В 1956 году британцы начали экспериментировать с устройством взлётно-посадочных полос после увеличения числа аварий со скольжением военных самолётов. Хорошие результаты дал способ с нарезкой канавок. 

В 1965 году представители NASA и Федерального управления гражданской авиации США (FAA) отправились в Великобританию, чтобы изучить этот опыт. После поездки американцы устроили масштабную программу испытаний, которая впоследствии привела к публикации сборника 1969 года.

В статье — краткая история и избранные фото и другие визуальные материалы из двух отчётов с переводом и пояснительными комментариями.

Ссылки на исходные отчёты:

1. 1967 год: ntrs.nasa.gov

2. 1968 год (опубликован в 1969): ntrs.nasa.gov

Почти все фото дальше в статье — из этих двух отчётов. В отдельных случаях указан точный источник.

Содержание

• В чём суть проблемы, которую решили британские учёные и NASA

• Появление британского решения

• Избранное интересное из отчётов 1967 и 1968 годов

  • Испытательная установка

  • Испытательная полоса в Уоллопсе

  • Разрыв авиационной шины при скольжении по бетону

  • Разрыв шины при скольжении по влажной полосе

  • График: результаты испытаний

  • Фото с испытаний

  • Результаты исследований

  • Первые применения в реальных аэропортах: Джона Кеннеди, Канзас-Сити и Вашингтон

• Что сегодня

В чём суть проблемы, которую решили британские учёные и NASA

В 1950-е годы реактивные самолёты стали больше весить и быстрее садиться. 

На мокрой взлётно-посадочной полосе (ВПП) колёса могут терять сцепление: тормоза сжимают диски и замедляют вращение колёс, но шины плохо передают это усилие покрытию. Тормозной путь растёт, самолёт (и любое другое транспортное средство) хуже сохраняет направление. 

Это называется аквапланирование: между поверхностью полосы и колёсами образуется водяной слой, и управлять транспортным средством становится практически невозможно.

Чтобы такого не было, шина должна вытеснить воду из пятна контакта. Но на большой скорости вода просто не успевает уйти. Чем выше скорость, глубже вода, глаже покрытие и сильнее изношен протектор, тем выше риск аквапланирования. Поэтому на обычной гладкой полосе при посадке в дождь риск аварии сильно возрастает.

Появление британского решения

В 1956 году на нескольких британских военных аэродромах на ВПП впервые нарезали поперечные канавки. То есть это буквально маленькие канавки в бетоне:

Смысл в том, что при соприкосновении колёс с бетоном вода уходит через канавки, и сцепление резко возрастает. Первые испытания провели в Великобритании в 1956 году на нескольких аэродромах. В 1962 году исследования и испытания такого покрытия начали NASA на своём полигоне в Лэнгли. NASA испробовали несколько видов узоров для канавок, и лучшим оказался рисунок 6 мм шириной, 6 мм глубиной и через 25 мм.

Проект нарезанного покрытия (runway grooving) начали вводить в эксплуатацию. В 1967 году NASA нарезала исследовательскую полосу на лётно-испытательном комплексе Уоллопс и провела испытания настоящих самолётов. Весной Вашингтон получил первую полностью нарезанную ВПП крупного гражданского аэропорта США. Затем появляются проекты в JFK, Канзас-Сити и других аэропортах.

В 1969 году NASA публикует большой отчёт SP-5073 , где собраны все ключевые результаты исследований.

Избранное интересное из отчётов 1967 и 1968 годов

Испытательная установка 

Тут схема специальной испытательной установки NASA, на которой инженеры разгоняли настоящие авиационные колёса до посадочных скоростей, чтобы исследовать их поведение на разных покрытиях.

Эксперимент выглядел примерно так:

1. Подготовка поверхности. Например, устанавливали бетонные плиты с канавками определённой ширины и глубины, а затем увлажняли их.

2. Разгоняли тележку катапультой. Она двигалась по направляющим, набирая скорость, сопоставимую с посадочной скоростью самолёта.

3. Опускали колесо на поверхность. Оно соприкасалось с бетоном под заданной нагрузкой. Исследователи могли проверять свободное качение, торможение или скольжение.

4. Измеряли силы. Приборы фиксировали сопротивление качению, тормозную силу и поперечное сцепление.

5. Останавливали тележку.

Испытательная трасса работала с 1954 года и позволяла проверять полноразмерные авиационные шасси при скоростях движения до 130 узлов — примерно 241 км/ч.

Испытательная полоса в Уоллопсе

Для испытаний NASA построило в комплексе в Уоллопсе своеобразную полосу препятствий длиной 1,36 км: бетон и асфальт чередовались с участками, где были нарезаны канавки. Затем по этой трассе разгоняли настоящие реактивные самолёты и измеряли, насколько хорошо они тормозят на мокром покрытии.

На специальной испытательной трассе можно было сравнивать разные покрытия в одинаковых условиях — с водой, льдом и при различных скоростях движения.

На рисунке выше сверху — чертёж бетонной плиты, которую учёные устанавливали на испытательной трассе. Размеры образца:

• Длина — 3,05 метра.

• Ширина — 61 сантиметр.

• Внутри — стальная арматура и проволочная сетка для усиления конструкции.

NASA изготовило несколько таких плит и нарезало на них канавки разной ширины, глубины и с разными промежутками. Для экспериментов они создавали необходимые условия: увлажняли поверхность, заливали водой или замораживали её. Потом пропускали по испытательным участкам колесо авиационной шины на специальной движущейся установке и измеряли силы трения при торможении и боковом движении колеса.

Разрыв авиационной шины при скольжении по бетону

Перед нами шина после испытания на специальной установке NASA. Исследователи воспроизводили условия торможения самолёта, чтобы изучить поведение покрышек на разных покрытиях. В подписи к оригинальной фотографии были указаны три условия:

• Скорость в начале контакта с полосой — 100 узлов (185 км/ч).

• Расстояние скольжения — 60 футов (18 метров).

• Покрытие — сухой бетон.

Размер шины обозначен как 32 × 8,8 дюйма — приблизительно 81 × 22 см.

Обратите внимание, что на фото результат именно скольжения. При нормальном торможении колесо продолжает вращаться, поэтому с покрытием последовательно соприкасаются разные участки протектора. При блокировке один участок шины скользит по бетону, быстро нагревается и истирается. Такое скольжение может привести к серьёзному повреждению покрышки.

Разрыв шины при скольжении по влажной полосе

Самолётная шина, покрывшаяся многочисленными V-образными порезами после скольжения по затопленной взлётно-посадочной полосе. Исследователи NASA называли такие повреждения chevron-type cuts — шевронные порезы.

Что дало такой результат: тяжело нагруженное самолётное колесо проскользило по мокрому покрытию 37 метров, после чего на его поверхности обнаружили характерные повреждения.

После этого испытания стало ясно, что одних канавок недостаточно. Нужны хорошие противоюзовые тормоза, которые помогают избежать полной блокировки колёс и сохранить управляемость самолёта.

График: результаты испытаний

Тут видно, как канавки меняют сцепление самолётных колёс с мокрой ВПП. 

В испытаниях NASA при скорости 185 км/ч коэффициент трения на затопленном бетоне вырос примерно в десять раз после нарезки канавок оптимального размера. 

Как понимать график: чем выше столбец, тем сильнее сцепление шины с покрытием. Белый столбец означает влажную поверхность без значительного слоя стоячей воды, а заштрихованный — поверхность, залитую водой глубиной 5–7,6 мм.

Именно тут видно, что оптимальный вариант узора канавок — 6 мм в длину и ширину на расстоянии через 25 мм друг от друга.

Фото с испытаний

Что на фото: реактивный самолёт Convair 990 тормозит на полосе, покрытой слякотью, и начинает терять управление после перехода с участка с канавками на участок без них.

Результаты исследований

Один из главных результатов исследований: на мокрой взлётно-посадочной полосе канавки позволяли самолётам сохранять почти такую же эффективность торможения, как на сухом покрытии.

На асфальте с канавками эффективность торможения почти не снижалась с ростом скорости, а на асфальте без канавок падала до 20–30% от показателей на сухой полосе.

Первые применения в реальных аэропортах: Джона Кеннеди, Канзас-Сити и Вашингтон

Для первых реальных испытаний в трёх аэропортах выбрали разные размеры:

• Нью-Йорк: ширина 9,5 мм, глубина 3,2 мм, шаг около 35 мм. Канавки имели округлое сечение.

• Канзас-Сити: ширина 3,2 мм, глубина 6,35 мм, шаг 25,4 мм. Прямоугольное сечение.

• Вашингтон: ширина и глубина по 3,2 мм, шаг 25,4 мм. Прямоугольное сечение.

Более интересная часть — как в разных аэропортах организовали работы по модернизации покрытия. 

• Нью-Йорк: аэропорт имени Джона Кеннеди работал над полосой с 6:00 до 15:00. На время нарезки канавок полосу закрывали.

• Канзас-Сити: каждые 15 минут полосу открывали для самолётов, затем на 15 минут снова закрывали для рабочих.

• В Вашингтоне работы проводились ночью — с 23:00 до 7:00, полностью закрывая полосу на это время.

Канавки нарезают машины с несколькими алмазными дисками:

Что сегодня

После исследований NASA технология нарезки канавок распространилась по всему миру и вошла в международные авиационные стандарты. Её используют и сегодня, но современные взлётно-посадочные полосы могут обеспечивать безопасное сцепление несколькими способами, поэтому канавки есть далеко не везде.

Вот ещё два варианта обеспечения сцепления на ВПП в дождь и слякоть.

Пористый асфальт. Верхний слой покрытия специально делают проницаемым. Вода проходит через пустоты между камнями и затем отводится в стороны по нижнему водонепроницаемому слою.

Покрытия с повышенной шероховатостью. Инженеры подбирают состав асфальта или обрабатывают бетон так, чтобы поверхность обеспечивала хорошее сцепление с резиной и отводила воду через мелкие неровности.

Важны форма и размер каменных частиц, шероховатость поверхности и её устойчивость к износу.

Физический принцип везде один: чем быстрее вода уходит из-под самолётных колёс, тем больше возможностей сохранить сцепление при посадке.

Даже сложной и хорошо продуманной системе иногда не хватает какой-нибудь небольшой детали, чтобы работать эффективнее. Для самолётов одной из таких деталей оказались канавки на взлётно-посадочных полосах. А если вы пользуетесь Битрикс24 и знаете, каких «канавок» не хватает для вашей работы, расскажите нам в комментариях: мы подумаем, что и как можно улучшить.