ترمزهای هواپیمای جت

[spow 44197]

پیشرفتهای بوجود آمده در تکنولوژی مواد، روشهای طراحی و آزمون های بعد از ساخت موجب گردیده که در کیفیت و کارائی ترمزهای هواپیماهای جت امروزی بطور چشمگیری بهبود حاصل شود و بدون اینکه فضای بیشتری را اشغال کند دارای اوزون کمتری نسبت به ترمزهای قدیمی باشد. بکارگیری مواد مرکب و فلزاتی که نسبت استحکام به وزن آنها بالاست و نیز استفاده از تحلیل های پیچیده کامپیوتری از جمله عوامل کلیدی این پیشرفتها بحساب می آید. بهبود کیفی در کارائی ترمزها در آینده با استفاده از مواد پیشرفته عایق دار یا دافع گرما، سازه های کامپوزیتی، سیستم های کامل کننده متناوب و سیستم کنترل گرمائی پیشرفته صورت خواهد گرفت. سیستم های ترمز هواپیمای امروزی از انواع اولیه که در آن برای بحرکت آوردن هواپیما بر روی باند از چرخهای اتومبیل و برای کند کردن سرعت آن از پایه های کمک دار دم هواپیما استفاده می شد، بمراتب پیشی گرفته است. چرخها و ترمزهای جدید به هم وابسته اند و در ساخت آنها از روش های پیشرفته مهندسی استفاده شده و نمونه های چندگانه ای از پیشرفت تکنولوژی مواد را به نمایش درآورده است.

 

▪ اجزای اصلی بکار رفته در سیستم ترمز یک هواپیمای پیشرفته امروزی بعنوان نمونه بقرار زیر است:

 

۱) ترمزی که در آن سیستم هیدرولیکی با فشار زیاد استفاده شده، قطعات آن از مواد مرکب کربنی، تیتانیوم، فولاد با استحکام زیاد و آلومینیوم ساخته شده تا بتواند گرمای بسیار زیاد را جذب و سپس دفع کند.

 

۲) استفاده از یک سیستم کنترل ترمز یکپارچه و کامپیوتری با بهره گیری از سنسورهای پیشرفته و تکنولوژی کنترل ارتباط سیستماتیک و عملکردهای خودآزما.

 

۳) استفاده از چرخهائی که دارای شکل پیچیده ای بوده و از آلومینیوم با استحکام زیاد ساخته شده و دارای سپر حرارتی ایمنی بعد از خرابی باشد. همچون سایر اجزای اصلی هواپیما، طراحی سیستم ترمز نیز با محدودیت ها و نیازهای ضد و نقیضی همراه است. وزن کم، کارائی بالا، تعمیرات اندک، قابلیت اطمینان زیاد، دوام زیاد و هزینه کم ویژگیهایی است که سیستم ترمز باید تواماً بهمراه داشته باشد. در ادامه این بحث بر طرحهای اصولی بکار رفته در ترمز هواپیمای امروزی مروری کوتاه نموده و بطور خلاصه به پیش بینی پیشرفتهای آینده نیز خواهیم پرداخت. چرخ هواپیما و سیستم ترمز آن بصورت یکپارچه طراحی می شود، آنچنانکه منطبق با ویژگیهای یک هواپیمای مشخص و مورد نظر باشد. کارآئی چرخ و ترمز آن با استفاده از طراحی کامپیوتری، مدلسازی پیچیده و روش های شبیه سازی تحلیلی، در مرحله طراحی به حد مطلوب می رسد. چرخ هواپیما از نوع دو تکه ساخته می شود تا سوار کردن «تایر» آسان باشد. و نیز دارای اندکی انحراف است تا فضای ترمز بیشتری را فراهم آورد. برای حفاظت چرخها در برابر گرمای حاصل از ترمز از پوشش های عایق استفاده می گردد. از طرف دیگر مکانیزمهای ایمنی از قبیل فیوزهای حرارتی و سوپاپهای اطمینان در آن بکار می رود.

