Облака, оказывается, далеко не всегда бывают белоснежными, а в небе хватает серости и частенько всякой слякоти, к тому же холодной, даже очень и потому неприятной. Неприятной, впрочем, не только для человека, но и для его летательного аппарата. Красоты неба этой машине безразличны, а вот холод и 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.
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 рулежке - занятие не самое приятное, 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 двигателя, 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. В зависимости от внешних условий лед может иметь различную структуру и форму, которую он принимает, оседая на поверхности элементов конструкции.
Во время полета лед может появляться на поверхности самолета тремя путями.
Первый тип — это так называемое сублимационное обледенение. В этом случае происходит сублимация водяных паров на поверхности 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. Например, 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.
Но это уже, 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 воды. Получается он посредством кристаллизации. Всем известна температура замерзания воды - 0°С. Однако это не совсем «та температура». Это так называемая равновесная температура кристаллизации(по-другому теоретическая).
Переохлажденная вода - это как раз то вещество, которое находиться в облаке. Ведь облако - по сути дела водяная аэрозоль. Капли воды в нем могут иметь размеры от нескольких мкм до десятков и даже сотен мкм (если облако дождевое).
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, быстро кристаллизуются и превращаются в лед. Далее поверх этих замерзших капель наслаиваются новые и в итоге имеем обледенение в чистом виде.
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 разрежение воздуха(из-за ускорения потока) в канале воздухозаборника, в результате чего происходит снижение температуры, конденсация влаги с последующим ее замерзанием.
Скорость 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.
Вода, сталкиваясь с поверхностью фюзеляжа застывает не вся. Растекаясь по ходу движения, она образует причудливые наросты. На крыле по краям носка вверху и внизу вырастают ледовые образования похожие на рога или желоб. Лед здесь шероховатый и бугристый. Это сильно изменяет кривизну профиля крыла и, тем самым, влияет на его аэродинамику.
Наиболее опасными с точки зрения изменения аэродинамических характеристик и наиболее распространенными по имеющейся практике видами обледенения являются желобообразное и рогообразное.
Варианты намерзания на плоскости крыла Б и В самые опасные с точки зрения аэродинамики.
Главная причина здесь - это значительное ухудшение несущих свойств аэродинамических поверхностей, увеличение профильного сопротивления.
Для борьбы с этим явлением в полете используются различные системы противообледенения, элементы которых установлены в критически важных точках самолета. Это лобовые поверхности крыла и хвостового оперения (передние кромки), обечайки воздухозаборников двигателей, лопасти винтов, а также некоторые датчики, например датчики угла атаки и скольжения, температурные датчик, антенны и приемники воздушного давления.
Разновидности противообледенительных систем самолета.
Противооблединительные системы(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 системы циклического действия. Цикл их работы делится на три части: образование слоя льда определенной толщины (около 4 мм), далее разрушение целостности этого слоя и удаление льда под действием скоростного напора.
Устройство механической системы противообледенения. Воздух под давлением подается в эластичные камеры. Лед на поверхности деформируется и сдувается набегающим потоком воздуха.
Конструктивно они выполняются в виде специального протектора, изготовленного из тонких материалов (что-нибудь типа резины), как на ATR-72, со встроенными в него камерами и разбитого на несколько секций. Этот протектор размещается на защищаемых поверхностях. Обычно это носки крыла и хвостового оперения. При включении системы в действие в камеры определенных секций в разное время подается под давлением воздух, забираемый от двигателя. Поверхность «вспучивается», деформируется, лед при этом теряет целостную структуру и сдувается набегающим потоком. После выключения воздух стравливается в атмосферу.
Механическая система противообледенения на ATR-72. Черная эластичная часть - это ОНО!
Тепловые противообледенительные системы. В качестве источника тепловой энергии используется горячий воздух, забираемый из компрессора двигателя. Такого рода системы наиболее широко распространены сейчас, из-за своей простоты и надежности. Они тоже бывают как циклические, так и непрерывного действия.
Главный недостаток этой схемы — ощутимое падения 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 между изоляционными слоями.
