Коварный лед, Обледенение. Что, как и почему

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.

Рис23Самолет 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").

Это сообщение отредактировал Carbonit - 13.04.2014 - 18:45

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 называемоесамосбрасывание 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 льдапроисходит 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 некоторые используются в комплексе. Например, воздушно-тепловая с электротепловой или электроимпульсная с электротепловой.
Многие современные противообледенительные системы работают в комплексе сдатчиками (или сигнализаторами) обледенения. Они помогают контролировать метеорологические условия полета и вовремя обнаруживать начавшийся процессобледенения. Системы антиобледенения могут включаться как вручную, так и по сигналу от этих сигнализаторов.


Пример расположения датчиков обледенения. Самолет А320.

Пульт упраления ПОС на А320. Желтым обведен пульт для воздушно-тепловой системы. Меньший пульт включает электробогрев.

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.
Первые обнаруживают наличие в воздухе капель воды. Они, однако, 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 их 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.
Существует несколько принципов действия сигнализаторов обледенения. Но наиболее распространены два из них. Первый – радиоизотопный, основанный на ослаблении β-излучения радиоактивного изотопа (стронция – 90, иттрия- 90) слоем льда, образующемся на датчике. Этот сигнализатор реагирует как на начало, так и на конец обледенения, а также на его скорость.


Радиоизотопный датчик сигнализатора обледенения (типа РИО-3). Здесь 1 - профилированные окна; 2 - приемник излучения; 3 - ледяной слой; 4 - источник излучения.

Второй –вибрационный. В этом случае сигнализатор реагирует на изменение частоты собственных колебаний чувствительного элемента (мембраны) датчика, на котором оседает вновь образующийся лед. Тем самым регистрируется интенсивность обледенения.
В воздухозаборниках двигателей могут устанавливаться сигнализаторы обледенениятипа СО, которые работают по принципу дифференциального манометра. Датчик имеет Г-образную форму, торцом устанавливается против потока и параллельно ему. Внутри сигнализатора есть две камеры: динамического (5) и статического (9) давлений. Между камерами установлена чувствительная мембрана (7) с электроконтактами (6).

Датчик сигнализатора обледенения типа СО.

Когда двигатель не работает, давление в камере динамики равно статическому (через жиклер 3) и контакты замкнуты. Во время полета они разомкнуты (давление есть). Но стоит на входе (1) датчика появиться льду, который закупоривает вход, – динамическое давление опять падает и контакты замыкаются. Проходит сигнал обобледенении. Он поступает в блок управления противообледенительной системы двигателя, а также в кабину экипажа. Под номером 4 – обогреватель для исключения обледенения внутренних полостей сигнализатора.
Кроме того могут устанавливаться индикаторы обледенения визуального типа. Они обычно стоят в пределах видимости (возле лобового стекла), имеют подсветку и пилот имеет возможность визуально контролировать нарастание льда на них, тем самым получая нужную информацию об возможном обледенении.



Схема расположения противообледенительного оборудования на пассажирском самолете. Здесь 1 - стекла кабины экипажа; 2,3 - датчики углов атаки и давлений; 4 - передняя кромка крыла (предкрылков); 5 - носки воздухозаборников; 6 - носки хвостового оперения; 7,8 - осветительные фары; 9 - вход в двигатели; 10 - сигнализатор обледенения.

На некоторых типах самолетов устанавливают специальные фары для возможности визуального осмотра передних кромок крыла и оперения, а так же воздухозаборников двигателей в ночное время из кабины экипажа и пассажирского салона. Это повышает возможности визуального конироля
Датчики сигнализаторов обледенения, как уже было сказано, кроме определенного места на фюзеляже самолета обязательно устанавливаются на входе в воздухозаборник каждого двигателя. Причина этому понятна. Двигатель — жизненно важный агрегат и к контролю его состояния (в том числе и что касается обледенения) предъявляются особые требования.
К противообледенительным системам, обеспечивающим работу двигателей требования не менее жесткие. Эти системы работают практически в каждом

полете и общая продолжительность их работы в 3-5 раз превышает продолжительность работы общесамолетной системы.



Примерная схема воздушно-тепловой ПОС для ТРДД (вход).

Температурный диапазон их защитного действия шире (вплоть до – 45°С) и работают они по непрерывному принципу. Циклический вариант здесь не подходит. Типы используемых систем — воздушно-тепловые и электротепловые, а также их комбинации.
В борьбе с обледенением кроме бортовых систем используется так же и наземная обработка летательных аппаратов. Она достаточно эффективна, однако, эффективность эта , так сказать, недолговечна. Сама, собственно, обработка делится на два вида.
Первый – это удаление льда и снега уже образовавшегося во время стоянки (в английском de-icing). Осуществляется он различными способами, от простого механического, то есть удаление льда и снега вручную, специальными приспособлениями или сжатым воздухом, до обработки поверхностей специальными жидкостями.


Обработка самолета ATR-72-500.

Эти жидкости должны иметь температуру замерзания ниже текущей температуры воздуха как минимум на 10º. Они удаляют или «стаивают» имеющийся лед. Если во время обработки нет осадков и температура воздуха околонулевая и выше – можно обрабатывать поверности для удаления льда просто горячей водой.
Второй вид – это обработка поверхностей летательного аппарата с целью предотвращения образования льда и уменьшения его сцепления с обшивкой (в английском anti-icing). Такая обработка производится при наличии условий для возможного обледенения. Нанесение производится определенным способом специальными механическими устройствами- распылителями различного вида чаще всего на базе автотехники.

Противобледенительная обработка.

Специальная жидкость-реагент, применяемая для такого рода обработок изготавливается на основе воды и гликоля (пропиленгликоль или этиленгликоль) 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).
Обработка производится непосредственно перед взлетом. Жидкость образует на поверхности планера самолета специальную пленку, препятствующую примерзанию выпадающих осадков. После обработки у самолета есть запас времени для взлета (около получаса) и набора той высоты, условия полета на которой исключают возможность обледенения. При наборе определенной скорости защитная пленка сдувается набегающим потоком воздуха.


КС-135. Anti-Icing.

Оработка самолета Boeing-777 (anti-icing).

Anti-icing самолета Boeing-777.

Для различных погодных условий по стандартам SAE (SAE AMS 1428 & AMS 1424) существует четыре типа таких жидкостей. Тип І – жидкость достаточно малой вязкости (чаще всего без загустителя). Применяется в основном для операции de-icing. При этом может нагреваться до температуры 55°- 80°С. После использования легко стекает с поверхности вместе с остатками растворяемого льда. Для более легкого распознавания может быть окрашена в оранжевый цвет.
Тип ІІ. Это жидкость, иногда называемая «псевдопластиком». Она содержит полимерный загуститель и поэтому имеет достаточно большую вязкость. Это позволяет ей удерживаться на поверхности самолета до достижении им скорости, близкой к 200 км/ч, после чего сдувается набегающим потоком. Она имеет светло-желтую окраску и применяется для больших самолетов коммерческой авиации.
Тип ІV. Эта жидкость близка по параметрам к типу ІІ, но имеет большее время ожидания. То есть самолет обработанный таким реагентом имеет больший запас времени до взлета и в более тяжелых погодных условиях. Окраска жидкости – зеленая.



Спецжидкости для противообледенительной обработки. Тип IV и тип I.

Тип ІІІ. Это жидкость находится по своим параметрам между І и ІІ типами. Имеет меньшую вязкость, чем тип ІІ и смывается встречным потоком на скоростях больше 120 км/ч. Предназначена в основном для региональной и авиации общего назначения. Окраска чаще всего светло-желтая.
Таким образом для anti-icing применяются реагенты ІІ, ІІІ и ІV типов. Используются они при этом в соответствии с погодными условиями. Тип І может быть применен только в условиях легкого обледенения (типа инея, но без выпадения осадков).
Для применения (разбавления) 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 или еще какими-либо, объективными или не очень.
Природа как всегда берет свое, и одних только технических ухищрений не всегда хватает для преодоления возникающих проблем с обледенением летательных аппаратов. 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 крайней мере так должно быть . Если это будет одинаково понятно всем, кто так или иначе задействован в столь ответственной области человеческой деятельности, как авиация, то всех нас ждет большое и интересное будущее .

В завершении немного видео. Ролик о влиянии обледенения на ТУ-154 (хороший фильм, хоть и старый ), следующий об антиобледенительной обработке и далее работа ПОС в воздухе.

Прошу прощения, видео слишком большое, не вставляется: http://www.youtube.com/watch?v=HZYikJyd_O8

Одной страницы хватило чтоб понять - нахуй эту авиацию, только поездом

WestJet De-Icing

Icing Boots in Action

Ice Shedding

Только наличие возможности обледенения фонаря кабины на СУ-27 позволяло технику(это я) летательного аппарата чувствовать себя нужным)
Прости,думал закончилось(

Это сообщение отредактировал Монтажник - 13.04.2014 - 19:09