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.
Библиографическая ссылка
Демидов А.И., Шишелова Т.И. ПРОБЛЕМА ОБЛЕДЕНЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ И ПРИМЕНЯЕМЫЕ МЕТОДЫ БОРЬБЫ С НЕЙ // Международный журнал экспериментального образования. – 2014. – № 8-2. – С. 88-89;URL: https://expeducation.ru/ru/article/view?id=5897 (дата обращения: 18.04.2024).