Resumo

O ordem de grandeza de energia de freio após uma decolagem rejeitada para uma aeronave muito pesada é 1 GJ, ou 100 MJ por freio de roda.

Os freios das aeronaves são resfriados com ar ambiente, seja através do fluxo de ar passivo ou (opcionalmente) através de ventilação forçada.

_{Desenhos cortados da roda e do freio A380 (fonte)}

Dissipação de energia

A velocidade de decolagem para aeronaves pesadas é de aproximadamente 150 nós ou 280 km / h. A velocidade máxima para rejeitar a decolagem ($ V_1 $) depende do avião, da carga, do vento e das condições da pista. Vamos assumir os nós do 150 para obter uma estimativa aproximada da energia.

A energia máxima que pode ser transferida para os freios é mais ou menos a energia cinética do avião na velocidade de decolagem: $$ E_ \ rm {cinética} = \ frac {1} {2} mv ^ 2 $$

A dissipação de energia real será aumentada em

• energia restante fornecida pelos motores
• vento de cauda
• declive descendente da pista

e diminuiu em

• freios a ar
• impulso reverso
• vento principal
• declive ascendente da pista
• querido
• dissipação de calor e desgaste dos pneus

Nem o A380 nem o B777 têm freios na engrenagem do nariz. (Na verdade, muito poucas aeronaves pesadas freiam as rodas do nariz. Veja: Existe alguma aeronave com sistema de freio nas rodas do nariz?)

Airbus A380

O peso máximo de decolagem (MTOW) da A380 é 575 t, e sua engrenagem principal possui rodas 20. As rodas principais 16 têm freios e as rodas principais 4 não. (Vejo Por que algumas rodas principais do A380 não têm freios?)

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

A energia dissipada máxima aproximada por unidade de freio de roda para um A380 após RTO é $$ E _ {\ rm {wheel}} = \ frac {1} {16} E_ \ rm {TO, max} = 110 \, \ rm {MJ } $$

Boeing 777

O MTOW dos mais pesados 777 é 352 t, e sua engrenagem principal possui rodas 12.

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

A energia dissipada máxima aproximada por unidade de freio de roda para um Boing 777 após RTO é $$ E _ {\ rm {wheel}} = \ frac {1} {12} E_ \ rm {TO, max} = 89 \, \ rm { MJ} $$

Arrefecimento ativo

As aeronaves que estão previstas para decolar e pousar com freqüência podem ser equipadas com ventiladores de refrigeração por freio elétrico (BCF), que extraem o ar quente interno para o exterior. O BCF é usado durante o tempo de terra para reduzir o tempo de resposta.

Como exemplo, as rodas principais de um A318 equipadas com ventiladores de freio de freio elétrico:

Curiosamente, há uma diferença entre os discos de freio de aço e carbono. Os discos de aço se desgastam mais rapidamente quando quentes, enquanto os discos de carbono se desgastam mais rapidamente quando frios. Portanto, é preferível reduzir o resfriamento dos freios a disco de carbono ao necessário para a decolagem a seguir (veja esta resposta).

Arrefecimento passivo

Muitas aeronaves (de longo alcance) não têm resfriamento de freio ativo. O resfriamento passivo é causado por

• corrente de ar (induzida pelo vento ou movimento da aeronave),
• convecção,
• condução térmica,
• radiação térmica.

O resfriamento passivo dos freios das aeronaves segue Lei de Newton do resfriamento, que é - em termos de matemática - uma deterioração exponencial (ou função exponencial com um expoente negativo, se você preferir).

Pode levar muitas horas de resfriamento passivo para atingir a temperatura ambiente. Veja também a pergunta relacionada Qual é a temperatura dos freios após um pouso típico?

_{O fonte deste gráfico não indica a unidade do eixo x, mas atas parece mais plausível. O tipo de aeronave em teste também é desconhecido. As informações são aplicáveis ​​a uma variedade de aeronaves da Airbus equipadas com freios a disco de carbono, do A300 ao A380.}

Refrigeração externa

Existem unidades de ventilação externa e podem ser usadas sempre que necessário. Podem ser elétricos, movidos a gasolina,

ou fornecido por um compressor ou extrator remoto:

Freios quentes são normalmente resfriados por convecção natural, mas em casos extremos bombeiros esfriarão freios superaquecidos. Alguns designs usam ventiladores de freio. Na página vinculada:

Brake fans reduce brake cooling times by using wheel mounted electric fans to blow ambient air across the brake and wheel assemblies. Note that the maximum recommended temperature for takeoff as indicated on the instrument panel may have a different value dependent on if the brake fans have been used or not.

