Материал: 4 - УМК ЛЭВС

Как видно из таблицы, кинетический нагрев в облаках примерно на 40 % меньше, чем в сухом воздухе. Кинетический нагрев различных участков крыла не одинаков по мере перемещения к боковой и задней частям крыла ВС. Могут возникнуть такие условия, что из-за неравномерного кинетического нагрева возникнет неравномерное отложение льда на поверхности ВС, что может нарушить условия обтекания крыла воздушным потоком и привести к ухудшению аэродинамических качеств, потере устойчивости и управляемости самолета или вертолета.

Процесс сублимации имеет место, когда упругость водяного пара превышает упругость насыщенного водяного пара надо льдом. Это наблюдается при соприкосновении водяного пара с более холодными, чем воздух, частями ВС. Например, при быстром снижении ВС из более холодных верхних слоев атмосферы в более теплые нижние слои или при входе в слой инверсии на поверхности ВС образуются ледяные кристаллы, которые через некоторое время (когда температура ВС сравняется с температурой окружающего воздуха) исчезают. Обычно это тонкий налет, не создающий угрозы полету, но на некоторое время он может покрыть остекление кабины ВС и тем самым ухудшить визуальный контакт с ВПП при посадке. Процесс сублимации наблюдается также при стоянке ВС на земле. При кратковременной стоянке ВС холодное топливо в баках (с отрицательной температурой) может привести к обледенению верхней поверхности крыла над топливными баками в условиях более теплого влажного воздуха. В этом случае на поверхности крыла отлагается гладкий, прозрачный лед, который при взлете срывается и кусками попадает в воздухозаборники двигателей, расположенных в хвостовой части ВС. Такое обледенение называется «топливным» обледенением.

При обледенении самолетов и вертолетов применяют следующую классификацию снежно-ледяных отложений на поверхности ВС (рис. 4.7).

Рис. 4.7. Классификация снежно-ледяных отложений на поверхности ВС

Прозрачный лед– отложения льда компактного стекловидного строения. Прозрачный лед образуется, как правило, при полете в кучевых облаках, содержащих преимущественно крупные капли, или в зоне переохлажденного дождя при температуре от 0 до –10 ºС и ниже. Столкновение крупных переохлажденных капель с ВС приводит к их растеканию и распространению потоком воздуха перед замерзанием по поверхности ВС. В результате образуется гладкий ледяной покров. В начале процесса отложения или при небольшом отложении льда его поверхность ровная и почти не искажает профиля несущих поверхностей ВС. Но при значительном нарастании лед становится бугристым, что делает этот вид отложения, обладающего наибольшей плотностью, очень опасным из-за изменения аэродинамических характеристик ВС и веса отложения.

Матовый (полупрозрачный) смешанный лед образуется при полете в смешанных облаках, состоящих из большого количества мелких и крупных переохлажденных капель воды в сочетании с ледяными кристаллами и снежинками, при температуре от –6 до –10 оС. Крупные капли растекаются перед замерзанием, мелкие же замерзают, не успевая растечься, снежинки и кристаллы прилипают к замерзающей водяной пленке и вмерзают в нее. В результате образуется ледяное отложение матового цвета с неровной шероховатой поверхностью, растущее в направлении потока. Плотность матового льда лишь немногим меньше плотности прозрачного льда, а форма его отложения значительно ухудшает аэродинамические характеристики крыльев ВС, поэтому матовый лед является наиболее тяжелым и опасным видом обледенения ВС.

Белый (крупообразный) лед образуется при полете в чисто водяных облаках, состоящих, главным образом, из сравнительно однородных мелких капель, наиболее часто при температуре ниже –10 оС. Капли быстро замерзают при ударе о поверхность ВС, сохраняя свою сферическую форму. Этот вид льда отличается пористостью, небольшими плотностью и весом. Наличие воздуха между смерзшимися каплями придает ему белый цвет. Он слабее пристает к поверхности ВС и при вибрации в полете обычно легко отделяется и слетает. Однако при продолжительном полете в облаках (более 1 ч) скапливающийся белый лед под влиянием механических ударов воздуха уплотняется, и отложение этого льда может увеличиться до опасных размеров, причем основную опасность представляет изменение аэродинамических характеристик ВС.

Из всех перечисленных видов отложений льда наиболее часто встречается матовый лед, поскольку в переохлажденных облаках обычно существуют капли различных размеров. Лишь внутримассовые слоистые облака и туман состоят из сравнительно однородных мелких капель, замерзание которых дает белый (крупообразный) лед.

Изморозь – более крупнозернистое кристаллическое отложение льда при полете в облаках, происходящем при температуре воздуха, равной –10 оС. Изморозь возникает при замерзании мелких капель с активным участием ледяных кристаллов. Отложение изморози обычно очень неровное, шероховатое, непрочно примыкает к поверхности ВС, при вибрации в полете относительно легко скалывается и сдувается воздушным потоком. Но при продолжительном полете в облаках изморозь может достигать большой толщины, имеет очень неровную форму с рваными выступающими краями, отдельными иглами и столбиками. Такое отложение изморози является опасным для полета.

Иней представляет собой легкий мелкокристаллический ледяной налет, возникающий вследствие сублимации водяного пара. Это образование никогда не достигает опасных размеров и легко стряхивается с поверхности ВС под воздействием воздушного потока и вибрации ВС. Опасность представляет лишь отложение инея на стекле кабины пилота, затрудняющий визуальный обзор и управление ВС при заходе на посадку. Образование инея прекращается, как только ВС принимает температуру окружающего воздуха, после чего быстро исчезает.

Обледенение на поверхности ВС может принимать различные формы в зависимости от вида льда и скорости полета (рис. 4.8).

Об опасности обледенения свидетельствуют данные статистики и летных испытаний. Так, например, образование льда на передних кромках плоскостей толщиной 13 мм может привести к снижению скорости полета на 56 км/ч и увеличению скорости сваливания на 28 км/ч. Для вертолетов основную угрозу безопасности полета при обледенении представляет значительный рост потребной мощности и резкое ухудшение авторотационных свойств несущего винта. При этом весьма опасно неодновременное удаление льда с лопастей, в результате чего вызывается тряска из-за неуравновешенности несущего винта.

Обледенение воздухозаборников реактивных двигателей вследствие особенностей аэродинамики их обтекания и местных понижений давления и температур может начаться раньше, чем других элементов, и протекать интенсивнее. Соответственно, помимо изменения массовых характеристик, это влечет за собой ухудшение показателей работы двигателей, а возможность попадания осколков льда в компрессор грозит его повреждением.

Обледенение приемника воздушного давления и входных каналов статического давления может оказаться крайне опасным для выполнения полета по приборам, поскольку вносит большие неточности в показания указателя скорости и высотомера. Это может касаться и других барометрических приборов, например, вариометра, указателя поворота и скольжения (в зависимости от конструкции системы статического давления).

Обледенение стекол кабины приводит к резкому ухудшению обзора внешнего пространства. Одним из основных условий обеспечения безопасности полетов в условиях обледенения является своевременное включение противообледенительной системы.

В основе действия противообледенительных систем, применяемых на воздушных судах, лежит нагрев, механические принципы и противообледенительные жидкости.

Так, для предупреждения обледенения на входе в двигатель и на лобовой поверхности крыла ВС создается водонепроницаемый электронагревательный слой, через который по команде от сигнализатора обледенения при температуре воздуха, близкой к 0 °С, пропускается электрический ток. Обычно ПОС состоит из двух слоев изоляции, между которыми расположен нагревательный элемент, и водонепроницаемого слоя, на внешней поверхности которого в предохранительной оболочке установлен датчик, сигнализирующий о наличии обледенения.

Противообледенительные системы, использующие специальные жидкости, могут применяться на самолетах и вертолетах. Жидкость подается на те места конструкции, которые наиболее подвержены обледенению и наиболее важны с точки зрения надежности полета.

Чтобы избежать опасности обледенения,

рекомендуется руководствоваться следующими положениями:

1. При отрицательных температурах у поверхности земли ВС может подвергнуться наземному обледенению еще во время стоянки.

