Лекция №10 - Обледенение и элетризация
реклама
Обледенение и электризация самолетов Лектор: Меликов Б.М. Обледенение воздушных судов. Факторы, определяющие интенсивность обледенения. Обледенение—это отложение льда в полете на различных частях ВС. Необходимыми условиями обледенения являются: наличие в воздухе на высоте полета переохлажденных капель воды; отрицательная температура поверхности ВС. Обледенение наблюдается при температурах +2°С...-50°С, наибольшая вероятность (98%) - в зоне температур 0°С... -20°С. Причинами обледенения являются: замерзание переохлажденных капель воды, сталкивающихся с поверхностью ВС при полете в облаках, осадках, тумане. Это основная причина обледенения; сублимация водяного пара на поверхности ВС. Этот процесс происходит в ясном небе, когда холодное ВС попадает в более теплый и влажный воздух. Такое положение может быть при быстром снижении из более холодных верхних слоев атмосферы в нижние, более теплые или при входе в слой инверсии. В ясную морозную погоду сублимация водяного пара на поверхности ВС может произойти и на земле, на стоянке. Наибольшая вероятность обледенения в капельножидких облаках. К таким облакам относятся низкие подинверсионные слоистые и слоисто-кучевые облака. Они отличаются повышенной водностью, так как осадки из них, как правило, не выпадают или бывают слабыми. В смешанных облаках обледенение зависит от соотношения капель и кристаллов. Там, где капель больше, вероятность обледенения увеличивается. К таким облакам относятся кучево-дождевые облака. В слоисто-дождевых облаках обледенение наблюдается при полете выше нулевой изотермы и особенно опасно в диапазоне температур 0°С...-10°С, где облака состоят только из переохлажденных капель. Наиболее тяжелое и интенсивное обледенение наблюдается при полете под слоисто-дождевыми и высоко-слоистыми облаками в зоне выпадающего переохлажденного дождя (это характерно для переходных сезонов, когда температура воздуха у земли колеблется пределах 0°С...-5°С). В кристаллических облаках обледенение, как правило, отсутствует. В основном это облака верхнего яруса перистые, перисто-кучевые, перисто-слоистые. Степень обледенения зависит от времени пребывания ВС в зоне обледенения. На атмосферных фронтах обледенение представляет опасность из-за большой продолжительности полета, так как облака и осадки, связанные с фронтом, занимают, как правило, очень большие площади. Интенсивность обледенения - это толщина отложения льда в единицу времени на передней кромке крыла. В зависимости от интенсивности обледенение подразделяется на: - слабое - скорость нарастания льда менее 0,5 мм/мин; - умеренное -«- 0,5...1мм/мин; - сильное На интенсивность Температура происходит 00C…..-100 C. - -«- более 1мм/мин. обледенения влияют следующие факторы: воздуха. Самое сильное обледенение в интервале температур Водность облаков. Водность облака - это количество воды в граммах, содержащееся в 1 м3 облака. Чем больше водность облаков, тем интенсивнее обледенение. Самое сильное обледенение наблюдается в кучево-дождевых и слоисто-дождевых облаках при водности более 1 г/м3. Наличие и вид осадков. В облаках, из которых выпадают осадки, интенсивность обледенения уменьшается, так как уменьшается их водность. Самое сильное обледенение наблюдается в ледяном дожде. В мокром снеге обледенение слабое и умеренное, в сухом снеге обледенение отсутствует. Размеры переохлажденных капель. Чем крупнее капли, тем интенсивнее обледенение. Чем крупнее капли, тем прямолинейнее траектория их движения, так как они обладают большой силой инерции и, следовательно, тем больше капель будет оседать и замерзать на выступающей поверхности крыла. Мелкие капли, имеющие небольшую массу, увлекаются воздушным потоком и вместе с ним огибают профиль крыла. Профиль крыла ВС. Чем тоньше профиль крыла, тем интенсивнее обледенение. Это объясняется тем, что более тонкий профиль крыла вызывает разделение встречного набегающего потока на меньшем расстоянии от крыла, чем при толстом профиле. Такое место разделения потока делает линии тока, обтекающие крыло, более крутыми, инерционные силы капель большими, в результате почти все капли, большие и малые, оседают на тонком ребре крыла. Этим же объясняется и тот факт, что лед быстрее всего появляется на таких деталях, как стойки, приемник скорости, антенны и т.д. Скорость ВС. При скоростях полета до 300 км/ч, чем больше скорость полета, тем интенсивнее обледенение, так как ВС в единицу времени пролетает большее расстояние и, следовательно, сталкивается с большим количеством переохлажденных капель. Кроме того, с увеличением скорости полета возрастает инерция капель, и на поверхности ВС начинают замерзать не только крупные, но и мелкие капли и, следовательно, интенсивность обледенения увеличивается. При полетах со скоростями более 300 км/ч за счет трения частиц воздуха о поверхность ВС и адиабатического сжатия встречного потока его лобовыми частями происходит кинетический нагрев поверхности ВС, который отодвигает начало обледенения в сторону более низких отрицательных температур, поэтому и вероятность и интенсивность обледенения уменьшаются. В облаках кинетический нагрев составляет 50...60% от кинетического нагрева в безоблачном небе. Это объясняется тем, что в облаках часть тепла расходуется на испарение капель воды, которые оседают па поверхность ВС. Полеты по маршруту на самолетах с ТРД и ТВД осуществляются на высотах 6... 12 км. На этих высотах самолеты встречаются, главным образом, с кристаллическими облаками] обледенение в которых маловероятно. В основном на самолетах с ТРД и ТВД обледенение наблюдается в наборе высоты и при снижении на высотах ниже 5000 м. Особенностью обледенения самолетов с газотурбинными двигателями является возможность обледенения в воздухозаборниках при температурах до +5°С. Здесь происходит расширение воздуха и его температура адиабатически понижается ниже 0°С. При обледенении двигателя отложение льда происходит на поверхности входного канала. В результате этого уменьшается входное сечение канала и, следовательно, тяга двигателя. Образовавшийся лед может срываться и попадать в компрессор, вызывая там механические повреждения. Классификация ледяных отложений, наблюдаемых в полете Отложения льда в полете зависят от микроструктуры облаков, температуры воздуха на эшелоне полета и режима полета. По своему характеру отложения льда могут быть в виде льда, изморози или инея. Лед может быть прозрачным, матовым (полупрозрачным, смешанным) и белым (крупообразным). Прозрачный лед образуется, как правило, при полете в облаках, состоящих только из переохлажденных капель, или под облаками в зоне переохлажденного дождя при температурах от нуля до -10°С. Лед отлагается весьма интенсивно, преимущественно на передних кромках крыла и стабилизатора, на носовом коке самолета и воздухозаборнике. Матовый (полупрозрачный, смешанный) лед возникает при полете в смешанных облаках, состоящих из большого количества мелких и крупных переохлажденных капель, а также из ледяных кристаллов и снежинок. Крупные капли растекаются и замерзают, а мелкие, сталкиваясь с самолетом, замерзают не растекаясь. Снежинки и кристаллы, прилипая к замерзающей водяной пленке, вмерзают в нее и образуют ледяное отложение с матовой шероховатой поверхностью, резко ухудшающей аэродинамические характеристики самолета. Такое отложение возникает чаще всего при температуре воздуха от -6 до -10 °С и является наиболее тяжелым и опасным видом обледенения. Белый (крупообразный) лед возникает вследствие замерзания мелких капель при температуре ниже -10°С. Обледенение такого характера обычно наблюдается в облаках, состоящих из сравнительно однородных мелких капель. Образующийся белый пористый лед, неплотно прилипает к поверхности самолета. При продолжительном полете и увеличении плотности льда он может представлять серьезную опасность. Изморозь. Изморозь представляет собой белое крупнозернистое кристаллическое отложение, образующееся при полете в облаках при температуре значительно ниже -10 °С. Изморозь возникает при замерзании капель вместе с ледяными кристаллами. Она имеет неровный шероховатый вид, непрочно прилипает к поверхности самолета и сдувается воздушным потоком. Иней. Иней представляет собой белый мелкокристаллический налет, возникающий в результате сублимации водяного пара. При вибрации самолета он легко отделяется от его поверхности и обычно не создает трудностей для полета. Опасность представляет только отложение инея на остеклении кабины, что создает определенные трудности при визуальном обзоре и как следствие при управлении самолетом. Ледяные отложения, встречающиеся в полете, можно также классифицировать по форме отложения льда на поверхности воздушного судна. При классификации ледяных отложений по этому признаку можно выделить следующие виды обледенения: -профильное отложение льда. Этот вид обледенения чаще всего наблюдается в облаках с небольшой водностью при температуре воздуха ниже -20 °С. Отложение льда по форме повторяет профиль (форму) той части воздушного судна, на которой этот лед отложился. Такой лед держится на поверхности очень прочно, но не очень опасен, так как только увеличивает масса самолета и не очень искажает (ухудшает) его аэродинамические характеристики. -желобковый вид обледенения. Такой вид обледенения наблюдается тогда, когда на передней кромке крыла температура воздуха выше нуля градусов, а на остальной части крыла-ниже нуля градусов. Иногда такой вид обледенения наблюдается и полете в крупнокапельных облаках. Такой вид обледенения достаточно опасен, так как, с одной стороны, он сравнительно прочно держится на поверхности самолета, а с другой-значительно изменяет форму обтекаемых частей самолета и ухудшает его - хаотический вид обледенения. Этот вид обледенения наблюдается при полетах в смешанных облаках и осадках. Наросты льда при этом в буквальном смысле слова «торчат в разные стороны». Этот вид обледенения достаточно опасен и был бы даже опаснее предыдущего, но он очень непрочно удерживается на поверхности самолета и легко сдувается потоком набегающего воздуха. Интенсивность обледенения Для оценки влияния обледенения на полет вводится понятие интенсивности обледенения. В самом общем виде интенсивность обледенения это масса льда, которая откладывается на единице площади в единицу времени. Однако, и вы это хорошо себе представляете интенсивность обледенения в полете так не измеришь. Поэтому в авиации под интенсивностью обледенения понимают толщину слоя льда, который откладывается на поверхности ВС в единицу времени. Интенсивности обледенения измеряется в миллиметрах в минуту [мм/мин]. Интенсивность обледенения в значительной мере зависит от типа самолета. Известны случаи, когда после полета самолет «привозил» слой льда толщиной более 10 см. Совершенно очевидно, что такое количества льда на поверхности самолета снижает его потолок, дальность полета, маневренность и мощность двигателей. Рассмотрим механизм оседания капель на поверхности самолета. Будем считать, что поверхность самолета имеет отрицательную температуру, а все капли, коснувшиеся поверхности самолета, замерзнут и прикрепятся к поверхности. Определим, от каких причин зависит интенсивность обледенения. Традиционно возьмем элементарную воздушную трубку и предположим, что крыло самолета остается на месте, а воздушный поток со скоростью полета самолета набегает на крыло (рис.1). Рис.1. К определению интенсивности обледенения самолета В соответствии с нашим предположением, что вся вода, коснувшаяся поверхности самолета, замерзнет, определим, какое количество воды коснется поверхности за единицу времени (см. рис.1). Эта масса воды (мв) будет равна мв=Δу1Vw1, (1) где Δу1 - площадь поперечного сечения трубки; Δу1V-объем трубки, который касается поверхности самолета в единицу времени; w-водность облака; 1 (вторая) плотность воды. Отбросив «лишние единицы», получим мв=ΔyVw. (2) Масса льда (тл), отложившаяся на поверхности самолета из этой «воды», может быть определена по формуле тл = Δ L1Iрл, (3) где ΔL1 - площадь поверхности крыла, на которой замерзает вода из нашей трубки; ΔL1I -объем отложившегося льда (ведь интенсивность обледенения это толщина слоя льда, а если ее умножить на площадь, то получим объем); рл—плотность льда. Убрав из последней формулы одну «лишнюю единицу» и приравняв массу воды и массу льда, получим ΔyVw = ΔlIрл (4) Как видно интенсивность обледенения зависит от типа самолета, и скорости его полета, водности облака и плотности отлагающегося льда. С увеличением скорости полета интенсивность обледенения также увеличивается. Это справедливо всегда, но только до такой скорости полета, пока в дело «не вмешивается» кинетический нагрев поверхности самолета. Кинетический нагрев поверхности воздушного судна возникает за счет соударения молекул воздуха с поверхностью и может достигать больших значений. Способы борьбы с обледенением Обледенение воздушного судна в полете настолько опасно, что практически на каждом типе самолета и вертолета предусмотрена и используется какая-нибудь противообледенительная система (ПОС). Все способы борьбы с обледенением можно разделить на несколько групп. Основные из них следующие: Механический способ. Этот способ заключается в механическом удалении образовавшегося льда с лобовых частей самолета, его плоскостей и хвостового оперения. Способ применялся давно на нескоростных самолетах. Его суть заключается в следующем. В передних кромках крыла, хвостового оперения и т.д. прокладываются резиновые протекторы (проще резиновые шланги), через которые периодически пропускают сжатый воздух. Протекторы начинают пульсировать, ломать лед, а остальное делает воздушный поток, который лед сдувает. Недостатком этой противообледенительной системы является нарушение аэродинамических характеристик крыла и оперения при вздутии протекторов, а также их слабая эффективность. Физико-химический способ. Физико-химический способ борьбы с обледенением основан на уменьшении сцепления льда с поверхностью самолета или на уменьшении температуры замерзания воды. Для уменьшения силы сцепления льда с обшивкой самолета или вертолета использовались различные защитные покрытия в виде лаков, паст или смазок, а также вещества, не смачивающиеся водой (парафин, вазелин, жиры и т.д.), однако эти средства не дали желаемого эффекта. Большее применение получило смачивание защищаемых от обледенения поверхностей жидкостями, понижающими температуру замерзания воды. Такие жидкости должны иметь достаточно низкую температуру замерзания, хорошо смачивать поверхность, не быть ядовитыми, не вызывать коррозию и не портить лакокрасочные Комбинированный способ. Этот способ заключается в совместном использовании всех трех, изложенных выше. Однако обычно так не делается. На воздушных судах одного типа, как правило, используется только какой-нибудь один способ борьбы с обледенением. Косвенные приемы борьбы с обледенением. Косвенные приемы борьбы с обледенением заключаются в комплексном анализе метеорологических условий на предмет оценки возникновения обледенения и при возможности - изменения маршрута и профиля полета, а также в увеличении скорости полета. Опасность гололеда и гололедицы для авиации явления погоды Гололед - это матовый или прозрачный лед, который при определенных погодных условиях нарастает на аэродромных постройках, подъездных дорогах, взлетно-посадочной полосе и рулежных дорожках, на самолетах, стоящих на стоянке вне ангаров, а также на проводах линий связи и электропередачи. Толщина слоя льда составляет обычно 1-3 мм, редко 8—10 мм. Слой льда образуется преимущественно с наветренной стороны всех объектов. Обычно гололед отмечается при температуре воздуха от 0 до -6 °С, относительной влажности 95-100% и скорости ветра до 5-7 м/с. Типичный случай гололеда: резкое похолодание или потепление и выпадающая атмосферная влага, которая замерзает на аэродромных объектах и воздушных судах. Гололед—одно из опасных для полетов метеорологических явлений, которое может серьезно осложнить деятельность авиации. При гололеде возникают проблемы при подготовке воздушных судов к полету, а аэродромов - к приему и выпуску самолетов и вертолетов. При отложении льда на поверхности воздушного судна на земле взлет такого судна запрещается. Если же гололед покрывает на ВПП или рулежные дорожки, то это значительно уменьшает трение колес шасси о бетон, что затрудняет как разбег, так и пробег самолета. При посадке на обледенелую полосу при боковом ветре создается опасность уклонения самолета от нужного направления движения и выкатывания его за пределы ВПП. Гололедица-это явление погоды (не осадки), которое наблюдается в тех случаях, когда под действием солнечного тепла снег и лед на ВПП, рулежных дорожках и местах стоянки самолетов сначала тают, а затем при похолодании замерзают, образуя на поверхности слой льда. Особую опасность для взлета и посадки самолетов и вертолетов представляет наличие на искусственных ВПП «пятен» льда, мокрого снега и застоявшейся воды. В этом случае вода и снег, затянутые в работающий двигатель, могут вывести его из строя, а лед, снег и даже вода на полосе делают процесс торможения, мягко говоря, плохо управляемым. Электризация самолетов Современные скоростные самолеты при полете в облаках слоистых форм и в зонах осадков (особенно в виде снега) подвержены поражению электрическими разрядами, причем конвективные формы облачности непосредственно в районе поражения не отмечаются. Совершенно очевидно, что атмосфера обладает электрическими свойствами. Так как находящиеся в воздухе пылинки, капли сконденсированной влаги, частицы осадков, кристаллы льда и др. имеют электрический заряд, то самолеты в полете электризуются. Электризации самолетов способствуют электрические свойства облаков, осадков, а также характеристика самого самолета и режим полета. Электрические свойства облаков и осадков связаны с их фазовым состоянием (капли, кристаллы), формой, размерами, концентрацией в единице объема, электрическим зарядом частичек и напряженностью электрического поля в окрестностях облаков. Для электризации наиболее существенны такие характеристики самолета, как особенности конструкции, материалы покрытия, тип двигателей и параметры статических стекателей. Режим полета самолета определяется высотой и скоростью полета, режимом работы двигателей и используемым топливом. Электризация самолета - сложный и неоднородный процесс, так как в полете самолет одновременно приобретает электрический заряд и теряет его. Величина электрического заряда на самолете зависит от состояния токов, заряжающих и разряжающих самолет. Заряд на самолете появляется главным образом в результате взаимодействия частиц облаков и осадков с поверхностью самолета и взаимодействия частиц несгоревшего топлива с материалом выхлопной системы двигателя. Однако последней причиной частр пренебрегают, так как при нормальной работе двигателя (почти полное сгорание топлива) возникающие токи крайне малы. На электризацию самолета существенное влияние оказывает и микроструктура облаков. Например, чем больше водность облаков, чем больше в облаке кристаллов, а не жидкой воды, тем сильнее электрические токи, заряжающие самолет. Поэтому особенно опасны мощно-кучевые, кучево-дождевые и плотные слоисто-дождевые облака. При длительном полете в высокослоистых и перисто-слоистых облаках также может произойти сильная электризация самолета. Повышенная электризация самолетов наблюдается обычно в облаках большой вертикальной протяженности. Разряд (стекание заряда с поверхности самолета) происходит за счет проводимости горячих выхлопных газов, срыва частиц облака или осадков с поверхности самолета и коронного разряда. Разница в скоростях заряда и разряда самолета обусловливает величину электрического заряда, оставшегося на самолете после его посадки. Электрический заряд на самолете таит в себе двойную опасность. С одной стороны, в полете электрический заряд «провоцирует» разряд молнии в самолет даже в тех случаях, когда напряженность электрического поля (без самолета) в воздухе еще не достигла пробивной напряженности. С другой стороны, после посадки при заправке самолета топливом может проскочить искра между заправочным пистолетом и открытой горловиной топливного бака со всеми вытекающими отсюда последствиями. Поэтому на многих типах самолетов предусмотрена система автоматического заземления фюзеляжа, а техник самолета после его заруливания на стоянку в первую очередь обязан заземлить самолет. Такие же проблемы подстерегают военные самолеты при их дозаправке в воздухе. Рекомендации по выполнению полетов и управлению воздушным движением в зонах обледенения 1. Перед полетом изучить метеообстановку, используя приземные синоптические карты барической топографии, аэрологические диаграммы. 2. Запрещается взлетать на ВС, поверхность которых покрыта льдом, снегом или инеем. 3. Полеты в условиях обледенения на ВС, не имеющих допуска к эксплуатации в этих условиях, запрещаются. 4. В полете вести наблюдение за температурой наружного воздуха и перед входом в облака и осадки при температуре +50С и ниже включать противообледенительную систему. 5. Зимой из зоны обледенения уходить вверх, в сторону более низких отрицательных температур, летом-вниз, в сторону положительных температур. 6. Признаками обледенения большой интенсивности является быстрое нарастание льда на стеклоочистителях и уменьшение приборной скорости. 7. Если принятые экипажем меры по борьбе с обледенением оказываются не эффективными и безопасное продолжение полета не обеспечивается, КВС обязан, применив сигнал срочности, по согласованию с диспетчером, изменить высоту или маршрут для выхода в район, где возможно безопасное продолжение полета, или принять решение об уходе на запасной аэродром. 8. При заходе на посадку в условиях обледенения экипаж должен проверить нет ли льда на крыльях и оперении. При отсутствии льда посадка производится обычном способом. В случае отказа противообледенительной системы и невозможности выхода из зоны обледенения при наличии льда на стабилизаторе экипаж должен быть готов к возможности возникновения срыва потока на горизонтальном оперении. Одной из первых предупредительных мер является уменьшение угла отклонения закрылков. Посадку производить с уменьшенным углом отклонения закрылков, не допуская резкого пилотирования. 9. Всегда необходимо придерживаться основного принципа: время нахождения ВС в условиях обледенения должно быть