_{Ventilador de refrigeração do freio Safran e motor elétrico (foto fonte)}

De acordo com a esta página no Airliners.net, a BAe 146 os possuía, assim como os A310s da PanAm, mas a maioria das companhias aéreas os deixa para economizar peso. Aeronaves de curto curso fazem mais uso de ventiladores: De acordo com este artigo e vídeo, 90% do A320 usa ventiladores de refrigeração. Há também ventiladores de refrigeração terrestres para diminuir os tempos de entrega.

O caso mais grave usado no projeto é uma decolagem rejeitada. Alguma energia é absorvida pela limpeza dos pneus, mas a maioria acaba nos discos de freio. Para absorver toda essa energia, às vezes mais discos precisam ser adicionados na fase de design. O exemplo mais extremo é o trem de pouso do Tupolev 144 que exibia a combinação incomum de uma alta velocidade de decolagem e pouso e nenhum reversor de empuxo.

_{Trem de pouso Tupolev Tu-144 (foto fonte) Sim esta pássaro!}

Como sempre, nem todos os casos de uso podem ser previstos pelos designers. A razão pela qual o fluido hidráulico de aviação deve ser não inflamável é um caso em que a energia térmica foi absorvida pela estrutura circundante, com consequências fatais. Nesse caso em particular no 1963, um Sud Aviation Caravelle tentaram aquecer a neblina na pista para que pudessem decolar. Eles fizeram isso taxiando a pista com um impulso considerável e usaram os freios para impedir que a aeronave acelerasse. Quando a engrenagem foi recolhida, os discos de freio ainda estavam brilhando em vermelho, mas tinham pouco ou nenhum resfriamento do ar. Assim, o calor se dissipou nos cubos das rodas de alumínio, que se tornaram moles demais para suportar a pressão dos pneus. Os estilhaços das rodas estouradas cortam as linhas hidráulicas, e os discos de freio ainda brilhantes acenderam o óleo que foi bombeado para o poço da roda. O incêndio resultante destruiu a aeronave.

De relatório de acidente:

Four minutes later witnesses on the ground noticed a whitish trail of smoke on the left side of the aircraft and suddenly a long flame from the left wing-root. Around 0620 hours the aircraft reached an altitude of approximately 2700 m, it then began to lose height, entered a gentle left turn loosing height more rapidly and finally went into a steep dive.

É por isso que arrastar os freios em engrenagens retráteis é perigoso: após a retirada da roda e o freio ser retraído, o ar não pode mais esfriá-lo.

Como outros responderam, normalmente os freios são resfriados por convecção natural. Para aeronaves de corredor único e especialmente regional, elas são projetadas para resfriar a temperaturas de táxi no tempo necessário para desembarcar e embarcar novamente na aeronave. Para certas aeronaves, o resfriamento pode ser o fator determinante quando as aeronaves saem do portão, onde os esquemas de gerenciamento de temperatura entram em cena.

Os operadores têm duas opções quando se trata de gerenciamento de temperatura. O primeiro é um gráfico publicado pelo airframer, que é usado para estimar o tempo de resfriamento com base na energia de pouso e nas condições ambientais. No entanto, este gráfico é geralmente conservador devido a distribuição desigual de calor nos freios, para que a maioria dos operadores escolha a atualização opcional do sistema de monitoramento da temperatura dos freios. Esta opção usa um sensor de temperatura chamado par termoelétrico para determinar a temperatura real das lonas de freio (às vezes chamada de dissipador de calor). Isso é integrado ao Sistema de Indicação do Motor e de Alerta da Tripulação (EICAS), para que os pilotos saibam quando é aceitável taxiar.

As consequências do calor excessivo nos freios já foram mencionadas. Após o incidente da Sud Aviation, a indústria introduziu fichas fusíveis nas rodas da aeronave. Estes contêm um material eutético que derrete e libera a pressão dos pneus antes da ruptura da roda. Os pneus das aeronaves são inflados com nitrogênio, cuja liberação suprime qualquer incêndio que possa ocorrer.

Para os interessados ​​no que acontece quando os plugues de fusível não funcionam corretamente, aqui está um vídeo: