7.5. Способы и системы защиты ла от обледенения

Для защиты ЛА от обледенения используются ПОС, действие которых основано на одном из следующих способов защиты: механическом, физико-химическом или тепловом.

Механический способ заключается в разрушении образовавшегося льда с помощью силового воздействия и удаления его обломков набегающим потоком.

Физико-химический способ состоит в использовании жидкостей или составов, понижающих температуру замерзания воды или уменьшающих силу сцепления льда с поверхностью. Образующаяся жидкая пленка между поверхностью и наледью способствует сбрасыванию скоростным потоком образовавшегося льда.

Тепловой способ состоит либо в постоянном обогреве защищаемой поверхности для предотвращения образования льда, либо в периодическом подплавлении ледяного нароста и сбрасывании его под действием скоростного напора.

Наряду с этим все ПОС можно разбить на две группы по характеру работы – непрерывного и циклического (периодического) действия. Системы непрерывного действия, как правило, не допускают образования льда на защищаемой поверхности, а системы циклического действия допускают образование льда определенной толщины и затем удаляют его.

Кроме того, в зависимости от места расположения ПОС можно классифицировать как ПОС крыла, хвостового оперения, остекления кабины экипажа и т.д.

7.5.1. Механические противообледенительные системы

Механические ПОС относятся к системам циклического действия. Для эффективной их работы необходимо образование определенной толщины льда. Удаление льда при работе механических противообледенительных систем условно можно разделить на два этапа: разрушение льда или уменьшение сцепления его с обшивкой и удаление его действием аэродинамического напора. Последнее, очевидно, накладывает условие при проектировании противообледенительной системы – обеспечение максимально допустимой при безопасности полета толщины льда. Для каждого типа летательного аппарата допустимая толщина льда, как правило, определяется при экспериментальных продувках модели. Обычно в практике на несущих поверхностях для большинства современных самолетов допускается толщина льда δ_л = 4…5 мм. Сила сцепления льда с обшивкой зависит от структуры льда, чистоты обработки поверхности, покрытий, а также от температуры окружающего воздуха, и может достигать по нормали 85…160 Н/см².

Пневматические противообледенительные системы являются разновидностью механических – это одни из первых систем, которые были установлены на самолетах для борьбы с обледенением.

Устройство и принцип действия. На защищаемой поверхности закрепляют тонкий протектор из эластичного материала (различных эластомеров) с встроенными в него камерами (рис. 7.11). Ширина протектора выбирается из условия длины хорды равной или немного превышающей область улавливания капель (для дозвуковых самолетов, как известно, она составляет 5… 6% хорды). В зависимости от типа самолета, размеров защищаемой поверхности, расчетной скорости полета и допустимой толщины льда протектор противообледенителя разбивается на ряд секций. Они включаются в работу в соответствии с принятой программой (поочередная или одновременная работа камер). Количество камер зависит в основном от ширины протектора и может быть до 10.

К преимуществам пневматических ПОС относится малая энергоемкость системы – небольшой отбор воздуха от двигателя, а также малая удельная масса всей системы – около 30 кг/м².

Недостатками системы является увеличение сопротивления крыла примерно на 5...6% в нерабочем состоянии протектора и на 100...110% в рабочем состоянии. Для уменьшения влияния протектора на аэродинамическое сопротивление ЛА желательно его камеры располагать вдоль хорды профиля. Протекторы, выполненные по такой схеме, применяются зарубежными фирмами "Лукас" (Англия) и "Клебер Коломбо" (Франция). Кроме того, к недостаткам пневматических ПОС относится довольно быстрое старение эластомеров под воздействием переменных температур и солнечной радиации, приводящее к растрескиванию и разрушению протектора.

Рис. 7.11. Схема рабочей части пневматического противообледенителя несущих поверхностей: а) с продольными поочередно-наполняющимися камерами 3, 4; б) с продольными одновременно наполняющимися рабочими камерами; 1 – работающая секция, 2 – неработающая секция

В отечественной авиации пневматические ПОС в настоящее время не применяются, в то время как за рубежом широко используются на малых самолетах так называемого административного класса.

Следует отметить, что появление новых более совершенных эластомеров и малый отбор воздуха может вывести такие системы в разряд перспективных.

Электроимпульсная ПОС, разработанная советским инженером И.А. Левиным, впервые появилась в качестве штатной системы на самолете Ил-86.

Действие электроимпульсной ПОС (ЭИ ПОС) заключается в создании в защищаемой обшивке и слое льда, находящегося на ней, повторяющихся импульсных силовых деформаций, разделенных определенными временными интервалами.

Преобразование электрических импульсов в импульсы упругих деформаций осуществляется в индукторах вихревых токов, представляющих собой соленоиды без сердечников (см. рис. 7.12). Поступающие из конденсаторных накопителей импульсы электроэнергии проходят через обмотки соленоидов и создают в них переменное магнитное поле.

Это поле наводит в металлической обшивке защищаемого агрегата вихревые токи обратной направленности, вызывающие упругие деформации в обшивке. Эти деформации вызывают в ледяном поле напряжения, превосходящие его динамическую прочность. Это приводит к мгновенному разрушению льда с последующим его удалением с поверхности набегающим потоком воздуха. Продолжительность импульсов составляет около 10^-4 секунд с периодом следования сигналов – 1…2 с. Индукторы устанавливаются в непосредственной близости от внутренней поверхности обшивки (с минимальным зазором) в зоне возможного обледенения.

Рис.7.12. Схема работы электромагнитного индуктора: 1 – индуктор; 2 – защищаемая обшивка; 3 – направление кольцевого тока в индукторе; 4 – наведенный кольцевой ток в обшивке; 5 – положение обшивки в момент возникновения деформации

ЭИ ПОС перед тепловыми системами имеют следующие преимущества:

- потребная для работы мощность, отбираемая от двигателей, во много раз меньше, чем при тепловой системе;

- существенно расширяется диапазон температур окружающего воздуха, при котором обеспечивается защита от обледенения;

- эффективность работы электроимпульсной системы повышается с увеличением толщины слоя льда и интенсивности обледенения;

- работа электроимпульсной системы не влияет на характеристики двигателей;

- не требуется увеличивать мощность электрических генераторов, устанавливаемых на двигателях;

- меньшая пожароопасность системы; меньшее снижение прочности обшивки агрегатов, защищаемых от обледенения;

- независимость эффективности работы системы от режима работы двигателей;

- исключается возможность появления "барьерного льда" позади защищаемой зоны, так как при работе системы лед сбрасывается, а не расплавляется; простота наземной проверки и т.д.

К недостаткам этих систем относятся:

- большое количество индукторов, поскольку область их действия ограничена как размерами индукторов, так и стыками обшивки и элементами силового набора агрегата;

- наличие остаточных льдообразований в случае, если зона улавливания составляет более 2% хорды по верхней или нижней поверхности профиля;

- необходимость повышения мощности импульса по мере возрастания жесткости конструкции (этим, в частности, объясняется тот факт, что рассматриваемые системы не находят применения на легких и средних самолетах).