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時(shí)速幾百公里，剎車盤怎樣剎住幾百噸的飛機(jī)?
www.163.com 2023-12-22 09:00
出品|網(wǎng)易新聞
導(dǎo)語：碳基復(fù)合材料一直是公認(rèn)的耐高溫摩擦材料的“扛把子”，中國制造從碳/碳到碳/陶被用來生產(chǎn)剎車盤和其他耐高溫結(jié)構(gòu)件，中國的C919、艦載機(jī)、殲擊機(jī)和運(yùn)輸機(jī)等10多種先進(jìn)飛機(jī)廣泛應(yīng)用國產(chǎn)剎車盤。
一、飛機(jī)這樣的龐然大物，是怎么剎車的?
可別小看這飛機(jī)的剎車盤，它卻是飛機(jī)的關(guān)鍵部件之一，與飛機(jī)的“心臟”發(fā)動機(jī)和“大腦”飛控一樣，同等重要。
和汽車其實(shí)原理一樣，飛機(jī)著陸時(shí)，只是耐熱性能要好很多，普遍使用多片剎車系統(tǒng)機(jī)輪上的剎車提供了絕大部分減速效果，把飛機(jī)巨大的動能轉(zhuǎn)化為剎車盤的內(nèi)能，當(dāng)飛機(jī)在高速滑跑中遭遇突發(fā)情況，需要中斷起飛時(shí)，緊急制動使剎車盤經(jīng)受更加嚴(yán)酷的考驗(yàn)，急劇升溫到紅熱狀態(tài)。
飛機(jī)剎車系統(tǒng)測試
飛機(jī)剎車系統(tǒng)一般采用液壓制動技術(shù)(波音787除外)，由發(fā)動機(jī)為液壓泵提供動力，液壓泵將低壓轉(zhuǎn)換為高壓，通過液壓管路將壓力傳輸給剎車作動器。剎車作動器推動壓緊剎車盤，通過剎車盤間的摩擦，提供阻止機(jī)輪滾動的力矩，以減小飛機(jī)滑跑速度。
這個聽起來簡單，其實(shí)一點(diǎn)兒都不簡單。因?yàn)轱w機(jī)著陸時(shí)速度很快，蘊(yùn)含巨大能量，根據(jù)能量守恒定律，飛機(jī)需要依靠反推裝置和剎車裝置去吸收掉這個巨大能量(當(dāng)然氣動阻力也能幫一點(diǎn)忙)，才能使飛機(jī)靜止下來。剎車盤在摩擦過程中，把大部分飛機(jī)動能轉(zhuǎn)化為熱能，因此，剎車盤的工作溫度至少在幾百度。
飛機(jī)剎車盤
不僅如此，飛機(jī)剎車系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，還要考慮許多運(yùn)營中可能出現(xiàn)的意外情況，這對剎車盤提出了更高要求。比如飛機(jī)在跑道高速滑跑準(zhǔn)備起飛時(shí)，遇到突發(fā)狀況需要終止起飛。又比如飛機(jī)起飛不久發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障需要返回，而且這個時(shí)候襟縫翼又無法完全打開。這些意外狀況一旦發(fā)生，那么剎車盤就需要吸收比正常著陸情況大得多的能量。
飛機(jī)剎車盤結(jié)構(gòu)
二、飛機(jī)降落時(shí)，剎車盤要吸收多大能量?
