Zusammenfassung

Die Größenordnung der Bremsenergie nach einem abgelehnten Start (RTO) für ein sehr schweres Flugzeug beträgt 1 GJ oder 100 MJ pro Radbremse.

Flugzeugbremsen werden mit Umgebungsluft gekühlt, entweder durch passiven Luftstrom oder (optional) durch Zwangsbelüftung.

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_{Schnittzeichnungen von A380-Rad und -Bremse ( Quelle )}

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Energiedissipation

Die Startgeschwindigkeit für schwere Flugzeuge beträgt etwa 150 Knoten oder 280 km/h. Die maximale Geschwindigkeit, um den Start abzulehnen ($V_1$) hängt vom Flugzeug, der Beladung, dem Wind und dem Zustand der Landebahn ab. Nehmen wir für eine grobe Energieschätzung 150 Knoten an.

Die maximale Energie, die auf die Bremsen übertragen werden könnte, ist mehr oder weniger die kinetische Energie des Flugzeugs bei Startgeschwindigkeit:

$$E_\rm{kinetic} = \frac{1}{2}mv^2$$

Die tatsächliche Verlustleistung wird um erhöht

• Restleistung der Motoren
• Rückenwind
• Gefälle der Landebahn

und verringert um

• Druckluftbremse
• Rückwärtsschub
• Gegenwind
• Steigung der Landebahn
• ziehen
• Reifenwärmeableitung und Reifenverschleiß

Weder A380 noch B777 haben Bremsen im Bugfahrwerk. (Eigentlich haben nur sehr wenige schwere Flugzeuge gebremste Bugräder. Siehe: Gibt es Flugzeuge mit einem Bugradbremssystem? )

Airbus A380

Das maximale Startgewicht (MTOW) des A380 beträgt 575 t, sein Hauptfahrwerk hat 20 Räder. 16 Haupträder haben Bremsen und 4 Haupträder nicht. (Siehe Warum haben einige A380-Haupträder keine Bremsen? )

$$E_\rm{TO,max} = 0.5\cdot 5.75\cdot 10^5\,\rm{kg}\cdot\left(\frac{280}{3.6}\frac{\rm{m}}{\rm{s}}\right)^2 = 1.7\,\rm{GJ}$$

Die ungefähre maximal dissipierte Energie pro Radbremseinheit für einen A380 nach RTO ist

$$E_{\rm{wheel}} = \frac{1}{16} E_\rm{TO,max} = 110\,\rm{MJ}$$

Boeing 777

Das MTOW der schwersten 777 beträgt 352 t, und ihr Hauptfahrwerk hat 12 Räder.

$$E_\rm{TO,max} = 0.5\cdot 3.52\cdot 10^5\,\rm{kg}\cdot\left(\frac{280}{3.6}\frac{\rm{m}}{\rm{s}}\right)^2 = 1.1\,\rm{GJ}$$

Die ungefähre maximal dissipierte Energie pro Radbremseinheit für eine Boeing 777 nach RTO ist

$$E_{\rm{wheel}} = \frac{1}{12} E_\rm{TO,max} = 89\,\rm{MJ}$$

Aktive Kühlung

Flugzeuge, die für häufige Starts und Landungen vorgesehen sind, können mit elektrischen Bremslüftern (BCF) ausgestattet sein, die die heiße Innenluft nach außen abführen. Die BCF werden während der Bodenzeit verwendet, um die Wendezeit zu verkürzen.

Als Beispiel die Haupträder eines A318, die mit elektrischen Bremslüftern ausgestattet sind:

Interessanterweise gibt es einen Unterschied zwischen Stahl- und Carbon-Bremsscheiben. Stahlscheiben verschleißen schneller, wenn sie heiß sind, wohingegen Kohlenstoffscheiben schneller verschleißen, wenn sie kalt sind. Daher ist es besser, die Kühlung von Carbon-Scheibenbremsen auf das zu reduzieren, was für den folgenden Start erforderlich ist ( siehe diese Antwort ).

Passive Kühlung

Viele (Langstrecken-)Flugzeuge haben keine aktive Bremskühlung. Passive Kühlung wird verursacht durch

• Luftstrom (induziert durch Wind oder Flugzeugbewegung),
• Konvektion,
• Wärmeleitung,
• Wärmestrahlung.

Die passive Kühlung von Flugzeugbremsen folgt dem Newtonschen Gesetz der Kühlung , das - mathematisch ausgedrückt - ein exponentieller Abfall ist (oder eine Exponentialfunktion mit einem negativen Exponenten, wenn Sie es vorziehen).

Es kann viele Stunden passiver Kühlung dauern, bis die Umgebungstemperatur erreicht ist. Siehe auch verwandte Frage . Wie hoch ist die Temperatur der Bremsen nach einer typischen Landung?

_{Die Quelle dieser Grafik gibt nicht die Einheit der x-Achse an, aber Minuten scheinen am plausibelsten. Der Typ des getesteten Flugzeugs ist ebenfalls unbekannt. Die Informationen gelten für eine Reihe von Airbus-Flugzeugen, die mit Carbon-Scheibenbremsen ausgestattet sind, von A300 bis A380.}

Externe Kühlung

Externe Belüftungseinheiten sind vorhanden und können bei Bedarf verwendet werden. Diese können elektrisch, benzinbetrieben,

oder von einem entfernten Kompressor oder Extraktor geliefert:

Heiße Bremsen werden normalerweise durch natürliche Konvektion gekühlt, aber in extremen Fällen kühlt die Feuerwehr überhitzte Bremsen . Einige Konstruktionen verwenden Bremslüfter . Von der verlinkten Seite:

Bremslüfter verkürzen die Abkühlzeiten der Bremsen, indem sie radmontierte elektrische Lüfter verwenden, um Umgebungsluft über die Brems- und Radbaugruppen zu blasen. Beachten Sie, dass die empfohlene Höchsttemperatur für den Start, wie auf der Instrumententafel angezeigt, einen anderen Wert haben kann, je nachdem, ob die Bremslüfter verwendet wurden oder nicht.

