В аэронавтике системы защиты от обледенения предотвращают накопление атмосферной влаги на поверхностях самолета , таких как крылья, пропеллеры , лопасти ротора , воздухозаборники двигателей и воздухозаборники системы контроля окружающей среды . [1] Нарастание льда может изменить форму аэродинамических поверхностей и поверхностей управления полетом , ухудшая характеристики управления и управляемости, а также производительность. Система защиты от обледенения, удаления льда или защиты от обледенения либо предотвращает образование льда , либо позволяет самолету сбросить лед до того, как он станет опасным.
Обледенение самолета увеличивает вес и сопротивление, уменьшает подъемную силу и может уменьшить тягу. Лед снижает мощность двигателя, блокируя воздухозаборники. Когда лед нарастает путем замерзания при ударе или замерзания при стекании, он изменяет аэродинамику поверхности, изменяя форму и гладкость поверхности, что увеличивает сопротивление и уменьшает подъемную силу крыла или тягу винта. Как уменьшение подъемной силы на крыле из-за измененной формы аэродинамического профиля, так и увеличение веса из-за ледяной нагрузки обычно приводят к необходимости лететь под большим углом атаки , чтобы компенсировать потерю подъемной силы для поддержания высоты. Это увеличивает расход топлива и еще больше снижает скорость, делая сваливание более вероятным, в результате чего самолет теряет высоту.
Лед скапливается на лопастях вертолетных винтов и воздушных винтах, вызывая весовой и аэродинамический дисбаланс, который усиливается из-за их вращения.
Системы против обледенения, установленные на реактивных двигателях или турбовинтовых самолетах, помогают предотвратить проблемы с потоком воздуха и предотвратить риск серьезного внутреннего повреждения двигателя из-за заглатывания льда. Эти проблемы наиболее остро стоят в случае турбовинтовых самолетов, которые чаще имеют резкие повороты впускного тракта, где лед имеет тенденцию скапливаться. [2]
Пневматический ботинок обычно изготавливается из слоев резины или других эластомеров с одной или несколькими воздушными камерами между слоями. Если используется несколько камер, они обычно имеют форму полос, выровненных по длинному направлению ботинка. Обычно он размещается на передней кромке крыльев и стабилизаторов самолета. Камеры быстро надуваются и сдуваются либо одновременно, либо по схеме только определенных камер. Быстрое изменение формы ботинка предназначено для того, чтобы разрушить силу сцепления между льдом и резиной и позволить льду уноситься воздухом, проходящим мимо крыла. Однако лед должен чисто отпадать с задних участков поверхности, иначе он может снова замерзнуть за защищенной зоной. Повторное замерзание льда таким образом стало фактором, способствовавшим крушению самолета American Eagle Flight 4184 .
Считалось, что старые пневматические ботинки подвержены образованию ледяных мостиков. Слякоть можно было вытолкнуть из зоны досягаемости надувных секций ботинка до затвердевания. Эту проблему удалось решить, ускорив цикл накачивания/спускания воздуха и чередуя время работы соседних ячеек. [4] Тестирование и тематические исследования, проведенные в 1990-х годах, показали, что образование ледяных мостиков не является серьезной проблемой для современных конструкций ботинок. [5]
Пневматические башмаки подходят для самолетов с низкой и средней скоростью, без подъемных устройств передней кромки, таких как предкрылки , поэтому эта система чаще всего встречается на небольших турбовинтовых самолетах, таких как Saab 340 и Embraer EMB 120 Brasilia . Пневматические противообледенительные башмаки иногда встречаются на других типах самолетов, особенно старых. Они редко используются на современных реактивных самолетах. Она была изобретена BF Goodrich в 1923 году.
Иногда называемые «плачущим крылом», [6] работающей мокрой или испарительной системой, эти системы используют противообледенительную жидкость — обычно на основе этиленгликоля или изопропилового спирта , чтобы предотвратить образование льда и разбить накопившийся лед на критических поверхностях самолета. [7] Один или два электроприводных насоса отправляют жидкость в дозирующие устройства, которые разделяют поток между защищаемыми областями. Второй насос используется для резервирования, особенно для самолетов, сертифицированных для полетов в известных условиях обледенения , с дополнительными механическими насосами для лобового стекла. Жидкость нагнетается через отверстия в панелях на передних кромках крыльев, горизонтальных стабилизаторах, обтекателях, стойках, входных отверстиях двигателей и через маслоотражательное кольцо на пропеллере и распылителе лобового стекла. В этих панелях просверлены отверстия диаметром 1 ⁄ 400 дюйма (0,064 мм) с 800 отверстиями на квадратный дюйм (120/см 2 ). Система является самоочищающейся, и жидкость помогает очистить самолет, прежде чем его сдует потоком воздуха. [8] [9] Система была первоначально использована во время Второй мировой войны британцами , будучи разработанной Tecalemit-Kilfrost-Sheepbridge Stokes (TKS) . [9]
Преимуществами жидкостных систем являются механическая простота и минимальное нарушение воздушного потока из-за крошечных отверстий; это сделало системы популярными в старых бизнес-джетах . Недостатками являются более высокие требования к техническому обслуживанию, чем у пневматических ботинок, вес потенциально ненужной жидкости на борту самолета, ограниченный запас жидкости, когда она необходима, и непредсказуемая необходимость доливать жидкость, что усложняет остановки в пути. [10]
Системы отбора воздуха используются большинством крупных самолетов с реактивными двигателями или турбовинтовыми. Горячий воздух «отводится» из одной или нескольких секций компрессора двигателя в трубки, проложенные через крылья, хвостовые поверхности и воздухозаборники двигателя. Отработанный воздух выпускается через отверстия в нижней части крыльев.
Недостатком этих систем является то, что подача достаточного количества отбираемого воздуха может отрицательно повлиять на производительность двигателя. Более высокие, чем обычно, настройки мощности часто требуются во время крейсерского полета или снижения, особенно при одном или нескольких неработающих двигателях. Что еще более важно, использование отбираемого воздуха влияет на пределы температуры двигателя и часто требует пониженных настроек мощности во время набора высоты, что может привести к существенной потере производительности набора высоты с особенно критическими последствиями в случае отказа двигателя. Последнее беспокойство привело к тому, что системы отбираемого воздуха стали редкостью в небольших турбинных самолетах, хотя они были успешно реализованы на некоторых небольших самолетах, таких как Cessna CitationJet . [11] [12]
Электротермические системы используют нагревательные спирали (подобно элементу печи с низкой выходной мощностью), зарытые в конструкцию планера, для генерации тепла при подаче тока. Тепло может генерироваться непрерывно или периодически. [13]
Boeing 787 Dreamliner использует электротермическую защиту от обледенения. В этом случае нагревательные спирали встроены в композитную конструкцию крыла. Boeing утверждает, что система использует половину энергии систем отбора воздуха от двигателя и снижает сопротивление и шум. [14]
Нагревательные спирали из травленой фольги могут быть прикреплены к внутренней части металлических обшивок самолета для снижения энергопотребления по сравнению со встроенными схемами, поскольку они работают при более высокой плотности мощности. [15] Для авиации общего назначения ThermaWing использует гибкую, электропроводящую графитовую фольгу, прикрепленную к передней кромке крыла. Электрические нагреватели нагревают фольгу, которая плавит лед.
Маленькие провода или другие проводящие материалы могут быть встроены в лобовое стекло для его нагрева. Пилоты могут включить электрический нагреватель, чтобы обеспечить достаточное количество тепла для предотвращения образования льда на лобовом стекле. Однако электрические нагреватели лобового стекла можно использовать только в полете, так как они могут перегреть лобовое стекло. Они также могут вызывать ошибки отклонения компаса до 40°. [16]
В одном из предложений использовались углеродные нанотрубки, сформированные в тонкие нити, которые скручивались в пленку толщиной 10 микрон. Пленка является плохим проводником электричества из-за зазоров между нанотрубками. Вместо этого ток вызывает быстрое повышение температуры, нагреваясь в два раза быстрее, чем нихром , нагревательный элемент , выбранный для борьбы с обледенением в полете, при этом потребляя половину энергии при одной десятитысячной веса. Достаточный материал для покрытия крыльев 747 весит 80 г (2,8 унции) и стоит примерно 1% нихрома. Также были предложены нагреватели на основе аэрогеля , которые можно было бы оставлять включенными непрерывно на низкой мощности. [17]
Электромеханические системы удаления льда (EMEDS) используют ударную силу, инициируемую приводами внутри конструкции, которые вызывают ударную волну на очищаемой поверхности. [18] [19] Также были разработаны гибридные системы, которые объединяют EMEDS с нагревательными элементами, где нагреватель предотвращает накопление льда на передней кромке аэродинамического профиля, а система EMED удаляет накопления позади нагретой части аэродинамического профиля. [20]
Пассивные системы используют льдофобные поверхности. Ледофобность аналогична гидрофобности и описывает свойство материала, устойчивое к обледенению. Термин не имеет четкого определения, но обычно включает три свойства: низкую адгезию между льдом и поверхностью, предотвращение образования льда и отталкивающий эффект на переохлажденные капли. [21] Ледофобность требует особых свойств материала, но не идентична гидрофобности . [22]
Чтобы минимизировать аккрецию, исследователи ищут ледофобные материалы. Кандидаты включают углеродные нанотрубки и скользкие пористые поверхности, наполненные жидкостью (SLIPS), которые отталкивают воду, когда она превращается в лед. [23]