由于飛機(jī)有著更高的速度與重量對剎車盤的挑戰(zhàn)最嚴(yán)酷，需要開展“最嚴(yán)酷著陸停止試驗(yàn)”來驗(yàn)證剎車盤是否滿足設(shè)計(jì)需求。
在這個試驗(yàn)工況下，飛機(jī)比正常著陸情況更重(油箱幾乎是滿的)、速度更快、氣動阻力更小(襟縫翼不能完全打開)、反推裝置關(guān)閉，幾乎全靠剎車盤吸收飛機(jī)動能。
那么這種情況下，剎車盤要吸收多大能量呢?按照飛機(jī)重78噸、以200節(jié)速度著陸來計(jì)算的話，這個能量大約是360兆焦。按照高中物理學(xué)到的知識，1焦耳能量可以把1N(牛頓)物體舉起1米。假設(shè)這個1N的物體是顆小蘋果，那么360兆焦的能量可以把3.6萬噸蘋果舉起1米，或者把這顆小蘋果舉起36萬公里——這差不多是地球到月球的距離。
這時(shí)的剎車盤由于吸收了巨大的能量，溫度急劇上升，能達(dá)到一千多度，高溫使其呈現(xiàn)明亮的橙色，看上去就像一顆滾燙的火球。
試驗(yàn)中，高溫碳盤呈現(xiàn)明亮的橙色
制造飛機(jī)剎車盤的材料既需要扛得住摩擦又得耐得了高溫，什么材料能滿足這樣的條件呢?答案就是，碳/碳復(fù)合材料。
三、意外帶來的驚喜：碳/碳復(fù)合材料
早先飛機(jī)使用的是粉末冶金的鋼制剎車盤，存在重量大、高溫性能差、壽命短的缺點(diǎn)。與之相比，碳/碳復(fù)合材料剎車盤具有更加優(yōu)異的性能，且比鋼制剎車盤減重40%(對于有多個機(jī)輪的大飛機(jī)，就是數(shù)百千克乃至上噸的減重效果)，因而獲得廣泛應(yīng)用。
鋼剎車和碳剎車對比
所謂碳/碳復(fù)合材料，是以碳纖維為骨架、碳為基體構(gòu)成的復(fù)合材料。其中碳纖維的形態(tài)可以是連續(xù)纖維構(gòu)成的立體框架，也可以是無序分布的短切纖維;碳基體由浸漬的樹脂、瀝青炭化得到，或由碳?xì)浠餁怏w(如天然氣、丙烷)熱解沉積而來。
它的發(fā)現(xiàn)過程是個意外的驚喜。1958年，Chance vought航空公司在研究碳纖維/酚醛樹脂復(fù)合材料時(shí)，發(fā)生了一些失誤，使樹脂基體未被氧化而發(fā)生了熱解形成基體碳，這是世界上首次發(fā)現(xiàn)碳/碳復(fù)合材料。
碳纖維/酚醛樹脂復(fù)合材料是一種應(yīng)用廣泛的樹脂基復(fù)合材料。碳纖維樹脂基復(fù)合材料由于具有較高的比強(qiáng)度、比模量、較好的延展性、卓越的抗腐蝕性等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用在航空航天等工業(yè)領(lǐng)域，其研究較早、“知名度”較高，所以在許多人的概念里，復(fù)合材料就等同于碳纖維樹脂基復(fù)合材料。
四、飛機(jī)碳剎車盤是怎樣造出來的
經(jīng)過幾十年的研究，現(xiàn)代工藝生產(chǎn)的碳/碳復(fù)合材料已經(jīng)具備高比強(qiáng)、高比模、耐高溫、摩擦磨損性能優(yōu)異等特點(diǎn)，能夠很好地滿足航空航天對材料在高溫、高速條件下的綜合性能要求。因此，碳/碳復(fù)合材料已經(jīng)成為新一代航空航天材料發(fā)展的重點(diǎn)方向之一。
剎車盤事關(guān)航空安全，有非常高的壁壘，法國賽峰、美國霍尼韋爾等巨頭壟斷了全球80%以上的飛機(jī)剎車盤市場。
以法國航空巨頭——賽峰(Safran)公司生產(chǎn)碳剎車盤的過程為例，首先對層層平鋪的碳纖維進(jìn)行針刺。
碳纖維氈
使一部分纖維轉(zhuǎn)到垂直方向，把各層連接起來，形成碳纖維氈;多層碳纖維氈堆疊、針刺得到多孔的碳纖維預(yù)制體;浸漬樹脂炭化，并采用化學(xué)氣相浸滲法沉積熱解碳，填充碳纖維之間的孔隙，實(shí)現(xiàn)致密化;
快速沉積在表面的碳形成硬皮，須通過機(jī)械加工去除，以利于后續(xù)的浸滲，并加工出剎車盤的形狀;
致密化和加工要反復(fù)多次進(jìn)行，直至達(dá)到所需的密度和尺寸，隨后噴涂磷酸鹽等抗氧化涂層;最后進(jìn)行兩三千度的高溫?zé)崽幚?，使無序的熱解碳發(fā)生石墨化，提高剎車盤的熱導(dǎo)率，改善摩擦性能。