_{Safran Bremslüfter und Elektromotor ( Bildquelle )}

Laut dieser Seite auf Airliners.net hatte die BAe 146 sie, ebenso wie die A310 von PanAm, aber die meisten Fluggesellschaften lassen sie weg, um etwas Gewicht zu sparen. Kurzstreckenflugzeuge nutzen häufiger Kühlgebläse: Laut diesem Artikel und Video verwenden 90 % der A320 Kühlgebläse. Es gibt auch bodengestützte Kühlgebläse , um die Durchlaufzeiten zu verkürzen.

Der schwerwiegendste Fall, der in der Konstruktion verwendet wird, ist ein abgelehnter Start. Ein Teil der Energie wird durch Abreiben der Reifen absorbiert, der größte Teil landet jedoch in den Bremsscheiben. Um all diese Energie zu absorbieren, müssen in der Designphase manchmal weitere Festplatten hinzugefügt werden. Das extremste Beispiel ist das Fahrwerk der Tupolev 144 , das die ungewöhnliche Kombination aus hoher Start- und Landegeschwindigkeit und keinen Schubumkehrern aufwies.

_{Tupolev Tu-144 Landegestell ( Bildquelle ) Ja, es ist dieser Vogel!}

Wie immer können nicht alle Anwendungsfälle von den Designern vorhergesehen werden. Der Grund, warum Hydraulikflüssigkeit für die Luftfahrt nicht brennbar sein muss, ist ein Fall, in dem die Wärmeenergie von der umgebenden Struktur aufgenommen wurde, mit fatalen Folgen . In diesem speziellen Fall im Jahr 1963 eine Sud Aviation Caravellehatte versucht, den Nebel auf der Landebahn wegzuheizen, damit sie abheben konnten. Sie taten dies, indem sie mit beträchtlichem Schub die Landebahn hinunterrollten und die Bremsen benutzten, um das Flugzeug am Beschleunigen zu hindern. Bei eingezogenem Fahrwerk glühten die Bremsscheiben noch rot, hatten aber wenig bis keine Luftkühlung. So wurde die Wärme in die Aluminium-Radnaben abgeleitet, die zu weich wurden, um dem Reifendruck standzuhalten. Granatsplitter der geborstenen Räder zerschnitten Hydraulikleitungen, und die noch glühenden Bremsscheiben entzündeten das Öl, das in den Radkasten gepumpt wurde. Das daraus resultierende Feuer zerstörte das Flugzeug.

Aus dem Unfallbericht :

Vier Minuten später bemerkten Zeugen am Boden eine weißliche Rauchfahne auf der linken Seite des Flugzeugs und plötzlich eine lange Flamme aus der linken Flügelwurzel. Gegen 06:20 Uhr erreichte das Flugzeug eine Höhe von etwa 2700 m, begann dann an Höhe zu verlieren, flog in eine sanfte Linkskurve ein, verlor schneller an Höhe und ging schließlich in einen steilen Sturzflug.

Deshalb sind schleifende Bremsen an Einziehfahrwerken gefährlich: Nach dem Start sind Rad und Bremse eingefahren, sodass die Luft sie nicht mehr abkühlen kann.

Wie andere geantwortet haben, werden Bremsen normalerweise durch natürliche Konvektion gekühlt. Für Single-Aisle- und insbesondere Regionalflugzeuge sind diese so ausgelegt, dass sie in der Zeit, die zum Aus- und Wiedereinsteigen in das Flugzeug benötigt wird, auf die Ausrolltemperatur abkühlen. Bei bestimmten Flugzeugen kann die Kühlung der entscheidende Faktor dafür sein, wann Flugzeuge das Gate verlassen, und hier kommen Temperaturmanagementsysteme ins Spiel.

Betreiber haben zwei Möglichkeiten, wenn es um das Temperaturmanagement geht. Das erste ist ein vom Flugzeughersteller veröffentlichtes Diagramm, das verwendet wird, um die Kühlzeit basierend auf der Landeenergie und den Umgebungsbedingungen abzuschätzen. Dieses Diagramm ist jedoch aufgrund der ungleichmäßigen Wärmeverteilung in den Bremsen normalerweise konservativ , sodass sich die meisten Fahrer für das optionale Upgrade des Bremstemperaturüberwachungssystems entscheiden. Diese Option verwendet einen als Thermoelement bezeichneten Temperatursensor, um die tatsächliche Temperatur der Bremsbeläge (manchmal auch als Kühlkörper bezeichnet) zu bestimmen. Dies ist in das Engine Indicating and Crew Alerting System (EICAS) integriert, damit die Piloten wissen, wann es akzeptabel ist, auszurollen.

Die Folgen einer übermäßigen Erwärmung der Bremsen wurden bereits erwähnt. Nach dem Vorfall von Sud Aviation führte die Industrie Sicherungsstecker in Flugzeugräder ein. Diese enthalten ein eutektisches Material, das schmilzt und den Reifendruck abgibt, bevor das Rad reißt. Flugzeugreifen werden mit Stickstoff aufgepumpt, dessen Freisetzung einen eventuellen Brand unterbindet.

Für diejenigen, die daran interessiert sind, was passiert, wenn Sicherungsstecker nicht richtig funktionieren, ist hier ein Video: