為什麼我們很少見到飛機爆胎?


出品|網易新聞作者|陳俊宇,清華大學機械工程系博士研究生11月10日中午11點38分,中國自主研製的國產大型客機C919從上海浦東起飛,成功轉場至西安閻良,順利...

- 2018年1月13日08時25分
- 知乎專欄

出品|網易新聞

作者|陳俊宇,清華大學機械工程系博士研究生

11月10日中午11點38分,中國自主研製的國產大型客機C919從上海浦東起飛,成功轉場至西安閻良,順利完成第一次城際“遠行”。提到飛機,不知道大家有沒有想過這樣一個問題:一架飛機有幾十噸乃至上百噸重,僅靠幾個輪子能承受得住嗎?飛機輪胎究竟有什麼特殊之處?今天,我們就帶大家來瞭解相關的內容。

(一)輪胎是怎麼工作的?從一道物理題說起

我們騎自行車時,雙腳在腳蹬子上來回搗騰,兩個輪子就轉動著朝前移動了,但你知道自行車的能量都消耗在哪兒了麼?

這個問題從初中接觸物理時就已經困擾了很多同學,物理老師大多將其籠統地歸結為滾動摩擦。滑動摩擦是容易理解的,有一個摩擦力,當克服摩擦力進行相對運動時,就會把動能轉化為內能,但是,滾動摩擦是如何實現能量轉化的呢?

(自行車的能量都消耗在哪兒了?)

原因在於製造輪胎的材料——橡膠。

橡膠不是完全不變形的剛體,也不是可以完全恢復形變的彈性體(比如彈簧);更不是完全不會恢復形變的液體(又叫粘性體,比如濃稠的油),而是介於它們中間,是一種典型的粘彈性材料。

有讀者會問,橡膠在被擠壓之後是可以變回原來的樣子的,為什麼不是彈性體呢?實際上,橡膠僅僅是形狀上變回去了,這可以理解為將一個彈簧和一桶黏黏的油並聯在一起(學術一點叫“彈簧阻尼系統中的開爾文模型”),這樣,在變形的過程中能量就會被那桶油消耗掉,同時在彈簧的作用下勉勉強強恢復形狀。

(橡膠的近似等效力學模型)

自行車滾動時受到的靜摩擦力其實就是動力,而橡膠變形和恢復變形造成的力才是阻力,變形越大,阻力越大。這也是為什麼車胎表面粗糙程度不變的情況下,胎壓不足也會導致阻力增大,以及細軲轆的車比粗軲轆的車更容易騎行的原因,變形大,阻力就大。

橡膠工業是國民經濟的重要基礎產業之一,包括自行車輪胎、汽車輪胎、飛機輪胎在內的所有輪胎基本上都是橡膠製成的。

(二)飛機輪胎:橡膠細分行業裡的富家子弟

橡膠工業中,輪胎行業產值佔到了約65%,是整個橡膠行業的老大哥。而在輪胎行業中,汽車輪胎佔據著絕對的主體地位,不過要說到利潤大戶,卻非特種輪胎莫屬。屬於特種輪胎的航空輪胎,淨利潤能到40%以上。

航空輪胎從製造工藝上分為斜交輪胎和子午線輪胎。目前,中國總的機隊保有量近8500架,輪胎總需求達43.12萬條。具體到民航領域,截至2016年底,中國飛機在冊架數2950架,比2015年底增加300架,飛機數量多年保持快速增長趨勢,2020年飛機輪胎總需求有望突破63萬條,其中子午線與斜紋輪胎需求將分別達11.41、51.91萬條。

(2013-2016年中國民航全行業運輸飛機在冊架數增長情況)

目前中國民用、通用航空業每年消耗的航空輪胎大部分由國外公司提供,進口民用飛機的航空輪胎國產化率不到5%,不過,一個好訊息是,當下已經有小部分輪胎開始由本土企業提供,而在軍用航空領域,為了擺脫受制於人的局面,實現航空輪胎的國產化也具有十分重要的戰略意義。

不過,航空輪胎行業的核心技術長期掌握在少數的大公司手中、市場容量有限、對安全和技術的要求十分苛刻、準入門檻也十分嚴苛,要進入這一具有極高利潤、具有極高戰略意義的行業並不容易。

1、航空子午線輪胎:嚴苛要求下的選擇

數十噸的飛機以每小時300-400公裡的速度起飛、每小時200公裡以上的速度著陸,還會以每小時45公裡左右的速度滑行,飛機重量加上對地面的撞擊力,每平方釐米的輪胎膠面就要承受近千牛頓的壓力。此外,飛機輪胎還需要經受萬米高空零下50-60度、減速剎車150度的溫度急劇變化,因此,航空輪胎必須特別耐衝擊、耐刺扎、耐溫升。

2000年7月25日,法航一架編號F-BTSC的協和超音速客機發生空難,調查發現就是飛機起飛滑跑時爆胎,輪胎的碎片擊穿了飛機的油箱引發的慘劇,這也促使航空業界提出“製造抗外物致損的輪胎”。

和斜交輪胎相比,航空子午線輪胎能夠滿足抗外物致損的要求,能夠經受住飛機高速起飛產生的強大離心力和著陸接地瞬間的巨大沖擊力,因此是未來的主流規格

2、子午線輪胎的結構:該強的地方強、該軟的地方軟

斜交胎其80%到90%的內應力均由胎體的簾布層承擔,而子午線輪胎的受力主要靠簾線層和帶束層。

(斜交航空輪胎結構示意圖關偉平,2016)

目前一些服役的老機型使用的輪胎是斜交航空輪胎,胎體是一個由多層簾布疊合而成的殼體,其中每一層的簾線都與胎面中線呈一定的角度,同時層與層之間交叉排列。緩衝層覆蓋在胎體上,起保護作用。這種形式的骨架結構沒有明顯的剛柔度分區,其胎側部位和胎冠的力學效能幾乎相同。

(子午線航空輪胎結構示意圖關偉平,2016)

子午線輪胎因其胎體簾線排列與輪胎胎冠中心線(亦即胎面中線)垂直或接近垂直(亦即與輪胎橫斷面方向呈0°或接近0°),如同地球的子午線(經線)而得名,其簾線排布有點像一個扁平的宮燈。

子午線輪胎的胎體簾線在層與層之間沒有交叉,所有簾線受力的時候朝一個方向一起使勁,強度就更高,需要的簾布層數少,所以胎體柔軟,彈性好。

在垂直於簾線的方向即圓周方向上,簾線只靠橡膠來聯結,但只有這個這是不夠的。為了承擔輪胎行駛時產生的較大切向力,子午線輪胎使用帶束層箍緊輪胎的周向。

帶束層採用了與胎面中心線夾角較小(10°-20°)交叉排列的多層簾線帶束層,並用剛性大、強度高、變形小的鋼絲。這使帶束層像鋼腰帶一樣,緊緊箍在胎體上,以承受輪胎的內壓和外力,大大提高了胎面的剛性和強度。

3、航空子午胎變形特點:徑向變形大,側向變形大,周向變形小

總的來說,航空子午胎的特點就是徑向變形大,側向變形大,周向變形小。這樣的子午線輪胎的胎側可以變形用於吸收能量,但是與地面接觸的胎面變形很小,膨脹小,這就帶來了諸多的優良效能。

(新機型均採用子午線輪胎)

比如說:

1)因為該硬的地方硬,該軟的地方軟,接地面積大,附著效能好,胎面滑移小,對地面單位壓力也小,因而滾動阻力小,使用壽命長;

2)胎冠較厚且有堅硬的帶束層,不易刺穿,這部分行駛時變形小,可降低油耗;

3)因為簾布層數少,胎側薄容易發生變形,所以緩衝效能好;

4)結構更輕,滾動阻力小,節省燃油的同時散熱效能好,可適應高溫、高速行駛;

5)由於子午線輪胎簾線排列與輪胎主要的變形方向一致,因而使簾線強度得到充分有效的利用,故比普通斜線輪胎承載能力更高。

由於結構的優化,與斜交航空輪胎相比,子午線航空輪胎在綜合效能上有著顯著的提高。

在航空界流行著這樣的格言“一克質量一克黃金”,把飛機做輕是所有設計者的追求。空客A380改用子午線航空輪胎後,總重量減輕360kg,平均每條輪胎減輕16.4 kg,帶來的運營效益十分可觀。

4、航空子午線輪胎製造:工藝複雜,裝備專用

航空子午線輪胎的製造過程不同於一般的汽車輪胎,生產流程複雜,要求苛刻,裝備多為專用。

航空子午線輪胎生產中需要採用覆膠纖維簾布作為胎體骨架材料,覆膠纖維簾布主要採用壓延機生產,一般需要使用效能先進、高精密化、高質高效的S型壓延機。

制約航空子午線輪胎自動化、批量化生產的關鍵裝置為航空子午線輪胎成型機,其工藝上因為胎體的貼合層數較多,通常採用二次法成型工藝技術、成型過程中應用正反包技術、採用冠帶條複雜曲線的纏繞技術。

(輪胎成型裝備)

此外,航空輪胎橡膠材料的物理效能及耐老化性嚴重影響航空子午線輪胎的質量和壽命,這兩種效能又取決於橡膠的硫化工藝條件。在最佳硫化工藝條件下,製造航空輪胎一般使用專用硫化裝備硫化的橡膠件,因為它效能較好,具有較強的耐老化性,使用壽命較長。

(三)中國的航空輪胎行業:迎頭趕上

近些年來,中國在航空輪胎的研製上取得了不小的成績,2008年,中國成功研製子午線航空輪胎,打破了西方發達國家對這一技術長達28年的壟斷,使中國成為繼法、美、日、英後世界上第5個有能力研發、製造和試驗航空子午線輪胎的國家。

目前,中國研製的子午線輪胎已有3個規格實現批量生產,配套國產第三、四代戰機和大型運輸機。

2015年,中國自主研製的軍用航空輪胎試用成功,打破了中國航空高階用膠長期依賴進口的局面,戰略意義尤為深遠。

在航空輪胎這個高技術含量、高利潤的領域,中國開始有了自己的力量,國產子午線航空輪胎的研製成功,為保證中國先進飛機研製和國防建設需要奠定了堅實的技術基礎。

結語

航空輪胎就如飛機的雙腳,是飛機起飛、降落和滑行過程中唯一接地的部件。中國成功攻克航空輪胎中子午線航空輪胎製造這一尖端技術,對於未來有效提高中國國產大飛機航空輪胎的速度性、安全性等綜合效能指標具有重要意義。

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編輯|史文慧

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