航空機のブレーキシステムの仕組みと冷却の仕組み

Corey

2024-11-13

重い飛行機のブレーキは車のブレーキとそれほど変わりません。一般的な自動車のブレーキシステムでは、ブレーキパッドまたは摩擦パッドが車輪の速度で回転するローターに押し付けられます。ドライバーがブレーキを踏むと、圧力のかかったブレーキ液がピストンに送られ、ピストンがパッドをローターに押し付けてホイールの回転を止めます。

その単純さのため、軽飛行機も同様のシステムを使用しています。このタイプのブレーキは、単板ディスクブレーキとして最もよく知られています。航空機のブレーキは、着陸中および離陸が拒否された場合に大量のエネルギーを吸収する必要があります。大量のエネルギーが必要となるため、航空機のブレーキは堅牢で信頼性が高い必要があります。

画像: オックスフォード ATPL

このようなブレーキシステムが大型航空機にとって最良のアイデアではない理由はいくつかあります。 1 つは、そのようなシステムは必要なエネルギーを単純に放散することができないということです。比較のためにセスナ 172 とエアバス A320 について簡単な計算を行うことができます。ブレーキは運動エネルギーを熱に変換するため、両方の航空機が着陸するときに必要なエネルギーを計算できます。セスナ 172 の質量は 700 kg、着陸速度は 32 m/s であると仮定します。そして、A320の場合、質量は64,000kg、速度は70m/sです。

セスナ 172 の例

KE = 1/2 xmxv^2
KE = 1/2 x 700 x 30^2
KE = 315,000 J

エアバス A320 の例

KE = 1/2 xmxv^2
KE = 1/2 x 64000 x 70^2
KE = 156,800,000 J

計算によると、エアバス A320 のブレーキは、着陸時にセスナ 172 のほぼ 500 倍のエネルギーを吸収する必要があります。したがって、前者にはより優れたブレーキシステムが必要であることは明らかです。ほとんどの大型航空機では、ブレーキ能力と効率を向上させるために、マルチディスクブレーキセットアップと呼ばれるブレーキシステムが使用されています。このシステムでは、ローターのスタックがあり、その間にステーターと呼ばれるものが挟まれています。ステーターは摩擦パッドのようなものです。ローターは車輪とともに動きますが、ステーターは静止したままです。

ステーターの始点には、ローターとステーターの動きを制御するプレッシャープレートがあります。一般的な自動車に使用される単一ピストンとは異なり、このタイプのブレーキシステムでは複数のピストンが使用されます。これらのブレーキは重量が重い傾向にあるため、ピストンの作動にはメイン油圧システムからの油圧が使用されます。

画像: オックスフォード ATPL

ブレーキが解除されると、プレッシャープレートはブレーキアジャスターアセンブリによって移動されます。これはプレートに固定されたバネ式のデバイスです。ブレーキを踏むとスプリングが圧縮され、ブレーキを解除するとスプリングが伸びてプレッシャープレートを動かします。これにより、ステーターがローターから解放され、ブレーキはもはや存在しません。

多くのブレーキシステムでは、アジャスターにピンが取り付けられており、これを使用してブレーキの摩耗を測定できます。ブレーキが磨耗すると、通常は外から見えるピンが奥に入り込んでいきます。ピンが肉眼で見えなくなり、触っても感じられなくなると、ブレーキを交換する必要があります。

画像: オックスフォード ATPL

冗長性の目的で、航空機はブレーキに動力を供給するために 2 つ以上の油圧システムを使用します。 1 つのシステムに障害が発生した場合、もう 1 つのシステムが引き継ぐことができます。後ほど説明する緊急ブレーキシステムもあります。

昔はブレーキには鋼が使われていました。しかし、最近ではカーボンブレーキが使われています。カーボンブレーキは軽量で、より多くのエネルギーを吸収でき、耐久性が優れています。これらの理由から、航空機メーカーはカーボンブレーキを好んでいます。

写真: アナス・マーツ

パイロットは飛行機のブレーキをどのように操作するのでしょうか?

ブレーキは通常、ラダーペダルの上部を踏んで足で操作します。ブレーキはディファレンシャル方式で地上での急旋回も可能です。たとえば、航空機が移動中にパイロットが右に行きたい場合、右のブレーキを踏むことができます。これにより、左車輪が動き続けながら右車輪がロックされ、航空機が旋回します。

写真: エアバス

横滑り防止および自動ブレーキシステム

短い滑走路、濡れた滑走路、または汚染された滑走路では、ブレーキがロックアップすると非常に危険です。ブレーキがロックすると、航空機が滑走路から滑り落ちたり、過剰な発熱が発生して火災が発生する可能性があります。これらの理由から、車輪のロックや横滑りを防ぐシステムが必要です。

アンチスキッドシステムは、車輪がロックする可能性を感知するとブレーキを解除して横滑りを防ぎます。これは、基準速度と呼ばれる航空機の速度と各車輪の速度を比較することによって機能します。車輪速度はタコメーターによって測定され、航空機の速度は慣性データを使用して航空機の加速度を計算することによって決定されます。車輪の速度がしきい値まで低下すると、アンチスキッドシステムによってブレーキ解除コマンドが発せられます。

写真：トマス・デル・コロ |フリッカー

自動ブレーキまたは自動ブレーキは、自動的にブレーキをかけます。必要に応じてパイロットによって武装されます。武装している場合、それがオンになるには特定の条件が必要ですが、これは航空機によって大きく異なります。たとえば、エアバス航空機の自動ブレーキは、グランドスポイラーを伸ばした場合にのみ作動します。手動ブレーキが適用された場合、パイロットはこれらを無効にすることができます。

続きを読む：歴史: BAE Systems ホークの前に赤い矢印が飛んだ航空機はどれですか?

自動ブレーキにはさまざまなレベルがあります。離陸時には、通常、自動ブレーキは最大に設定されます。これにより、パイロットが離陸を拒否した場合でも、最大のブレーキが確実に適用されます。着陸時には、自動ブレーキをパイロットの好みのレベルに設定できます。濡れた滑走路では、パイロットは通常、航空機をできるだけ早く停止するためにより高いレベルのブレーキをかけます。

パーキングブレーキと緊急ブレーキシステム

飛行機にはパーキングブレーキもあり、パイロットが長時間駐機しているときに飛行機が動かないようにするために使用されます。たとえば、空港のどこかでエンジンをかけたまま待機しているとき。

ゲートに駐車するときは、通常、パーキングブレーキがかかります。車輪には車止めがかかっているからです。輪止めが適切に設置されていれば、車輪が不用意に回転するのを防ぐことができるため、ブレーキは必要ありません。これは、ブレーキ温度の上昇が問題となる短いターンアラウンドの場合に非常に有益です。パーキングブレーキをオフにしておくと、ローターとステーターが互いに分離され、適切な空気の流れが確保されます。これによりブレーキを冷たく保ちます。

写真: アメリカン航空

二重油圧故障が発生し、主輪ブレーキシステムが役に立たなくなった場合、パイロットは緊急ブレーキシステムを利用できます。ほとんどの場合、飛行前に事前充電されるブレーキアキュムレータがこの目的に使用されます。メインブレーキシステムが故障した場合、パイロットはこのアキュムレータ圧力を使用してブレーキを操作できます。アキュムレータには限られた量の圧力しか保持できないため、ブレーキを適用する回数は制限されます。ほとんどの場合、パイロットは約 7 種類のブレーキアプリケーションを利用できます。

写真：ATSB

ブレーキ温度とブレーキ摩耗の制御

パフォーマンスを向上させるには、ブレーキを可能な限り低温に保つ必要があります
危険な温度では、ブレーキはエネルギーを吸収できません。
火災の危険が生じる
最高ブレーキ温度を維持する必要がある

