В аэронавтике обледенение — это образование водяного льда на самолете . Обледенение приводило к многочисленным фатальным авариям в истории авиации. Нарастание и накопление льда может повлиять на внешние поверхности самолета — в этом случае это называется обледенением планера [1] — или двигателя , что приводит к обледенению карбюратора , обледенению воздухозаборника или, в более общем смысле, обледенению двигателя . [2] Эти явления могут, но не обязательно, происходить вместе.
Не все самолеты, особенно самолеты авиации общего назначения , сертифицированы для полетов в условиях известного обледенения (FIKI), то есть полетов в районах, где условия обледенения наверняка или вероятно существуют, на основании отчетов пилотов , наблюдений и прогнозов . [3] Для получения сертификата FIKI самолеты должны быть оснащены соответствующими системами защиты от обледенения , чтобы предотвратить несчастные случаи из-за обледенения.
Определение
Условия обледенения существуют, когда воздух содержит капли переохлажденной воды. Они замерзают при контакте с потенциальным местом зародышеобразования, которым в данном случае являются части самолета, вызывая обледенение. Условия обледенения количественно характеризуются средним размером капель, содержанием жидкой воды и температурой воздуха. Эти параметры влияют на степень, тип и скорость, характеризующие образование льда на самолете. Федеральные авиационные правила содержат определение условий обледенения [4] , в которых сертифицированы некоторые самолеты. Так называемые условия SLD, или условия переохлажденных крупных капель, — это те, которые превышают эту спецификацию и представляют особую опасность для самолета, которую все самолеты должны стараться избегать.
Качественно отчеты пилотов указывают на условия обледенения с точки зрения их влияния на самолет и будут зависеть от уже существующих возможностей самолета. Различные самолеты могут сообщать об одних и тех же количественных условиях, но в результате о разных уровнях обледенения. Детекторы льда часто используются для указания наличия условий обледенения.
Типы структурного льда
Переохлажденный лед с крупными каплями (SLD) на исследовательском самолете NASA Twin Otter
Чистый лед часто бывает чистым и гладким. Переохлажденные капли воды, или замерзающий дождь , ударяются о поверхность, но не замерзают мгновенно. Часто образуются «рога» или выступы, которые выступают в воздушный поток, что сглаживает его. Эту форму льда также называют глазурью.
Изморозь грубая и непрозрачная, образованная переохлажденными каплями, быстро замерзающими при ударе. Образуясь в основном вдоль точки торможения аэродинамического профиля ,она обычно соответствует форме аэродинамического профиля.
Смешанный лед представляет собой сочетание чистого и изморозного льда, обладающее обоими свойствами.
Ледяной налет — это результат замерзания воды на незащищенных поверхностях, когда самолет неподвижен, еще до начала полета. Это может быть опасно при попытке полета, поскольку нарушает поток воздуха в пограничном слое аэродинамического профиля, вызывая преждевременное аэродинамическое сваливание и, в некоторых случаях, резкое увеличение сопротивления, что делает взлет опасным или невозможным, что может привести к преждевременным авариям.
Лед SLD относится к льду, образующемуся в условиях переохлажденных крупных капель (SLD). Он похож на чистый лед, но из-за большого размера капель он распространяется на незащищенные части самолета и образует более крупные ледяные формы быстрее, чем в обычных условиях обледенения, от которых почти все самолеты недостаточно защищены. Это стало причиной крушения самолета American Eagle Flight 4184 .
Крыло обычно будет сваливаться при меньшем угле атаки, и, следовательно, при более высокой скорости полета, если загрязнено льдом. Даже небольшое количество льда будет иметь эффект, и если лед грубый, это может быть большим эффектом, тем не менее. Таким образом, увеличение скорости захода на посадку рекомендуется, если лед остается на крыльях. Насколько это увеличение зависит как от типа самолета, так и от количества льда. Характеристики сваливания самолета с загрязненными льдом крыльями будут ухудшены, и серьезные проблемы с управлением креном не являются чем-то необычным. Нарастание льда может быть асимметричным между двумя крыльями, что требует калибровки. Кроме того, внешняя часть крыла, которая обычно тоньше и, следовательно, лучше собирает лед, может сваливаться первой, а не последней.
Влияние на беспилотные летательные аппараты
Беспилотные летательные аппараты являются новой технологией с большим разнообразием коммерческих и военных приложений. Обледенение в полете происходит во время полета в переохлажденных облаках или замерзающих осадках и является потенциальной опасностью для всех самолетов. Обледенение в полете на БПЛА накладывает серьезные ограничения на эксплуатационный диапазон. [5]
Беспилотные летательные аппараты более чувствительны и восприимчивы к обледенению по сравнению с пилотируемыми самолетами. [6] Основные различия между БПЛА и пилотируемыми самолетами в отношении обледенения:
Размер и вес : Малые самолеты накапливают лед быстрее и больше льда на единицу площади по сравнению с большими самолетами. БПЛА, как правило, меньше пилотируемых самолетов и, следовательно, более чувствительны к обледенению. Кроме того, дополнительная масса от нарастания льда может иметь быстрые негативные последствия для БПЛА со строгими ограничениями по весу.
Скорость полета : Высокая скорость полета приводит к нагреву крыльев или винтов самолета, что может в некоторой степени противодействовать обледенению. БПЛА летают на более низких скоростях, чем пилотируемые самолеты, и не получат выгоды от того же эффекта нагрева. Поэтому обледенение на БПЛА может происходить в более широком диапазоне температур, чем на пилотируемых самолетах.
Ламинарный поток : число Рейнольдса для БПЛА примерно на порядок ниже, чем для пилотируемых самолетов. Это приводит к тому, что БПЛА работают в режимах потока, где эффекты ламинарного потока преобладают над эффектами турбулентного потока. Поскольку ламинарный поток легче нарушается, чем турбулентный поток, негативные эффекты обледенения сильнее.
Тип : беспилотные летательные аппараты с винтокрылым двигателем, как правило, более чувствительны к обледенению, чем беспилотные летательные аппараты с фиксированным крылом. [7]
Наиболее подверженными обледенению частями БПЛА являются датчик воздушной скорости, передняя кромка аэродинамических поверхностей, роторы и пропеллеры.
Обледенение беспилотных летательных аппаратов является глобальным явлением, и условия обледенения на рабочей высоте могут возникать круглый год по всему миру. Однако риски обледенения особенно велики в субарктических, арктических и антарктических регионах. Например, в значительной части стран Северной Европы условия обледенения присутствуют от 35% до более чем 80% времени с сентября по май. [7]
Предотвращение и устранение
Противообледенительная обработка самолета Embraer Legacy 450 перед полетом.
Существует несколько методов снижения опасности обледенения. Первый и самый простой — вообще избегать условий обледенения, но для многих полетов это непрактично.
Предполетная защита
Если на самолете до взлета есть лед (или другие загрязняющие вещества), их необходимо удалить с критических поверхностей. Удаление может осуществляться различными способами:
Механические средства, которые могут быть такими простыми, как использование метлы или щетки для уборки снега.
Использование инфракрасного нагрева для расплавления и удаления загрязнений
Помещение самолета в отапливаемый ангар до тех пор, пока не растает снег и лед.
Размещение самолета по направлению к Солнцу для максимального нагревания поверхностей, покрытых снегом и льдом. На практике этот метод ограничен тонким загрязнением, временем и погодными условиями.
Все эти методы удаляют существующие загрязнения, но не обеспечивают практической защиты в условиях обледенения. Если условия обледенения существуют или ожидаются перед взлетом, то используются антиобледенительные жидкости. Они гуще противообледенительных жидкостей и некоторое время выдерживают воздействие снега и дождя. Они предназначены для срезания с самолета во время взлета и не обеспечивают защиты в полете.
Системы защиты в полете
Противообледенительный башмак на крыле самолета Dash 8. Гребни появились в результате надувания башмака воздухом для раскалывания и удаления накопившегося льда.
Распространенный подход заключается в направлении «отбираемого воздуха» двигателя в воздуховоды вдоль передних кромок крыльев и хвостовых оперений. Воздух нагревает переднюю кромку поверхности, и это плавит или испаряет лед при контакте. На самолете с турбинным двигателем воздух извлекается из компрессорной секции двигателя. Если самолет оснащен поршневым турбонаддувом, отбираемый воздух может быть откачан из турбонагнетателя.
Некоторые самолеты оснащены пневматическими противообледенительными башмаками , которые рассеивают наросты льда на поверхности. Эти системы требуют меньшего количества воздуха, отбираемого от двигателя, но обычно менее эффективны, чем нагретая поверхность.
В некоторых самолетах используется система «плачущего» крыла , которая имеет сотни небольших отверстий на передних кромках и по мере необходимости выпускает противообледенительную жидкость для предотвращения образования льда.
Электрический подогрев также используется для защиты самолетов и их компонентов (включая винты) от обледенения. Подогрев может применяться непрерывно (обычно на небольших, критических компонентах, таких как датчики статического давления и лопасти угла атаки) или периодически, давая эффект, аналогичный использованию противообледенительных ботинок .
Во всех этих случаях обычно защищаются только критические поверхности и компоненты самолета. В частности, обычно защищается только передняя кромка крыла.
Подогрев карбюратора применяется к карбюраторным двигателям для предотвращения и устранения обледенения. Двигатели с впрыском топлива не подвержены обледенению карбюратора, но могут страдать от засорения впускных отверстий. В этих двигателях часто доступен альтернативный источник воздуха.
Существует разница между противообледенительной обработкой и защитой от обледенения. Противообледенительная обработка означает удаление льда с планера самолета; защита от обледенения означает предотвращение накопления льда на планере самолета.
^ Йодис, Джон С. (1 августа 2005 г.). «Закон об «известном обледенении»». Журнал AOPA Pilot Magazine . Том 48, № 8. Архивировано из оригинала 1 января 2015 г. Получено 25 апреля 2013 г.
^ "Федеральные авиационные правила, часть 25, приложение C". Архивировано из оригинала 2012-03-19 . Получено 2008-09-20 .
^ Ханн, Ричард (2020). Атмосферные обледенения, аэродинамические штрафы за обледенение и системы защиты от обледенения на беспилотных летательных аппаратах. NTNU. ISBN978-82-326-4749-1.
^ ab "Ограничения по атмосферному обледенению БПЛА". Май 2021 г. Получено 08.12.2021 г.
Внешние ссылки
Медиа, связанные с обледенением в авиации на Wikimedia Commons
Послушайте эту статью ( 7 минут )
Этот аудиофайл был создан на основе редакции этой статьи от 9 декабря 2017 года и не отражает последующие правки. ( 2017-12-09 )
Обучение НАСА по обледенению самолетов
14 CFR 25 Приложение C – Условия атмосферного обледенения для сертификации воздушных судов
.jpg/1280px-Some_Ice_on_the_boots_(1527659244).jpg)
Медиа, связанные с обледенением в авиации на Wikimedia Commons