Обледенение

ПРОТИВООБЛЕДЕНИТЕЛЬНАЯ ОБРАБОТКА ВОЗДУШНОГО СУДНА НА ЗЕМЛЕ
ДЛЯ УЛУЧШЕНИЯ АЭРОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
Пустовар А.В.; Гридин С.В.

Обледенение – это процесс образования льда на поверхностях агрегатов летательного аппарата (ЛА). В большинстве случаев обледенение ЛА происходит при полете в атмосфере, содержащей переохлажденные капли воды (т. е. воды в жидкой фазе при отрицательной температуре). При столкновении с лобовыми поверхностями агрегатов ЛА переохлажденные капли воды быстро кристаллизуются, образуя ледяные наросты различной формы и размеров.

Опыт эксплуатации авиационной техники показывает, что обледенение наряду с турбулентностью атмосферы, электрическими разрядами, возможностью столкновения с птицами является одним из наиболее опасных воздействий естественной внешней среды, которое существенно влияет на безопасность полета.

В условиях обледенения лед образуется на лобовых поверхностях крыльев, рулей высоты и направления, на воздушных винтах, воздухозаборниках, остеклении фонарей, на находящихся в потоке датчиках пилотажно-навигационных приборов и обтекателях антенн.

Статистические данные о частоте случаев обледенения ЛА для различных географических районов Земли показывают, что наибольшая вероятность обледенения существует при полетах в диапазоне температур от 0⁰ до –15⁰С. Зафиксированы случаи обледенения при температуре воздуха от –50⁰С и ниже.

Входные устройства и каналы воздухозаборников двигателей ЛА могут подвергаться обледенению и при положительных (до +10⁰С) температурах. Это объясняется тем, что движущийся в каналах воздухозаборников воздух охлаждается при адиабатическом расширении и влага, находящаяся в нем, конденсируется и замерзает.

Рисунок иллюстрирует наиболее характерные формы льдообразований (ледяных наростов) на лобовых поверхностях: а – клинообразная; б – желобообразная (корытообразная); в – рогообразная; г – промежуточная.

Если не предпринимать меры по защите от образования льда, ледяные наросты быстро растут, развиваясь по направлению потока воздуха, что существенно увеличивает полетную массу ЛА.

Обледенение несущих поверхностей приводит к искажению формы профиля и резкому ухудшению аэродинамических характеристик. На рисунке показано, насколько существенно, иногда в 1,5–2 раза, уменьшаются в условиях обледенения значения основных аэродинамических характеристик крыла (аэродинамического качества К, коэффициента подъемной силы, критического угла атаки) и, как следствие, ЛА в целом. Срыв потока с крыла и сильная турбулизация потока за крылом в условиях обледенения происходят значительно раньше, чем на чистом крыле, что может привести к тряске самолета, нарушению продольной балансировки, потере устойчивости и сваливанию самолета.

Лед, сброшенный с крыла набегающим потоком, может поражать хвостовое оперение и лопатки компрессоров двигателей, расположенных в хвостовой части фюзеляжа.

Обледенение передних кромок рулевых поверхностей может привести к потере управляемости.

Обледенение воздушных винтов, начинаясь с передних кромок, захватывает до 20–25% хорды лопасти. На крейсерских режимах концы лопастей не обледеневают из-за благоприятного влияния аэродинамического нагрева. При накоплении значительных масс льда (при толщинах 5 мм и более) под воздействием центробежных сил происходит его сброс, сопровождающийся нарушением балансировки винта, вибрациями силовой установки, создается опасность поражения обшивки фюзеляжа сброшенным льдом.

Обледенение несущих и хвостовых винтов вертолетов имеет некоторые особенности, обусловленные режимами их работы (расположением относительно потока набегающего воздуха), различными диаметрами и, как следствие, существенно различающимися скоростями вращения. Так, несущие винты могут обледеневать не только с передней, а и с задней кромки (при движении лопастей против вектора скорости полета), а сброс льда с хвостовых винтов может поражать не только фюзеляж, но и лопасти несущего винта.

Обледенение входных кромок воздухозаборников силовых установок нарушает течение потока воздуха, увеличивает неравномерность поля скоростей перед компрессором, что может вызвать помпаж (франц. pompage – откачка) – одну из форм автоколебаний, выражающуюся в пульсации подачи воздуха и, как следствие, в вибрации лопаток компрессора и всего двигателя, что может вызвать его разрушение. Сброс льда в каналах воздухозаборников приводит к повреждению лопаток компрессоров.

Обледенение лобовых стекол фонарей может резко ухудшить возможность визуального управления ЛА, а обледенение датчиков приборов систем навигации и управления является причиной их неправильной работы или отказа, что усложняет пилотирование.

Безопасность полетов в условиях возможного обледенения обеспечивают противообледенительные (антиобледенительные) системы (ПОС), защищающие ЛА от обледенения в широком диапазоне погодных условий.

Зоны защиты от обледенения на современном пассажирском самолете показаны на рисунке. Это лобовые стекла фонаря кабины экипажа 1 и форточки, которые защищаются от запотевания, датчики углов скольжения 2 и датчик полного (статического и динамического) давления 3, носки предкрылков 4, воздухозаборники, входные направляющие аппараты и коки двигателей 5, носки хвостового оперения 6.

Для визуального контроля через окна в кабине пилотов и в пассажирских салонах в ночное время за состоянием защищаемых зон установлены специальные осветительные фары 7 и 8.

Для эффективной работы ПОС особую важность имеет своевременная сигнализация о начале обледенения.

Информация о входе самолета в зону обледенения и выходе из нее, а также об интенсивности обледенения самолета обеспечивается сигнализаторами обледенения на каждом двигателе 9 и сигнализатором обледенения планера самолета 10.

Сигнализаторы обледенения делятся на две группы: косвенного и прямого действия.

Принципы работы сигнализаторов косвенного действия основаны на изменении характеристик теплоотдачи, электропроводности или электросопротивления чувствительных элементов при наличии в атмосфере переохлажденных капель воды.

Сигнализаторы прямого действия реагируют непосредственно на слой льда, образовавшегося на чувствительном элементе датчика, находящемся в потоке. Широко применяются вибрационные и радиоизотопные сигнализаторы обледенения.

Вибрационный сигнализатор регистрирует изменение собственной частоты колебаний чувствительного элемента при увеличении его массы за счет наращения на нем слоя льда и, таким образом, интенсивность обледенения.

Радиоизотопный сигнализатор регистрирует уменьшение -излучения за счет экранирования нарастающим слоем льда источника слабого радиоактивного излучения.

Возможны следующие способы борьбы с обледенением ЛА:

- механически й, при котором образовавшийся лед разрушается в результате силового воздействия на него и его обломки удаляются набегающим потоком;

- физико-химический (жидкостно-химический), при котором используются специальные жидкости, понижающие температуру замерзания переохлажденных капель воды или уменьшающие силу сцепления льда с обшивкой;

- тепловой, при котором используется нагрев защищаемой поверхности до температуры таяния льда.

Механические ПОС обычно работают в циклическом режиме: система не реагирует на образование льда допустимой толщины (4–5 мм), затем лед разрушается и удаляется под воздействием набегающего потока.

Пневматическая ПОС, разработанная в начале 30-х годов в США, является исторически первой механической системой защиты от обледенения. Принцип ее действия показан на рисунке. На защищаемой поверхности закрепляется протектор (от лат. protector – прикрывающий, защищающий) из эластомерного материала с пневмокамерами, внутрь которых в определенном порядке подается под давлением воздух, отбираемый от компрессора реактивного двигателя или специального компрессора, установленного на поршневом двигателе.

При подаче воздуха камеры раздуваются, отрывают и раскалывают лед, который уносится набегающим потоком с защищаемой поверхности.

Конструкция пневматической ПОС увеличивает профильное сопротивление крыла на 5–6% в нерабочем состоянии и на 80–100% в рабочем состоянии (при раздутых камерах).

Пневматические ПОС имеют относительно небольшую массу и энергоемкость и поэтому широко применяются на малых нескоростных самолетах.

Электроимпульсная ПОС (ЭИПОС) разработана в начале 60-х годов в нашей стране инженером И.А. Левиным, который начал эту работу, еще будучи студентом МАИ.

Новый способ удаления льда с обшивки, который реализует ЭИПОС (см. рисунок) для защиты крыла (предкрылков) 1 и оперения 2, заключается в создании в защищаемой обшивке и находящемся на ней слое льда импульсных деформаций (от лат. impulsus – удар, толчок). При этом возникающие в слое льда механические напряжения достаточны для его разрушения, но в обшивке напряжения меньше предела усталости или предела циклической прочности.

Деформации создаются индукторами (лат. inductor, от induco – ввожу, навожу, побуждаю) 3 – электромагнитными катушками без сердечника, закрепленными с некоторым зазором относительно внутренней стороны обшивки 5 вдоль передней кромки защищаемой поверхности. Каждый индуктор защищает определенную зону обшивки. При подаче импульса тока высокого напряжения U в индукторе возникает кольцевой ток и возбуждается электромагнитное поле, в обшивке (по закону электромагнитной индукции Ленца, названному в честь русского физика и электротехника Э.Х. Ленца) возбуждаются кольцевые токи и возникает свое электромагнитное поле. Взаимодействие этих полей будет отталкивать от закрепленного на "жестком" каркасе 4 индуктора 3 "гибкую" обшивку 5, упруго деформируя ее (деформированное состояние обшивки – 6) и разрушая таким образом лед.

Из физики процесса удаления льда с помощью ЭИПОС ясно, что с возрастанием жесткости конструкции требуется увеличение мощности импульса.

Практика показала эффективность впервые установленной на самолете Ил-86 в качестве штатной системы ЭИПОС: серии из трех последовательных импульсов продолжительностью около 10^-4с и периодом их следования 1–2 с достаточно для эффективного удаления льда.

Электроимпульсная ПОС имеет значительно меньшую установочную массу и потребные энергозатраты, чем наиболее распространенные на современных самолетах тепловые противообледенительные системы.

Тепловые ПОС работают в постоянном или в циклическом режимах и подразделяются на воздушно-тепловые и электротепловые.

Воздушно-тепловые ПОС используют горячий воздух от компрессоров ТРД или теплообменников, обогреваемых выхлопными газами поршневых двигателей.

На рисунке представлена укрупненная компоновочная схема тепловой ПОС двухдвигательного самолета. Как видно, горячий воздух для обогрева носков крыла и киля отбирается от компрессоров левого и правого двигателей (одновременно или выборочно). Заслонки и клапаны регулятора воздуха в трубопроводах позволяют поддерживать температуру отбираемого воздуха в диапазоне 180–200⁰С (для конструкций из алюминиевых сплавов).

Выносные элементы I и II рисунка показывают подвод горячего воздуха по продольному каналу в носки консолей крыла с последующим перераспре-делением его по поперечным каналам (между обшивкой и гофрированными панелями) и выход воздуха в атмосферу через жабры концевых обтекателей крыла. Аналогично построена ПОС носка киля.

Выносные элементы III и IV рисунка а также виды А и Б показывают противообледенитель воздухозаборников двигателей.

ПОС горизонтального оперения (выносной элемент V) и остекления кабины экипажа самолета (сечение В-В) – электротепловая.

Наиболее опасно обледенение крыла и оперения проявляет себя на взлетно-посадочных режимах полета. Поэтому проектировщики обратили внимание на комбинацию воздушно-тепловой ПОС с системой УПС, поскольку если на самолете есть система управления пограничным слоем, то взлет и посадка обычно совершаются с работающей системой УПС и автоматически может быть обеспечена защита от обледенения. Компоновка такой интегрированной схемы с выдувом горячего воздуха в носке крыла и стабилизатора (УПС и ПОС) и на хвостике крыла (УПС закрылков и элеронов) показана на рисунке. Однако эта схема не нашла пока практического применения.

Электротепловые ПОС чаще всего применяются в тех случаях, когда двигатели чувствительны к отбору воздуха или когда затруднена прокладка трубопроводов горячего воздуха к защищаемым поверхностям. Источником энергии электротепловых УПС, работающих чаще всего в циклическом режиме, является бортовая электросеть переменного тока высокого напряжения (115 В/208 В).

Электрическую энергию преобразует в тепловую нагревательный элемент (проволока с высоким удельным сопротивлением, фольга, сетка, токопроводящая пленка), который имеет два слоя изоляции: внешний (прилегающий изнутри к защищаемой поверхности) – электроизоляционный с высоким коэффициентом теплопроводности и внутренний – электро– и тепло-изоляционный.

Постоянно обогреваемое остекление кабины экипажа пассажирского самолета представляет собой многослойную конструкцию: наружное высокопрочное силикатное (кварцевое) стекло 1, на внутреннюю поверхность которого методом плазменного напыления нанесена токопроводящая пленка 2 – элемент ПОС, промежуточное силикатное или органическое стекло 5, внутреннее органическое стекло 4, склеенные между собой эластичными прослойками 3, которые повышают ударную прочность стекла и служат теплоизоляцией.

ПОС остекления кабины экипажа – комплексные. Как правило, они включают воздушно-тепловые ПОС – обдув теплым воздухом внутренних поверхностей для борьбы с запотеванием – и физико-химические – подача на внешнюю поверхность стекла в условиях дождя и снегопада противообледенительной жидкости 6, в сочетании с механическими ("дворники" 7, аналогичные автомобильным).

Выбор типа ПОС – сложная инженерная задача, при решении которой необходимо учитывать множество факторов, чтобы обеспечить безопасность полетов в условиях возможного обледенения.

Воздушная стихия…. Необозримый простор, упругий воздух, глубокая голубизна и белоснежная вата облаков. Здорово . Все это присутствует там, наверху, на самом деле. Однако, есть и кое-что другое, чего к разряду восторгов отнести, пожалуй, никак не получится…

Облака, оказывается, далеко не всегда бывают белоснежными, а в небе хватает серости и частенько всякой слякоти и мокрой дряни, к тому же холодной (даже очень ) и потому неприятной.

Неприятной, впрочем, не для человека (с ним-то итак все ясно ), а для его летательного аппарата. Красоты неба, я думаю, этой машине безразличны, а вот холод и, так сказать, лишнее тепло, скорость и воздействие атмосферных потоков и, в конце концов, влага в различных ее проявлениях — это то, в чем самолету приходится работать, и что ему, как и любой машине, делает работу далеко не всегда комфортной.

Возьмем, к примеру, первое и последнее из этого списка. Вода и холод. Производное этой комбинации обычный, всем известный лед. Я думаю, любой человек, в том числе и не сведущий в авиационных вопросах, сразу скажет, что лед для самолета — это плохо. Как на земле, так и в воздухе.

На земле — это обледенение рулежных дорожек и ВПП. Резиновые колеса со льдом не дружат, ясно всем. И хотя разбег-пробег по обледенелой ВПП (или РД) — занятие не самое приятное (и целая тема для обсуждения ), но в этом случае летательный аппарат хотя бы находится на прочной земле.

А в воздухе все несколько сложнее. Здесь в зоне особого внимания оказываются две очень важные для любого летательного аппарата вещи: аэродинамические характеристики (причем как планера, так и компрессора ТРД, а для винтового самолета и вертолета также характеристики лопастей винтов) и, конечно, вес.

Откуда же берется лед в воздухе? В общем-то, все достаточно просто:-). Влага в атмосфере присутствует, отрицательная температура тоже.

Однако, в зависимости от внешних условий лед может иметь различную структуру (а отсюда, соответственно, прочность и сцепление с обшивкой самолета), а также форму, которую он принимает, оседая на поверхности элементов конструкции.

Во время полета лед может появляться на поверхности планера тремя путями. Начиная с конца , назовем два их них, как менее опасные и, так сказать, малопродуктивные (по практике).

Первый тип — это так называемое сублимационное обледенение. В этом случае происходит сублимация водяных паров на поверхности обшивки летательного аппарата, то есть превращение их в лед, минуя жидкую фазу (фазу воды). Обычно это происходит, когда воздушные массы, насыщенные влагой контактируют с сильно охлажденными поверхностями (при отсутствии облаков).

Это, например, возможно, если на поверхности уже имеется лед (то есть температура поверхности низка), либо, если самолет быстро теряет высоту, перемещаясь из более холодных верхних слоев атмосферы в более нагретые нижние, сохраняя тем самым низкую температуру обшивки. Образовавшиеся в этом случае кристаллы льда непрочно держатся на поверхности и быстро сдуваются набегающим потоком.

Второй тип — так называемое сухое обледенение. Это, попросту говоря, оседание уже готового льда, снега или града при пролете самолета через кристаллические облака, которые охлаждены настолько, что влага в них содержится в замороженном виде (то есть уже сформировавшиеся кристаллы ).

Такой лед обычно на поверхности не удерживается (сразу сдувается) и вреда не приносит (если, конечно, не забивает собой какие-либо функциональные отверстия сложной конфигурации). Остаться на обшивке он может в том случае, если она будет иметь достаточно большую температуру, в результате чего кристалл льда успеет растаять, а затем снова замерзнуть при контакте с уже имеющимся там льдом.

Однако, это уже, пожалуй, частный случай другого, третьего типа возможного обледенения. Этот вид наиболее часто встречается, и, сам по себе, наиболее опасен для эксплуатации летательных аппаратов. Его суть в замерзании на поверхности обшивки капель влаги, содержащихся в облаке или же в дожде, причем вода, составляющая эти капли находится в переохлажденном состоянии.

Как известно, лед — это одно из агрегатных состояний вещества, в данном случае воды. Получается он посредством перехода воды в твердое состояние, то есть ее кристаллизации. Всем известна температура замерзания воды – 0^°С. Однако это не совсем «та температура». Это так называемая равновесная температура кристаллизации (по-другому теоретическая).

При этой температуре жидкая вода и твердый лед существуют в равновесии и могут существовать так сколь угодно долго.

Для того, чтобы вода все-таки замерзла, то есть кристаллизовалась, необходима дополнительная энергия для формирования центров кристаллизации (иначе их еще называют зародышами). Ведь для того, чтобы они получились (самопроизвольно, без внешнего воздействия) необходимо сблизить молекулы вещества до определенного расстояния, то есть преодолеть силы упругости.

Эта энергия берется за счет дополнительного охлаждения жидкости (в нашем случае воды), иначе говоря ее переохлаждения. То есть вода уже становится переохлажденной с температурой ощутимо ниже нуля.

Теперь образование центров кристаллизации и, в конечном итоге, превращение ее в лед, может произойти либо самопроизвольно (при определенной температуре молекулы войдут во взаимодействие), либо при наличии в воде примесей (какая-либо пылинка, взаимодействуя с молекулами, может сама стать центром кристаллизации), либо при каком-нибудь внешнем воздействии, например, сотрясении (молекулы тоже входят во взаимодействие).

Таким образом, вода, охлажденная до определенной температуры, находится в этаком неустойчивом состоянии, называемом иначе метастабильным. В этом состоянии она может находиться достаточно длительный срок, пока не изменится температура или не будет воздействия извне.

Для примера. Вы можете довольно долго хранить в морозильном отделении холодильника емкость с очищенной водой (без примесей) в незамерзшем состоянии, однако стоит эту воду встряхнуть, как она сразу начнет кристаллизоваться. На видео это хорошо показано.

А теперь вернемся от теоретического отступления к нашей практике. Переохлажденная вода – это как раз то вещество, которое может находиться в облаке. Ведь облако – по сути дела водяная аэрозоль. Капли воды, в нем содержащиеся, могут иметь размеры от нескольких мкм до десятков и даже сотен мкм (если облако дождевое). Переохлажденные капли имеют обычно размер от 5 мкм до 75 мкм.

Чем меньше объем переохлажденной воды по размеру, тем более затруднено самопроизвольное образование в нем центров кристаллизации. Это напрямую относится к мелким каплям воды, находящимся в облаке. Как раз по этой причине в так называемых капельно-жидких облаках даже при достаточно низкой температуре находится именно вода, а не лед.

Именно такие переохлажденные капли воды, сталкиваясь с элементами конструкции самолета (то есть испытывая внешнее воздействие), быстро кристаллизуются и превращаются в лед. Далее поверх этих замерзших капель наслаиваются новые, и в итоге имеем обледенение в чистом виде .

Наиболее часто переохлажденные капли воды содержатся в облаках двух типов: слоистые (stratus cloud или ST) и кучевые (Cumulus clouds или Сu), а также в их разновидностях.

В среднем вероятность обледенения существует при температуре воздуха от 0^°С до – 20^°С, а наибольшая интенсивность достигается в диапазоне от 0^°С до – 10^°С. Хотя известны случаи обледенения даже при -67^°С.

Обледенение турбореактивных двигателей (на входе) может произойти даже при температуре + 5^°С..+ 10^°С, то есть двигатели здесь более уязвимы. Этому способствует расширение воздуха (из-за ускорения потока) в канале воздухозаборника, в результате чего происходит снижение температуры, конденсация влаги с последующим ее замерзанием.

Легкое обледенение компрессора ТРДД.

Обледенение компрессора.

В результате вполне вероятно понижение эффективности и устойчивости работы компрессора и всего двигателя в целом. Кроме того в случае попадания кусков льда на вращающиеся лопатки не исключено их повреждение.

Сильное обледенение компрессора (двигатель SAM146).

Для поршневых двигателей известно такое явление, как обледенение карбюратора, которому способствует испарение топлива в его каналах, сопровождающееся общим охлаждением. Температура наружного воздуха при этом может быть положительной, вплоть до + 10^°С. Это чревато замерзанием (а значит и сужением) топливо-воздушных каналов, примерзанием дроссельной заслонки с потерей ее подвижности, что в итоге отражается на работоспособности всего двигателя самолета.

Обледенение карбюратора.

Скорость (интенсивность) образования льда в зависимости от внешних условий может быть разной. Она зависит от скорости полета, температуры воздуха, от величины капель и от такого параметра, как водность облака. Это количество воды в граммах в единице объема облака (обычно метр кубический).

В гидрометеорологии интенсивность обледенения принято измерять в миллиметрах в минуту (мм/мин). Градация здесь такова: слабое обледенение — до 0,5 мм/мин; от 0,5 до 1,0 мм/мин — умеренное; от 1,0 до 1,5 мм/мин — сильное и свыше 1,5 мм/мин — очень сильное обледенение.

Понятно, что с ростом скорости полета интенсивность обледенения будет расти, однако этому есть предел, потому что при достаточно большой скорости в действие вступает такой фактор, как кинетический нагрев. Взаимодействуя с молекулами воздуха, обшивка летательного аппарата может разогреться до довольно ощутимых величин.

Можно привести некоторые приблизительные (средние) расчетные данные по кинетическому нагреву (правда для сухого воздуха ). При скорости полета порядка 360 км/ч нагрев составит 5^°С, при 720 км/ч — 20^°С, при 900 км/ч — около 31^°С, при 1200 км/ч — 61^°С, при 2400 км/ч — около 240^°С.

Однако, надо понимать, что это данные для сухого воздуха (точнее для полета вне облаков). Во влажном нагрев уменьшается примерно в два раза. К тому же величина нагрева боковых поверхностей составляет лишь две трети от величины нагрева лобовых.

То есть кинетический нагрев при определенных скоростях полета нужно принимать во внимание для оценки возможности обледенения, однако в реальности он более актуален для скоростных самолетов (где-то от 500 км/ч). Понятно, что когда обшивка разогрета, ни о каком обледенении говорить не приходится.

Но ведь и сверхзвуковые самолеты не всегда летают на больших скоростях. На определенных этапах полета они вполне могут быть подвержены явлению образования льда, и самое-то интересное в том, что они в этом плане более уязвимы.

И вот почему . Для исследования вопроса обледенения единичного профиля вводится такое понятие как «зона захвата». При обтекании такого профиля потоком, который содержит переохлажденные капли, этот поток огибает его, следуя кривизне профиля. Однако при этом капли, обладающие большей массой, в результате инерции не могут резко изменить траекторию своего движения и последовать за потоком. Они врезаются в профиль и замерзают на нем.

Зона захвата L1 и зона защиты L. S -зоны растекания.

То есть часть капель, находящихся на достаточном расстоянии от профиля сможет обогнуть его, а часть нет. Вот эта зона, на которую попадают переохлажденные капли и называется зоной захвата. При этом капли в зависимости от своей величины имеют способность к растеканию после соударения. Поэтому к зоне захвата присоединяются еще зоны растекания капель.

В итоге получаем зону L, так называемую «зону защиты». Это та область профиля крыла, которая нуждается в защите от обледенения тем или иным способом. Величина зоны захвата зависит от скорости полета. Чем она выше, тем зона больше. Кроме того ее размер увеличивается с ростом величины капель.

А главное, что актуально для скоростных самолетов, зона захвата тем больше, чем тоньше профиль. Ведь на таком профиле капле не надо сильно менять траекторию полета и бороться с инерцией. Она может пролететь дальше, тем самым увеличивая зону захвата.

Увеличение зоны захвата для тонкого крыла.

В итоге для тонкого крыла с острой кромкой (а это скоростной самолет ) до 90% капель, содержащихся в набегающем потоке может быть захвачено. А для относительно толстого профиля да еще на небольших скоростях полета эта цифра падает до 15%. Получается что самолет, созданный для полета на сверхзвуке, на малых скоростях находится в гораздо более худшем положении, чем самолет дозвуковой.

На практике обычно размер зоны защиты не превышает 15% от длины хорды профиля. Однако, бывают случаи, когда самолет подвергается воздействию особо крупных переохлажденных капель (более 200 мкм) или попадает под действие так называемого ледяного дождя (в нем капли еще более крупные).

В таком случае зона защиты может значительно увеличиться (в основном за счет растекания капель по профилю крыла), вплоть до 80% поверхности. Здесь к тому же многое зависит от самого профиля (пример тому тяжелые летные происшествия с самолетом ATR-72 – об этом ниже).

Появляющиеся на элементах конструкции самолета отложения льда могут отличаться по виду и характеру в зависимости от условий и режима полета, состава облаков, температуры воздуха. Различают три вида возможных отложений: иней, изморозь и лед.

Иней — результат сублимации водяного пара, представляет собой налет мелкокристаллической структуры. На поверхности удерживается плохо, легко отделяется и сдувается потоком.

Изморозь. Образуется при полете через облака с температурой значительно ниже – 10^°С. Представляет собой крупнозернистое образование. Здесь мелкие капли замерзают практически сразу после столкновения с поверхностью. Достаточно легко сдувается набегающим потоком.

Собственно лед. Он бывает трех видов. Первый — это прозрачный лед. Он образуется при пролете через облака с переохлажденными каплями или под переохлажденным дождем в наиболее опасном температурном интервале от 0^°С до – 10^°С. Этот лед прочно держится на поверхности, повторяя ее кривизну и не сильно ее искажая до тех пор, пока толщина его мала. С ростом толщины он становится опасен.

Второй — матовый (или смешанный) лед. Самый опасный вид обледенения. Температурные условия от -6^°С до -10^°С. Образуется при полете через смешанные облака. При этом в единую массу смерзаются крупные растекшиеся и мелкие нерастекшиеся капли, кристаллы, снежинки. Вся эта масса имеет шероховатую, бугристую структуру, которая сильно ухудшает аэродинамику несущих поверхностей.

Третий — белый пористый, крупообразный лед.Образуется при температуре ниже -10^°С в результате смерзания мелких капель. Из-за пористости не плотно прилегает к поверхности. По мере увеличения толщины становится опасным.

С точки зрения аэродинамики наиболее чувствительным, наверное, все-таки является обледенение передней кромки крыла и хвостового оперения. Уязвимой здесь становится вышеописанная зона защиты. В этой зоне нарастающий лед может образовывать несколько характерных форм.

Первая – это профильная форма (или клинообразная). Лед при отложении повторяет форму той части конструкции летательного аппарата на которой он находится. Образуется при температуре ниже -20^°С в облаках с невысокой водностью и мелкими каплями. На поверхности держится прочно, но обычно малоопасен из-за того, что не сильно искажает ее форму.

Вторая форма – желобообразная. Может образовываться по двум причинам. Первая: если на передней кромке носка крыла температура выше нуля (например, из-за кинетического нагрева), а на остальных поверхностях – отрицательная. Этот вариант формы еще называют рогообразной.

Формы образования льда на носке профиля. а - профильная; б - желобообразная; в - рогообразная; г - промежуточная.

То есть вода из-за относительно высокой температуры носка профиля застывает не вся, и по краям носка вверху и внизу вырастают ледовые образования действительно похожие на рога. Лед здесь шероховаты и бугристый. Сильно изменяет кривизну профиля и, тем самым, влияет на его аэродинамику.

Вторая причина — это взаимодействие профиля с крупными переохлажденными каплями (размер > 20мкм) в облаках с большой водностью при относительно высокой температуре (-5^°С…-8^°С). В этом случае капли, сталкиваясь с передней кромкой носка профиля, из-за своих размеров не успевают сразу замерзнуть, а растекаются по носку выше и ниже и там замерзают, наслаиваясь друг на друга.

В результате получается что-то вроде желоба с высокими краями. Такой лед прочно держится на поверхности, имеет шероховатую структуру и из-за своей формы также сильно меняет аэродинамику профиля.

Бывают также промежуточные (смешанные или хаотические) формы обледенения. Образуются в зоне защиты при полете через смешанные облака или осадки. При этом поверхность льда может быть самой разнообразной кривизны и шероховатости, что крайне негативно влияет на обтекание профиля. Однако, этот вид льда плохо удерживается на поверхности крыла и достаточно легко сдувается встречным потоком воздуха.

Наиболее опасными с точки зрения изменения аэродинамических характеристик и наиболее распространенными по имеющейся практике видами обледенения являются желобообразное и рогообразное.

Вообще в процессе полета через зону, где имеются условия для обледенения лед обычно образуется на всех лобовых поверхностях самолета. Доля крыла и хвостового оперения в этом плане составляет около 75%, и именно с этим связано большинство тяжелых летных происшествий, случившихся из-за обледенения, которые имели место в практике полетов мировой авиации.

Главная причина здесь — это значительное ухудшение несущих свойств аэродинамических поверхностей, увеличение профильного сопротивления.

Изменение характеристик профиля в результате обледенения (качество и коэффициент подъемной силы).

Ледяные наросты в виде вышеупомянутых рогов, желобов или каких-либо иных ледяных отложений могут совершенно изменить картину обтекания профиля крыла или оперения. Растет профильное сопротивление, поток становится турбулентным, во многих местах наступает его срыв, значительно падает величина подъемной силы, уменьшается величина критического угла атаки, растет вес самолета. Срыв потока и сваливание может наступить уже при совсем незначительных углах атаки.

Примером такого развития событий может служить известная катастрофа самолета ATR -72–212 (регистрационный номер N401AM, рейс 4184) авиакомпании American Eagle Airlines, произошедшая в США (Roselawn, Indiana) 31 октября 1994 года.

В этом случае совершенно неудачно совпали две вещи: достаточно долгое нахождение самолета в зоне ожидания в облаках с наличием особо крупных переохлажденных капель воды и особенности (а лучше сказать недостатки) аэродинамики и конструкции этого типа самолета, способствовавшие накоплению льда на верхней поверхности крыла в особой форме (валик или рог), причем в местах, которые в принципе (на других самолетах) этому мало подвержены (это как раз и есть случай значительного увеличения зоны защиты, упомянутый выше).

Самолет ATR-72-212 компании American Eagle Airlines (Флорида, США, февраль 2011 года). Аналог потерпевшего катастрофу 31.10.94, Roselawn, Indiana.

Экипаж использовал бортовую противообледенительную систему, однако ее конструктивные возможности не соответствовали условиям возникшего обледенения. Ледяной валик образовался за зоной крыла, обслуживаемой этой системой. Об этом летчики информации не имели, как не имели они и специальных инструкций по действиям на этом типе самолета при таком обледенении. Эти инструкции (достаточно специфические) еще просто не были разработаны.

В итоге обледенение подготовило условия для происшествия, а действия экипажа (неправильные в данном случае — уборка закрылков с увеличением угла атаки, плюс невысокая скорость)) явились толчком для его начала.

Произошла турбулизация и срыв потока, самолет свалился на правое крыло, войдя при этом во вращение вокруг продольной оси из-за того, что правый элерон был «отсосан» вверх образовавшимся в результате отрыва потока и турбулентности вихрем в районе задней кромки крыла и самого элерона.

Нагрузки на органы управления при этом были очень высоки, экипаж не смог справиться с машиной, точнее говоря им не хватило высоты. В результате катастрофы погибли все люди, находившиеся на борту — 64 человека.

Видео об этом происшествии можно посмотреть здесь (пока я еще не разместил его на сайте ) в версии National Geographic на русском языке. Интересно!

Примерно по такому же сценарию развивалось летное происшествие с самолетом ATR-72-201 (регистрационный номер VP-BYZ) компании Utair, потерпевшим катастрофу 2 апреля 2012 года сразу после взлета из аэропорта Рощино (Тюмень).

Уборка закрылков с включением автопилота + малая скорость = сваливание самолета. Причиной этому стало обледенение верхней поверхности крыла, причем в данном случае оно образовалось еще на земле. Это так называемое наземное обледенение.

Перед вылетом самолет простоял ночь на открытом воздухе на стоянке при малых отрицательных температурах (0^°C…- 6^°C). За это время неоднократно наблюдались осадки в виде дождя и мокрого снега. В таких условиях образование льда на поверхностях крыла было практически неизбежным. Однако, перед вылетом спецобработка для устранения наземного обледенения и предотвращения дальнейшего образования льда (в полете) проведена не была.

Самолет ATR-72-201 (рег. VP-BYZ). Этот борт потерпел катастрофу 02.04.2012 под Тюменью.

Результат печален. Самолет в соответствии со своими аэродинамическими особенностями отреагировал на изменение обтекания крыла сразу после уборки закрылков. Произошло сваливание, сначала на одно крыло, затем на другое, резкая потеря высоты и столкновение с землей. Причем экипаж, вероятно, даже не понял, что происходит с самолетом.

Наземное обледенение зачастую бывает очень интенсивным (в зависимости от условий погоды) и может покрывать не только передние кромки и лобовые поверхности, как в полете, а всю верхнюю поверхность крыла, оперения и фюзеляжа. При этом из-за длительного наличия сильного ветра одного направления оно может быть несимметричным.

Известны случаи намерзания во время стоянки льда в щелевых пространствах органов управления на крыле и хвостовом оперении. Это может привести к некорректной работе системы управления, что очень опасно, особенно на взлете.

Интересен такой вид наземного обледенения, как «топливный лед». Самолет, совершающий длительные перелеты на больших высотах долгое время находится в области низких температур (до -65^°C). При этом сильно охлаждаются большие объемы топлива в топливных баках (до -20^°C).

После посадки топливо быстро нагреться не успевает (тем более, что оно изолировано от атмосферы), поэтому на поверхности обшивки в районе топливных баков (а это очень часто поверхность крыла) конденсируется влага, которая потом же и замерзает из-за низкой температуры поверхности. Такое явление может происходить при положительной температуре воздуха на стоянке. А лед, при этом образующийся, очень прозрачен, и часто его можно обнаружить только на ощупь.

Вылет без удаления следов наземного обледенения согласно всем руководящим документам в авиации любого государства запрещен. Хотя иной раз так и хочется сказать, что «законы создают для того, чтобы их нарушать». Видео…..

С обледенением самолета связано и такое неприятное явление, как аэродинамический «клевок». Суть его в том, что самолет в процессе полета достаточно резко и практически всегда неожиданно для экипажа опускает нос и переходит в пикирование. Причем справиться с этим явлением и перевести самолет в горизонтальный полет экипажу бывает достаточно трудно, иной раз невозможно. Самолет не слушается рулей. Без катастроф при такого рода происшествиях не обошлось.

Происходит это явление в основном при заходе на посадку, когда самолет снижается и механизация крыла находится в посадочной конфигурации, то есть закрылки выпущены (чаще всего на максимальный угол). А причина его — обледенение стабилизатора.

Стабилизатор, выполняя свои функции по обеспечению продольной устойчивости и управляемости, работает обычно при отрицательных углах атаки. При этом он создает, так сказать, отрицательную подъемную силу , то есть аэродинамическую силу, подобную подъемной силе крыла, только направленную вниз.

При ее наличии создается момент на кабрирование. Он работает в противовес пикирующему моменту (компенсирует его), создаваемому подъемной силой крыла, которая к тому же после выпуска закрылков смещается в их сторону, еще увеличивая пикирующий момент. Моменты скомпенсированы — самолет устойчив.

ТУ-154М. Схема сил и моментов при выпущенной механизации. Самолет в равновесии. (Практическая аэродинамика ТУ-154М).

Однако, надо понимать, что в результате выпуска закрылков увеличивается скос потока за крылом (вниз), и, соответственно, растет скос потока обтекающего стабилизатор, то есть отрицательный угол атаки растет.

Если же при этом на поверхности стабилизатора (нижней) появляются ледяные наросты (что-нибудь типа рассмотренных выше рогов или желобов, например), то из-за изменения кривизны профиля критический угол атаки стабилизатора может стать очень маленьким.

Изменение (ухудшение) характеристик стабилизатора при его обледенении (ТУ-154М).

Поэтому угол атаки набегающего потока (еще более скошенного закрылками к тому же) легко может превысить критические значения для обледеневшего стабилизатора. В результате наступает срыв потока (нижняя поверхность), аэродинамическая сила стабилизатора сильно уменьшается и, соответственно, уменьшается кабрирующий момент.

Как следствие самолет резко опускает нос и переходит в пикирование. Явление очень неприятное… Однако, известное, и обычно в Руководстве по Летной Эксплуатации каждого данного типа самолета описано с перечислением необходимых в этом случае действий экипажа. Тем не менее без тяжелых летных происшествий здесь все равно не обходится.

Таким образом обледенение — вещь, мягко говоря, очень неприятная и само собой предполагается наличие способов борьбы с ним или хотя бы поиск возможностей безболезненного его преодоления. Один из самых распространенных способов — это противообледенительные системы (ПОС). Все современные самолеты без нее в той или иной степени не обходятся.

Действие такого рода технических систем направлено на предотвращение образования льда на поверхностях конструкции летательного аппарата или ликвидацию последствий уже начавшегося обледенения (что чаще), то есть удаление льда тем или иным способом.

В принципе самолет может обледеневать в любом месте своей поверхности, и лед, там образующийся, совсем не к месту , вне зависимости от того, какую степень опасности он для летательного аппарата создает. Поэтому неплохо было бы удалить этот лед весь. Однако, сделать вместо самолетной обшивки (а заодно и входного устройства двигателей) сплошную ПОС было бы все-таки неумно , нецелесообразно, да и технически невозможно (по крайней мере пока ).

Поэтому местами возможного расположения исполнительных элементов ПОС становятся области наиболее вероятного и наиболее интенсивного образования льда, а также требующие особого внимания с точки зрения безопасности полета.

Схема расположения противообледенительного оборудования на самолете типа ИЛ-76. 1 - электрообогрев датчиков угла атаки; 2 - датчики сигнализатора обледенения; 3 - фара освещения носков воздухозаборников; 4 - обогрев приемников воздушного давления; 5 - ПОС стекол фонаря (элктро, жидкостно-механическая и воздушно-тепловая); 6,7 - ПОС двигателей (кок и ВНА); 8 - ПОС носков воздухозаборников; 9 - ПОС передней кромки крыла (предкрылков); 10 - ПОС оперения; 11 - фара для освещения носков оперения.

Это лобовые поверхности крыла и хвостового оперения (передние кромки), обечайки воздухозаборников двигателей, входные направляющие аппараты двигателей, а также некоторые датчики (например датчики угла атаки и скольжения, температурные (воздушные) датчики), антенны и приемники воздушных давлений.

Противообледенительные системы подразделяются на механические, физико-химические и тепловые. Кроме того по принципу действия они бывают непрерывного действия и циклические. ПОС непрерывного действия после включения работают без остановки и не допускают образования льда на защищаемых поверхностях. А циклические ПОС оказывают свое защитное действие отдельными циклами, освобождая при этом поверхность от образовавшегося за время перерыва льда.

Механические противообледенительные системы – это как раз системы циклического действия. Цикл их работы делится на три части: образование слоя льда определенной толщины (около 4 мм), далее разрушение целостности этого слоя (или уменьшение его сцепления с обшивкой) и, в завершении, удаление льда под действием скоростного напора.

Принцип действия пневмомеханической системы.

Конструктивно они выполняются в виде специального протектора, изготовленного из тонких материалов (что-нибудь типа резины) со встроенными в него камерами и разбитого на несколько секций. Этот протектор размещается на защищаемых поверхностях. Обычно это носки крыла и хвостового оперения. Камеры могут располагаться как вдоль размаха крыла, так и поперек него.

При включении системы в действие в камеры определенных секций в разное время подается под давлением воздух, забираемый от двигателя (ТРД, или от компрессора, приводимого двигателем в действие). Давление порядка 120-130 кПА. Поверхность «вспучивается», деформируется, лед при этом теряет целостную структуру и сдувается набегающим потоком. После выключения воздух отсасывается специальным инжектором в атмосферу.

ПОС такого принципа действия одна из первых, нашедших применение в авиации. Однако на современные скоростные самолеты она установлена быть не может (макс. V до 600 км/ч), потому что под действием скоростного напора на больших скоростях происходит деформация протектора и, как следствие, изменение формы профиля, что, конечно же, недопустимо.

Бомбардировщик В-17 с механической системой антиобледенения. Резиновые протекторы (темного цвета) видны на крыле и хвостовом оперении.

Передняя кромка крыла самолета Bombardier Dash 8 Q400, оборудованная пневматическим противообледенительным носком. Видны продольные пневмокамеры.

Самолет Bombardier Dash 8 Q400.

При этом поперечные камеры в плане создаваемого ими аэродинамического сопротивления находятся в более выигрышном положении, чем продольные (это понятно ). А вообще увеличение профильного соспротивление (в рабочем состоянии до 110%, в нерабочем до 10%) – это один из главных недостатков такой системы.

Кроме того протекторы недолговечны и подвержены разрушающему воздействию окружающей среды (влага, перепады температуры, солнечный свет) и различного вида динамических нагрузок. А главное достоинство – это простота и малая масса, плюс к этому относительно небольшой расход воздуха.

К механическим системам циклического действия можно также отнести электроимпульсную ПОС. Основа этой системы – специальные электрокатушки-соленоиды без сердечников, называемые индукторами вихревых токов. Они расположены вблизи обшивки в районе зоны обледенения.

Схема электроимпульсной ПОС на примере самолета ИЛ-86.

На них мощными импульсами (с интервалами в 1-2 секунды) подается электрический ток. Длительность импульсов несколько микросекунд. В результате в обшивке наводятся вихревые токи. Взаимодействие полей токов обшивки и индуктора вызывает упругие деформации обшивки и, соответственно, расположенного на ней ледового слоя, который разрушается.

Тепловые противообледенительные системы. В качестве источника тепловой энергии может быть использован горячий воздух, забираемый из компрессора (для ТРД) или же проходящий через теплообменник, подогреваемый выходящими газами.

Схема воздушно-теплового обогрева носка профиля. 1 - обшивка летательного аппарата; 2 - стенка; 3 - гофрированная поверхность; 4 - лонжерон; 5 - распределительная труба (коллектор).

Схема воздушно-тепловой ПОС самолета Cessna Citation Sovereign CE680.

Самолет Cessna Citation Sovereign CE680.

Пульт управления ПОС самолета Cessna Citation Sovereign CE680.

Такого рода системы наиболее широко распространены сейчас, из-за своей простоты и надежности. Они тоже бывают как циклические, так и непрерывного действия. Для обогрева больших площадей применяются чаще всего циклические системы из соображений экономии энергии.

Тепловые системы непрерывного действия используются в основном с целью предотвращения образования льда в тех местах, где его сброс (в случае применения циклической системы) мог бы иметь опасные последствия. Например, сброс льда с центроплана самолетов, у которых двигатели расположены в хвостовой части. Это могло бы повредить лопатки компрессора в случае попадания сбрасываемого льда на вход в двигатель.

Горячий воздух подводится в район защищаемых зон через специальные пневмосистемы (трубы) отдельно от каждого двигателя (для обеспечения надежности и работы системы в случае отказа одного из двигателей). Причем воздух может распределяться по обогреваемым областям проходя как вдоль, так и поперек них (у таких коэффициент полезного действия выше). После выполнения своих функций воздух выпускается в атмосферу.

Главный недостаток этой схемы — ощутимое падение мощности двигателя при использовании компрессорного воздуха. Она может падать вплоть до 15% в зависимости от типа самолета и двигателя.

Этим недостатком не обладает тепловая система, использующая для нагрева электрический ток. В ней непосредственно работающим узлом является специальный токопроводящий слой, содержащий нагревательные элементы в виде проволоки (чаще всего) и расположенный между изоляционными слоями вблизи обогреваемой поверхности (под обшивкой крыла, например). Он превращает электрическую энергию в тепловую всем известным способом .

Носок крыла самолета с нагревательнвми элементами электротепловой ПОС.

Такие системы обычно работают в импульсном режиме для экономии энергии. Они очень компактны и имеют малую массу. По сравнению с воздушно-тепловыми системами практически не зависят от режима работы двигателя (в плане потребляемой мощности) и имеют значительно более высокий коэффициент полезного действия: для воздушной системы максимальный КПД — 0,4, для электрической — 0,95.

Однако, конструктивно они более сложные, трудоемки в обслуживании и имеют достаточно высокую вероятность отказов. Кроме того требуют наличия достаточно большой вырабатываемой мощности для своей работы.

Как некоторую экзотику среди тепловых систем (или может их дальнейшее развитие ) стоит упомянуть проект, инициированный в 1998 году исследовательским центром NASA (NASA John H. Glenn Research Center). Он называется ThermаWing (термокрыло). Суть ее в использовании для покрытия носка профиля крыла специальной гибкой токопроводящей фольгой на основе графита. То есть греются не отдельные элементы, а весь носок крыла (это, впрочем, справедливо и для всего крыла).

Такое покрытие может быть использовано как для удаления льда, так и для предотвращения его образования. Имеет очень высокое быстродействие, большую экономичность, компактность и прочность. Пройдена предварительная сертификация и Columbia Aircraft Manufacturing Corporation пробует эту технологию при производстве планера с использованием композитных материалов для новых самолетов Columbia 300/350/400 (Cessna 300350/400). Эта же технология применена на самолете Cirrus SR-22 производства компании Cirrus Aircraft Corporation.

Самолет Columbia 400.

Самолет Ciruss SR22.

Видео о работе такой системы на самолете Ciruss SR22.

Электротепловые ПОС используются также для обогрева различных датчиков и приемников воздушного давления, а также для устранения обледенения лобового остекления кабин летательных аппаратов. Нагревательные элементы в этом случае вставляются в корпуса датчиков или между слоями многослойного лобового стекла. Борьба с запотеванием (и обледенением) стекла кабины изнутри ведется с помощью обдува теплым воздухом (воздушно-тепловая ПОС).

Менее применяемый (в общем числе) в настоящее время способ борьбы с обледенением – физико-химический. Здесь тоже есть два направления. Первое – это уменьшение коэффициента сцепления льда с защищаемой поверхностью, а второе – уменьшение (снижение) температуры замерзания воды.

С целью уменьшения сцепления льда с поверхностью могут быть использованы либо различные покрытия типа специальных лаков, либо отдельно наносимые вещества (например, на основе жиров или парафинов). Такой способ имеет много технических неудобств и практически не применяется.

Уменьшение температуры замерзания может быть достигнуто путем смачивания поверхности жидкостями, имеющими более низкую температуру замерзания, чем вода. Причем такая жидкость должна быть удобна в применении, хорошо смачивать поверхность и не быть агрессивной по отношению к материалам конструкции летательного аппарата.

На практике в этом случае чаще всего применяется подходящий по всем требуемым параметрам спирт и его смеси с глицерином. Такого рода системы не очень-то и просты и требуют большого запаса спецжидкости. Кроме того они не растворяют уже образовавшийся лед. Есть еще у спирта один параметр, который не очень удобен в каждодневной эксплуатации . Это его непрямое, так сказать внутреннее использование. Не знаю уж стоит на эту тему шутить или нет …

Кроме того для этих целей используются антифризы, то есть смеси на базе этиленгликоля (или пропиленгликоля, как менее токсичного). Самолеты, использующие такие системы, на передних кромках крыла и хвостового оперения имеют панели с рядами отверстий очень малого диаметра.

Через эти отверстия во время полета при возникновении условий обледенения специальным насосом подается реагент и встречным потоком раздувается по крылу. Применяются такого рода системы в основном в поршневой авиации общего назначения, а также частично в бизнес- и военной авиации. Там же жидкостная система с антифризом используется и для антиобледенительной обработки винтов легких самолетов.

Спиртосодержащие жидкости часто используются для обработки лобовых стекол в комплекте с устройствами, представляющими собой по сути дела обычные «дворники». Получается так называемая жидкостно-механическая система. Ее действие носит скорее профилактический характер, так как уже образовавшийся лед она не растворяет.

Пульт управления очистителями стекол кабины экипажа ("дворники").

Вертолеты обледеневают ничуть не меньше самолетов. Воздействию этого явления у них подвергаются не только корпус со всеми установленными на нем датчиками, но и оба винта – несущий и хвостовой. Обледенение винтов представляет собой как раз наибольшую опасность.

Несущий винт. Его лопасть, представляя собой в определенном смысле модель крыла, имеет, тем не менее, гораздо более сложную картину аэродинамического обтекания. Как известно, скорости потока вокруг нее в зависимости от эволюций вертолета могут меняться от приближающихся к звуковой (на конце лопасти) до отрицательных в зоне обратного обтекания.

Отсюда и формирование льда при условиях возможного обледенения может принимать своеобразный характер. В принципе всегда обледеневает передняя кромка лопасти. При достаточно низких температурах воздуха (от -10^° и ниже) она обледеневает по всей длине, причем интенсивность обледенения растет с увеличением радиуса (скорость потока выше), хотя на конце лопасти она может уменьшиться из-за кинетического нагрева.

В зоне обратного обтекания может обледеневать задняя кромка. Передняя кромка в этой зоне покрывается льдом меньше из-за малых окружных скоростей и неполного оборота прямого обтекания. При большой водности облака и больших переохлажденных каплях в районе комля лопасти может покрываться льдом как задняя кромка, так и верхняя поверхность лопасти.

Примерная схема обледенения лопасти несущего винта вертолета.

В итоге, как и на крыле значительно ухудшаются аэродинамические характеристики лопастей. Сильно увеличиваетcя профильное сопротивление, падает подъемная сила. Как следствие – падает подъемная сила всего винта, которую не всегда можно компенсировать увеличением мощности.

Кроме того при определенной толщине льда его прочность и сцепление оказываются неспособными противостоять центробежной силе и происходит так называемое самосбрасывание льда. Происходит это достаточно хаотично и поэтому, естественно, возникает определенная ассиметрия, то есть лопасти получают разную массу и разное обтекание. Как следствие – сильная вибрация и вполне вероятная потеря устойчивости полета вертолета. Все это может закончиться достаточно плачевно.

Что касается хвостового винта, то он еще более подвержен обледенению из-за своих малых размеров. Центробежные силы на нем значительно превышают аналогичные на несущем винте (до пяти раз), поэтому самосбрасывание льда происходит чаще и вибрационные нагрузки при этом значительные. Кроме того сбрасываемый лед может повредить лопасти несущего винта и элементы конструкции вертолета.

Из-за особой чувствительности лопастей вертолетов к обледенению и немалой опасности для них этого явления при указании в прогнозе погоды возможности умеренного или сильного обледенения полеты вертолетов чаще всего не производятся.

Примерная схема электротепловой системы обогрева рулевого винта вертолета. Здесь 5 и 6 - электронагревательные элементы.

Что касается применяемых ПОС для лопастей вертолетов, то наибольшее распространение получили электротепловые. Воздушно-тепловые системы не используются из-за сложности распределения воздуха вдоль лопастей. Зато они применяются для обогрева воздухозаборников вертолетных ГТД. Для борьбы же со льдом на лобовых стеклах частенько используется спирт (по крайней мере на наших вертолетах ).

А вообще из-за сложности аэродинамики несущего винта определение размера и местоположения защищаемой зоны на его лопасти достаточно сложный процесс. Однако, обычно лопасти по передней кромке защищают на всю длинну (иногда начиная с 1/3 длины). На верхней части это около 8-12% хорды, на нижней – 25-28% хорды. На рулевом винте защищается передняя кромка примерно на 15% по длине хорды.

Задняя кромка возле комля (имеющая тенденцию к обледенению) защищается при электротепловом способе не полностью из-за трудности размещения нагревательного элемента в ней. В этом плане при опасности обледенения ограничивается скорость горизонтального полета вертолета.

Похожим образом происходит обледенение винтов двигателей самолетов. Здесь, правда, процесс проходит более равномерно, так как нет ни зон обратного обтекания, ни отступающих и наступающих лопастей, как на несущем винте вертолета . Обледенение начинается с передней кромки и далее идет вдоль хорды примерно до 25% ее длины. Концы лопастей на крейсерском режиме из-за кинетического нагрева могут не обледеневать. Большое накопление льда происходит на коке винта, что сильно увеличивает сопротивление.

Самосбрасывание льда происходит, так сказать регулярно . Все эти прелести приводят к падению тяги, кпд винта, его разбалансировке, значительной вибрации, ведущей в конечном итоге к повреждению двигателя. Кроме того куски льда могут повредит фюзеляж. Особенно опасно это в районе герметичной кабины.

В качестве ПОС для самолетных винтов используются чаще всего электротепловые чаще всего циклического действия. Системы такого характера проще всего использовать в этом случае. При этом эффективность их высока. Достаточно немного уменьшить сцепление льда с поверхностью и дальше в действие вступает цетробежная сила . Нагревательные элементы при этом способе заделываются в корпус лопасти (обычно по передней кромке), повторяя ее очертания, и вдоль поверхности кока винта.

Из всех вышеперечисленных видов противообледенительных систем

---

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:  

---

3456789