Методы борьбы с обледенением воздушных судов

Обновлено: 19.04.2024

Образование во время полета на поверхности различных частей самолета ледяных наростов представляет большую опасность. Обледенение уменьшает подъемную силу самолета и увеличивает его лобовое сопротивление, мешает работе органов управления, ухудшает пилотам видимость, увеличивает вибрацию и нагрузку отдельных элементов планера. Вызывая увеличение потребной для полета мощности, обледенение приводит к снижению располагаемой мощности вследствие уменьшения проходного сечения воздухозаборников двигателей и значительных потерь скоростного напора воздуха, поступающего в двигатель.

Обледенение воздушного винта вызывает резкое уменьшение его коэффициента полезного действия. Вместе с тем нарушается весовая и аэродинамическая балансировка винта, приводящая к тряске двигателей. Тряска вызывает дополнительные динамические напряжения в конструкции самолета, а также неприятные физиологические воздействия на экипаж и пассажиров. Отрывающиеся от лопастей куски льда могут повредить обшивку фюзеляжа и крыла.

Поэтому эффективная защита самолета от обледенения является одной из важнейших задач и в настоящее время противообледенительные устройства на самолете являются обязательными.

Существуют два основных метода борьбы с обледенением — пассивный и активный.

Пассивный метод предусматривает вывод самолета из зоны обледенения. Вполне очевидно, что пассивный метод не может удовлетворить требований безопасности и регулярности полетов. Ак

тивные методы борьбы с обледенением по характеру воздействия можно разделить на механические, химические и термические.

Механические методы зашиты основаны главным образом на применении надувающихся резиновых протекторов, которые монтируются на передней кромке крыла и хвостового оперения. Внутри протекторы имеют продольные камеры, куда попеременно поступает сжатый воздух. Противообледенительное устройство включается в действие после образования льда на передней кромке. Вначале надувается центральный протектор и ломает лед, затем надуваются два остальных протектора и надломленный лед отрывается и сносится воздушным потоком.

Химический метод основан на применении различных веществ в виде жидкости или пасты, имеющих температуру замерзания ниже 0° С и способных в разных пропорциях с водой образовывать смесь, которая замерзает лишь при температуре значительно ниже 0° С.

Защищаемая часть самолета покрывается каким-либо пористым материалом, например специально обработанной кожей, металлокерамическим листом или прутком. Через поры этих элементов подается жидкость, которая растворяет лед. В некоторых случаях защищаемая поверхность обливается антиобледенительной жидкостью.

В результате сцепление между льдом и поверхностью профиля уменьшается и отложившийся лед сдувается воздушным потоком. Этот метод применяется как для устранения, так и для предупреждения обледенения. Жидкостью, применяемой в таких противообледеннтельных устройствах, может быть спирт, спирто-глицериновые смеси и др.

Химические методы борьбы с обледенением нашли широкое применение в противообледенительных устройствах стекол фонаря кабины пилотов и воздушных винтов.

Термические системы могут применяться как для предупреждения, так и для устранения обледенения. Работа термических противообледенительных устройств основана на нагреве защищаемой поверхности самолета до температуры, исключающей возможность ее обледенения.

В зависимости от способа защиты поверхностей самолета различают электротермические и воздушно-тепловые противообледенительные системы. Во-первых, в качестве источника тепла используют электричество, во-вторых — теплый воздух, воздух, смешанный с отработавшими газами, или одни отработавшие газы. Электротермический способ защиты от обледенения позволяет подавать тепло в защищаемой поверхности с перерывами. При этом методе допускается образование небольшого количества льда на поверхности, после чего к этой поверхности подается тепло, лед подтаивает и сдувается воздушным потоком. После удаления льда обогрев прекращается, температура понижается и лед образуется вновь; этот процесс повторяется через определенный промежуток времени.

В этом случае стекание воды назад можно совершенно исключить, что позволяет ограничить площадь обогрева зоной оседания воды. При цикличном обогреве расход энергии на обогрев в несколько раз меньше, чем при обогреве непрерывного действия.

Защищаемые от обледенения поверхности обычно разбивают на отдельные секции. Секции имеют симметричное расположение на левой и правой частях крыла и оперения. Последовательное и симметричное подключение нагревательных элементов секций дает значительную экономию потребляемой противообледенительными устройствами электрической энергии, так как вместо одновременного обогрева всех секций обогревается в каждый данный момент времени лишь часть. На крыле и оперении, кроме периодически включаемых секций, могут быть непрерывно обогреваемые в условиях обледенения участки, такие, как места стыка секций и передние кромки, с которых лед не может быть сброшен аэродинамическими силами.

