Зачем на взлётно-посадочных полосах делают поперечные борозды: что говорится в отчётах NASA

В 1956 году британские специалисты занялись опытами с покрытием взлётно-посадочных полос: военная авиация всё чаще сталкивалась с выкатываниями и скольжением на посадке. Наиболее удачным оказался метод нарезки канавок в покрытии.

В 1965 году представители NASA и Федерального управления гражданской авиации США (FAA) приехали в Великобританию, чтобы познакомиться с этим опытом на месте. Вернувшись, американцы развернули масштабную программу испытаний, итогом которой стал сборник, изданный в 1969 году.

В статье вы найдёте краткую историю вопроса, а также отобранные фотографии и другие иллюстрации из двух отчётов — с переводом и пояснениями.

Ссылки на первоисточники:

1. 1967 год: ntrs.nasa.gov

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

Практически все снимки ниже взяты из этих двух отчётов. Если источник другой, он указан отдельно.

Содержание

• Какую проблему решали британские учёные и NASA

• Как появилось британское решение

• Самое интересное из отчётов 1967 и 1968 годов

  • Испытательная установка

  • Опытная полоса в Уоллопсе

  • Разрушение авиашины при скольжении по бетону

  • Разрушение шины при скольжении по мокрой полосе

  • График: итоги испытаний

  • Фотографии с испытаний

  • Выводы исследований

  • Первое внедрение в действующих аэропортах: имени Джона Кеннеди, Канзас-Сити и Вашингтон

• Что происходит сегодня

Какую проблему решали британские учёные и NASA

В 1950-х годах реактивные самолёты заметно потяжелели и стали заходить на посадку на более высокой скорости.

На мокрой взлётно-посадочной полосе (ВПП) колёса легко теряют сцепление: тормоза зажимают диски и гасят вращение колёс, однако шины плохо передают это усилие поверхности. Тормозной путь удлиняется, а самолёт (как и любое другое транспортное средство) хуже держит курс.

Это явление называется аквапланированием: между полосой и колёсами возникает водяная плёнка, и управлять машиной становится практически невозможно.

Чтобы этого избежать, шина должна успеть вытеснить воду из пятна контакта. Но на высокой скорости вода просто не успевает уйти. Риск аквапланирования растёт вместе со скоростью и глубиной воды, а также с гладкостью покрытия и износом протектора. Именно поэтому при посадке в дождь на обычную гладкую полосу вероятность аварии резко возрастает.

Как появилось британское решение

В 1956 году на нескольких британских военных аэродромах на ВПП впервые прорезали поперечные канавки — по сути, узкие бороздки прямо в бетоне:

Идея проста: когда колёса касаются бетона, вода уходит по канавкам, и сцепление существенно улучшается. Первые испытания прошли в Великобритании в 1956 году на нескольких аэродромах. В 1962 году к изучению и проверке такого покрытия приступило NASA на собственном полигоне в Лэнгли. Агентство опробовало разные рисунки канавок, и лучшим оказался вариант шириной 6 мм, глубиной 6 мм и с шагом 25 мм.

Технологию нарезки (runway grooving) начали переводить в практическую плоскость. В 1967 году NASA нарезало канавки на опытной полосе лётно-испытательного комплекса Уоллопс и проверило их в деле на настоящих самолётах. Весной того же года Вашингтон получил первую полностью обработанную ВПП среди крупных гражданских аэропортов США. Следом появились проекты в аэропорту JFK, Канзас-Сити и других воздушных гаванях.

В 1969 году NASA выпустило обширный отчёт SP-5073, в котором собраны основные результаты исследований.

Самое интересное из отчётов 1967 и 1968 годов

Испытательная установка

На схеме — специальный испытательный стенд NASA: на нём инженеры разгоняли настоящие авиационные колёса до посадочных скоростей, чтобы понять, как они ведут себя на различных покрытиях.

Ход эксперимента выглядел примерно так:

1. Подготовка поверхности. Например, монтировали бетонные плиты с канавками заданной ширины и глубины и увлажняли их.

2. Разгон тележки катапультой. Она двигалась по направляющим и набирала скорость, сопоставимую с посадочной скоростью самолёта.

3. Опускание колеса на поверхность. Колесо касалось бетона под заданной нагрузкой, а исследователи проверяли свободное качение, торможение или скольжение.

4. Измерение сил. Приборы регистрировали сопротивление качению, тормозное усилие и боковое сцепление.

5. Остановка тележки.

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

Опытная полоса в Уоллопсе

Для испытаний NASA построило в Уоллопсе своего рода полосу препятствий длиной 1,36 км: участки бетона и асфальта чередовались с участками, где были нарезаны канавки. По этой трассе разгоняли настоящие реактивные самолёты и оценивали, насколько эффективно они тормозят на мокром покрытии.

Специальная трасса позволяла сравнивать разные покрытия в одинаковых условиях — при наличии воды или льда и на разных скоростях.

На рисунке выше вверху показан чертёж бетонной плиты, которую исследователи устанавливали на испытательной трассе. Параметры образца:

• длина — 3,05 метра;

• ширина — 61 сантиметр;

• внутри — стальная арматура и проволочная сетка, усиливающие конструкцию.

NASA изготовило несколько таких плит и нарезало на них канавки разной ширины и глубины, с различными интервалами. Для опытов специалисты создавали нужные условия: смачивали поверхность, заливали её водой или замораживали. Затем по участкам пропускали колесо с авиационной шиной на подвижной установке и измеряли силы трения при торможении и боковом смещении колеса.

Разрушение авиашины при скольжении по бетону

Перед вами шина после испытания на специальном стенде NASA. Исследователи воспроизводили условия торможения самолёта, чтобы изучить поведение покрышек на разных поверхностях. В подписи к оригинальному снимку названы три условия:

• скорость в момент касания полосы — 100 узлов (185 км/ч);

• длина скольжения — 60 футов (18 метров);

• покрытие — сухой бетон.

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

Обратите внимание: на фото запечатлён именно результат скольжения. При нормальном торможении колесо продолжает вращаться, и с покрытием поочерёдно контактируют разные участки протектора. При блокировке же один и тот же участок шины скользит по бетону, быстро нагревается и стирается. Такое скольжение способно серьёзно повредить покрышку.

Разрушение шины при скольжении по мокрой полосе

Самолётная шина, покрытая множеством V-образных порезов после скольжения по залитой водой взлётно-посадочной полосе. Исследователи NASA называли такие повреждения chevron-type cuts — шевронными порезами.

Как получился такой результат: сильно нагруженное самолётное колесо проскользило по мокрому покрытию 37 метров, после чего на его поверхности обнаружились характерные повреждения.

После этого испытания стало очевидно, что одних канавок недостаточно. Требуются эффективные противоюзовые тормоза: они не допускают полной блокировки колёс и помогают сохранить управляемость самолёта.

График: итоги испытаний

График наглядно показывает, как канавки влияют на сцепление самолётных колёс с мокрой ВПП.

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

Как читать график: чем выше столбец, тем лучше сцепление шины с покрытием. Белый столбец соответствует влажной поверхности без заметного слоя стоячей воды, а заштрихованный — поверхности, залитой водой на глубину 5–7,6 мм.

Именно здесь видно, что оптимальный рисунок канавок — 6 мм по ширине и глубине с шагом 25 мм.

Фотографии с испытаний

Что изображено на снимке: реактивный самолёт Convair 990 тормозит на полосе, покрытой слякотью, и начинает терять управление, выехав с участка с канавками на участок без них.

Выводы исследований

Один из ключевых итогов: на мокрой взлётно-посадочной полосе с канавками самолёты тормозили почти так же эффективно, как на сухой.

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

Первое внедрение в действующих аэропортах: имени Джона Кеннеди, Канзас-Сити и Вашингтон

Для первых практических испытаний в трёх аэропортах выбрали разные параметры канавок:

• Нью-Йорк: ширина 9,5 мм, глубина 3,2 мм, шаг около 35 мм. Сечение канавок — округлое.

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

• Вашингтон: ширина и глубина по 3,2 мм, шаг 25,4 мм. Сечение прямоугольное.

Не менее любопытно, как в разных аэропортах организовали работы по модернизации покрытия.

• Нью-Йорк: в аэропорту имени Джона Кеннеди полосу обрабатывали с 6:00 до 15:00. На время нарезки канавок её закрывали.

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

• Вашингтон: работы шли ночью — с 23:00 до 7:00, и всё это время полоса была полностью закрыта.

Канавки нарезают машины, оснащённые несколькими алмазными дисками:

Что происходит сегодня

После исследований NASA технология нарезки канавок распространилась по всему миру и закрепилась в международных авиационных стандартах. Её применяют и поныне, однако современные взлётно-посадочные полосы могут обеспечивать надёжное сцепление разными способами, поэтому канавки встречаются далеко не везде.

Вот ещё два способа обеспечить сцепление ВПП в дождь и слякоть.

Пористый асфальт. Верхний слой покрытия намеренно делают проницаемым. Вода просачивается через пустоты между камнями, а затем отводится в стороны по нижнему водонепроницаемому слою.

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

Здесь имеют значение форма и размер каменных частиц, шероховатость поверхности и её износостойкость.

Физический принцип везде один: чем быстрее вода уходит из-под колёс самолёта, тем выше шансы сохранить сцепление при посадке.

---

Даже самой сложной и продуманной системе порой не хватает какой-нибудь мелкой детали для более эффективной работы. Для самолётов такой деталью стали канавки на взлётно-посадочных полосах. А если вы пользуетесь Битрикс24 и знаете, каких «канавок» не хватает вашей

 

Источник