 

سیستم ترمزها از دیسک های ثابت و متحرک (چرخشی) چند لایه ای و اصطکاکی تشکیل یافته است . این دیسکهای اصطکاکی که قسمت اعظم گرما را بخود جذب می کند، بوسیله اجراء سازه ای چندی از قبیل پیستونهای عمل کننده فشاری، پوسته تنظیم، قسمت انتقال گشتاور (که گشتاور را به ارابه فرود یا چرخ هواپیما منتقل می سازد) و یک صفحه ترمز ثابت (که بعنوان یک نگهدارنده سازه ای در جذب گرما عمل می کند) محصول گردیده است. ترمز با فشار هیدرولیکی عمل می کند و انرژی جنبشی هواپیما را به گشتاور کندشونده ای بدل می سازد. سیستم کنترل ترمز ، خود سطوح فشار ترمز را تعدیل می کند تا کارآئی آنرا در متوقف ساختن هواپیما به حد دلخواه برساند. ضمناً یک سیستم «ضدسرخوردگی» در آن بکار رفته تا فاصله (یا زمان) متوقف ساختن هواپیما را به حداقل برساند، هدایت سمتی را برای آن تأمین نمایند و از ترکیدن لاستیک ها جلوگیری بعمل آورد. علاوه بر آن یک مکانیزم ترمز خودکار که فرامین مربوط به علمکرد کار پیش ترمز و میزان کاهش سرعت را آماده می سازد، می تواند بخشی از سیستم کنترل ترمز هواپیما باشد. سنسورهای مربوط به سرعت چرخها، دستگاه پردازش علائم یا دستگاه مقایسه گر (کامپیوتری) و سوپاپهای تنظیم، جملگی از اجزای عمده سیستم کنترل ترمز هواپیما بشمار می رود. تکامل چرخ هواپیما از انواع چرخهای پره دار اتومبیل آغاز شده، چرخهای ریخته گری آلومینیومی و منیزیمی را پشت سر گذاشته، و عموماً از انواع چرخهای آلومینیومی دو تکه ساخته شده به روش آهنگری (فورج) استفاده می شود. چشمگیرترین پیشرفت در طراحی چرخهای هواپیما، کاهش وزن و حجم و افزایش کارایی آن است.

 

[spow 44197]

▪ عمده ترین اهداف در طراحی چرخ های هواپیما بشرح زیر خلاصه می شود:

 

۱) افزایش عمر چرخشی یکی ازآزمایشهائی که برای ارزیابی کیفی چرخهای هواپیما انجام می شود، بررسی میزان عمر چرخشی آن می باشد.(این مقدار اکنون از ۲۵۰۰۰ مایل در مورد هواپیماهای حمل و نقل ارتشی مانند هواپیمای c ۱۷ تا ۵۰۰۰۰ مایل برای هواپیماهای جت مسافربری امروزی متغیر می باشد).

 

۲) تداوم ایمنی بعد از خرابی چرخهای هواپیماهای امروزی طوری طراحی شده تا در مقابل خرابی های حاصل از خستگی مقاومت داشته و عیوب مرگبار و انفجارآمیز را در پی نداشته باشد (که البته شامل طراحی چرخهائی می شود که بعد از بوجود آمدن حداکثر خرابی در آن، در لبه حمل چرخها یا در محل قرار گرفتن طوقه داخلی لاستیک در روی رینگ خللی وارد نگردد).

 

۳) افزایش ایمنی در برابر پوسیدگی و فساد با بکارگیری سیستمهای محافظت در برابر خوردگی و پائین آمدن میزان تنش در سطوح حساس چرخ و انجام عملیات تشخیص خوردگی و زنگ زدائی بطور مکرر، از میزان نقیصه هائی که در چرخ هواپیما بوجود می آید و منشاء آن خوردگی و زنگ زدگی می باشد کاسته و به حداقل رسانده می شود.

 

۴) بکارگیری سیستمهای محافظ گرما بهبود در تونائی های ترمز هواپیما بویژه ترمزهای کربنی، با افزایش گرماپذیری آن (در هنگام گرفتن ترمز) حاصل گردیده است. ایجاد حفاظت گرمائی در چرخ، ایجاد محدودیت در مسیر جریان حرارت، خنک کردن چرخ، نصب مهره های ذوب شونده برای خنک کردن محیط یاد شده لاستیک، از جمله ترفندهای کلیدی در طراحی چرخهای پیشرفته امروزی است که برای جلوگیری از وقوع فاجعه در نظر گرفته شده است. علاوه بر اهداف فوق، نوع لاستیک بکار رفته در چرخ نیز در طراحی آن مؤثر است. لاستیک های رادیال و شعاعی ممکن است «بار»ها را به شکل متفاوتی بر چرخ اعمال نماید. بنابراین هنگام طراحی، میزان این «بار» ها بخصوص اگر تعویض پذیری آن مد نظر باشد باید بوسیله طراح مراعات شود. با توجه به این واقعیت، طراحی چرخهایی که بتواند چنین توقعات مشکل و فزاینده ای را برآورده سازد و از طرفی در میزان وزن و حجم آن نیز افزایش چندانی حاصل نگردد، در واقع مقدار زیادی مدیون بکارگیری و توسعه روش های نوین و شبیه سازی های کامپیوتری می باشد. تکنیکهای تحلیلی که در طراحی چرخها بخدمت گرفته می شود شامل تجزیه محدود سطوح تنش و مدل سازی حرارتی سیستمهای چرخ و ترمز می باشد. با استفاده از روش کامپیوتری، چرخ هواپیما از موادی ساخته می شود که بتواند «بار»های وارد را تحمل کند، عمر آن زیاد و ویژگیهای حرارتی و وزن آن اندک باشد. با استفاده از این روش های کامپیوتری، طراحی، ساخت و ارزیابی مدل های جدید چرخ در زمان کوتاهی صورت می پذیرد. خلاصه اینکه بکارگیری و توسعه روشهای مدل سازی کامپیوتری و تحلیلی درتعیین قسمتهای حساس و عیوب احتمالی و سطوح حرارتی چرخهای هواپیما، صنایع تولید کننده را قادر ساخته تاآنرا با حداقل وزن، عمر زیاد، نیاز تعمیراتی اندک و ایمنی بیشتر تولید نمایند. می توانیم انتظار داشته باشیم روند بهبود در کیفیت چرخها با تکامل مواد اصلی سازنده آن همچنان با تداوم همراه باشد. یکی از عوامل عمده که در توسعه و ساخت چرخهای هواپیماهای فعلی و آتی نقش کلیدی دارد، توجه به مواد تشکیل دهنده سازه چرخ می باشد.

[spow 44197]

▪ ویژگیهای عمده مواد فوق بقرار زیر است:

 

مقاومت در برابر خستگی و استحکام استاتیکی.

 

مقاومت در برابر حرارت زیاد. مقاومت در برابر خوردگی.

 

قیمت ارزان گرچه سالهای بسیاری است که صنایع ازآلیاژهای آلومینیوم فورج شده «۲۰۱۴ t۶» یا «t ۶۱» بعنوان فلز استاندارد برای ساختن چرخها استفاده می کنند، لیکن همچنان به بررسیهای خود برای جایگزین نمودن مواد جدید ادامه می دهند تا در کیفیت چرخها بهبود بیشتری حاصل شود. با بکارگیری آلیاژهای آلومینیومی پیشرفته، معیارهای جدیدی از لحاظ استحکام و دوام بیشتر درمقابل حرارت زیاد، مقاومت در برابر خستگی و حرارت زیاد ومقاومت در برابر خوردگی و ترک خوردگی، بوجود در می آید. انجام این بهینه سازی ها بطور چشمگیری کیفیت تعمیرپذیری و قابلیت اطمینان چرخها را افزایش خواهد داد. علاوه بر آن، چرخهای ساخته شده از الیاف کامپوزیتی و مواد مرکب از قبیل مواد مرکب کربنی یا گرافیتی و فایبرگلاس، سبکی وزن و میزان خرابی مجاز بیشتری را موجب می شود. در شاخه ترمز چرخهای هواپیماهای امروزی بود که متخصصان تکنولوژی مواد به یکی از ضروری ترین تحقیقات مورد نیاز در رشته خود پی بردند. ترمز، خود یک موتور گرمائی است که وظیفه آن جذب و مستهلک نمودن انرژی جنبشی است. چرخ هواپیما وسیله ای مطمئن برای حرکت هواپیما در روی زمین می باشد اما وسیله ای اضافی است که از بار مفید هواپیما در پرواز می کاهد، به همین دلیل است که از طراحان خواسته می شود تا آنجا که امکان دارد آنرا کوچک و سبک بسازند. از روشهای تحلیلی و شبیه سازهای کامپیوتری برای ساخت چرخهای پردوام و سبک استفاده می شود. علاوه بر آن، تداوم این نوآوری ها در طراحی موجب شده در میزان تعمیرپذیری و کارآئی قسمتهای متحرک چرخها بهبود حاصل شود. با این همه، بیشترین پیشرفتها حول مسئله اصطکاک و مواد متشکله قطعات بوده است. این بهبودها نه تنها موجب افزایش حجم چرخها و ترمز نشده بلکه تونائی و کارآئی آنرا همگام با نیازهای فزاینده صنایع هوائی افزایش داده است. بهبودهای عمده ای که در ساخت ترمز هواپیماهای امروزی حاصل شده بقرار زیر است: عمر طولانی: تعداد دفعات نشستن هواپیما بعد از هر مرحله تعمیر اساسی از ۱۰۰ تا ۳۰۰ بار فرود برای هواپیماهای نظامی و جتهای مسافربری اولیه به ۹۰۰ تا ۲۰۰۰ بار فرود در هواپیماهای امروزی افزایش یافته است. وزن سبک:بکارگیری مواد با استحکام زیاد و چگالی کم، موجب کاهش وزن ترمزها تا ۵۰% در مقایسه با ترمزهای فولادی مشابه شده است. _ایمنی و قابلیت اطمینان_: روش های نوین آزمایشگاهی از قبیل شبیه سازی طیف های ترمز از مراحل فرود کامل هواپیما، بمقدار زیادی موجب ارتقاء کیفی در کارآئی و قابلیت اطمینان سیستمهای ترمز گردیده است. امروزه عواملی همچون شرایط گرمائی و دینامیکی، درخلال عمر کاری ترمز بطور روزمره مورد ارزیابی قرار می گیرد. هر یک از برنامه های جدید ساخت و ارزشیابی کیفی آزمایشگاهی آن، نیاز به یک یا دو سال وقت دارد، حال آنکه برای ترمزهای نسل پیشین انجام آن فقط یک یا دو ماه طول می کشید. این بهبودها با بکارگیری تکنولوژی پیشرفته مواد صورت گرفته است. محورهای پیچشی که از جنس تیتانیوم ریختگی و هم فشار می باشد نسبت به فولاد فورج شده سبک تر بوده و از نظر مسائل حرارتی بهتر می باشد. کیفیت خوب آلیاژ، موجب سبکی وزن قسمت پوسته پیستون یکپارچه یا مکانیزم تنظیم کننده یا طبق های (ترمز چرخ) تنظیم سرخود، از جمله تصمیمات طراحی است که کارائی ترمز را افزایش می دهد. با این همه، مهمترین عامل در بهبود کیفی ترمز هواپیما، پیشرفت در زمینه مواد اصطکاکی بکار رفته در آن و اتلاف حرارتی ترمز می باشد. ترمز فولادی استاندارد که در آن صفحات اصطکاکی سرامیکی بکار رفته (این ماده اولین بار بعنوان سطوح اصطکاکی در دهه ۱۹۴۰ در ترمزها مورد استفاده قرار گرفته است.) موجب بهبود عمر سایشی و کارائی عمومی ترمزها شده است. اما توسعه بکارگیری مواد مرکب کربنی از چشمگیرترین پیشرفتها در تکنولوژی ساخت ترمز هواپیما از لحاظ حرارتی آن بحساب می آید. مواد مرکب کربنی دارای ویژگیهای بی نظیری است که به طراح اجازه می دهد با استفاده ازآن، همه وظایف سطوح اصطکاکی دیسک ترمز و جذب کننده ها و وظیفه اعضای سازه