se não todas, de suas rodas.
A380
por exemplo, um A380 tem 22 rodas distribuídas em cinco pernas do trem de pouso para suportar seu peso maciço. Essas rodas são distribuídas dessa maneira:
- 2 rodas de nariz em uma perna abaixo do nariz da aeronave;
- 8 rodas de asa divididas entre duas pernas que se dobram sob a fuselagem para apoiar as asas esquerda e direita e;
- 12 rodas do corpo divididas entre duas pernas do trem de pouso interno sob a fuselagem.
dezesseis dessas rodas têm freios (quatro deles são rodas do corpo e as rodas do nariz não são travadas).
onde estão os freios localizados em um avião?
diferentes tipos de sistemas de freio de avião são colocados em diferentes partes do avião. Hoje, os freios a disco da aeronave sempre podem ser encontrados no trem de pouso, freios a ar—nas asas e reversores de empuxo—no motor. Mas estas são peças mecânicas que não são vistas ou controladas pelo piloto durante o vôo.
a maioria dos freios de aeronaves modernos são ativados a partir da seção superior dos pedais do leme. Este tipo de freios é chamado de freios toe. Nos freios dos pés, a parte superior dos pedais do leme é conectada diretamente ao sistema de freio. No entanto, é altamente necessário aplicar freios no momento certo. Se forem aplicados quando o avião estiver se movendo em alta velocidade na pista, isso pode resultar em uma mudança violenta de direção.
mas nem todos os aviões têm freios no dedo do pé. Algumas aeronaves mais antigas estão equipadas com freios de Calcanhar. Os pilotos acham mais difícil aplicar esse tipo de freio. Um tipo ainda mais raro de freios de aeronaves é o freio de mão. Em algumas outras aeronaves como Cessna e Mooney, o piloto é obrigado a primeiro aplicar os freios dos pés e, em seguida, puxar um botão para travar os freios.
Como Os Pilotos Controlam Os Freios Do Avião?
os sistemas de freio de aeronaves são meras peças mecânicas, em alguns casos uma combinação de peças mecânicas e eletrônicas. Essas peças devem ser implantadas e controladas pelo piloto. Os freios podem ser ativados manualmente pelo piloto ou usando Freios automáticos. Os freios automáticos, assim como o nome indica, são sistemas eletrônicos que são ativados automaticamente à medida que o avião se aproxima do solo pouco antes do touchdown.
a maioria das rodas de qualquer avião moderno está equipada com uma unidade de freio. O nariz e a roda traseira, no entanto, não têm freios. Em qualquer avião típico, os pilotos podem controlar os freios usando as ligações mecânicas ou hidráulicas ao pedal do leme.
o freio na(S) roda (s) principal (s) direita (s) é ativado quando o piloto pressiona a parte superior do pedal direito. Da mesma forma, quando o piloto empurra a parte superior do pedal do leme esquerdo, ele ativa o freio na roda/rodas principais esquerdas.
no entanto, algumas novas aeronaves eliminam o uso do sistema hidráulico e empregam eletricidade para acionar os freios. Um excelente exemplo dessa abordagem é o 787 Dreamliner. Ir com um sistema de freio elétrico permite que os projetistas reduzam consideravelmente o peso do avião.
neste sistema, quando os pilotos pressionam os pedais do freio, um sinal elétrico é enviado para a unidade de freio na roda. Os atuadores eletricamente alimentados são então usados para pressionar o disco de freio de carbono contra a roda. Isso consequentemente retarda a aeronave.
Com Que Frequência Os Freios De Avião São Substituídos?
devido aos altos níveis de mudanças de temperatura que os freios das aeronaves sofrem, eles devem ser substituídos com frequência. Em geral, após aproximadamente 1000 a 2000 pousos, os freios das aeronaves são levados para uma verificação de manutenção. Cada sistema de travagem tem um pino localizado dentro do freio. Este pino é essencialmente um indicador que ajuda a detectar o nível de desgaste que o freio experimentou.
a frequência de substituição do freio em aeronaves também depende em grande parte do tipo de material do freio. Em média, os freios de aço têm uma vida útil de 1.100 ciclos entre reparos e substituição. Pode-se, no entanto, esperar entre 1.500 e 2.000 ciclos de pouso de freios de carbono pelas mesmas razões discutidas anteriormente.
durante as reparações, as partes comuns do sistema de travagem que são substituídas são os revestimentos e os discos. Os engenheiros de manutenção geralmente podem consultar o manual do fabricante para obter procedimentos adequados de invasão ao trabalhar em novos freios.
custo de substituir e reparar freios de aeronaves
comprar, substituir e reparar freios de aeronaves pode ser um processo enervante. Além do custo monetário, encontrar as partes certas para fazer uma ótima compra também pode ser demorado. O custo de uma nova unidade de freio de aeronaves pode variar em uma ampla gama de figuras. Um bom exemplo, no entanto, é o Boeing 777. Um conjunto completo de freios de 12 peças de um Boeing 777 custa aproximadamente US $100.000. Por outro lado, os conjuntos de freios de aeronaves menores custam significativamente menos.
em 2019, estimou-se que a demanda total de MRO (Manutenção, Reparo e Operações) por rodas e freios de aeronaves era de US $2,5 bilhões. Isso mostra que este é um mercado em alta demanda. O custo de reparar o freio da aeronave pode ser muito imprevisível. Depende principalmente do componente do sistema de freio que precisa ser substituído.
o preço de um forro de freio orgânico ou metálico padrão típico de Cleveland pode facilmente variar de US $12,25 a US $469. Os discos de freio do mesmo fabricante o atrasarão de US $149,75 a US $1769. Alguns outros componentes, como rebites, válvulas e kits de relina, também podem precisar de substituições. Então, é difícil dizer o que se deve esperar de antemão.
como a água e o gelo impactam o desempenho de frenagem?
quando um avião pousa em uma pista molhada ou gelada, ele está constantemente espremendo a água do piso. Essa ação de compressão gera pressões de água que podem não apenas levantar partes do pneu da pista, mas também reduzir a quantidade de atrito que o pneu pode desenvolver. Essa ação é chamada de hidroplanagem.
a hidroplanagem causa atrito entre o pneu e o solo, que pode ser baixo em altas velocidades e melhorar à medida que a velocidade reduz. Existem três tipos de hidroplanagem, ou seja, hidroplanagem de borracha viscosa, dinâmica e revertida.
a hidroplanagem viscosa é o efeito mais comum que as pistas molhadas têm no desempenho de frenagem das aeronaves. Ocorre em todas as pistas molhadas e é um termo técnico usado para descrever a derrapagem usual ou a ação lubrificante da água. Embora a hidroplanagem viscosa reduza o atrito, não é a um nível tão baixo que a roda não possa ser girada logo após o touchdown para iniciar o sistema antiderrapante.
no caso de uma hidroplanagem dinâmica altamente rara, o pneu decola completamente da pista, causando uma perda muito substancial de atrito do pneu que pode impedir um giro da roda. A hidroplanagem de borracha revertida, por outro lado, pode ocorrer sempre que um pneu travado derrapar ao longo de uma pista muito molhada ou gelada por um tempo suficiente para gerar calor friccional na área de pegada.
melhorias no sistema de freio
os freios das aeronaves não são mais tão simples quanto costumavam ser. Além dos tipos básicos discutidos anteriormente, os aviões também trazem alguns aprimoramentos que ajudam a melhorar o desempenho dos freios das aeronaves. Os mais comuns disponíveis incluem proteção antiderrapante, freio automático e indicadores de temperatura do freio.
proteção anti-derrapante
quando os freios das aeronaves são aplicados, há uma alta probabilidade de que as rodas dos aviões possam começar a derrapar. Para impedir que isso aconteça e manter a frenagem máxima efetiva, cada roda está equipada com proteção antiderrapante.
um sistema de proteção anti-derrapante usa vários mecanismos para comparar a velocidade da aeronave com a velocidade de rotação de cada roda principal. Em um caso em que a velocidade de uma roda é muito lenta em comparação com a velocidade da aeronave, o freio nessa roda é liberado por um tempo para evitar derrapagens.
os sistemas antiderrapantes são projetados para minimizar a hidroplanagem e o potencial dano ao pneu que pode ocorrer quando uma roda está travada ou girando a uma velocidade que não corresponde à velocidade da aeronave. Anti-skid também remove a possibilidade de derrapagens de borracha revertidas causadas por rodas bloqueadas.
Freio Automático
os sistemas de Freio Automático podem ser usados na decolagem, onde proporcionam frenagem máxima Em caso de decolagem rejeitada. Eles também podem ser usados durante o pouso, onde fornecem uma taxa programada de desaceleração, dependendo do nível de freio automático selecionado em uma única aplicação de freio. Essas características se combinam para otimizar o uso do freio em relação ao requisito e também para minimizar o desgaste do freio.
indicadores de Temperatura Do Freio
é muito importante monitorar os altos níveis de calor gerados como resultado do atrito no sistema de freio. Portanto, a cabine de comando possui uma página sinóptica da roda, onde a temperatura de cada unidade de freio é exibida. Nesta página sinóptica, valores numéricos da temperatura do freio são mostrados ao lado de cada roda. Um valor de 0-4,9 está na faixa normal. Quando uma leitura de temperatura excede 5,0, uma mensagem de advertência é enviada aos pilotos.
no caso de os freios ficarem muito quentes, há uma chance de que o calor transferido para as rodas possa fazer com que os pneus explodam. Para impedir que isso aconteça, quando uma certa temperatura é atingida, os plugues de fusível nos pneus derretem. Isso permite que o ar seja liberado com segurança e esvazia lentamente os pneus.
Requisitos de certificação de freios de aeronaves
muitos requisitos de certificação regem a aprovação, substituição e modificação de freios de aeronaves. Em geral, é necessário que o sistema de travagem de uma aeronave tenha a capacidade de parar a aeronave no peso máximo de decolagem certificado com a decolagem rejeitada iniciada na velocidade de decisão.
o processo de certificação deve ser feito com todos os freios desgastados perto de seu limite de serviço (nominalmente 10% restantes na vida útil). Além disso, o dissipador de calor do freio e da roda deve ser robusto o suficiente para que nenhuma intervenção em termos de combate a incêndio ou resfriamento artificial seja necessária por 5 minutos após a interrupção da aeronave.
Outros requisitos de certificação exigem que os componentes das rodas, travões, sistemas de frenagem e deve ser projetado para:
- Resistir a todas as pressões e cargas aplicadas, separadamente e em conjunto, para que eles podem ser submetidos em todas as condições de operação para o qual a aeronave é certificada.
- acomodar aplicações simultâneas de funções de travagem normais e de emergência, exceto que outras medidas de projeto apropriadas foram tomadas para evitar tal contingência.
- satisfaça todas as exigências relativas às exigências da absorção de energia sem fazer uso de dispositivos refrigerando secundários (por exemplo ventiladores de refrigeração, etc.).
acidentes relacionados com a travagem
os dois principais fatores associados à frenagem que podem causar acidentes ou acidentes com aeronaves são freios superaquecidos e falha no freio. Freios superaquecidos podem, por sua vez, causar perda de desempenho de frenagem, incêndio e deflação de pneus.
um acidente relacionado ao freio foi o acidente de um turboélice de 19 lugares Swearingen avião comercial em 1998. Houve um incêndio no poço da roda causado pelo superaquecimento dos freios. O superaquecimento continuou até que a asa esquerda do avião falhou tornando a aeronave incontrolável.
Atualmente, os indicadores de temperatura dos freios são verificados com frequência para garantir que não haja superaquecimento. No caso de superaquecimento, o piloto às vezes deixa a marcha para baixo por um longo período, desde que isso não tenha impacto no desempenho da subida.
resumo
os sistemas de freio são uma parte muito vital de uma aeronave. Desde os dias dos pára-quedas drogue, os freios agora evoluíram para sistemas multi-disco e controlados eletronicamente mais complexos. E graças à inovação de materiais, eles agora são mais duráveis e confiáveis do que nunca.
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