四、C919大型客機(jī)用上國產(chǎn)復(fù)合材料剎車盤
從1972年起，中航工業(yè)西安航空制動科技有限公司(西安制動)在國內(nèi)率先開展碳剎車材料研究，于1983年成功研制出第一代國產(chǎn)碳剎車盤。目前我國已有多家企業(yè)能夠生產(chǎn)碳剎車盤，應(yīng)用于殲10、ARJ21、C919等軍民用飛機(jī)。
2008 年，由西安制動與西北工業(yè)大學(xué)聯(lián)合研制的碳/陶剎車盤實(shí)現(xiàn)國際上首次裝機(jī)應(yīng)用，并推廣到艦載機(jī)、殲擊機(jī)、預(yù)警機(jī)等多個機(jī)型，獲2016年國家技術(shù)發(fā)明二等獎。
目前，C919大型客機(jī)剎車盤使用的就是國產(chǎn)碳基復(fù)合材料，其供應(yīng)商同時(shí)也為波音757、空客320等機(jī)型提供剎車盤。
C919大型客機(jī)，它的剎車盤正是由碳碳復(fù)合材料制成
由于剎車盤屬于耗材，大約一兩千次起降就必須更換，使用國外進(jìn)口剎車盤費(fèi)用較高。在市場需求的拉動下，國內(nèi)材料廠商紛紛開始研制民機(jī)碳剎車盤。
碳復(fù)合材料的涂層一直是國內(nèi)外研究的重點(diǎn)。由于碳/碳復(fù)合材料在370度左右開始氧化，材料性能下降，因此，其在有氧環(huán)境下使用，必須在表面制備抗氧化涂層。涂層除了要有良好的抗氧化性和抗燒蝕性外，還要與碳/碳復(fù)合材料具有較好的化學(xué)物理相容性和相近的膨脹系數(shù)。
C919剎車盤非摩擦面使用硼磷系涂層，在高溫的工作環(huán)境下，可以有效延緩氧氣在材料內(nèi)部的擴(kuò)散，提高材料使用壽命。一般的剎車盤可能在一千多個起降后就要更換，而C919的剎車盤經(jīng)過疲勞試驗(yàn)，證明可以達(dá)到兩千個起降。
除了涂層，碳纖維預(yù)制體和增密工藝也對碳/碳復(fù)合材料的性能產(chǎn)生重要影響。這方面，國外一般使用預(yù)氧化絲編織碳纖維預(yù)制體，它的優(yōu)點(diǎn)是纖維柔韌性好、易成型，但是強(qiáng)度較低。而C919剎車盤使用的碳/碳復(fù)合材料，使用有機(jī)纖維編織碳纖維預(yù)制體，雖然編織難度大，但是形成的預(yù)制體強(qiáng)度要高得多。同時(shí)，它還采用化學(xué)氣相滲透和液相浸漬復(fù)合的增密工藝，提高了材料的密度，使材料的高能剎車摩擦系數(shù)大大提升。
隨著飛行器速度越來越快，其對耐高溫材料的要求必然越來越高。作為耐高溫材料界的“實(shí)力擔(dān)當(dāng)”，碳/碳復(fù)合材料的研究顯然方興未艾。
目前，國內(nèi)有機(jī)構(gòu)研究出一種耐3000度超高溫多元陶瓷碳/碳復(fù)合材料，將多元陶瓷與碳/碳復(fù)合材料融合，利用陶瓷高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、高耐磨等特性，進(jìn)一步提高碳/碳復(fù)合材料的耐高溫性能和力學(xué)性能，創(chuàng)造了燒蝕材料耐高溫的世界新紀(jì)錄。
結(jié)語：制動一小步，中國技術(shù)進(jìn)步一大步。目前，國內(nèi)碳/碳剎車企業(yè)已發(fā)展成為一個產(chǎn)業(yè)，10多家專業(yè)企業(yè)，百花齊放。國產(chǎn)飛機(jī)剎車盤從“跟跑”到“領(lǐng)跑，背后是新材料從實(shí)驗(yàn)室到工業(yè)生產(chǎn)的突破創(chuàng)新，我們相信，未來國產(chǎn)碳復(fù)合材料會在耐高溫摩擦材料“實(shí)力擔(dān)當(dāng)”的道路上越走越遠(yuǎn)。
參考文獻(xiàn)：
[1] 飛機(jī)剎車系統(tǒng)的防滑剎車(Anti-skid)原理
[2]《中國民航報(bào)》. 中國飛機(jī)剎車盤領(lǐng)先全球成功啟示錄
[3] 高速制動場景催生碳碳/碳陶剎車材料需求
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