Противообледенительный носок крыла и оперения представляет собой многослойную конструкцию, спрессованную на синтетическом клее, состоящую из внешней и внутренней обшивки, между которыми размещены два стеклотканевых слоя электроизоляции и нагревательный элемент. Каждый нагревательный элемент состоит из двух латунных контактных шин (плюсовой и минусовой), к которым подпаяна сетка из константановой проволоки диаметром 0,12— 0,15 мм. Конструкция нагревательных элементов лопастей винтов (рис. 138) и обтекателей втулки винтов подобна конструкции нагревательных элементов крыла. Обогреваемый участок лопасти винта обычно составляет 15—20% хорды и 50—75% длины лопасти. Защита от обледенения концов лопастей не нужна вследствие нагрева их от трения воздуха и больших центробежных сил, срывающих образовывающиеся частицы льда.

Надежную защиту от обледенения обеспечивают системы, использующие горячий газ или воздух.

С внедрением на самолетах газотурбинных двигателей получен мощный источник тепла, используемого в противообледенительной системе (рис. 139).

Источниками тепла являются воздух, отводимый от компрессоров двигателя, или отработавшие газы, отбираемые из входа в турбину или из реактивного сопла; кроме того, возможен подогрев воздуха в теплообменнике, установленном вокруг реактивного сопла. Каждый из вышерассмотренных способов обеспечения энергии может оказать отрицательное влияние на летные характеристики самолета вследствие уменьшения тяги, увеличения расхода топлива или увеличения веса. Анализ ухудшения летных данных самолета в результате применения той или иной системы получения тепловой энергии показал, что система отвода воздуха от компрессора двигателя является более приемлемой. К достоинствам такой системы относятся также простота конструкции и использование чистого воздуха без примесей продуктов сгорания. Чистота воздуха имеет важное значение с точки зрения избежания коррозии трубопроводов и конструкции самолета исключает, отравление пассажиров и экипажа.

Используемая литература: "Основы авиации" авторы: Г.А. Никитин, Е.А. Баканов

Поскольку зима неизбежна по обе стороны от пояса тропиков, рано или поздно пилоты и техники должны будут решать, как выбраться из ситуации обледенения, будь то до взлета или во время полета. Обледенение воздушного судна добавляет летательному аппарату вес, а также воздействует на хвостовые поверхности и вызывает опасное обледенение крыльев самолета. Лед также может повлиять на работу двигателя любого типа. Антиобледенительная обработка самолета представляет собой комплекс мер, зависящих от установленного оборудования и сертификации летной техники.

Защита воздушного судна от обледенения включает в себя несколько наиболее распространённых способов:

правильную полетную стратегию;
воздух из специального рукава;
воздух из турбины;
систему TKS;
электрический обогрев.

Выбор стратегии полета

Когда дело доходит до защиты самолета от обледенения, существует мало абсолютных принципов. Однако существуют четкие рекомендации, когда ожидать появление льда. При высокой влажности, когда температура наружного воздуха ниже 37 градусов, пилоты должны ожидать, что белые частицы неизбежно прилипнут к самолету. Хотя противообледенительная система воздушного судна помогает избавить корпус или силовую установку ото льда, лучшая стратегия состоит в том, чтобы как можно скорее покинуть высотную или погодную область, производящую лед. Высокоскоростные самолеты в данном случае имеют преимущество, когда дело доходит до маневров.

Применение систем электрообогрева

1. Электрический нагреватель основных замков двери багажного отсека

2. Электрический нагреватель привода предкрылков

3, 4. Обогрев двигателей

5. Обогрев передней кромки воздухозаборника двигателя

6. Противообледенительная система передней кромки крыла

7. Противообледенительная система передней кромки киля и стабилизатора

Пневматическое антиобледенение самолета

Обледенение воздушных судов могут уменьшить резиновые рукава, прикрепленные к передним краям крыльев и горизонтальному стабилизатору и приводимые в действие пневматическим воздухом. Рукава циклически расширяются и сжимаются при активации пилотом, чтобы сломать корку льда, мешающую подъему. Данные приспособления расширяются последовательно, поскольку не все участки аэродинамического профиля покрываются льдом одновременно. Хитрость заключается в том, чтобы не ждать слишком долго и не допускать значительного накопления льда.

Борьба с обледенением самолета подогревом

Подогреваемые передние плоскости – ещё один способ противостоять опасному льду. Большинство самолетов транспортной категории имеет передние плоскости, нагреваемые изнутри воздухом, который откачивается из турбинных двигателей, а затем направляются по трубопроводу в соответствующее место. Аэродинамические поверхности нагреваются еще до того, как на поверхности корпуса образуется наледь. Одним из недостатков нагрева передних плоскостей воздухом является энергия, которую потребляет этот процесс. Он вполне может ограничивать летные характеристики, например при взлете.

Система TKS

TKS – это система, оборудование которой закрывает передние плоскости тонкой проволочной сеткой с отверстиями, которые почти невозможно увидеть человеческим глазом. Когда самолет, оборудованный TKS, приближается к условиям обледенения, пилот активирует систему, и она выливает противообледенительную жидкость из отверстий вдоль плоскостей, чтобы предотвратить накопление льда.

Электрический обогрев

Трубки Пито, лопасти и датчики температуры наружного воздуха могут быстро стать бесполезными или работать с перебоями, если они покроются льдом. На сложном самолете эти узлы обычно подогреваются с помощью электричествА автоматически перед тем, как они сталкиваются с обледенением. Турбинные двигатели также не любят лед и обычно защищены электрически нагретыми патрубками, которые должны быть включены до того, как лед начнет формироваться. Поскольку пропеллеры представляют собой аэродинамические поверхности, они также защищены от скопления льда, чтобы не потерять способность создавать тягу. Современные самолеты используют электрическую энергию, чтобы предотвратить обледенение или растопить лед, который пытается прилипнуть к лопастям. В прежние времена пропеллеры часто были защищены системой, которая брызгала спирт на лопасти для таяния льда. Однако на современном этапе развития авиации борьба с обледенением воздушных судов с помощью электрообогрева является одним из наиболее прогрессивных методов.

Обледенение морских судов от брызг представляет собой серьезную опасность для пассажирских и грузовых операций в районах высоких широт. Наша система защиты от замерзания воды, действующая по принципу электрического обогрева, обеспечивает расширенные эксплуатационные возможности.

Электрообогрев судов

Ранее лёд с борта корабля или портового объекта удалялся механически, тепловой пушкой или с использованием водяного пара. Современная борьба с обледенением судов, плавучих платформ и причальных конструкций основана на электрическом кабельном обогреве. Обогрев судов, а также морских и береговых сооружений – процесс, которому подвергаются палубы, эвакуационные проходы, трапы, взлётно-посадочные площадки, крышки, леера, подъездные пути и пр. Системой электрообогрева обеспечивается прогревание поверхностей до температуры 3 или 5 градусов тепла по Цельсию.

За время работы накоплен опыт по созданию систем электрического обогрева судов, морских ледостойких платформ и береговых сооружений:

Нагревательные плиты для обогрева вертолетных площадок, палуб и путей эвакуации;
Нагревательный высокотемпературный саморегулирующийся кабель для обогрева комингсов, лееров, крышек и т.д.;
Нагревательный саморегулирующийся кабель для обогрева трапов, трубопроводов, вентиляционных каналов, забортной арматуры и т.п.;
Аварийно-спасательные системы. Разработан нагреватель для обеспечения поддержания заданной температуры в капсуле спасательного плота с системой регулирования температуры.

Экономичность

После длительных измерений и испытаний мы создали устраняющую обледенение судна систему, которая обеспечивает надежную работу в море даже в самых сложных условиях. Мы делаем эксплуатационные расходы как можно более низкими, оптимизируя энергию потребления путем регулирования температуры в нужных пределах. Это позволяет активировать нагревательные элементы вовремя, чтобы предотвратить формирование льда. Если лед начинает формироваться только на одной сторона судна, система фокусируется именно на этой стороне.

Эффективность

Когда вы отправляете ценный груз, надежность – ваш приоритет No 1. В соответствии с современными требованиями, система, предотвращающая обледенение корабля, должна соответствовать всем применяемым стандартам и необходимым потребностям. Когда у вас есть наше оборудование, установленное на судне, платформе или причале, вы можете быть уверены, что все работает по плану.

Система гарантирует, что все важные устройства и цели доступны, когда это необходимо. Экипаж и ресурсы освобождаются для других задач, в то время как автоматическая система производит антиобледенение.

Безопасность

Основное внимание в нашей системе уделяется безопасности. Безопасность операций зависит от хорошего функционирования отопительных систем и пунктов эксплуатации. Частью нашей работы являются необходимые испытания при температурах замерзания для обеспечения безопасности экипажа, судна и груза.

На обледенение летательных аппаратов оказывает влияние ряд факторов, основными из которых являются температура и относительная влажность воздуха, водность облаков, средний диаметр капель, скорость и высота полета летательного аппарата. Метеорологические условия, способствующие обледенению, характеризуются наличием переохлажденных капель воды или кристаллов льда, взвешенных в воздухе в виде облаков, тумана, дождя, мокрого снега и т.п. Летательный аппарат выводит содержащиеся в обтекаемом потоке воздуха переохлажденные капли воды из неустойчивого равновесия, и последние замерзают на его поверхностях.

Различают следующие виды льдообразований: прозрачный лед в виде стекловидной пленки с гладкой поверхностью (при полетах в зоне переохлажденного дождя или мороси в интервале температур воздуха ±5°С); малопрозрачный лед шероховатой, зернистой или кристаллической структуры (при полетах в облаках, содержащих большое количество переохлажденных капель различного размера, от 0°С до –10°С); кристаллический лед (иней), (отлагающийся в небольших количествах при температуре ниже –10°С и при полете в облаках, состоящих из очень мелких капель переохлажденной воды); смешанные виды льдообразований, из которых наибольшую опасность представляют ледяные наросты неправильной формы, образующиеся при полете в зоне выпадения дождя и снега.

Известная температура замерзания воды – 0°С, является равновесной температурой кристаллизации. Вода может находиться в жидком состоянии и при отрицательных температурах, и для того чтобы она кристаллизовалась, необходима дополнительная энергия для формирования центров кристаллизации. Именно в таком нестабильном состоянии находится вода в облаке и, сталкиваясь с элементами конструкции самолета, быстро кристаллизуется и образовывает в итоге слой льда, называемый обледенением. С ростом скорости полета интенсивность обледенения растет, однако при сверхзвуковых скоростях возникает явление, называемое аэродинамический нагрев. Взаимодействуя с молекулами воздуха, обшивка летательного аппарата может разогреваться до 200°С.

Обледенению подвергаются многие части самолета. Обледенение турбореактивных двигателей может произойти даже при температуре +5°С..+10°С. Во входном канале происходит засасывание воздуха и его расширение, в результате чего температура воздуха понижается и может достигнуть значений, при которых наступает обледенение. Образование льда на поверхности входного канала и непосредственно на входе в компрессор уменьшает расход воздуха и понижает тягу двигателя, увеличивается удельный расход топлива, что приводит к неустойчивой работе компрессора и тряске двигателя, а при попадании кусков льда на вращающиеся лопатки не исключено их повреждение.

С точки зрения аэродинамики наиболее чувствительным является обледенение передней кромки крыла и хвостового оперения Ледяные наросты могут существенно изменить картину обтекания профиля крыла, в результате чего ухудшаются аэродинамические характеристики самолета, теряется устойчивость, и все это может привести к катастрофе.

Для обеспечения нормальной работы двигателя и несущих поверхностей в условиях обледенения создаются противообледенительные системы (ПОС). Принцип действия большинства этих систем основан на том, что, при включении их в работу, температура защищаемых поверхностей поднимается до положительной. Местами возможного расположения исполнительных элементов ПОС становятся области наиболее вероятного и интенсивного образования льда, а также требующие особого внимания с точки зрения безопасности полета. Это передние кромки крыла и хвостового оперения, воздухозаборники двигателей, а также некоторые датчики.

ПОС могут быть постоянного действия и циклические. Системы постоянного действия не допускают образования льда на защищаемых поверхностях. Они применяются в местах, где скопившийся, а затем удаленный лед может попасть в двигатель и тем самым нарушить его нормальную работу.

Системы циклического действия периодически сбрасывают образующийся на защищаемых поверхностях слой льда за счет уменьшения сцепления льда с поверхностью. Применяются для обогрева больших площадей из соображений экономии энергии.

В зависимости от источников энергии ПОС подразделяются на воздушно-тепловые и электро-тепловые. В первых используют тепловую энергию воздуха, отбираемого от компрессора двигателя. Чем выше температура и давление воздуха за компрессором, тем эффективнее работают эти системы. Воздух по специальным каналам проходит вдоль защищаемых поверхностей с внутренней стороны, а затем выбрасывается в атмосферу. Главный недостаток этой схемы – ощутимое падение мощности двигателя при использовании компрессорного воздуха, вплоть до 15%.

Этим недостатком не обладает тепловая система, использующая для нагрева электрический ток. В ней слой нагревательных элементов расположен непосредственно под обшивкой крыла (рис. 2). Они очень компактны и имеют малую массу. По сравнению с воздушно-тепловыми не зависят от режима работы двигателя и имеют значительно более высокий коэффициент полезного действия. Однако, конструктивно они более сложные, трудоемки в обслуживании и имеют достаточно высокую вероятность отказов.

Рис. 2. Схема работы электротепловой системы на передних кромах

В борьбе с обледенением кроме бортовых систем используется также и наземная обработка летательных аппаратов специальной жидкостью с целью предотвращения образования льда или уменьшения его сцепления с обшивкой. Следует отметить что, насколько бы ни были совершенны современные ПОС или системы наземной противообледенительной обработки, они имеют возможности, ограниченные конструктивными и техническими рамками. Многое зависит от человека, как от летного, так и наземного персонала, от создателей авиационной техники и тех, кто вводит ее в повседневную эксплуатацию.

Существуют два основных метода борьбы с обледенением — пассивный и активный.

ПОС САМОЛЕТА SSJ-100

Противообледенительная система (ПОС) обеспечивает нормальную эксплуатацию самолета в условиях обледенения.

Для защиты самолета от обледенения используется горячий воздух или электрический обогрев, с помощью которых обогревается необходимая зона самолета.

Горячим воздухом обогреваются:

— передняя кромка секций 3 и 4 предкрылка левой и правой консолей крыла,

Горячий воздух поступает от системы отбора воздуха от двигателя.

Электрический обогрев имеют следующие компоненты:

— приёмники полного и статического давлений,

— датчики температуры воздуха,

— датчики угла атаки,

— лобовые стёкла и стёкла форточек,

— панели наземного обслуживания систем водоснабжения и удаления отбросов.

Для очистки лобовых стёкол от снега и воды и улучшения видимости на них установлены стеклоочистители с электрическим приводом.

Для улучшения видимости в условиях сильного дождя, при недостаточной эффективности стеклоочистителей, применяется система подачи гидрофобизирующей жидкости на лобовые стекла.

Рисунок 9. Обогреваемые части ПОС

ПОС крыла

ПОС крыла — воздушно-тепловая. Обогреваются передние кромки секций 3 и 4 предкрылков. ПОС крыла состоит из левой и правой подсистем.

Воздух для обогрева отбирается от пневматической системы. Подача воздуха регулируется в зависимости от высоты полёта. Регулирование расхода воздуха обеспечивается клапаном регулирования давления. После прохождения горячего воздуха через обогреваемые секции №3 и 4 предкрылков охлажденный воздух выбрасывается в атмосферу.

В качестве источника тепла для обогрева используется воздух от двигателей (см. рис 10-11).Предварительно охлажденный воздух, отбираемый от двигателя, перед подачей в ПОС, имеет температуру 200°C (392 °F) при нормальном режиме работы двигателей и 230 °C (446 °F) при отказе одного из двигателей.

Электропневматический отсечной регулирующий клапан осуществляет управление подачей воздуха в ПОС. Клапан управляет давлением воздуха на входе в обогреваемую зону предкрылка. Контроль за давлением воздуха после клапана осуществляют два датчика давления.

После прохождения клапана воздух поступает в телескопическую трубу, соединенную с подводящим трубопроводом, через который воздух поступает в коллектор. Далее воздух поступает в обогреваемую часть предкрылка через отверстия на передней стенке коллектора, расположенные по всей его длине.

Для сокращения потерь тепла трубопровод ПОС крыла имеет теплоизоляцию. При отказе одного из двигателей, второй двигатель обеспечивает воздухом ПОС обоих предрылков через трубопровод перекрестного отбора.

Для наблюдения за реальным обледенением предкрылков из кабины экипажа на фюзеляже установлены фары для освещения передней кромки крыла.

Рисунок 10. ПОС крыла

Отбираемый воздух через входной штуцер, расположенный в корпусе заслонки, поступает в редуктор давления, который подает постоянное давление в сервоклапан.

Электродвигатель в зависимости от тока на обмотке поворачивает секторную качалку, которая управляет потоком воздуха, проходящего через сервоклапан. Давление после сервоклапана, поступает в полость пневмопривода. Посредством диафрагмы и поршня пневмопривод перемещает тягу, закрепленную на поршне, под действием давления воздуха. Тяга поворачивает поворотную заслонку, закрепленную на ней, тем самым управляя подачей воздуха.

Концевой выключатель позволяет индицировать закрытое или открытое состояние заслонки.

Рисунок 11. Обогрев предкрылок

Органы управления и индикация

Потолочный пульт (См. рис.12)

Органом управления ПОС крыла является трехпозиционный переключатель WING на пульте управления ANTI-ICE, имеющий положения OFF, AUTO и ON.

В положении переключателя AUTO включение и отключение подачи воздуха в ПОС происходит по сигналу сигнализатора обледенения.

В положении переключателя ON пилот принудительно включает подачу воздуха в ПОС, при этом сигналы сигнализатора обледенения игнорируются.

Автор статьи

Куприянов Денис Юрьевич

Юрист частного права

Страница автора

Читайте также: