Амортизационная система самолета

Вертикальная составляющая кинетической энергии самолета в момент касания земли при посадке E_y = mV _y²/2 определяет работу A _y амортизационной системы самолета.
По закону сохранения энергии при ударе самолета о землю производится работа

A _y = E _y = P s η,

Если не принять специальных мер, кинетическая энергия самолета трансформируется в работу деформации ВПП и конструкции самолета, но поскольку эти деформации s (т.е. путь силы удара самолета при посадке) весьма малы, то сила P будет непомерно велика и разрушит конструкцию самолета.

Рис. 13.3. Деформация пневматика при обжатии

При ударе колес о поверхность ВПП происходит обжатие пневматика (рис. 13.3) и совершается работа на упругую деформацию покрышки колеса (резины и корда) и незначительное сжатие воздуха в пневматике. Температура пневматика и воздуха в нем повышается, и за счет этого происходит рассеивание части энергии в окружающем пространстве в виде тепла.
Превращение части механической (кинетической) энергии в тепловую и рассеивание ее в пространстве называется гистерезисом (от греч. hysteresis - отставание, запаздывание).
Однако гистерезис пневматика очень мал. Основная часть энергии, накопленная пневматиком в виде потенциальной энергии сжатого воздуха и энергии упругой деформации покрышки, возвращается самолету, который после удара о землю может подпрыгивать ("козлить").
Следовательно, помимо колеса с пневматиком, необходимо дополнительное устройство, обладающее большим, чем колесо, гистерезисом. Большим гистерезисом обладает, например, гидравлическое демпфирующее устройство - демпфер, схема которого показана на рис. 13.4.

Рис. 13.4. Схема гидравлического демпфера

Сила P, приложенная к штоку 1, вызывает поступательное движение поршня 2 внутри гидроцилиндра 3, заполненного рабочей жидкостью и закрепленного на опоре 4.
При этом рабочая жидкость вытесняется поршнем 2 из полости 5 цилиндра и, проходя через калиброванные отверстия 6 в поршне 2, поступает в полость 7 гидроцилиндра. Работа силы P на перемещение штока расходуется на преодоление сил трения подвижных частей и, в основном, на проталкивание рабочей жидкости через калиброванные отверстия, т. е. на преодоление сил гидравлического сопротивления при перетекании жидкости. Это сопротивление тем больше, чем больше скорость движения штока (и, соответственно, скорость течения жидкости через отверстия в поршне) и чем меньше диаметр (калибр) отверстий.
За счет трения частиц жидкости друг о друга и о стенки отверстия повышается температура жидкости и конструкции демпфера. Через стенки демпфера в виде тепла рассеивается в пространстве вся энергия, приложенная к штоку демпфера.
Однако если такое устройство будет использовано для поглощения кинетической энергии самолета при посадке A _y, то, поглотив всю энергию A _y, демпфер превратится в жесткую конструкцию (шток встанет на упор). Удары колеса о неровности ВПП при пробеге и рулежке будут в этом случае передаваться на конструкцию самолета, что недопустимо.
Поэтому после восприятия удара необходимо возвращать демпфирующий элемент в исходное положение. Это можно осуществить, "запасая" часть энергии в упругом элементе и расходуя ее после удара на возвращение демпфирующего элемента в исходное положение.

Рис. 13.5. Схема жидкостно-пружинного амортизатора: а - прямой ход; б - обратный ход

Амортизатор шасси (независимо от конструктивного выполнения) - устройство, совмещающее в себе демпфирующий и упругий элементы и предназначенное для снижения нагрузок на конструкцию самолета за счет поглощения и рассеивания энергии ударов, которые испытывает самолет при посадке и движении по ВПП.
Упругим элементом амортизатора может быть, например, пружина. На рис. 13.5 показана схема жидкостно-пружинного амортизатора.

После контакта колеса с ВПП в момент посадки (рис. 13.5, а) сила от колеса передается на шток амортизатора 1. Центр масс снижающегося самолета и корпус (цилиндр) 2 амортизатора, неподвижно закрепленный на конструкции планера самолета 4, движутся вниз (прямой ход).
При этом часть энергии самолета рассеивается за счет перетекания жидкости в демпфирующем элементе амортизатора и за счет трения подвижных частей амортизатора.
Оставшаяся энергия запасается амортизатором в виде энергии упругой деформации пружины 3.
Напомним, что весьма незначительная часть энергии самолета трансформируется в тепловую и упругую энергию пневматиком колеса.
После окончания прямого хода (когда вся энергия самолета полностью передана амортизатору и амортизатор полностью обжат) за счет распрямления пружины 3 начинается обратный ход (рис. 13.5, б). При этом центр масс самолета поднимается вверх за счет энергии, запасенной упругим элементом амортизатора (в данном случае - пружины).
Однако не вся упругая энергия превращается в потенциальную энергию положения самолета относительно поверхности ВПП. Часть ее на обратном ходе также рассеивается в виде тепла за счет перетекания жидкости в демпфирующем элементе амортизатора. Таким образом, происходит торможение (уменьшение кинетической энергии E _y = mV _y²/2 и, следовательно, уменьшение V _y) на прямом и обратном ходе.
Энергия, запасаемая упругим элементом амортизатора, достаточно велика, и обратный ход амортизатора происходит весьма интенсивно, что может вызвать "козление" самолета. Чтобы избежать этого явления и получить более "мягкий" амортизатор, нужно увеличить количество энергии, рассеиваемой на обратном ходе.
Это осуществляют, вводя в конструкцию амортизатора клапан торможения на обратном ходе.
Принцип работы клапана торможения на обратном ходе иллюстрирует рис. 13.6.

Рис. 13.6. К объяснению принципа работы клапана торможения на обратном ходе: а - прямой ход; б - обратный ход

Клапан торможения 5 представляет собой цилиндрический стакан, который может свободно перемещаться ("плавать") по штоку 7 амортизатора между упором 6 на штоке и буксой (поршнем) 3, подпружиненной в корпусе 8 пружиной 1.
При прямом ходе амортизатора (рис. 13.6, а) рабочая жидкость перетекает из верхней полости цилиндра в нижнюю через калиброванные отверстия 2 в поршне (буксе) 3. Так как калиброванные отверстия 4 в клапане торможения меньше отверстий в буксе, клапан потоком жидкости отжимается вниз до упора на штоке, и основной поток жидкости из верхней полости перетекает в нижнюю, минуя клапан торможения.
При обратном ходе (рис. 13.6, б) клапан 5 потоком жидкости прижимается к поршню (буксе) 3, и жидкость из нижней полости перетекает в верхнюю через малые отверстия клапана с большим сопротивлением и, соответственно, с большим, чем на прямом ходе, преобразованием кинетической энергии в тепловую (торможением).
Напомним, что сила, которая передается с амортизатора на конструкцию планера самолета, зависит от хода амортизатора и способности его поглощать и рассеивать энергию. В настоящее время наибольшее распространение получили жидкостно-газовые амортизаторы, в которых в качестве упругого элемента используется сжатый газ. Принципиальная схема жидкостно-газового амортизатора показана на рис. 13.7.
Амортизатор состоит из цилиндра (корпуса) 11 и штока (поршня) 10. Цилиндр крепится к конструкции планера самолета, а к штоку присоединяется опорное устройство (например, колесо). Движение штока в цилиндре направляется верхней буксой 6 и нижней буксой 13.
Внутри цилиндра 11 укреплен цилиндрический плунжер 2 с отверстиями 1 в стенке. В донышке 4 плунжера 2 имеется калиброванное отверстие 3.

Рис. 13.7. Схема жидкостно-газового амортизатора: а - прямой ход; б - обратный ход

В верхней буксе 6, неподвижно связанной со штоком, также имеются калиброванные отверстия 7.
На упоре 9 штока установлен свободноплавающий клапан торможения обратного хода 8. В амортизатор заливают определенное количество рабочей жидкости и заряжают его сжатым газом. Упоры 12 неподвижно закреплены на штоке 10 и, опираясь на нижнюю буксу 13, не позволяют сжатому газу вытеснить шток 10 из полости цилиндра при отсутствии внешней нагрузки на шток.
Герметичность телескопического (подвижного в осевом направлении) соединения штока 10 с нижней буксой 13 обеспечивают уплотнительные манжеты 14. Уплотнение 5 обеспечивает герметичность телескопического соединения плунжера 2 и штока 10.
На схеме прямой и обратной ход штока показан при условно неподвижном корпусе амортизатора. Стрелками обозначено движение жидкости. Стрелки на плоскости раздела жидкости и газа показывают давление в газовой полости амортизатора.

При достаточно большом ходе амортизатора s удается получить приемлемые нагрузки P = E _y/ s η на конструкцию планера самолета.
Амортизационная система самолета - это, таким образом, система амортизационных стоек (амортстоек шасси, стоек шасси), включающих в себя колесо (или другое опорное устройство) и собственно амортизатор, имеющий демпфирующий и упругий элементы.