«Подпорки» под крыльями

Одна из основных систем самолета – шасси

«Только в полетах живут самолеты», – пел композитор Юрий Антонов в своем шлягере 1980-х «Долгожданный самолет». Действительно, летательный аппарат должен летать. Но приличную часть своей жизни он проводит и на земле. Тогда летательный аппарат становится «наземным транспортным средством». Торможение, руление, разгон, даже простая стоянка – это все этапы этой земной жизни самолета. И одним из главных средств, обеспечивающих эти этапы, становится шасси.

20 лет службы

Наиболее распространенным являются колесное шасси, но бывают шасси и с лыжами, и с поплавками, и даже с гусеницами. На самолетах, летающих с небольшой скоростью, шасси делают жестко закрепленными, а на скоростных – убирающимися, что снижает лобовое сопротивление.

Как писал в 2002 году инженер компании Airbus-Deutschland GmbH Герд Ролофф (Gerd Roloff), на шасси приходится 2,5-5 % от максимальной взлетной массы современного коммерческого самолета и 1,5-1,75 % от его стоимости. Однако около 20 % прямых затрат на техническое обслуживание лайнера идет именно на шасси. Одно колесо может выдерживать нагрузку до 30 т, а рассчитано оно на работу при скорости до 300 км/ч. Для современного самолетного шасси промежуток между его капитальными ремонтами составляет около 20 тыс. часов, а общий срок службы 60 тыс. часов эксплуатации или 20 лет. Это примерно столько же, сколько и для всего самолета в целом. Но эти сроки – для шасси. Шины меняются значительно чаще – после каждых 100-400 взлетов-посадок.

Число колес шасси зависит от массы летательного аппарата. На тяжелых самолетах их количество может составлять несколько десятков. Для удобства уборки и выпуска их объединяют в отдельные тележки. Так, например, самый большой на сегодня серийный пассажирский самолет Airbus A380 с максимальной взлетной массой 575 т имеет 22 колеса – два на носовой стойке, по четыре в двух тележках под каждой плоскостью крыла и по шесть в еще двух тележках под фюзеляжем. При разработке самолета высказывалось мнение, что 380-й может повредить покрытие взлетно-посадочных полос. Чтобы развеять эти опасения, компания Airbus в 1998 году изготовила тележку, нагружаемую балластом. Ее вес был таким же, как и у A380. Тележка стояла на штатном шасси самолета. Ее катали по территории Airbus в аэропорту Тулузы. На экспериментальном участке в покрытие встроили датчиками, измерявшие оказываемое на покрытие рулежки давление. По результатам испытаний установили, что покрытие большинства взлетно-посадочных полос не нуждается в укреплении для приема A380, несмотря на его высокий вес.

Самое же большое количество колес в шасси самолета было у специального транспортного лайнера Ан-225, построенного в Советском Союзе в 1984-88 годах для перевозки многоразового космического корабля «Буран». Для поддержания самолета с максимальной взлетной массой 640 т использовалось 32 колеса: по два на двух носовых стойках и по 14 на двух основных тележках. Это шасси было разработано и изготовлено, как и большинство подобных отечественных агрегатов, нижегородским предприятием «Гидромаш».

Основными требованиями к самолетному шасси являются хорошая амортизация, короткий тормозной путь при посадке, высокая устойчивость к качению при маневрировании на грунте, небольшой занимаемый объем при складывании, низкое лобовое сопротивление (особенно для жестко закрепленных, не убираемых шасси). Важны и общие для самолетов эксплуатационные требования – высокая надежность и безопасность, низкие расходы на обслуживание, малый вес.

Велосипед или опоры

Шасси на самолете могут располагаться по-разному. Стартовую тележку братьев Райт можно отнести к шасси велосипедного типа. Это когда основные стойки расположены одна позади другой, то есть находятся в продольной плоскости самолета. Но на двух таких стойках самолет при взлете и посадке получается очень неустойчивым, совсем как двухколесный велосипед. Потому в этой схеме зачастую добавляют небольшие дополнительные стойки с колесами по бокам фюзеляжа или под крыльями. Получается как бы детский двухколесных велосипед с вспомогательными колесами по бокам, которые родители ставят для облегчения обучения малыша езде.

Плюс велосипедной схемы – отсутствие гондол шасси на крыле, что делает крыло более совершенным с аэродинамической точки зрения. Однако велосипедное шасси требует от пилота самолета более высоких навыков пилотирования. Так на взлете невозможно оторвать сначала переднюю опору, как это делают сейчас большинство самолетов, а требуется отрывать обе основные стойки одновременно. В конце же разбега необходимо увеличить угол атаки крыла для набора высоты. Поэтому в велосипедной схеме переднюю стойку делают зачастую более высокой, а заднюю – укороченной. Кроме того, при взлете и посадке пилоту необходимо более строго выдерживать крен самолета. Сложность конструкции и сложность пилотирования самолета с велосипедным шасси на взлете и посадке ограничили применение этой схемы. Она в основном используется лишь на военных самолетах. В советской авиации такую схему шасси имели бомбардировщики разработки ОКБ В. М. Мясищева (М-4, 3М, 3МД), а также истребители-перехватчики (Як-25 и Як-27) и фронтовые бомбардировщики (Як-26 и Як-28) ОКБ А. С. Яковлева.

Большинство первых самолетов вплоть до начала реактивной эры имели шасси с хвостовой опорой. Такую схему еще называют «классической». Это когда две основные стойки шасси расположены впереди центра масс самолета под крыльями, на них приходится до 90 % всего веса аппарата на стоянке. Третья небольшая дополнительная стойка при такой схеме располагается в хвосте. Она может быть с колесом или вообще представлять собой небольшой костылик с гладкой «пяткой». Эта опора служит для разворота самолета, поэтому ее обычно делают свободно вращающейся вокруг вертикальной оси.

Основное преимущество этой схемы в том, что общая масса шасси получается в ней меньше по сравнению с другими схемами за счет короткой и легкой хвостовой опоры. Кроме того, такая схема поднимает нос самолета вверх, обеспечивая место для установки в носовой части воздушных винтов с большим диаметром. Но есть у нее и существенные недостатки, опять-таки требующие высоких навыков пилотирования от летчика. Например, при посадке самолета необходимо строго выдерживать определенный угол атаки машины, обеспечивающий одновременное касание земли всеми колесами (посадка на три точки). При разбеге самолета необходимо было выдержать определенный взлетный угол атаки, который меньше посадочного. Для этого летчику с помощью руля высоты необходимо оторвать хвостовое колесо или «костылик» от земли и удерживать машину в таком положении вплоть до окончания разбега. Расположение главных опор впереди центра масс самолета приводит к тому, что машина имеет плохую путевую устойчивость, на разбеге и пробеге может возникнуть рысканье. Борются с этим жесткой фиксацией хвостового колеса. Есть у схемы с хвостовой опорой и склонность при резком торможении или зарывании главных опор в мягкий грунт к капотированию – опрокидыванию на нос или даже переворачиванию через нос на спину, вверх шасси. Кроме того, посадка на повышенной скорости на две главные опоры обычно приводит к «козлению» – подскокам с резким повторным ударом о землю. А это может стать причиной поломки шасси или опять того же капотирования. Поэтому если до конца Второй мировой войны почти все самолеты имели схему шасси с хвостовой опорой, то сегодня она применяется лишь на легких самолетах с невысокой посадочной скоростью.

Наиболее популярная в современной авиации схема шасси с передней опорой. Она получила распространение с появлением реактивных двигателей. Основные стойки шасси в ней располагаются за центром масс самолета, а более легкая дополнительная стойка – в носовой части фюзеляжа. Благодаря передней опоре самолет управляется на земле. При такой схеме почти весь разбег проходит с опорой на все стойки. Лишь в его конце за счет отклонения руля высоты пилот отрывает переднюю опору, а затем происходит и отрыв от земли основных опор. При посадке сначала земли касаются основные опоры с последующим переваливанием на переднюю стойку.

Схема шасси с передней опорой имеет несколько важных преимуществ. У нее более простая техника пилотирования и на взлете, и на посадке, и при пробеге. Движение на разбеге и пробеге более устойчивое, чем у других схем, что обеспечивается приложением сил трения колес главных опор за центром масс самолета. Из пилотской кабины при движении по земле обеспечивается лучший обзор, чем у велосипедной схемы или схемы с хвостовой опорой, при которых нос и кабина оказываются задранными вверх. Кроме того, при схеме с передней опорой проще маневрировать за счет поворота передней стойки, можно более интенсивно тормозить на пробеге без страха перед капотированием. И положение пола пассажирских и грузовых кабин оказывается близким к горизонтальному, как и осей двигателей, что исключает обдув взлетно-посадочной полосы горячими газами.