ICAO для предотвращения наземного обледенения рекомендована концепция «чистого ВС»: при проведении эксплуатационных наземных операций в условиях, способствующих наземному обледенению ВС, нельзя предпринимать попытку взлета, если на крыльях, воздушных винтах, поверхностях управления, воздухозаборниках двигателей или других критических поверхностях присутствует или налип лед, снег, слякоть или ледяной налет.

Наземное обледенение возможно в морозную погоду при большой влажности воздуха, гололеде, а также при наступившем резком похолодании после выпадения мокрого снега. Такое обледенение резко ухудшает условия пилотирования ВС на взлете и может ускорить отложение нового льда при входе ВС в облачность. Поэтому при подготовке ВС к полету нужно обязательно очистить его поверхность от льда, снега, изморози или инея.

2. При ознакомлении с метеорологической обстановкой необходимо, прежде всего, определить зоны наиболее вероятного обледенения, которые расположены на высотах изотерм 0 и –10 ºС. Одновременно с этим нужно выяснить, как распределяется облачность по горизонтали и вертикали и каковы ее микроструктурные особенности. Если облака (фронтальные и внутримассовые) не распространяются выше изотермы –10 °С, то в них возможно интенсивное обледенение. В таком случае нужно скорее пробивать облака и лететь над ними. Если внутримассовые или фронтальные облака имеют характер кучево-дождевых, то интенсивное обледенение в них возможно на больших высотах при температуре до –35–40 °С. В случае гололеда при температуре у поверхности земли, равной от –1 до –3 °С, опасная зона обледенения обычно распространяется по высоте не более 800–1000 м.

3. При начавшемся обледенении нужно убедиться, насколько оно опасно, для чего следует пролететь 5–10 мин. Если при этом встретилось умеренное или сильное обледенение, но однородное по своей интенсивности, то это указывает на однородность строения слоистой или слоисто-кучевой облачности, которая связана со слоем инверсии. В этом случае наиболее правильным решением будет пробивание облачности вверх.

4. Если интенсивность обледенения резко изменяется от слабой до сильной, то район полета занят неоднородной кучево-дождевой облачностью. Обычно в таких случаях наблюдается и резко выраженная болтанка. В этих случаях целесообразнее продолжать полет, не меняя эшелона, и периодически использовать противообледенительные устройства для сбрасывания льда. Пробивание облака вверх возможно лишь при известной высоте верхней границы облачности. Можно считать, что в холодное полугодие в тылу циклона она должна составлять не менее 3,5–4 км.

5. Старые размытые фронты, так же как фронтальные разделы в антициклонических областях и седловинах, зимой очень часто являются причиной сильного обледенения в нижних слоях. Ширина опасной зоны составляет при этом 50–100 км, а ее верхняя граница находится чаще всего на высоте, не превышающей 1000 м.

6. Наиболее опасными по возможности обледенения являются обостренные, медленно движущиеся фронты. Особое внимание следует обращать на те фронты, которые наряду со слоисто-дождевой и высокослоистой облачностью вызывают также образование замаскированных кучево-дождевых облаков, в которых может произойти внезапное сильное обледенение.

7. Такие явления, как изморозь у земной поверхности, выпадение крупы большего или меньшего размера, являются признаками возможности обледенения в облаках.

8. В горных местностях опасность обледенения возрастает с наветренной стороны хребта и становится менее вероятной с подветренной стороны.

9. При полете в зоне обледенения на ВС, имеющем большой диапазон скоростей, нужно учитывать соотношение между температурой воздуха в зоне обледенения и скоростью полета. В нижних слоях атмосферы, где такие зоны встречаются обычно при температурах не ниже –10 °С, увеличение скорости до 600–700 км/ч в большинстве случаев обеспечивает освобождение от обледенения. Однако в верхних слоях тропосферы, где при попадании в кучево-дождевые облака можно встретить обледенение при гораздо более низких температурах, увеличение скорости полета может привести к усилению обледенения. При этом нужно учитывать, что обледенение турбореактивных ВС на больших высотах может произойти не только при наличии переохлажденных капель, но и вследствие высокой концентрации снежинок или ледяных кристаллов. Освобождаться от обледенения в подобных случаях следует либо путем выхода из облаков вверх, если известна высота их верхней границы, либо отклонением в сторону.

10. При полетах на турбореактивных ВС в холодное время года во время снижения ВС и захода на посадку сравнительно небольшая скорость полета, не обеспечивая достаточного кинетического нагрева, может привести к внезапному интенсивному обледенению при пробивании переохлажденных облаков, расположенных в нижнем двух-трехкилометровом слое тропосферы.

4.4. Грозовая деятельность Причины появления токов зарядки и разрядки воздушного судна в полете

При полете ВС в облаках и осадках нередко возникает свечение концов крыльев, выступающих антенн и других заостренных элементов конструкции, на остеклении пилотской кабины возникают длинные электрические искры, нередко следующие друг за другом с регулярностью метронома, возникают шумы в каналах радиосвязи и нарушается нормальная работа радионавигационных устройств, а самолет, летящий в условиях, когда возникновение грозы кажется невозможным, поражается молнией. Вертолет, производящий посадку во время осадков, метели или пыльной бури, оказывается электрически заряженным, и коснувшийся его сотрудник аэродромного обслуживания испытывает удар от электрического разряда. Отмечались случаи воспламенения горючего при заправке. Аналогичные явления возникают и как следствие работы двигательных установок самолета или вертолета.

Все перечисленные эффекты возникают вследствие электрического заряжения – статической электризации ВС, которое, в свою очередь, по достижении определенного предела вызывает появление электрических разрядов с самолета, так называемые токи короны. С ростом электрического заряда ВС может стать невозможной работа средств связи, радионавигационных приборов и т. д. Если в облаке, где летит ВС, возникли большие электрические поля, то возможно поражение ВС атмосферным электрическим искровым разрядом – молнией.

Воздействие статической электризации на авиацию впервые проявилось во время Второй мировой войны. Возник даже новый термин «электростатическая опасность» («статическая опасность» по зарубежной терминологии, поскольку электростатические помехи за рубежом нередко именуют статиками).

Электрический заряд, приобретаемый ВС при полете в облаках и осадках, зависит как от свойств среды, в которой летит ВС (размеры и число частиц облаков и осадков, их фазовое состояние и форма, электрические заряды на них, значение напряженности электрического поля атмосферы), так и от характеристик ВС (его конструкции, в частности, материала покрытия, типа двигателей, параметров статических стекателей) и режима полета (мощности двигателей, высоты, скорости). Характерные значения зарядных токов, создаваемых осадками, на ряде ВС представлены в табл. 4.4.

Электрический заряд, приобретенный ВС, зависит от токов, заряжающих и разряжающих ВС. Компоненты этих токов могут зависеть уже от отдельных из перечисленных факторов или их совокупности.

Токи зарядки ВС связаны в основном с взаимодействием частиц облаков и осадков с поверхностью обшивки ВС, а также с взаимодействием частиц несгоревшего топлива с материалом выхлопной системы ВС. Обычно при нормальной работе двигателя (хорошее сгорание топлива) током, создаваемым частицами топлива, можно пренебречь в отличие от токов, создаваемых частицами облаков при полете в достаточно плотных облаках.

Плотность заряда, как уже отмечалось, резко повышается на концах крыльев, стабилизатора, киля. Достаточно велика она и в носовой части фюзеляжа. При полете в облаках и осадках за счет разрыва контактов капель и кристаллов с поверхностью ВС, во время которых создается эффект его заряжения, одновременно происходит и процесс уноса части заряда ВС частицами, отрывающимися от его поверхности (так называемый коллекторный эффект). Величина заряда, уносимого отрывающейся частицей, пропорциональна площади ее поверхности и плотности заряда в точке отрыва частицы. Там, где плотность заряда мала (например, на участках крыльев, близких к фюзеляжу), коллекторный эффект будет пренебрежимо мал, а в зонах, близких к законцовкам крыльев и оперения, может создаться достаточно заметный коллекторный ток разрядки ВС. Разрядка ВС создается проводимостью атмосферы, проводимостью струи горячих газов выхлопа, срывом частиц облаков с электрически заряженного ВС, током коронного разряда, текущим через разрядники, и током коронного разряда, текущим через выступающие заостренные части ВС (стойки антенн, кромки крыльев, антенны и т. д.).

Схема токов зарядки и разрядки для ВС А-320 изображена на рис. 4.9.

Ток проводимости атмосферы и ток через струи горячих газов выхлопа двигателей, как правило, малы по сравнению с остальными токами, и их действием можно пренебречь.

Все токи, как заряжающие, так и разряжающие ВС, возрастают с увеличением скорости полета. Так, токи разрядки через разрядники и за счет проводимости атмосферы пропорциональны скорости полета. Токи разрядки, обусловленные срывом частиц (коллекторный эффект), пропорциональны квадрату скорости, поскольку частицы разрушаются при ударе о поверхность ВС. В то же время токи заряжения ВС возрастают пропорционально примерно третьей степени скорости ВС, поэтому скоростные ВС, (Ту-154, Ил-86, А-320) заряжаются заметно интенсивнее ВС, обладающих малой скоростью (Ан-24). На крейсерских режимах полета заряжение оказывается значительно сильнее, чем на минимально допустимых скоростях полета. Если в эпоху поршневой авиации самолеты заряжались в наиболее сложных метеорологических условиях полета до потенциала в 300–400 кВ, а токи статической электризации, их заряжающие, не превышали сотен микроампер, т. е. мощность электростатического генератора помех, возникающего на ВС, не превышала нескольких десятков ватт, то к концу 1960-х годов эти параметры уже оценивались соответственно в 2 млн В, 10 мА и 20 кВт. По современным оценкам можно ожидать, что в экстремальных случаях эти значения могут превышать 10 млн В, 100 мА и 103 кВт. Для снижения уровня электростатической опасности в конце 1940–начале 1950-х годов была разработана и впоследствии совершенствовалась система электростатической защиты ВС – статические разрядники, устройства для заземления ВС на стоянках, генераторы снижения разности потенциалов на поверхности ВС (системы противомолниевой защиты) и т. д.

Современные тенденции развития авиации – появление широкофюзеляжных самолетов, расширение использования композитных материалов, стремление к автоматизации, ведущее, в свою очередь, к необходимости максимального использования микроэлектроники, – при отмеченных высоких энергиях электризации требуют дальнейшего снижения уровня электростатической опасности. Трудность решения проблемы статической электризации состоит в том, что статическая электризация возникает только при взаимодействии летательного аппарата со средой и проявляется в особенностях воздействия заряженного аппарата на системы радиообеспечения и автоматизации.

Зависимость электризации от материала покрытия поверхности воздушного судна

Материал внешнего покрытия, нанесенного на ВС в зоне контакта атмосферных аэрозолей с его поверхностью, существенным образом определяет эффект заряжения ВС. Как показали эксперименты, наименьшие эффекты заряжения наблюдаются на чисто металлических поверхностях. Нанесение диэлектрического покрытия на поверхность тела обычно резко увеличивает его электризацию. В табл. 4.5 приведены экспериментальные данные, полученные в аэрозольной аэродинамической трубе при измерении токов заряжения, текущих на крыло ВС Ан-24, помещенное в поток водяных капель с размерами, близкими к облачным. На крыло наносились различные покрытия из применявшихся в самолетостроении эмалей.

Заряжение одних и тех же материалов в потоках водяных и ледяных частиц может приводить не только к значительным разбросам в величине заряжения, но и к изменению знака заряжения. Отмечалось, например, что в потоке ледяных кристаллов покрытия этилцеллюлозой и нитроцеллюлозой вызывали заряжение с противоположными знаками, а заряжение ВС в кристаллических облаках, как правило, заметно превышало их заряжение в чисто водяных облаках.

При полетах в облаках отмечались случаи, когда пробные тела, заряжавшиеся в теплых облаках положительно, в облаках с твердой фазой заряжались отрицательно. Эти эффекты в рамках приведенной теории объясняются тем, что контактная разность потенциалов вода – материал пробного тела и лед – пробное тело имела различные знаки.

Необходимо подчеркнуть, что эффект заряжения практически полностью определяется свойствами наружной поверхности тела, с которой контактируют частицы набегающего аэрозольного потока, и практически не зависит от свойств подложки, расположенной под слоем наружного покрытия.