ای آنرا در یک قطعه واحد متمرکز سازد. وقتی دو قطعه از جنس مواد مرکب کربنی بر روی یکدیگر سایش داشته باشند می توانند نقش یک ماده پراصطکاک را ایفا نمایند. ذخیره حرارتی مواد مرکب زیاد است، علاوه بر آن قابلیت هدایت گرمائی آن موجب انتشار سریع حرارت می شود. مواد مرکب کربنی از استحکام زیادی برخوردارند و می توان از آن برای ساخت قطعات مقاوم در برابر «بار» زیاد استفاده نمود. این مواد دارای ویژگی خاصی هستند و آن اینکه استحکام آن ها بر اثر افزایش حرارت نقصان می باشد. این ویژگی وقتی با انبساط حرارتی اندک در هم می آمیزد خاصیت جذب حرارت آنرا بالا می برد بطوریکه تنها سازه های مجاور موجب محدودیت آن در این خصوص خواهد بود. برای اینکه ترمز بتواند در درجه حرارت بالاتر کارائی داشته باشد باید در واحد وزن سازه آن ازمواد بیشتری که واحد وزن سازه آن از مواد بشتری که در برابر حرارت مقاوم است استفاده نمائیم. اصطلاح «مواد مرکب کربنی» برای انواع گسترده ای از مواد استفاده می شود؛ همانند لنت (ترمز) ساخته شده از سرمت (مخلوطی از فلز و سرامیک) و مواد آلی. ساخت لنت ترمز از مواد مرکب کربنی خود مستلزم دانش و علم کافی دراین خصوص است. اجزاء تشکیل دهنده مواد و روش های ساخت را می توان تغیر داد تا قطعاتی با کارائی متفاوت ساخته شود. در واقع طراحان نشان داده اند که قطعات ترمز از جنس مواد مرکب کربنی را می توانند چنان دستخوش تغییر نمایند که به کلیه اهداف مورد نظر خود در ساخت ترمز هواپیما دست یابند. استفاده از الیاف گوناگون روشهای متراکم سازی ، الیاف منقطع در دو یا سه اندازه مختلف، و روش قالب گیری پارچه ای تنها معدودی از بی شمار آمیزه هائی است که می توانند برای تولید دیسک ترمز کربنی مورد استفاده قرار دهند. اگر سائیدگی دیسک ترمز (از نوع کربنی) از اندازه مجاز خارج شود می توان آنرا برای استفاده مجدد نوسازی نمود. ترمزهای کربنی برای اولین بار سال ۱۹۷۲ ، بعنوان یک وسیله استاندارد در هواپیمای f ۱۵ مورد استفاده قرار گرفت و بسرعت بعنوان یکی از انواع اصلی ترمز بر روی دیگر هواپیماهای نظامی مورد استفاده قرار گرفت. اولین هواپیمای مسافربری که در آن از این نوع ترمز استفاده شده هواپیمای کنکورد بود ولی گرانی قیمت آن موجب گردید استفاده تجاری آن به کندی صورت پذیرد. امروزه در تمام برنامه های هواپیماهای نظامی و مسافربری استفاده از ترمزهای کربنی گنجانده شده است. همچون سایر سیستمهای هواپیما، تکنولوژی سیستم ترمز آن نیز با نوآوری و پویائی همراه بوده و هدف آن بهبود در کارائی و قیمت تمام شده می باشد تلاشهای جاری در زمینه های گوناگون توسعه، ساخت و کاربرد آن بقرار زیر است: استفاده از مواد مرکب پیشرفته و مقاوم در برابر حرارت به منظور افزایش تراکم پذیری و عمر ترمز و ارتقاء مقاومت آن در برابر سایش (چنین بهبودهائی می تواند منتج به کاهش تعداد دیسک های اصطکاکی در یک ترمز گردد). استفاده از مواد مرکب قالب گیری شده و سازه های کامپوزیتی از نوع رشته پیچی در بسیاری از قطعات عمده هواپیما از قبیل چرخها، پوسته های پیستون و قسمت انتقال گشتاور با هدف کاهش وزن و آسیب پذیری آن. بکارگیری سیستمهای هیدرولیکی با فشار زیاد و استفاده از روغن هیدرولیک مرغوبتر که موجب عملکرد بهتر ترمزها شده ، اشتعال پذیری و وزن آنرا کاهش می دهد. استفاده از سیستمهای جداگانه عمل کننده های الکترومکانیکی و الکتروهیدرواستاتیکی که با نیروی الکتریکی کنترل می گردد، کارائی ترمزها را بهبود بخشیده و موجب کاهش وزن سیستمهای ترمز هواپیما می گردد. بکارگیری روشهای پیشرفته کنترل گرما، از قبیل سیستمهای خنک کننده فعال و غیرفعال. استفاده از تکنولوژی پیشرفته کنترل ترمز از قبیل دستگاه های کنترل الکترونیکی چند منظوره و سیستم انتقال سیگنال از طریق سیم (کابل) نوری (سیستم های کنترل ارابه فرود یکپارچه برای هواپیماها در حال ساخت می باشد که در آن مکانیزم ترمز خودکار، عمل هدایت فرمان و مکانیزم ضدسرخوردن، تماماً در کنترل کننده واحدی ادغام شده است.

 

ادریس سلطانی