Problemi avionskih guma

I sve dok brzine sletanja aviona nisu prelazile 250 km/č, proizvođači avionskih guma nisu imali značajnih problema u konstrukciji i tehnologiji izrade, te su maksimalnu pažnju koncentrisali na ekonomičnost proizvodnje i na podizanje kvaliteta u smislu dugotrajnosti guma. Ovim se ne želi reći da treba potceniti napore stručnjaka koji su u prošlosti doprineli da avionska guma postigne relativno visoke karakteristike, već da se ukaže na to da je sama po sebi avionska guma u praktičnim primenama sadržavala dovoljnu rezervu sigurnosti i zadovoljavala funkcionalnost do brzina sletanja oko 250 km/č. Međutim, preko ove granice to nije slučaj, te ona kao da podseća na zvučnu ili toplotnu barijeru.

Usled problema koji se nagomilavaju iza pomenute brzine sletanja, postaje sve više neophodno da se avionskim gumama pruže nove garancije u pogledu bezbednosti. Informacija o tim problemima svakako može biti interesantna za sagledavanje teškoća koje treba da reše proizvođači avionskih guma. Na osnovu toga postaće takođe jasno da nerešena pitanja avionskih guma jesu jedan razlog više što se pri konstrukciji supersoničnih aviona teži ka VTOL rešenju.

U daljem tekstu izneće se glavni od tih problema.

Brzina voženja

Kao što je poznato od završetka drugog svetskog rata pa do danas vojni avioni su postigli izvanredan napredak u smislu povećanja brzine leta, što je dovelo do toga da su se i brzine sletanja povećale mada u nešto blažoj proporciji. Kako su ove brzine usko vezane sa brzinom voženja po zemlji, to je jasno da su avionske gume morale sve znatnije da trpe naprezanja.

Radi ilustracije ovoga navodi se podatak da su prvi mlazni avioni dostizali brzinu voženja jedva do 200 km/č. Ta brzina je već oko 1953. godine iznosila blizu 300 km/č, da bi danas u izvesnim ekstremnim slučajevima bila i do 500 km/č. Evolucija u brzinama voženja za vojne avione prikazana je na grafikonu (slika 1).

Slika 1 Grafikon evolucija brzina voženja od 1945-1960. godine

Treba napomenuti da se usled voženja brzina svakog elementarnog dela avionske gume neprestano menja, kako po veličini tako i po pravcu, što prouzrokuje centrifugalna ubrzanja koja su proporcionalna kvadratu brzine voženja. Primerno, pri dvostrukom povećavanju brzine voženja, naprezanja elementarnog dela gume se povećavaju četvorostruko. Ova naprezanja u kombinaciji sa naprezanjima gume usled ugiba stvaraju opasno stanje zbog nesposobnosti gume da ih primi. Kako rastu centrifugalne sile jednog elementarnog dela od 10 grama na periferiji gume prečnika 76 cm u zavisnosti od brzine voženja, vidi se iz sledećeg:

Centrifu galna sila

Toplota

Većina proizvoda od kaučuka, među koje spada i avionska guma, veoma loše podnosi toplotu koja se u prvom redu pojavljuje kao posledica trenja pri kočenju i deformaciji gume u fazi voženja. Pojava toplote kod supersoničnih aviona nastaje i usled aerodinamičkog zagrevanja strukture aviona. Porastom stepena toplote, tj. temperature, zaštitni sloj spoljne gume, tzv. protektor, kao i slojevi platna, naglo gube svoju otpornost. Povišena temperatura takođe negativno utiče i na zamor a povećava i pritisak u unutrašnjoj gumi. Menjanje čvrstoće gume na kidanje u zavisnosti od temperature prikazano je na grafikonu (slika 2).

Slika 2 - Grafikon zavisnosti čvrstoće gume na kidanje od temperature

Međutim, treba reći da je guma izvrstan toplotni izolator jer usporava prenos toplote koja dolazi iz spoljneg izvora. Usled ove osobine guma može podneti visoke temperature ako se one doziraju u kratkim vremenskim intervalima.

Pritisak u gumi

Kako je rastao pritisak u gumama točkova stajnog trapa u razdoblju od drugog svetskog rata pa do danas, prikazano je na slici 3. Ovde nisu uzeti u obzir pritisci u gumama koje se upotrebljavaju na avionima za sletanje na nosače aviona, jer su one u proseku za oko 60% više naduvane negoli gume suvozemnih aviona. Ova razlika nastaje iz upotrebe da se za kočenje pri sletanju na nosače aviona mora apsorbovati i udar guma o razapetu užad.

Slika 3 - Grafikon evolucija pritisaka u gumama od 1945-1960. godine

Izražena težnja za poveća njem pritiska u gumama je posledica neprestanog povećanja težine aviona, kao i činjenice da se za stajni trap sa normalno dimenzionisanom gumom teško može naći prostor u krilu (koje je kod supersoničnih aviona veoma tanko) i trupu. Nažalost, usled visokih pritisaka ivice gume moraju biti bolje armirane a broj slojeva platna povećan, zbog čega raste debljina gume. U slučaju velikog broja slojeva platna raspodela naprezanja u gumi se ne vrši ravnomerno, već se javlja njihova koncentracija koja u kombinaciji sa zagrevanjem može dovesti do odlepljivanja slojeva i prskanja gume. Na primeru jedne avionske gume dimenzija 760X195 prikazana je evolucija u pritisku i opterećenju, što se vidi iz sledećeg:

Ugib gume

Avionska guma u odnosu na automobilsku gumu ima znatno veći ugib što proizilazi iz potrebe za apsorbovanjem veće energije. Taj odnos ugiba danas se kreće u granicama od 2-3. Pošto je veličina ugiba veoma uticajan faktor za proračun avionskih guma, pogotovo ako se ugrađuju na supersonične avione, to će se nešto pobliže objasniti mehanizam postanka složenih i dovoljno velikih naprezanja koje trpe gume usled velikog ugiba. Naročito su ovim naprezanjima izloženi delovi avionske gume koji su u direktnom kontaktu sa zemljom za vreme voženja, tj. gazište.

U slučaju kretanja krutog diska po ravnoj podlozi, tj. kada ne postoji ugib, svaka od tačaka na obimu diska opisuje prostu cikloidu, (slika 4).

Slika 4 - Kretanje krutog diska

Ako se, pak, posmatra kretanje vagonskog točka po tračnici, može se uočiti da tačka P na periferiji točka u toku jednog potpunog obrta, od položaja 0-3, opisuje jednu izduženu cikloidu, što se vidi iz slike 5.

Slika 5 - Kretanje vagonskog točka

U slučaju voženja točka avionske gume možemo koristiti sliku 5, s tim da R označava spoljni prečnik nedeformisane gume a rastojanje između osovine točka i zemlje kada se uzme u obzir ugib gume. U položaju 1 tačka »A« pripada trenutno nedeformisanom delu gume, ali pri daljem okretanju točka, podloga odnosno zemlja ne dozvoljava tački »A« kretanje po delu petlje ABC, već je prisiljava da ide po pravoj AC. Za to vreme točak je prešao rastojanje D. Tačka A na gumi je u tom intervalu pod dejstvom sila, proporcionalnih onim ubrzanjima koja bi se javila u slučaju da tačka A može vršiti kretanje po delu petlje ABC. Brzina posmatrane tačke A smanjuje se od početka kontakta sa zemljom a zatim svodi na nulu u sredini prave AC. Nadalje se njena brzina povećava da bi na kraju prave AC dostigla svoju početnu vrednost.

Navedene sile, koje se javljaju kao posledica ugiba gume, promenljive su po pravcu i mogu dostići veoma velike vrednosti. Iz slike je očevidno da se pri povećanju ugiba produžava petlja, te će se oni delovi spoljne gume, koji su u kontaktu sa zemljom, jače otklanjati od svoje normalne putanje i trpeti veće sile negoli u slučaju malog ugiba. Pošto se pri voženju javljaju još i poprečne deformacije gume, jer različite tačke na periferiji preseka gume dolaze u kontakt sa zemljom u različitim trenucima, to će ovo sa svoje strane doprineti usložnjavanju raspodele sila. Napred navedene sile dovode do toga da guma trpi naprezanja od istezanja, pritiska, kao i jednog opšteg gnječenja, naročito u oblasti dodira sa zemljom. Snažno odavanje toplote koje tom prilikom nastaje, kombinuje se s navedenim naprezanjima što može dovesti do odvajanja, odnosno odlepljivanja protektora odsvoje podloge. Sva navedena naprezanja rastu sa brzinom voženja po eksponencijalnom zakonu.

Fenomen stacionarnih talasa

Za određene brzine voženja, opterećenja, dimenzije i pritiske u gumi nastaje pojava stvaranja stacionarnih talasa, što se vidi na slici 6. Broj talasa može iznositi 3-4 sa amplitudama relativno velikih vrednosti. Za jednu gumu dimenzija 610X195, pri brzini voženja 400 km/č frekvencija talasa se kreće u granicama od 12.000-14.000 perioda/min.

Slika 6 - Fenomen stacionarnih talasa

Snažno oslobađanje toplote prati ovaj fenomen koji može prouzrokovati prskanje gume. Uslovi koji pogoduju rađanju ove pojave jesu slab pritisak u gumi, veliki ugibi i brzine voženja.

Opterećenje gume

U fazi normalnog poletanja nekadašnjih i većine sadašnjih aviona, srazmerno povećanju uzgona opada opterećenje guma i u trenutku odlepljivanja predstavlja beznačajnu vrednost. Međutim, kod savremenih aviona visokih performansi to nije slučaj, jer je opterećenje guma gotovo konstantno i veoma snažno za čitavo vreme voženja u poletanju. Primerno ta veličina neposredno pre odlepljivanja za savremeni transportnomlazni avion iznosi 60% od njegove težine, a kod izvesnih vojnih aviona, usled negativnog uzgona za vreme voženja, prevazilazi čak i statičko opterećenje.

Iz ovoga se vidi da su uslovi za avionske gume u ovom pogledu mnogo teži nego što je to ranije bio slučaj.

Dužina voženja

S obzirom da su na savremenim aerodromima stajanke aviona mnogo dalje od poletno-sletnih staza, to avionima predstoji da do poletanja i od sletanja prevaljuju velika rastojanja. Sem toga, dužina voženja pri samom poletanju je daleko veća kod savremenih aviona. Analizirajući ovo dolazi se do prostog zaključka da su avionske gume sada izložene većem zagrevanju negoli ranije, i ne uzimajući u obzir zagrevanje koje se javlja kao posledica primene većeg ugiba gume. Svakako da se ovo odražava na čvrstoću gume što u izvesnim kritičnim slučajevima može dovesti i do njenog prskanja. Radi predstave o rastojanju stajanka-PSS navodi se podatak da ono danas varira od 3-8 km, a u ekstremnim slučajevima i do 12 km. U nedavnoj prošlosti ovo rastojanje nije premašivalo 2 km.

Ionako nepovoljno termičko opterećenje guma se pogoršava na velikim aerodromima i usled toga što ogromna frekvencija u vazdušnom prometu ne dozvoljava da se posle dugotrajnog voženja gume ohlade, već se poletanje mora odmah izvesti.

Trošenje guma

Velike brzine poletanja a još više sletanja utiču na brzo trošenje guma. Snažno kočenje pri sletanju formalno uništava gumu i smanjuje joj vek upotrebe iz razloga sigurnosti. Dok je resurs guma ugrađenih na doskorašnje mlazne avione iznosio 50-100 sletanja, danas to više nije slučaj pošto izvesni moderni borbeni avioni zahtevaju zamenu guma već posle 10 sletanja.

Putevi kojim se rešavaju problemi

Izložena problematika ukazuje na puteve kojim treba ići da bi se avionska guma prilagodila savremenim uslovima. Prvo što pada u oči jeste to da se na svaki način mora poboljšati međusobno prijanjanje različitih delova gume i smanjiti koncentracija naprezanja.

Kada se govori o nedovoljnom prijanjanju tada se ne misli isključivo na prijanjanje između slojeva nosećeg dela gume, nego i o koheziji same gume. Znači da se treba pozabaviti sa impregnacijom slojeva i kompozicijom gume. Eventualna poboljšanja u ovom smislu ni u kom slučaju ne bi smela da oslabe ostala važna svojstva gume, kao što su elastičnost, otpornost na zamor, jačina na kidanje i starenje - što usložnjava problem. Za postizanje dobrog prijanjanja svakako je od velike važnosti odgovarajući proces vulkanizacije. Dosadašnja eksperimentisanja u ovom domenu su omogućila da se pobliže odrede uslovi vulkanizacije i to temperatura i trajanje procesa kao i raspodela toplote i pritiska.

Radi rešenja problema prijanjanja vrše se istraživanja i u pogledu optimalne debljine protektora (gazišta). Ovo će biti jasno kada se zna da od debljine protektora zavisi masa gume, a od ove centrifugalne sile za vreme voženja koje teže do odvoje protektor od svoje podloge. Sile prijanjanja moraju biti veće od ovih sila. Prema tome, debljina protektora za date dimenzije i brzine voženja je ograničena, o čemu se mora voditi računa. Razni proizvođači avionskih guma danas naširoko reklamiraju svoja rešenja u pogledu pojačanja guma (putem dodatnih slojeva platna), u pogledu forme, broja i rasporeda žljebova na protektoru, kao i odnosa visine prema širini preseka gume. Ovo su takođe načini za poboljšanje prijanjanja i svaki za sebe predstavlja posebnu studiju.

Prilikom rešavanja problema avionske gume centralna pažnja se mora posvetiti nosećem delu gume, tj. slojevima platna. Od njihovog rasporeda, kvaliteta, broja i načina impregnacije uglavnom će zavisiti čvrstoća i trajnost avionske gume, pa je sasvim i razumljivo što se na ovome radi vrlo intenzivno.

Sem avionskih guma klasičnog tipa, tj. sa spoljnom i unutrašnjom gumom danas se lansiraju i takve koje nemaju unutrašnje gume a sve u težnji da se eliminišu posledice njenog prskanja. No, problemi i tu postoje zbog difuzije (prodora) vazduha kroz noseće slojeve gume čija je posledica naduvavanje slojeva platna i njihovo odlepljivanje. S obzirom da današnja avionska guma nije sposobna da bez oštećenja primi relativno znatnija toplotna opterećenja, to se ona kao takva neće moći upotrebiti na supersoničnim avionima sa velikim radijusom dejstva jer bi u tom slučaju morala dugotrajno podnositi temperature oko 300-400 °C. U cilju rešenja ovog problema vrše se istraživački radovi na zameni nosećih delova gume (koji su sada od platna) metalnim mrežama. Naročitu teškoću ovde svakako predstavlja prijanjanje između metalnih žica i gume. Međutim, i pored navedenih istraživanja, ne odbacuje se mogućnost da se podigne granična temperatura upotrebom specijalnih tkanina. Pokaže li se da nema izgleda za povećanje otpornosti avionske gume na povišenu temperaturu, tada preostaje da se ista veštačkim putem hladi ili pogodnim načinom izoluje od zagrevanja. Iako su izloženi problemi veoma teški, nema nikakve sumnje da će u skoroj budućnosti ova oblast tehnike doživeti novi kvalitativni skok, čime će se omogućiti njihovo rešenje.