Условия обледенения

Атмосферные условия, которые могут привести к образованию льда на поверхности самолетов

Лед скопился и частично удален на крыле Beechcraft King Air.

В авиации обледенением называют атмосферные условия, которые могут привести к образованию водяного льда на самолете. Нарастание и накопление льда может повлиять на внешние поверхности самолета (в этом случае это называется обледенением фюзеляжа ^[1] ) или на двигатель , что приводит к обледенению карбюратора , воздухозаборника или, в более общем смысле, обледенению двигателя . ^[2] Эти явления могут, но не обязательно, происходить одновременно. Обледенение планера и двигателя привело к многочисленным катастрофам со смертельным исходом в истории авиации.

Не все самолеты, особенно самолеты авиации общего назначения , сертифицированы для полетов в условиях известного обледенения (FIKI), то есть полетов в районы с определенными или вероятными условиями обледенения на основании отчетов пилотов , наблюдений и прогнозов . ^[3] Чтобы получить сертификат FIKI, самолет должен быть оснащен подходящими системами защиты от обледенения для предотвращения происшествий из-за обледенения.

Определение

Условия обледенения возникают, когда в воздухе присутствуют капли переохлажденной жидкой воды. Они замерзают при контакте с потенциальным местом зародышеобразования, которым в данном случае являются части самолета, вызывающие 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 летать некоторые самолеты. Так называемые условия SLD, или переохлажденные большие капли, — это условия, которые превышают эту спецификацию и представляют особую опасность для самолетов, которую все самолеты должны стараться избегать.

Качественно отчеты пилотов указывают на условия обледенения с точки зрения их воздействия на самолет и будут зависеть от ранее существовавших возможностей самолета. В результате разные самолеты могут сообщать об одинаковых количественных условиях и о разных уровнях обледенения. Детекторы льда часто используются для индикации наличия обледенения.

Виды структурного льда

Переохлажденный лед из крупных капель (SLD) на исследовательском самолете НАСА Twin Otter

• Прозрачный лед часто бывает прозрачным и гладким. Капли переохлажденной воды или ледяной дождь ударяются о поверхность, но не замерзают мгновенно. Часто образуются «рога» или выступы, которые выступают в поток воздуха, что сглаживает его. Эту форму льда еще называют глазурью.
• Иней — грубый и непрозрачный лед, образованный переохлажденными каплями, быстро замерзающими при ударе. Формируясь в основном вдолькритической точки профиля , он обычно соответствует форме профиля.
• Смешанный лед представляет собой комбинацию прозрачного и инейного льда, обладающего обоими свойствами.
• Иней – это результат замерзания воды на незащищенных поверхностях, когда самолет стоит на месте, 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 преждевременному происшествию.
• Лед SLD относится к льду, образовавшемуся в условиях переохлажденных крупных капель (SLD). Он похож на чистый лед, но поскольку размер капель велик, они распространяются на незащищенные части самолета и образуют более крупные ледяные фигуры быстрее, чем в обычных условиях обледенения, от которого почти все самолеты недостаточно защищены. Это стало одной из причин крушения рейса 4184 компании American Eagle .

Эффект

Ледяные выступы на лопасти несущего винта, полученные в аэродинамической трубе Исследовательского центра Гленна НАСА.

Крыло обычно сваливается при меньшем угле атаки и, следовательно, при более высокой скорости полета, когда оно загрязнено льдом. Даже небольшое количество льда будет иметь эффект, а если лед неровный, то, тем не менее, эффект может быть большим. Таким образом, увеличение скорости захода на посадку целесообразно, если на крыльях остается лед. Степень увеличения зависит как от типа самолета, так и от количества льда. Характеристики сваливания самолета с обледенелыми крыльями будут ухудшаться, и серьезные проблемы с управлением по крену 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 заглохнуть первой, а не последней.

Предотвращение и удаление обледенения

Удаление обледенения Embraer Legacy 450 перед полетом.

Существует несколько методов снижения опасности обледенения с использованием систем защиты от льда . Первый и самый простой — полностью избегать обледенения, но для многих полетов это непрактично.

Если перед взлетом на самолете присутствует лед (или другие загрязнения), их необходимо удалить с критических поверхностей. Удаление может принимать различные формы:

• Механические средства, которые могут быть такими же простыми, как использование метлы или щетки для уборки снега.
• Применение противогололедной жидкости или даже горячей воды для удаления льда, снега и т. д.
• Использование инфракрасного нагрева для плавления и удаления загрязнений.
• Помещение самолета в отапливаемый ангар до таяния снега и льда.
• Размещение самолета по направлению к Солнцу для максимального нагрева поверхностей, покрытых снегом и льдом. На практике этот метод ограничивается небольшим загрязнением в зависимости от времени и погодных условий.

Все эти методы удаляют существующие загрязнения, но не обеспечивают практической защиты в условиях обледенения. Если перед взлетом существует или ожидается обледенение, используются противообледенительные жидкости. Они гуще антигололедных жидкостей и в течение некоторого времени противостоят воздействию снега и дождя. Они предназначены для того, чтобы срезать самолет во время взлета и не обеспечивают никакой защиты в полете.

Противообледенительный чехол на крыле самолета Dash 8 . Гребни возникают в результате накачивания ботинка воздухом для растрескивания и удаления скопившегося льда.

Для защиты самолета от обледенения в полете используются различные формы противообледенительной или противообледенительной защиты :

• Распространенный подход состоит в том, чтобы направить «отбираемый воздух» двигателя в воздуховоды вдоль передних кромок крыльев и хвостового оперения. Воздух нагревает переднюю кромку поверхности, и лед при контакте тает или испаряется. В самолетах с газотурбинными двигателями воздух отбирается из компрессорной части двигателя. Если самолет оснащен поршневым турбонаддувом, отбираемый воздух можно откачивать из турбокомпрессора.
• Некоторые самолеты оснащены пневматическими противообледенительными башмаками , которые рассеивают лед на поверхности. Эти системы требуют меньшего количества отбираемого воздуха из двигателя, но обычно менее эффективны, чем нагретая поверхность.
• Некоторые самолеты используют систему плакучего крыла , которая имеет сотни небольших отверстий на передней кромке и по требованию выпускает противообледенительную жидкость, чтобы предотвратить нарастание льда.
• Электрический обогрев также используется для защиты самолета и его компонентов (включая пропеллеры) от обледенения. Нагрев может применяться непрерывно (обычно на небольших, критических компонентах, таких как статические датчики Пито и лопатки угла атаки) или периодически, что дает эффект, аналогичный использованию противообледенительных башмаков .

Во всех этих случаях обычно защищаются только критически важные поверхности и компоненты самолета. В частности, обычно защищена только передняя кромка крыла.

Карбюраторное тепло применяется в карбюраторных двигателях 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.

Есть разница между антиобледенением и антиобледенением. Под обледенением подразумевается удаление льда с планера; Под защитой от обледенения понимается предотвращение скопления льда на планере.

Обледенение на беспилотных самолетах

Беспилотные летательные аппараты — это новая технология, имеющая широкий спектр коммерческих и военных применений. Обледенение в полете происходит во время полета в переохлажденных облаках или замерзающих осадках и представляет потенциальную опасность для всех самолетов. Обледенение БПЛА в полете накладывает серьезные ограничения на эксплуатационные возможности. ^[5]

Беспилотные летательные аппараты более чувствительны и подвержены обледенению по сравнению с пилотируемыми. ^[6] Основные различия между БПЛА и пилотируемыми самолетами, когда дело касается обледенения, заключаются в следующем:

• Размер и вес . Маленькие самолеты накапливают лед быстрее и на единицу площади приходится больше льда, чем большие самолеты. БПЛА обычно меньше пилотируемых самолетов и, следовательно, более чувствительны к обледенению. Кроме того, добавленная масса от обледенения может оказать быстрое негативное воздействие на БПЛА со строгими ограничениями по весу.
• Скорость полета . Высокие скорости полета приводят к нагреванию крыльев или винтов самолета, что может в некоторой степени противодействовать обледенению. БПЛА летают с более низкими скоростями, чем пилотируемые самолеты, и не получают такого же нагревательного эффекта. 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 более распространены, чем эффекты турбулентного потока. Поскольку ламинарный поток легче нарушить, чем турбулентный, негативные последствия обледенения более значительны.
• Тип : БПЛА с винтокрылыми крыльями обычно более чувствительны к обледенению, чем БПЛА с неподвижным крылом. ^[7]

Частями БПЛА, наиболее подверженными обледенению, являются датчик воздушной скорости, передняя кромка аэродинамических поверхностей, несущие винты и воздушные винты.

Обледенение БПЛА является глобальным явлением, и обледенение на рабочей высоте может возникать круглый год по всему миру. Однако риски обледенения особенно велики в субарктике, Арктике и Антарктике. Например, на большей части северных стран обледенение присутствует от 35% до более 80% времени с сентября по май. ^[7]

Аварии, связанные с обледенением

Рекомендации

1. Вадель, Мэри (3 августа 2017 г.). «Обледенение планера». Исследовательский центр НАСА имени Гленна . Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства . Проверено 8 июня 2019 г.
2. Вадель, Мэри (31 июля 2017 г.). «Обледенение двигателя». Исследовательский центр НАСА имени Гленна . Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства . Проверено 8 июня 2019 г.
3. Йодис, Джон С. (1 августа 2005 г.). «Закон об «известном обледенении»». Том. 48, нет. 8. Журнал «Пилот» АОПА. Архивировано из оригинала 1 января 2015 года . Проверено 25 апреля 2013 г. {{cite magazine}}: Журналу Cite требуется |magazine=( помощь )
4. «Федеральные авиационные правила, часть 25, приложение C» . Архивировано из оригинала 19 марта 2012 г. Проверено 20 сентября 2008 г.
5. Ханн, Ричард; Йохансен, Тор (2020). «Нерешенные темы обледенения беспилотных летательных аппаратов (отчет об исследовании EPR2020008) - SAE Mobilus». saemobilus.sae.org . дои : 10.4271/epr2020008. HDL : 11250/3113980 . S2CID  226200723 . Проверено 12 февраля 2021 г.
6. Ханн, Ричард (2020). Обрастание атмосферным льдом, штрафы за аэродинамическое обледенение и системы защиты от обледенения на беспилотных летательных аппаратах. НТНУ. ISBN 978-82-326-4749-1.
7. «Ограничения атмосферного обледенения БПЛА». Май 2021 года . Проверено 8 декабря 2021 г.

Внешние ссылки

СМИ, связанные с обледенением в авиации, на Викискладе?

Послушайте эту статью ( 7 минут )

Этот аудиофайл был создан на основе редакции этой статьи от 9 декабря 2017 года и не отражает последующие изменения. ( 09.12.2017 )

( Аудио помощь  · Больше устных статей )

• Обледенение самолетов - страница НАСА
• 14 CFR 25, Приложение C. Условия атмосферного обледенения для сертификации самолетов