Есть у этой схемы, конечно, и недостатки. У нее бóльшая масса шасси за счет более длинной передней опоры. Также эта схема на большой скорости имеет склонность к «шимми» – резонансным автоколебаниям колес передней стойки вокруг вертикальной оси поворота. Для их гашения передняя опора снабжается гидравлическими демпферами.

Вода, снег и грязь не помеха

Колесо колесом, но существуют совсем «бесколесные» самолеты, или самолеты, у которых шасси не только колесные. Например – у гидросамолетов. Вода в безветренную погоду может быть идеально гладкой, формируя прекрасное «летное поле». Впервые взлет и посадку на воду выполнил еще 28 марта 1910 года француз Анри Фабр (Henri Fabre) в лагуне Этан-де-Бер на средиземноморском побережье Франции, примерно в 25 км к северо-западу от Марселя. Самолет с самого начала задумывался как гидроплан. Он был оснащен тремя широкими поплавками: один в передней части самолета, два других – на подкосах, отходящих от крыла вниз. Первоначально тот гидросамолет никак не назывался, теперь же чаще всего его именуют «гидравион Фабра» (Fabre Hydravion). В день первых испытаний он пролетел всего около 500 метров, но за следующую неделю налет вырос до 5,6 км. В апреле 1911 года «гидравион» получил серьезные повреждения в результате аварии и больше в воздух не поднимался.

С тех пор появилось много вариантов гидросамолетов. Самым простым был поплавковый гидросамолет – обычная «сухопутная» машина, стоящая на поплавках, обеспечивающих ее плавучесть. Если же нижняя часть фюзеляжа аэроплана спрофилирована как лодка, то такой аппарат называют летающей лодкой. Если на гидросамолете есть и поплавки, и колесные шасси, он может садиться и на воду, и на твердую поверхность. Такой аппарат называют самолет-амфибия. Наиболее характерный пример такого аппарата – российский Бе-200. В этом классе встречались и такие экзотические экспериментальные машины, как самолет-амфибия на подводных крыльях Бе-8.

Если можно ставить на самолет в качестве шасси подводные крылья, почему бы не сделать лыжное шасси? Ведь на Земле много районов с периодически возникающим и даже постоянным снежным покровом. Идея использовать на самоле лыжи возникла почти одновременно с поплавками. Впервые ее реализовал швейцарский конструктор и пилот Рене Гранжан (René Grandjean). В 1911 году он построил и испытал собственный самолет под названием Libellule («Стрекоза»). В декабре Гранжана пригласили в Давос для демонстрационных полетов над курортом. Там 2 февраля 1912 года и состоялся первый зафиксированный взлет и посадка аэроплана с лыжным шасси. На этом аппарате в течение следующих нескольких дней Гранжан выполнил более сотни полетов без каких-либо происшествий. А в августе того же года он поставил свою «Стрекозу» на поплавки и стал первым в Швейцарии пилотом гидросамолета.

В дальнейшем в авиации встречались два варианта шасси для посадки на снег – собственно лыжное и лыжно-колесное. Первое было легче, но позволяло взлетать и садиться только на снежные площадки, второе давало большую свободу для выбора взлетно-посадочных полос. Расцвет лыжной авиации пришелся на годы активного освоения Крайнего Севера – 1930-1960-е. Например, в Советском Союзе лыжами для работы и в Арктике оснащались самолеты Ли-2, Ил-12, Ан-2, а позже и Ил-14. Они стали основой советской полярной авиации. Самым большим самолетом, когда-либо поставленным на лыжное шасси, стал американский LC-130 – это созданная еще в 1956 году полярная модификация военно-транспортного самолета С-130 Hercules. Десять таких машин до сих пор находятся на вооружении 109-го авиакрыла Национальной гвардии штата Нью-Йорк. Их основная задача – снабжение грузами и смена персонала на научных станциях в Антарктиде, включая станцию «Амундсен-Скотт» на южном полюсе. LC-130 – лыжно-колесный самолет: для посадки на обычный бетонный аэродром лыжи лайнера сдвигаются вверх по стойке, оставляя снизу колеса. Для посадки на снежную полосу лыжи опускаются вниз.

Однако с увеличением числа полярных аэродромов с бетонными полосами потребность в самолетах на лыжах постепенно отпадает. Так сегодня в Антарктиду летают российские транспортные самолеты Ил-76 с колесным шасси, которые в три раза более грузоподъемны, чем «Геркулесы».

Как известно, в России одна из двух бед – дороги. Может именно поэтому еще на заре авиации именно здесь появилась идея создания самолета на гусеничном шасси. Первый такой самолет был «Би-Кок» (известен также как «Пороховщиков №2» и «Двухвостка»), спроектированный и построенный в Риге инженером-конструктором Александром Пороховщиковым. В 1914 году совершил полет первый такой самолет с колесным шасси. На следующий год в небо поднялся второй экземпляр, оснащенный шасси гусеничным. Оно представляло собой брезентовую ленту, двигающуюся на деревянных барабанах. Испытания подтвердили работоспособность устройства, однако дальнейшего развития в авиации оно тогда не получило. Зато в том же 1915 году Пороховщиков построил … первый российский танк, названный «Вездеход». На нем использовалась одна широкая гусеница, как и на «Би-Коке» изготовленная из брезента.

Следующее гусеничное шасси появилось только в 1937 году на учебном самолете У-2. Его предложил использовать инженер Николай Чечубалин для улучшения взлетных и посадочных возможностей самолета. Каждая из двух гусениц представляла собой своеобразную «цепочку» из текстолитовых роликов диаметром 50 мм и длиной 300 мм, заключенных между боковыми стенками-направляющими. Такое гусеничное шасси прекрасно показало себя на испытаниях, хотя при этом несколько выросла как масса самолета, так и лобовое сопротивление. Однако Чечубалин продолжил развитие своей конструкции, предлагая ее для самолетов Р-5 и Ли-2. На сей раз шасси было оснащено даже неким подобие траков, выполненных из пластин. На испытаниях самолеты успешно взлетали и садились и на вспаханном поле, и на болотистой местности. Но внедрению этих проектов помешала сложность и нетехнологичность такого шасси. В 1950-х годах гусеничным шасси был оснащен один реактивный фронтовой бомбардировщик Ил-28. Опять испытания прошли успешно, но опять преградой для дальнейшего массового использования стали сложная конструкция и большая масса. С появлением вертолетов необходимость в гусеничных шасси отпала.

Простой протектор и сухой азот

Колесо шасси состоит из шины (или как их называют в авиастроении – пневматика), корпуса (у автомобиля он называется диск) и тормозного устройства. Шина – особое «произведение искусств». По массе она состоит на 50 % из резины, на 45 % из корда и на 5 % из металла. В общем-то, почти привычная для нас автомобильная шина. Но у этих «покрышек» несравнимо различные условия работы, а потому и разительные отличия.

Сначала об устройстве. Пневматики бывают камерными (эти остались в основном в прошлом, используются сегодня, как правило, на вертолетах) и бескамерными (такие используются сейчас повсеместно на пассажирских лайнерах). Бескамерный пневматик, как сегодня и автомобильные шины, камеры внутри не имеет, а его борта герметично примыкают к корпусу-«диску». Для поддержания внутреннего давления бескамерный пневматик имеет внутри дополнительный герметизирующий слой резины. Каркасом пневматика служит уложенный в несколько слоев высокопрочный корд. Чтобы шина была более прочная в ее борта заделываются кольца жесткости, изготавливаемые из металлической проволоки. Снаружи этот каркас армируется слоем резины.

На внешнем ободе шины, как и у автомобильной покрышки, имеется протектор, который изготавливается из высококачественной износостойкой резины. В отличие от автомобильной шины рисунок протектора пневматика очень простой: как правило, это несколько продольных кольцевых канавок. Все просто – колесо самолетного шасси предназначено для катания лишь по предельно ровной и в меру шершавой взлетно-посадочной полосе. Поэтому единственная задача протектора – при движении самолета отводить из-под колеса воду, имеющуюся на полосе из-за атмосферных осадков. Когда колесо катится по мокрой ВПП, вода выдавливается в протектор, откуда выталкивается назад, из-под шины. Это обеспечивает максимальный контакт пневматика с полосой. Кроме того, канавки протектора служат для определения степени износа пневматика.