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 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.
Электротепловые ПОС используются также для обогрева различных датчиков и приемников воздушного давления, а также для устранения обледенения лобового остекления кабин.
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.
Панель управления противообледенительными системами на самолете Boeing 737 поколения Classic
А как пилоту определить момент начала обледенения, пока не поздно? Для этого существуют специальные датчики обледенения.
Такого рода датчики устанавливаются на самолете в местах, где набегающий воздушный поток претерпевает наименьшие искажения. Кроме того они устанавливаются в каналах воздухозаборников двигателей и бывают двух видов действия: косвенного и прямого.
Датчики обледенения на самолете A320. Штырь у стекла кабины пилотов - для визуального контроля обледенения.
Первые обнаруживают наличие в воздухе капель воды. Но они не могут отличить переохлажденную воду от обычной, поэтому имеют температурные корректоры, которые включают их в работу только при отрицательных температурах воздуха. Такие сигнализаторы отличаются высокой чувствительностью. Действие таких датчиков основано на измерениях электросопротивления и теплоотдачи.
Вторые реагируют непосредственно на образование и толщину льда на самом датчике. Чувствительность к условиям обледенения их ниже, потому что они реагируют только на лед, а для его образования нужно время. Датчик такого сигнализатора выполнен в виде штыря, выставленного в поток. На нем образуется лед при возникновении соответствующих условий.
Наземное обледенение зачастую бывает очень интенсивным 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 льда во время стоянки 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.
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.
Взять тот же Боинг 787 Дримлайнер. Он летает на более высоких эшелонах, чем другие пассажирские самолёты - до 14 000 м. Там топливо прилично охлаждается! И при коротком "развороте" на стоянке образуется лед даже летом в прохладный день.
Вылет без удаления следов наземного обледенения согласно всем руководящим документам в авиации любого государства запрещен!
В борьбе с обледенением используется наземная обработка летательных аппаратов. Специальная жидкость-реагент, применяемая для такого рода обработок изготавливается на основе воды и гликоля с добавлением ряда других ингридиентов типа загустителей, красителей, поверхностноактивных веществ (смачивателей), ингибиторов коррозии и др. Количество и состав этих добавок – это обычно коммерческая тайна фирмы-изготовителя.
Температура замерзания такой жидкости достаточно низка (до -60° С). Иногда ее называют «псевдопластиком». Она содержит полимерный загуститель и поэтому имеет достаточно большую вязкость. Это позволяет ей удерживаться на поверхности самолета до достижения скорости, близкой к 200 км/ч.
Обработка производится непосредственно перед взлетом. Жидкость образует на поверхности планера самолета пленку, препятствующую примерзанию осадков. После обработки у самолета есть запас времени (около получаса) для взлета и набора той высоты, где исключена возможность обледенения.
При наборе определенной скорости защитная пленка сдувается набегающим потоком воздуха. В некоторых случаях, если обработанный самолет уже находится в районе исполнительного старта с включенными двигателями, то при температуре воздуха ниже нуля и высокой влажности каждые десять минут увеличивают обороты двигателя, что бы предотвратить ("сдуть") возможное налипание осадков на входе двигателя.
Для применения спецжидкостей в зависимости от погоды, температуры воздуха и прогноза на возможное обледенение существуют определенные расчетная методика, которой пользуется технический персонал. В среднем для обработки одного большого лайнера может уйти до 3800 л раствора концентрата.
Примерно так обстоят дела на фронте борьбы со всеобщим обледенением . К сожалению, насколько бы ни были совершенны современные ПОС или системы наземной противообледенительной обработки, они имеют возможности, ограниченные определенными рамками, конструктивными, техническими.
Природа как всегда берет свое, и одних только технических ухищрений не всегда хватает для преодоления возникающих проблем с обледенением. Многое зависит от человека, как от летного, так и наземного персонала, от создателей авиационной техники и тех, кто вводит ее в повседневную эксплуатацию.
Безопасность полетов всегда на первом плане!
По материалам из сети интернет.
Комментариев нет:
Отправить комментарий