سیستمهای ترمز هواپیمایی و

تلاشهای پی‌گیر طراحان

پیشرفتهای بوجود آمده در تکنولوژی مواد، روشهای طراحی و آزمون‌های 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 تحلیل‌های پیچیدة کامپیوتری از جمله عوامل کلیدی این پیشرفتها بحساب می‌آید. بهبود کیفی در کارائی ترمزها در آینده با استفاده از مواد پیشرفته عایق‌دار یا دافع گرما، سازه‌های کامپوزیتی، سیستم‌های کامل کنندة متناوب و سیستم کنترل گرمائی پیشرفته صورت خواهد گرفت.
سیستم‌های 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 پایه‌های کمک‌دار دم هواپیما استفاده می‌شد، بمراتب پیشی گرفته است. چرخها و ترمزهای جدید به هم وابسته‌اند و در ساخت آنها از روش‌های پیشرفتة مهندسی استفاده شده و نمونه‌های چندگانه‌‌ای از پیشرفت تکنولوژی مواد را به نمایش درآورده است.

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

1-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.

2-استفاده از یک سیستم کنترل ترمز یکپارچه و کامپیوتری با بهره‌گیری از سنسورهای پیشرفته و تکنولوژی کنترل ارتباط سیستماتیک و عملکردهای خودآزما.

3- استفاده از چرخهائی که دارای شکل پیچیده‌ای 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 محدودیت‌ها و نیازهای ضد و نقیضی همراه است.
وزن کم، کارائی بالا، تعمیرات اندک، قابلیت اطمینان زیاد، دوام زیاد و هزینة کم ویژگیهایی است که سیستم ترمز باید تواماً بهمراه داشته باشد.
در ادامة این بحث بر طرحهای اصولی بکار رفته در ترمز هواپیمای امروزی مروری کوتاه نموده و بطور خلاصه به پیش‌بینی پیشرفتهای آینده نیز خواهیم پرداخت.
چرخ هواپیما و سیستم ترمز آن بصورت یکپارچه طراحی می‌شود، آنچنانکه منطبق با ویژگیهای یک هواپیمای مشخص و مورد نظر باشد. کارآئی چرخ و ترمز آن با استفاده از طراحی کامپیوتری، مدلسازی پیچیده و روش‌های شبیه‌سازی تحلیلی، در مرحله طراحی به حد مطلوب می‌رسد.
چرخ هواپیما از نوع دو تکه ساخته می‌شود 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 پوشش‌های عایق استفاده می‌گردد. از طرف دیگر مکانیزمهای ایمنی از قبیل فیوزهای حرارتی و سوپاپهای اطمینان در آن بکار می‌رود.

سیستم ترمزها از دیسک ‌های ثابت و متحرک (چرخشی) چند لایه‌ای و اصطکاکی تشکیل یافته است . این دیسکهای اصطکاکی که قسمت اعظم گرما را بخود جذب می‌کند، بوسیله اجراء سازه‌ای چندی از قبیل پیستونهای عمل کنندة فشاری، پوستة تنظیم، قسمت انتقال گشتاور (که گشتاور را به ارابه فرود یا چرخ هواپیما منتقل می‌سازد) و یک صفحه ترمز ثابت (که بعنوان یک نگهدارندة سازه‌ای در جذب گرما عمل می‌کند) محصول گردیده است.
ترمز با فشار هیدرولیکی عمل می‌کند و انرژی جنبشی هواپیما را به گشتاور کندشونده‌ای بدل می‌سازد. سیستم کنترل ترمز ، خود سطوح فشار ترمز را تعدیل می‌کند 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 لاستیک‌ها جلوگیری بعمل آورد.
علاوه بر آن یک مکانیزم ترمز خودکار که فرامین مربوط به علمکرد کار پیش ترمز و میزان کاهش سرعت را آماده می‌سازد، می‌تواند بخشی از سیستم کنترل ترمز هواپیما باشد. سنسورهای مربوط به سرعت چرخها، دستگاه پردازش علائم یا دستگاه مقایسه‌گر (کامپیوتری) و سوپاپهای تنظیم، جملگی از اجزای عمدة سیستم کنترل ترمز هواپیما بشمار می‌رود. تکامل چرخ هواپیما از انواع چرخهای پره‌دار اتومبیل آغاز شده، چرخهای ریخته‌گری آلومینیومی و منیزیمی را پشت سر گذاشته، و عموماً‌ از انواع چرخهای آلومینیومی دو تکه ساخته شده به روش آهنگری (فورج) استفاده می‌شود.
چشمگیرترین پیشرفت در طراحی چرخهای هواپیما، کاهش وزن و حجم و افزایش کارایی آن است.

!عمده‌ترین اهداف در طراحی چرخ‌های هواپیما بشرح زیر خلاصه می‌شود:

1-افزایش عمر چرخشی
یکی ازآزمایشهائی که برای ارزیابی کیفی چرخهای هواپیما انجام می‌شود، بررسی میزان عمر چرخشی آن می‌باشد.(این مقدار اکنون از 25000 مایل در مورد هواپیماهای حمل و نقل ارتشی مانند هواپیمای
C-17 تا 50000 مایل برای هواپیماهای جت مسافربری امروزی متغیر می‌باشد).

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

3-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 زنگ‌زدائی بطور مکرر، از میزان نقیصه‌هائی که در چرخ هواپیما بوجود می آید و منشاء آن خوردگی و زنگ‌زدگی می‌باشد کاسته و به حداقل رسانده می‌شود.

4-بکارگیری سیستمهای محافظ گرما
بهبود در تونائی‌های 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 مهره‌های ذوب شونده برای خنک کردن محیط یاد شده لاستیک، از جمله ترفندهای کلیدی در طراحی چرخهای پیشرفتة 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. لاستیک‌های رادیال و شعاعی ممکن است «بار»ها را به شکل متفاوتی بر چرخ اعمال نماید. بنابراین هنگام طراحی، میزان این «بار» ها بخصوص اگر تعویض‌پذیری آن مد نظر باشد باید بوسیلة طراح مراعات شود.
با توجه به این واقعیت، طراحی چرخهایی که بتواند چنین توقعات مشکل و فزاینده‌ای را برآورده سازد و از طرفی در میزان وزن و حجم آن نیز افزایش چندانی حاصل نگردد، در واقع مقدار زیادی مدیون بکارگیری و توسعة روش‌های نوین و شبیه‌سازی‌های کامپیوتری می‌باشد. تکنیکهای تحلیلی که در طراحی چرخها بخدمت گرفته می‌شود شامل تجزیه محدود سطوح تنش و مدل‌سازی حرارتی سیستمهای چرخ و ترمز می‌باشد.
با استفاده از روش کامپیوتری، چرخ هواپیما از موادی ساخته می‌شود که بتواند «بار»های وارد را تحمل کند، عمر آن زیاد و ویژگیهای حرارتی و وزن آن اندک باشد. با استفاده از این روش‌های کامپیوتری، طراحی، ساخت و ارزیابی مدل‌های جدید چرخ در زمان کوتاهی صورت می‌پذیرد.
خلاصه اینکه بکارگیری و توسعه روشهای مدل‌سازی 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. می‌توانیم انتظار داشته باشیم روند بهبود در کیفیت چرخها با تکامل مواد اصلی سازندة 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 دهندة سازة چرخ می‌باشد.

ویژگیهای عمدة 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 «2014-T6» یا «T-61» بعنوان فلز استاندارد برای ساختن چرخها استفاده می‌کنند، لیکن همچنان به بررسیهای خود برای جایگزین نمودن مواد جدید ادامه می‌دهند 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 ترک‌خوردگی، بوجود در می‌آید.
انجام این بهینه‌سازی‌ها 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 می‌شود.
در شاخه ترمز چرخهای هواپیماهای امروزی بود که متخصصان تکنولوژی مواد به یکی از ضروری‌ترین تحقیقات مورد نیاز در رشتة خود پی بردند. ترمز، خود یک موتور گرمائی است که وظیفة آن جذب و مستهلک نمودن انرژی جنبشی است. چرخ هواپیما وسیله‌ای مطمئن برای حرکت هواپیما در روی زمین می‌باشد اما وسیله‌ای اضافی است که از بار مفید هواپیما در پرواز می‌کاهد، به همین دلیل است که از طراحان خواسته می‌شود تا آنجا که امکان دارد آنرا کوچک و سبک بسازند.
از روشهای تحلیلی و شبیه‌سازهای کامپیوتری برای ساخت چرخهای پردوام و سبک استفاده می‌شود. علاوه بر آن، تداوم این نوآوری‌ها 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 عمده‌ای که در ساخت ترمز هواپیماهای امروزی حاصل شده بقرار زیر است:
عمر طولانی:
تعداد دفعات نشستن هواپیما بعد از هر مرحله تعمیر اساسی از 100 تا 300 بار فرود برای هواپیماهای نظامی و جتهای مسافربری اولیه به 900 تا 2000 بار فرود در هواپیماهای امروزی افزایش یافته است.

وزن سبک:بکارگیری مواد با استحکام زیاد و چگالی کم، موجب کاهش وزن ترمزها تا 50% در مقایسه با ترمزهای فولادی مشابه شده است.

_ایمنی و قابلیت اطمینان_:
روش‌های نوین آزمایشگاهی از قبیل شبیه‌سازی طیف‌های 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 می‌گیرد.
هر یک از برنامه‌های 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 می‌کشید. این بهبودها با بکارگیری تکنولوژی پیشرفته مواد صورت گرفته است.
محورهای پیچشی که از جنس تیتانیوم ریختگی و هم فشار می‌باشد نسبت به فولاد فورج شده سبک‌تر بوده و از نظر مسائل حرارتی بهتر می‌باشد. کیفیت خوب آلیاژ، موجب سبکی وزن قسمت پوستة پیستون یکپارچه یا مکانیزم تنظیم کننده یا طبق‌های (ترمز چرخ) تنظیم سرخود، از جمله تصمیمات طراحی است که کارائی ترمز را افزایش می‌دهد.
با این همه، مهمترین عامل در بهبود کیفی ترمز هواپیما، پیشرفت در زمینه مواد اصطکاکی بکار رفته در آن و اتلاف حرارتی ترمز می‌باشد. ترمز فولادی استاندارد که در آن صفحات اصطکاکی سرامیکی بکار رفته (این ماده اولین بار بعنوان سطوح اصطکاکی در دهه 1940 در ترمزها مورد استفاده قرار گرفته است.) موجب بهبود عمر سایشی و کارائی عمومی ترمزها شده است. اما توسعة بکارگیری مواد مرکب کربنی از چشمگیرترین پیشرفتها در تکنولوژی ساخت ترمز هواپیما از لحاظ حرارتی آن بحساب می‌آید.
مواد مرکب کربنی دارای ویژگیهای بی‌نظیری است که به طراح اجازه می‌دهد با استفاده ازآن، همة وظایف سطوح اصطکاکی دیسک ترمز و جذب کننده‌ها و وظیفة اعضای سازه‌ای آنرا در یک قطعه واحد متمرکز سازد.
وقتی دو قطعه از جنس مواد مرکب کربنی بر روی یکدیگر سایش داشته باشند می‌توانند نقش یک ماده پراصطکاک را ایفا نمایند. ذخیرة حرارتی مواد مرکب زیاد است، علاوه بر آن قابلیت هدایت گرمائی آن موجب انتشار سریع حرارت می‌شود.
مواد مرکب کربنی از استحکام زیادی برخوردارند و می‌توان از آن برای ساخت قطعات مقاوم در برابر «بار» زیاد استفاده نمود. این مواد دارای ویژگی خاصی هستند و آن اینکه استحکام آن‌ها بر اثر افزایش حرارت نقصان می‌باشد. این ویژگی وقتی با انبساط حرارتی اندک در هم می‌آمیزد خاصیت جذب حرارت آنرا بالا می‌برد بطوریکه تنها سازه‌های مجاور موجب محدودیت آن در این خصوص خواهد بود. برای اینکه ترمز بتواند در درجه حرارت بالاتر کارائی داشته باشد باید در واحد وزن سازة آن ازمواد بیشتری که واحد وزن سازة آن از مواد بشتری که در برابر حرارت مقاوم است استفاده نمائیم.
اصطلاح «مواد مرکب کربنی» برای انواع گسترده‌ای از مواد استفاده می‌شود؛ 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 روش‌های ساخت را می‌توان تغیر داد تا قطعاتی با کارائی متفاوت ساخته شود. در واقع طراحان نشان داده‌اند که قطعات ترمز از جنس مواد مرکب کربنی را می‌توانند چنان دستخوش تغییر نمایند که به کلیه اهداف مورد نظر خود در ساخت ترمز هواپیما دست یابند. استفاده از الیاف گوناگون روشهای متراکم‌سازی ، الیاف منقطع در دو یا سه اندازة مختلف، و روش قالب‌گیری پارچه‌ای تنها معدودی از بی‌شمار آمیزه‌هائی است که می‌توانند برای تولید دیسک ترمز کربنی مورد استفاده قرار دهند. اگر سائیدگی دیسک ترمز (از نوع کربنی) از اندازة مجاز خارج شود می‌توان آنرا برای استفادة مجدد نوسازی نمود.
ترمزهای کربنی برای اولین بار سال 1972 ، بعنوان یک وسیله استاندارد در هواپیمای F-15 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 استفادة تجاری آن به کندی صورت پذیرد. امروزه در تمام برنامه‌های 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 می‌باشد تلاشهای جاری در زمینه‌های گوناگون توسعه، ساخت و کاربرد آن بقرار زیر است:

-استفاده از مواد مرکب پیشرفته و مقاوم در برابر حرارت به منظور افزایش تراکم‌پذیری و عمر ترمز و ارتقاء مقاومت آن در برابر سایش (چنین بهبودهائی می‌تواند منتج به کاهش تعداد دیسک‌های اصطکاکی در یک ترمز گردد).

-استفاده از مواد مرکب قالب‌گیری شده و سازه‌های کامپوزیتی از نوع رشته پیچی در بسیاری از قطعات عمدة هواپیما از قبیل چرخها، پوسته‌های پیستون و قسمت انتقال گشتاور با هدف کاهش وزن و آسیب‌پذیری آن.

-بکارگیری سیستمهای هیدرولیکی با فشار زیاد و استفاده از روغن هیدرولیک مرغوبتر که موجب عملکرد بهتر ترمزها شده ، اشتعال‌پذیری و وزن آنرا کاهش می‌دهد.

-استفاده از سیستمهای جداگانه عمل کننده‌های الکترومکانیکی و الکتروهیدرواستاتیکی که با نیروی الکتریکی کنترل می‌گردد، کارائی ترمزها را بهبود بخشیده و موجب کاهش وزن سیستمهای ترمز هواپیما می‌گردد.

-بکارگیری روشهای پیشرفتة کنترل گرما، از قبیل سیستمهای خنک‌کننده فعال و غیرفعال.

-استفاده از تکنولوژی پیشرفتة کنترل ترمز از قبیل دستگاه‌های کنترل الکترونیکی چند منظوره و سیستم انتقال سیگنال از طریق سیم (کابل) نوری (سیستم‌های کنترل ارابة فرود یکپارچه برای هواپیماها در حال ساخت می‌باشد که در آن مکانیزم ترمز خودکار، عمل هدایت فرمان و مکانیزم ضدسرخوردن، تماماً در کنترل کنندة واحدی ادغام شده است.