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时速几百公里,刹车盘怎样刹住几百吨的飞机?

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出品|网易新闻

导语:碳基复合材料一直是公认的耐高温摩擦材料的“扛把子”,中国制造从碳/碳到碳/陶被用来生产刹车盘和其他耐高温结构件,中国的C919、舰载机、歼击机和运输机等10多种先进飞机广泛应用国产刹车盘。

一、飞机这样的庞然大物,是怎么刹车的?

可别小看这飞机的刹车盘,它却是飞机的关键部件之一,与飞机的“心脏”发动机和“大脑”飞控一样,同等重要。

和汽车其实原理一样,飞机着陆时,只是耐热性能要好很多,普遍使用多片刹车系统机轮上的刹车提供了绝大部分减速效果,把飞机巨大的动能转化为刹车盘的内能,当飞机在高速滑跑中遭遇突发情况,需要中断起飞时,紧急制动使刹车盘经受更加严酷的考验,急剧升温到红热状态。


飞机刹车系统测试

飞机刹车系统一般采用液压制动技术(波音787除外),由发动机为液压泵提供动力,液压泵将低压转换为高压,通过液压管路将压力传输给刹车作动器。刹车作动器推动压紧刹车盘,通过刹车盘间的摩擦,提供阻止机轮滚动的力矩,以减小飞机滑跑速度。

这个听起来简单,其实一点儿都不简单。因为飞机着陆时速度很快,蕴含巨大能量,根据能量守恒定律,飞机需要依靠反推装置和刹车装置去吸收掉这个巨大能量(当然气动阻力也能帮一点忙),才能使飞机静止下来。刹车盘在摩擦过程中,把大部分飞机动能转化为热能,因此,刹车盘的工作温度至少在几百度。


飞机刹车盘

不仅如此,飞机刹车系统在设计时,还要考虑许多运营中可能出现的意外情况,这对刹车盘提出了更高要求。比如飞机在跑道高速滑跑准备起飞时,遇到突发状况需要终止起飞。又比如飞机起飞不久发现系统故障需要返回,而且这个时候襟缝翼又无法完全打开。这些意外状况一旦发生,那么刹车盘就需要吸收比正常着陆情况大得多的能量。


飞机刹车盘结构

二、飞机降落时,刹车盘要吸收多大能量?

由于飞机有着更高的速度与重量对刹车盘的挑战最严酷,需要开展“最严酷着陆停止试验”来验证刹车盘是否满足设计需求。

在这个试验工况下,飞机比正常着陆情况更重(油箱几乎是满的)、速度更快、气动阻力更小(襟缝翼不能完全打开)、反推装置关闭,几乎全靠刹车盘吸收飞机动能。

那么这种情况下,刹车盘要吸收多大能量呢?按照飞机重78吨、以200节速度着陆来计算的话,这个能量大约是360兆焦。按照高中物理学到的知识,1焦耳能量可以把1N(牛顿)物体举起1米。假设这个1N的物体是颗小苹果,那么360兆焦的能量可以把3.6万吨苹果举起1米,或者把这颗小苹果举起36万公里——这差不多是地球到月球的距离。

这时的刹车盘由于吸收了巨大的能量,温度急剧上升,能达到一千多度,高温使其呈现明亮的橙色,看上去就像一颗滚烫的火球。


试验中,高温碳盘呈现明亮的橙色

制造飞机刹车盘的材料既需要扛得住摩擦又得耐得了高温,什么材料能满足这样的条件呢?答案就是,碳/碳复合材料。

三、意外带来的惊喜:碳/碳复合材料

早先飞机使用的是粉末冶金的钢制刹车盘,存在重量大、高温性能差、寿命短的缺点。与之相比,碳/碳复合材料刹车盘具有更加优异的性能,且比钢制刹车盘减重40%(对于有多个机轮的大飞机,就是数百千克乃至上吨的减重效果),因而获得广泛应用。


钢刹车和碳刹车对比

所谓碳/碳复合材料,是以碳纤维为骨架、碳为基体构成的复合材料。其中碳纤维的形态可以是连续纤维构成的立体框架,也可以是无序分布的短切纤维;碳基体由浸渍的树脂、沥青炭化得到,或由碳氢化物气体(如天然气、丙烷)热解沉积而来。

它的发现过程是个意外的惊喜。1958年,Chance vought航空公司在研究碳纤维/酚醛树脂复合材料时,发生了一些失误,使树脂基体未被氧化而发生了热解形成基体碳,这是世界上首次发现碳/碳复合材料。

碳纤维/酚醛树脂复合材料是一种应用广泛的树脂基复合材料。碳纤维树脂基复合材料由于具有较高的比强度、比模量、较好的延展性、卓越的抗腐蚀性等特点,被广泛应用在航空航天等工业领域,其研究较早、“知名度”较高,所以在许多人的概念里,复合材料就等同于碳纤维树脂基复合材料。

四、飞机碳刹车盘是怎样造出来的

经过几十年的研究,现代工艺生产的碳/碳复合材料已经具备高比强、高比模、耐高温、摩擦磨损性能优异等特点,能够很好地满足航空航天对材料在高温、高速条件下的综合性能要求。因此,碳/碳复合材料已经成为新一代航空航天材料发展的重点方向之一。

刹车盘事关航空安全,有非常高的壁垒,法国赛峰、美国霍尼韦尔等巨头垄断了全球80%以上的飞机刹车盘市场。

以法国航空巨头——赛峰(Safran)公司生产碳刹车盘的过程为例,首先对层层平铺的碳纤维进行针刺。


碳纤维毡

使一部分纤维转到垂直方向,把各层连接起来,形成碳纤维毡;多层碳纤维毡堆叠、针刺得到多孔的碳纤维预制体;浸渍树脂炭化,并采用化学气相浸渗法沉积热解碳,填充碳纤维之间的孔隙,实现致密化;



快速沉积在表面的碳形成硬皮,须通过机械加工去除,以利于后续的浸渗,并加工出刹车盘的形状;



致密化和加工要反复多次进行,直至达到所需的密度和尺寸,随后喷涂磷酸盐等抗氧化涂层;最后进行两三千度的高温热处理,使无序的热解碳发生石墨化,提高刹车盘的热导率,改善摩擦性能。



四、C919大型客机用上国产复合材料刹车盘

从1972年起,中航工业西安航空制动科技有限公司(西安制动)在国内率先开展碳刹车材料研究,于1983年成功研制出第一代国产碳刹车盘。目前我国已有多家企业能够生产碳刹车盘,应用于歼10、ARJ21、C919等军民用飞机。

2008 年,由西安制动与西北工业大学联合研制的碳/陶刹车盘实现国际上首次装机应用,并推广到舰载机、歼击机、预警机等多个机型,获2016年国家技术发明二等奖。

目前,C919大型客机刹车盘使用的就是国产碳基复合材料,其供应商同时也为波音757、空客320等机型提供刹车盘。


C919大型客机,它的刹车盘正是由碳碳复合材料制成

由于刹车盘属于耗材,大约一两千次起降就必须更换,使用国外进口刹车盘费用较高。在市场需求的拉动下,国内材料厂商纷纷开始研制民机碳刹车盘。

碳复合材料的涂层一直是国内外研究的重点。由于碳/碳复合材料在370度左右开始氧化,材料性能下降,因此,其在有氧环境下使用,必须在表面制备抗氧化涂层。涂层除了要有良好的抗氧化性和抗烧蚀性外,还要与碳/碳复合材料具有较好的化学物理相容性和相近的膨胀系数。



C919刹车盘非摩擦面使用硼磷系涂层,在高温的工作环境下,可以有效延缓氧气在材料内部的扩散,提高材料使用寿命。一般的刹车盘可能在一千多个起降后就要更换,而C919的刹车盘经过疲劳试验,证明可以达到两千个起降。

除了涂层,碳纤维预制体和增密工艺也对碳/碳复合材料的性能产生重要影响。这方面,国外一般使用预氧化丝编织碳纤维预制体,它的优点是纤维柔韧性好、易成型,但是强度较低。而C919刹车盘使用的碳/碳复合材料,使用有机纤维编织碳纤维预制体,虽然编织难度大,但是形成的预制体强度要高得多。同时,它还采用化学气相渗透和液相浸渍复合的增密工艺,提高了材料的密度,使材料的高能刹车摩擦系数大大提升。

随着飞行器速度越来越快,其对耐高温材料的要求必然越来越高。作为耐高温材料界的“实力担当”,碳/碳复合材料的研究显然方兴未艾。

目前,国内有机构研究出一种耐3000度超高温多元陶瓷碳/碳复合材料,将多元陶瓷与碳/碳复合材料融合,利用陶瓷高熔点、高强度、高耐磨等特性,进一步提高碳/碳复合材料的耐高温性能和力学性能,创造了烧蚀材料耐高温的世界新纪录。

结语:制动一小步,中国技术进步一大步。目前,国内碳/碳刹车企业已发展成为一个产业,10多家专业企业,百花齐放。国产飞机刹车盘从“跟跑”到“领跑,背后是新材料从实验室到工业生产的突破创新,我们相信,未来国产碳复合材料会在耐高温摩擦材料“实力担当”的道路上越走越远。

参考文献:

[1] 飞机刹车系统的防滑刹车(Anti-skid)原理

[2]《中国民航报》. 中国飞机刹车盘领先全球成功启示录

[3] 高速制动场景催生碳碳/碳陶刹车材料需求

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