5. Предохранение самолетов от обмерзания и способы удаления льда

В осенне-зимний период в наземных условиях наружные поверхности ЛА покрываются льдом. Такое явление называют обледенением. Взлет на обледеневшем ЛА приводит к возникновению преждевременного и резкого срыва потока с крыла, снижению эффективности органов управления, препятствующих нормальному полету. К тому же возрастает взлетная масса.

Условия обледенения. Обледенение не происходит, если обшивка имеет положительную температуру или на ее поверхности выпадают капли воды с температурой выше 0°С. Не вызывает обледенения безводный воздух или сухие кристаллические осадки, промерзшие в атмосфере.

Таким образом, условиями обледенения являются отрицательная температура обшивки и наличие водности воздуха,

Находящуюся во взвешенном состоянии и падающую на землю влагу в виде капель воды или кристаллов льда называют водностью воздуха. Она образуется при охлаждении атмосферного воздуха ниже температуры насыщения. При понижении температуры ночью увеличивается относительная влажность. Когда температура понижается ниже +3°С, воздух достигает насыщения. Последующее похолодание до 0°С вызывает дальнейшее выделение избытка влаги в виде капель тумана. При наличии ветра масса отложения льда увеличивается.

Сроки возникновения условий обледенения. В осенне-зимний период необходимо знать период возможного обледенения ЛА. Период обледенения ограничен верхней и нижней границами. Верхняя граница указывает на начало обледенения и определяется температурой атмосферного воздуха, равной 0°С, при относительной влажности не менее 95 %. Уменьшение температуры воздуха от 0°С до -18°С вызывает обледенение.

При температуре ниже –18°С водность существенно убывает из-за кристаллизации переохлажденных капель. В соответствии с этим обледенение возможно в диапазоне температур от 0°С до –18°С (80-85 % случаев обледенения).

При дальнейшем понижении температуры вероятность обледенения падает. Температура –18°С характеризует конец обледенения и определяет нижнюю границу периода.

Оценивают льдообразование степенью обледенения, под которой понимают толщину наросшего льда.

Адгезия льда к обшивке. На эффективность работы по удалению льдообразовании влияет прочность смерзания льда с обшивкой, которая зависит от когезии - сил сцепления между частицами льда и адгезии - сил сцепления льда с обшивкой. Величина когезии определяется - составом воды, из которой образуется лед, и количеством циклов намораживания льда, а адгезия - взаимодействием льда с обшивкой.

В формировании адгезионной связи лед - поверхность существенную роль играют поверхностные свойства обшивки, определяющие интенсивность и виды межмолекулярного воздействия: химическую и водородную связь, электростатическое взаимодействие. Оценивают адгезию по отношению силы отрыва льда от обшивки к единице площади контакта льда с обшивкой.

Адгезия льда зависит от материала и состояния поверхности: шероховатости, загрязненности, смачиваемости, температуры воды и воздуха. В зависимости от материала величина адгезии льда к поверхности составляет 50-1500 кПа (сталь 840, дюралюминий 600—640, органическое стекло 280, резина 140-350).

Поверхности из одного и того же материала, но по-разному ориентированные, характеризуются различной адгезией льда, которая к горизонтальным поверхностям слабее, чем к вертикальным.

Шероховатость поверхности способствует не только начальному образованию слоя льда, как центр кристаллизации , но и оказывает влияние на площадь контакта, интенсивность механического сцепления льда с обшивкой, возникающего при переходе воды из жидкого состояния в твердое. Вода, попадая на неровности поверхности, замерзает и расширяется почти па 10%.

Увеличение объема приводит к заклиниванию льда в неровностях поверхности и возрастанию сил сцепления.

Адгезия льда к обшивке в случае хорошей смачиваемости водой с увеличением степени шероховатости возрастает. При плохой смачиваемости влияние неровностей поверхности менее существенно. При прочих равных условиях поверхности, краевой угол смачивания больше 90°С, снижает адгезию льда.

Наличие на обшивке загрязнений резко понижает адгезию льда. С понижением температуры воздуха и течением времени (более 2 часов) лед становится более твердым, прочно сцепляется с обмерзшей поверхностью. Наибольшего значения сила сцепления достигает при температуре воздуха -15°С, в среднем понижение температуры на 1°С повышает адгезию на 1 %. Дальнейшее понижение температуры воздуха приводит к уменьшению адгезии

Температура воды также оказывает влияние на адгезию, так как она обуславливает формирование льда. Понижение температуры вызывает увеличение адгезии льда.

Распределение льда по обшивке. Располагается лед на вертикальных и горизонтальных поверхностях неравномерно. На горизонтальных поверхностях удерживается больше влаги, чем на вертикальных, с которых часть водяных капель сдувается или перетекает на соседние участки обшивки.

Поэтому степень обледенения вертикальных и горизонтальных поверхностей различна и ориентировочно находится в соотношении 1:1,5. основную массу льда воспринимает крыло и горизонтальное оперение. Чем меньше толщина обшивки, тем легче образуется иней, который обладает избирательностью отложения.

При изменении погодных условий от холодных к относительно теплым обшивка крыла в месте расположения топливных баков (которые медленно воспринимают температуру окружающей среды) покрываются налетом в виде инея, образующегося от сублимации водяного пара или намерзания капель тумана и дождя.

Способы защиты от обледенения. Одним из эффективных способов предохранения самолетов от обмерзания является ангарное хранение. Практически же самолеты хранятся на открытом воздухе, поэтому появилась необходимость предохранять их от обмерзания.

Зачехление планера. В осенне-зимний и весенний периоды при прогнозировании снего­пада, гололеда и т. п. зачехляют самолет сразу после посадки, причем зачехляемая поверхность самолета и чехлы должны быть сухими и иметь достаточную механическую прочность. Например, разрывная нагрузка по основе и утку должна находиться в пределах 60 - 70 кгс/50 мм, а сопротивляемость надрыву не менее, чем для хлопчатобумажных тканей палаточного полотна. Для того чтобы чехлы не были тяжелыми и громоздкими, оптимальная масса одного погонного метра материала при ширине 80 — 90 см должна составлять 100 -150 г.

При условии механизации зачехления и подбора материала для чехлов, отвечающего всем необходимым требованиям, а также при соблюдении необходимых правил зачехление широко применяется и является одним из эффективных способов предохранения самолетов от обмерзания.

Гидрофобные поверхности. Физико-химический способ предохранения самолетов от обмерзания заключается в устранении возможности оседания влаги на поверхностях или в уменьшении до нуля силы сцепления между образовавшимся льдом и защищаемой поверхно­стью.

Избежать оседания влаги на поверхности самолета можно при условии, если она будет обладать свойством не смачиваться водой; такая поверхность называется гидрофобной. Создание гидрофобных покрытий является одним из основных способов предохранения самолетов от обмерзания. К гидрофобным относится ряд органических веществ: углеводороды, жиры, воски, жирные кислоты, а также твердые тела с неметаллическими свойствами — графит, сера, сульфиды неметаллов.

В иностранной печати широко рекламируются кремнийорганические соединения, при этом указывается, что обработка поверхности самолетов этими соединениями уменьшает силу сцепления льда на 96–98%.

Способы удаления льда с поверхностей самолетов сводятся к переводу льда из одного фазового состояния (твердого) в другое (жидкое) и к последующему сохранению образовав­шейся влаги в жидком состоянии (при низких отрицательных температурах воздуха) или к полному ее испарению.

Тепловые способы удаления льда сводятся к тому, что теплоноситель, взаимодействуя со льдом, передает ему тепло, в результате чего лед плавится, а образовавшаяся влага испаряется.

Из жидких теплоносителей наиболее хорошо удовлетворяет большинству предъявляемых к ним требований вода. Она имеет большую теплоемкость, сравнительно высокую температуру, кипения и незначительную коррозионную агрессивность. Кроме того, вода инертна по отношению к лакокрасочным покрытиям самолетов, легкодоступна и дешева. Из газообразных теплоносителей приемлемым является подогретый воздух.

Способ удаления жидкими теплоносителями заключается в обработке поверхности самолета водой, подогретой до 50– 60°С. Для удаления с самолета ледяных отложений вклю­чают насос, который под давлением 1,5–2 атм. подает теплую воду по шлангу на обледеневшую поверхность. Затем поверхности протирают сухой и мягкой ветошью или замшей. Ледя­ные отложения удаляются сначала с фюзеляжа, далее с крыла и хвостового оперения.

Удаление льда грелкой. Для удаления льда с поверхности самолета применяется специальная грелка, которая представляет собой плоский резиновый мешок с горловиной, наполненный водой, имеющей температуру 70–80 С. При наложении такой грелки на обледеневшую поверхность самолета лед плавится и образовавшаяся вода испаряется. Путем последовательного перемещения грелки по поверхности самолета добиваются освобождения его ото льда. Этот способ применяется мало из-за недостаточной его эффективности.

Применение газообразного теплоносителя принципиально не отличается от рассмотрен­ных выше. Теплый воздух подается по рукавам на открытую поверхность льда или закрытое чехлом пространство от подогревателей двигателя с температурой 50–60°С. Источниками теплого воздуха служат подогреватели МП-85, МП-300 и др. После уменьшения сцепления льда с поверхностью лед быстро счищают волосяными щетками. Этот способ хорошо себя зарекомендовал и широко применяется.

Применение смеси воды и незамерзающей жидкости. Широкое применение в эксплуата­ции нашел способ, основанный на удалении образовавшегося на поверхности самолета льда подогретой смесью воды и жидкости, понижающей температуру замерзания воды Как известно удаление льда горячей водой - весьма эффективный способ, однако основным его недостатком является то, что при температурах воздуха ниже –5°С и особенно при наличии ветра вода на поверхности самолета быстро замерзает, и самолет вновь оказывается покрытым слоем льда. При этом возможно попадание воды и ее замерзание в узлах подвески рулей, элеронов и т. д. Поэтому применяют водные растворы жидкостей, имеющих низкую температуру замерзания: этиловый, изопропиловый спирты, этиленгликоль, глицерин и др. Предварительно их подогревают до 50–60°С, что обеспечивает удаление льда и предотвращает последующее замерзание воды на поверхности самолета.

Жидкости, удаляющие обмерзание с авиационной техники. При температурах окружающего воздуха около 0° С лед или примерзший снег с поверхности авиационной техники удаляют, обливая его теплой 50–60°С водой, а при более низких температурах — смесью воды с жидкостью ЭАФ (эфироальдегидная фракция). Состав этой жидкости приведен в табл. 1.

Таблица 1 Компоненты жидкости ЭАФ

Компонент	Содержание, % по объему	Компонент	Содержание, % по объему
Спирт этиловый Альдегиды Эфиры и мпаек54	92-94 0,35-0,5 1,8-3,0	Спирт метиловый Сивушные масла Кислоты	1,0-1,15 2,9-3,1 0,02-0,1

Компоненты смеси жидкости ЭАФ с водой. Рекомендуемый состав смеси жидкости ЭАФ с водой в зависимости от температуры окружающего воздуха приведен в табл. 2.

Таблица 2 Рекомендуемый состав антиобледенительной смеси

Компонент	Состав смеси жидкости ЭАФ в зависимости от температуры (°С)
	От 0 до –10	От –10 до –15	От –15 до –25	От –25 до –30
Вода Жидкость ЭАФ	3/4 1/4	2/3 1/3	1/2 1/2	1/3 2/3

Увеличение концентрации жидкости ЭАФ в воде приводит к понижению ее температуры замерзания. Рационально выбранный состав низкозамерзающей жидкости, подогретой до температуры 50–60° С, обеспечивает удаление любых ледяных отложений.

Агрессивность жидкости ЭАФ. К недостаткам жидкости ЭАФ относится неблагоприятное воздействие ее на лакокрасочное покрытие авиационной техники и возможность образования на обработанной поверхности кристаллов льда после испарения жидкости

Противообледенительная смесь «ЗА» представляет собой 52%-ный раствор этиленгликоля в воде с добавкой небольших количеств смачивателя типа ОП-7 или ОП-10 и антикоррозионной присадки двухзамещенного фосфорнокислого натрия. Смесь «ЗА» обеспечивает эффективное удаление льда, предохраняет поверхность от обмерзания я течение нескольких часов после окончания обработки и не оказывает заметного влияния на лакокрасочное покрытие.

Для предупреждения обмерзания авиатехники на земле применяют жидкость ЭАФ с добавкой к ней 5% бензина Б-70 и 0,001 г зеленого кислотного красителя на 1 л жидкости. Технические характеристики жидкости ЭАФ приведены в табл. 3.

Прежде чем наносят жидкость на поверхность авиатехники, удаляют образовавшийся лед, затем поверхность опрыскивают жидкостью с водой. При правильном обращении жидкость ЭАФ безвредна для здоровья человека (если не попадает внутрь).

Таблица 3 Технические нормы на жидкость ЭАФ

Цвет и прозрачность	Концентрация %, не ниже	Температура, °С		Вязкость (сСт) при Температуре (°С)
		кипения	замерзания	0	-10	-50
Желтый, прозрачный	92	76-79	-70	3,02	3,86	8,30

Антиобледенительные жидкости для летательных аппаратов. Характеристика обледенения. В полете при отрицательных температурах в условиях вы­сокой влажности атмосферы взвешенные в ней переохлажденные капли (их температура может быть значительно ниже О° С, до –20° С и даже до – 40° С) при соприкосновении с поверхностью летательного аппарата мгновенно кристаллизуются и прилипают к ней и аппарат обледеневает. Обледенение может также происходить при попадании сильно охлажденного, например, самолета в зону теплого воздуха (в результате конденсации даров и образования инея).

Одним из способов борьбы с обледенением летательных аппаратов является подача антиобледенительной жидкости на участки, обледенение которых представляет наибольшую опасность или идет наиболее интенсивно (стекла кабин, лопасти несущего винта вертолета). Жидкость поступает к защищаемым деталям через мелкие отверстия в специально подведенных трубках, куда она подается электронасосом. Расход ее составляет несколько литров в час.

Главные требования к антиобледенительной жидкости: низкая температура замерзания как в натуральном виде, так и в смеси с водой; способность легко растворять лед и воду, хорошо смачивать поверхности металла и стекла; достаточная подвижность при низких температурах.

Этиловый спирт. В качестве антиобледенительной жидкости преимущественно для стекол кабины используется ректификованный этиловый спирт – прозрачный, бесцветный, отличается очень низкой температурой замерзания (–114° С). Смеси его также не замерзают при достаточно низких температурах. Спирт хорошо смачивает металл и стекло, обеспечивая образование на них тонкой поверхностной пленки; хорошо растворяет лед; стабилен; не загрязняет стекол кабин. В процессе образования спиртового раствора возникают электростатические связи между полярными молекулами спирта и воды. При этом выделяется тепло, раствор нагревается, объем его уменьшается. Так. например если смешать 60 л безводного спирта с 40 л воды, то после охлаждения до температуры 20° С будет не 100 л, а лишь 93,31 л (на 6,69 л меньше).

Ректификованный спирт, используемый в качестве антиобледенительной жидкости, содержит по объему 95,5–96,0% безводного спирта.

Основным недостатком ректификованного спирта является коррозионная активность (особенно в отношении цинка и алюминия). Так, например, если бачки и другие элементы спиртовой системы сделать из алюминиевых сплавов, то при взаимодействии со спиртом образуется студенистая масса (алкоголята металлов), забивающая систему. По отношению к стали, железу спирт пассивен. Другим недостатком спирта является его огнеопасность. Кроме того, спирт быстро испаряется; в момент выхода из отверстий из-за малой вязкости легко сдувается потоком воздуха. Этим затрудняется его использование при борьбе с обледенением лопастей воздушных винтов.

Спирто-глицериновая смесь. На вертолетах в качестве антиобледенительной жидкости для несущего винта применяют смесь 85% ректификованного спирта и 15% глицерина; плотность ее равна 0,8676 Смесь отличается от спирта более высокой вязкостью и медленнее испаряется. Благодаря этому она лучше покрывает лопасти ротора вертолета. Температура замерзания этой жидкости не выше –70° С. Однако глицерин, окисляясь, может выделять кристаллы, забивая отверстия.

Абсолютный (100%) этиловый спирт кипит при 78 °С; плотность его составляет 0,789.