А вот накачивается пневматик совсем не так, как автомобильная «покрышка»: если внутри автошины – обычный воздух под давлением 2-2,5 атм, то пневматик заполняется специальным сухим азотом, а давление в нем – 10-16 атм. Азот в отличие от воздуха – инертный газ. Он не будет поддерживать огонь, как воздух, если на самолете произойдет возгорание, и пламя дойдет до шин. К тому же азот не реагирует с алюминием и магнием, из чего сделан корпус колеса. Это увеличивает долговечность колесного «диска». Сухой же азот, то есть без присутствия водяного пара, нужен для обеспечения долговечности пневматика: будь в азоте влага, она бы замерзла, поскольку на высоте полета самолета температура очень низкая. Это может привести к внутреннему повреждению шины. При посадке же, под действием разогрева пневматика при касании ВПП и торможении, влага испарилась бы, изменив давление внутри шины.

Теперь про условия эксплуатации. Шины на легковых автомобилях выдерживают нагрузку от 250 до 500 кг на ведущее колесо, на грузовиках и фурах средней грузоподъемности – от 500 до 1500 кг. Если разделить максимальную взлетную массу гиганта A380 (575 т) на его 22 колеса, то средняя нагрузка получится 26,1 т. Автомобильные высокопроизводительные шины рассчитаны на скорость до 270 км/ч, а сверхвысокопроизводительные – до 300 км/ч. Самолет взлетает на скорости около 250 км/ч, а приземлится на 270-300 км/ч. Однако на случай аварийных ситуаций пневматики способны работать и при 460 км/ч.

При посадке самолета шасси испытывает колоссальные не только статические, но и динамические нагрузки, воспринимаемые стойками, амортизаторами и колесами. К этому стоит прибавить резкую смену условий эксплуатации: в полете колеса неподвижны, а при касании полосы шасси набирают обороты, соответствующие посадочной скорости. При этом самолетные шины подвергаются и значительным тепловым нагрузкам, длительное время находясь в условиях низких температур, а при соприкосновении с землей их поверхность нагревается до +260 °С. Такой разогрев плюс работа тормозов и приводит к появлению дымного облачка с характерным запахом горелой резины в момент их касания ВПП. По той же причине зона касания на ВПП обычно покрыта черными полосами, оставленными «поджаренными» колесами.

Автомобильные шины в зависимости от условий их эксплуатации делятся на различные категории: есть летняя и зимняя «резина», бывают внедорожные шины и даже грязевые шины с более глубоким и открытым протектором, высокоэффективные и сверхэффективные шины для высокоскоростных автомобилей. У самолетов пневматики всесезонные. Хотя, в принципе, зимние пневматики для эксплуатируемых в полярных районах самолетов бывают. И бывают даже специальные тундровые шины для некоторых легких самолетов. Они бόльшего диаметра, чем обычные пневматики, а давление азота в них ниже обычного. Зато такие колеса позволяют легче садиться на неподготовленные поверхности в дикой местности.

Габариты и вес автопокрышек и пневматиков также сильно разнятся. Обычная автомобильная шина имеет внешний диаметр 0,6-0,8 м при массе 7-14 кг. Есть, конечно, и исключения, когда одна покрышка имеет массу до 28 кг. Но и такую может спокойно поменять один человек. Для примера: шина колеса носовой стойки шасси среднемагистрального Ту-214 имеет внешний диаметр 0,84 м и массу 32 кг, а основной стойки – 1,07 м и 65 кг. На Ил-96-300 на носовую и основные стойки идут шины диаметром 1,3 м и массой 106 кг. В одиночку тут уже не справится: пневматик носовой стойки, обычно, меняет пара техников, а на основной стойке – команда из трех человек.

Ну, и цена шин для авто и лайнера будет, естественно, совсем разная: если автомобильная шина в среднем стоит $100-200, то авиационная около $5 тыс. за штуку.