前の段落で強調したように、ブレーキを冷たく保つことはパイロットにとって最優先事項です。低温ブレーキは、特に離陸が拒否された場合に必要な場合、高温ブレーキよりも優れたパフォーマンスを発揮します。温度が上昇すると、ブレーキが必要なエネルギーを吸収できなくなります。ブレーキが熱いと火災の危険もあります。

着陸装置は油圧ラインが存在する航空機の車輪収容室に格納されるため、漏れが発生し、高温のブレーキに落ちた場合、車輪収容室火災が発生する可能性が非常に高いシナリオです。このため、離陸を開始する前に絶対に超えてはいけない最大ブレーキ温度が存在します。一般に、ブレーキ温度はほとんどの航空機の飛行甲板に表示されます。

写真：オリヴィエ・クレイン |ウィキメディア・コモンズ

ブレーキが熱くなりすぎた場合にブレーキを冷却する方法は数多くあります。一部の飛行機には、パイロットがスイッチを入れることができるブレーキファンが装備されています。このシステムは、高温になったブレーキに空気を吹き付け、その過程でブレーキを冷却します。ブレーキを冷却するためにホイールに接続できるポータブル冷却ファンもあります。

写真: サフラン

パイロットの飛行技術も重要な役割を果たします。タクシー中にブレーキをかけすぎると、ブレーキが過熱する可能性があります。したがって、パイロットはブレーキの使用を可能な限り最小限に抑えるように努める必要があります。また、逆推力を使用すると、重いホイールブレーキの必要性が最小限に抑えられるため、ブレーキを冷たく保つことができます。長い滑走路に着陸する場合は、ロールアウトを長くすることもお勧めします。これにより、航空機はより多くの滑走路を使用することになりますが、実質的にはブレーキの使用量が減少します。

カーボンブレーキの摩耗に関しては、科学は少し複雑です。カーボンブレーキは、温度が著しく低い場合や温度が非常に高い場合には摩耗が少なくなる傾向があります。中温域では摩耗が多くなります。以下はエアバス社が作成した、温度に対するブレーキ摩耗をプロットしたグラフです。ブレーキメーカー3社のブレーキ摩耗傾向を示しています。このプロットは、すべてのブレーキが中間温度で摩耗率のピークを迎えることを示しています。

画像: エアバス

ただし、摩耗を軽減するために高温でブレーキを操作することは、ブレーキの効率が低下するためお勧めできません。可能な場合、特に長いターンアラウンドの場合、パイロットはブレーキ温度を下げるために最善を尽くすべきです。非常に低い温度でブレーキを操作することは摩耗を節約し、効率を高めるのに役立ちます。さらに、高温は炭素の酸化を引き起こします。炭素は空気中の酸素と自然に結合して二酸化炭素を形成します。熱によりこのプロセスが促進され、ブレーキからのカーボン質量の損失につながり、ブレーキの摩耗が増加します。

写真: ボーイング

以前と同様に、適切な操縦技術を使用することでブレーキの摩耗を軽減することもできます。カーボンブレーキは、ブレーキをかける回数に非常に敏感です。地上走行中、パイロットはブレーキの使用を最小限に抑えるよう最善を尽くす必要があります。これは、速度が低レベルに低下するまでブレーキを 1 回かけることで実行できます。通常、飛行機はエンジンがアイドル状態で加速して高速に戻るまでに時間がかかります。したがって、パイロットはタキシング中に航空機の速度を落としたい場合に、これを利点として利用できます。

写真: ブライアン・シロタ

また、条件が整えば単発タクシーも運行可能です。これにより、航空機が生成する推力の量が減少し、断続的なブレーキの必要性が減少します。もう 1 つの方法は、着陸時に自動ブレーキを使用することです。自動ブレーキは、作動中に 1 つのブレーキアプリケーションを使用する傾向があり、その 1 つのアプリケーションでブレーキ圧力を単純に調整します。これによりブレーキをかける回数が減り、ブレーキの摩耗が軽減されます。