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:

- механический, 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.