Производят пневматики, зачастую, те же компании, что и автопокрышки. Например, мировыми лидерами по производству авиационных шин в 2010-х годах являлись достаточно известные фирмы – японская Bridgestone (правда, авиационные шины изготавливают ей на заводе в США в штат Северная Каролина), американская Goodyear (пневматики производят на заводах в Данвилле (штат Вирджиния) и в таиландском Бангкоке) и французская Michelin (авиашины делают в городе Клермон-Ферран на юге Франции).

Навар протектора допустим

Широко известен литературный пример визуального способа диагностики состояния колеса и определения его ресурса: «”Вишь ты, – сказал один другому, – вон какое колесо! Что ты думаешь, доедет то колесо, если б случилось в Москву, или не доедет?” – “Доедет”, – отвечал другой. “А в Казань-то, я думаю, не доедет?” – “В Казань не доедет”, – отвечал другой. Этим разговор и кончился» (Н. В. Гоголь «Мертвые души», © 1842).

В авиации такой метод сегодня не используется. На современных самолетах каждое колесо шасси оснащено датчиком давления. Информация от них поступает на дисплей пилота. Кроме того, каждый пневматик имеет дренажно-предохранительный клапан, позволяющий избежать превышение давления в шине. Также последнее время на самолетах ставятся температурные датчики на тормозные механизмы шасси. Уже это дает возможность диагностировать состояние элементов шасси, корректируя в случае чего условия приземления и торможения.

Перед каждым взлетом самолета наземный технический персонал осматривает состояние всех пневматиков: нет ли повреждений (трещин, выбоин и т.п.), какова степень износа резинового покрытия. Совсем как те два гоголевских «русских мужика, стоявшие у дверей кабака против гостиницы». Однако есть и более совершенные способы оценки состояния шасси. Ведь от этого зависит безопасность полета. Амортизаторы шасси, пневматики и тормоза подвергаются различным видам статических и динамических испытаний. Например, шину проверяют на прочность, закачивая в нее воду под давлением, которое она должна выдерживать определенное время. Есть испытания для определения давления посадки шины на обод колеса и оценки герметичности бескамерных пневматиков. Есть также проверка шин на изменение их геометрических размеров при длительном нахождении под предельным давлением. При динамических испытаниях определяются максимально допустимые при эксплуатации скорости и нагрузки на шину. Проводится тестирование в условиях, имитирующих удар при посадке.

Согласно авиационным стандартам, пневматик должен выдерживать давление в четыре раза выше эксплуатационного. Кроме того, шина, например, среднемагистрального самолета рассчитывается на жесткое приземление с вертикальной скоростью до 3 м/с и с горизонтальной скоростью до 450 км/ч (нормальные условия посадки – до 1,5 м/с и 270 км/час, соответственно).

Но в любом случае колесо имеет свой срок жизни, после которого его меняют. Для сравнения: срок службы автомобильных шин не определяется законом, однако считается, что шины можно считать новыми, только если они были изготовлены в течение последних 5 лет. Рекомендуемый срок службы автомобильной шин – 6 лет, максимальный – 10. Потом шина теряет потребительские свойства: ухудшается сцепление с дорогой, может появиться вибрация на кузов или руль.

Современные авиационные шины с учетом их повреждений и дефектов, а также с учетом интенсивного использования тормозов, выдерживают примерно от 100 до 400 посадок, в среднем – 250. В зависимости от авиакомпании ближнемагистральные самолеты (такие, как Airbus A320 и Boeing 737) обычно совершают от 5 до 10 рейсов в день, а дальнемагистральные (Airbus A330, A350 и A380, Boeing 747 и B787) – один-два рейса в день. Таким образом, шины для дальнемагистральных самолетов служат примерно от 3 до 12 месяцев каждая, а шины для ближнемагистральных – от двух недель до 4 месяцев. После этого проводится их демонтаж и контроль состояния. По его результатам пневматик может быть отправлен на специальное предприятие, где проводится его обслуживание и восстановление протектора. Такая процедура может повторяться от 5 до 7 раз, после чего шина списывает и отправляется на утилизацию. Производители пневматиков для коммерческой авиации сегодня декларируют, что их шины рассчитаны на 1250 полетных циклов с учетом процедур восстановления протектора. Опять же, здесь все зависит от того, как разные экипажи обращаются со своими самолетами.