Глава 16

ПРОТИВООБЛЕДЕНИТЕЛЬНОЕ И ОБОГРЕВАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ЛА

16.1. Способы зашиты л а от обледенения

Противообледенительное оборудование ЛА служит для предотвращения обледенения отдельных частей его во время полета при различных атмосферных и полетных условиях.

Применяемые способы защиты ЛА и его установок от обледенения имеют четыре основные группы: механические, физико-химические, тепло­вые и комбинированные. Сущность механических способов защиты от обледенения заключается в механическом удалении льда с защищаемой поверхности.

Один из вариантов этого способа, разработанного в последние годы, предусматривал установку внутри крыла нескольких индукторов (электро­магнитов), которые срабатывали при подаче импульса тока на обмотки электропитания. При этом обшивка испытывала ударный толчок, от кото­рого образовавшийся лед трескался, разламывался и сбрасывался встреч­ным воздушным потоком. Способ эффективный, но он ускоряет процесс изнашивания обшивки ЛА.

Физико-химические способы борьбы с обледенением основаны на уменьшении сцепления льда с поверхностью ЛА и понижении температуры замерзания воды. Их сущность состоит в создании промежуточного слоя некоторого вещества между льдом и защищаемой частью поверхности ЛА (покрытием лаками, пастами или смазками). Однако положительных резуль­татов в этой области получить до настоящего времени еще не удалось. При смазывании обшивки некоторыми веществами сцепление между обшивкой и льдом уменьшалось, но не приводило к сбрасыванию льда.

На некоторых ЛА применялись жидкостные противообледенительные системы. На защищаемую поверхность подводилась жидкость, которая не допускала образования льда. Такие противообледенительные системы применялись на вертолетах Ми-1, -4 для защиты от обледенения несущего и рулевого винтов. Однако они не получили широкого распространения из-за сложности и недостаточной эффективности.

Тепловой способ защиты основан на использовании тепловой энергии, выделяющейся при работе авиадвигателей. Широкое применение для защиты крыла и оперения нашла воздушно-тепловая защита, построенная на использовании либо горячего воздуха, отбираемого от компрессора двигателя, либо воздуха, нагреваемого в теплообменниках горячими выхлопными газами. Воздух иногда подогревают с помощью специальных бензообогревателей.

Другим видом тепловой защиты является электротепловая, часто используемая для защиты от обледенения оперения и несколько реже для защиты крыла.

Для защиты от обледенения двигателей и их воздухозаборников при­меняют две основные системы: электротепловую и воздушно-тепловую. Наиболее распространенным способом защиты стекол кабины от обледенения является электротепловой и менее распространенными - химический и комбинированный способы. К числу последних способов относят соче­тание, как правило, двух способов, например механического и физикохимического или механического и теплового.

16.2. Требования к противообледенителыюму оборудованию ла

Требования к противообледенительному оборудованию ЛА неразрывно связаны с требованиями к самому Л А. Основными из которых являются: обеспечение безопасности полета, максимальное сохранение основных характеристик ЛА (устойчивость, управляемость) и силовой установки.

На ЛА должны быть защищены от образования льда:

передние кромки крыла и оперения;

части двигателя, образование льда на которых может вызвать повреж­дение отдельных узлов или нарушение работы двигателя (например, лопатки входного направляющего аппарата компрессора, обтекатели);

носок воздухозаборника двигателя и все детали, расположенные в воздухозаборном канале;

остекление кабины пилотов;

приемники воздушного давления;

дренажные трубки и воздухозаборники для продува различных при­боров и агрегатов;

антенны, обледенение которых может привести к ухудшению работы радиооборудования.

Противообледенительные системы делят на две группы: предупрежда­ющие обледенение (не допускающие образование льда), и устраняющие обледенение (периодически сбрасывающие образующийся слой льда).

Противообледенительную систему выбирают с учетом основных конструктивных особенностей, влияния обледенения на летные характе­ристики ЛА и на работу его силовой установки. Например, для защиты остекления кабины экипажа и приемников воздушного давления применяют системы предупреждения обледенения. Для крыла и оперения используют противообледенительные системы как первой, так и второй группы. Для двигателей предусматривают, как правило, системы предупреждения обле­денения, за исключением тех случаев, когда есть уверенность в том, что образование льда небольших размеров на частях двигателя и его сброс не повлияют на работу двигателя. Любая система должна отвечать основному требованию - обеспечению безопасности полетов.

Некоторые рекомендации по выбору защищаемой поверхности и ее размеров сводятся к следующему. Защита от обледенения крыла или оперения должна быть обеспечена по всему размаху крыла и оперения. Размеры защищаемой зоны по хорде профиля выбирают в зависимости от типа применяемой противообледенительной системы. Если ставят тепло­вую противообледенительную систему, защиту выполняют тремя спосо­бами: испарением всей оседающей воды при непрерывном интенсивном нагреве: недопущением замерзания жидкости на всей поверхности, которая подвергается смачиванию и удалением образующегося льда при периоди­ческом нагреве. Во всех этих случаях необходимое значение поверхности по хорде профиля будет различным, однако минимальные размеры этой поверхности должны быть ограничены зоной захвата переохлажденных капель как для систем, предупреждающих обледенение, так и для систем периодического устранения обледенения. Значение зоны захвата зависит от скорости и высоты полета, угла атаки, длины хорды профиля и других величин.

Обогревательные системы делят на системы непрерывного действия, периодического действия и смешанные. Тепловую противообледенительную систему непрерывного действия (система предупреждения обледенения) проектируют на заданный температурный перепад, равный разности температур обогреваемой поверхности и наружного воздуха. Основное требование к такой системе: предупредить обледенение защищаемой поверх­ности. Оно будет выполняться, если температура поверхности всего крыла будет выше нуля. Другой метод, устраняющий возможность образования льда, заключается в испарении всей воды на площади ее оседания. Оба способа требуют большой мощности и высокой температуры обогреваемой поверхности.

Тепловую защиту можно выполнять применением нагретого воздуха, подводимого по соответствующим каналам к обогреваемой поверхности, и с помощью электронагревательных элементов. Так обогревают передние кромки крыла, стабилизатора, киля и винтов самолетов с турбовинтовыми двигателями и вертолетов. При обогреве с помощью горячего воздуха температура его находится в пределах от 70 до 200 °С. Средний расход воздуха равен 1800-2800 кг/ч.

Противообледенительные системы периодического действия более экономичны по потребляемой энергии: нагрев происходит периодически, для удаления образовавшегося льда требуется расплавить лишь его тонкий слой, непосредственно прилегающий к обшивке, с целью нарушения сцепле­ния и облегчения сбрасывания с поверхности набегающим воздушным потоком. Основное требование, которое предъявляют к противообледенительной системе периодического действия, заключается в том, чтобы обеспечить полное удаление льда за один цикл работы. Это требование выполняют высоким темпом нагрева и остывания защищаемой поверхности, созданием на защищаемой поверхности так называемых тепловых «ножей» постоянного действия, представляющих собой узкие непрерывно обогре­ваемые зоны, расположенные вдоль передней кромки поверхности и на стыках нагревательных элементов (это облегчает сбрасывание ледяного нароста воздушным потоком), а также регулированием цикличности работы (временем включения и выключения системы) в зависимости от темпера­туры окружающего воздуха и интенсивности обледенения.

Выдвинутые требования проще реализуются в электротепловых системах по сравнению с воздушно-тепловыми. К недостаткам воздушно-тепловых систем относится и их инерционность - медленный нагрев при включении и медленное остывание после отключения.

Электротепловая система состоит из нагревательных элементов цикли­ческого или постоянного действия с применением тепловых «ножей». Нагревательные элементы разбивают на секции, расположенные, как правило, на разных частях обшивки защищаемого ЛА. Полный цикл работы состоит из нескольких импульсов. На отечественных ЛА цикличность состоит из четырех импульсов по 40 с, т. е. каждая секция 40 с находится под напряжением, а затем 120 с - в обесточенном состоянии.

Тепловые «ножи» изготовляют из нержавеющей стали толщиной около 0,2 мм и шириной 10-11 мм, а также из латунной фольги. Удельная электрическая мощность обогрева «ножей» равна 1,2 Вт/см².

Любая противообледенительная система вызывает ухудшение летно-технических и эксплуатационных данных ЛА из-за уменьшения тяги или мощности авиадвигателя, повышения расхода топлива, увеличения массы и усложнения конструкции.

Отбор энергии от турбореактивного двигателя противообледенительной системой может осуществляться тремя способами: преобразованием механической энергии в электрическую; использованием энергии выхлопных газов; использованием нагретого воздуха от компрессора двигателя.

Первый способ требует применения мощных генераторов, особенно при установке противообледенительной системы непрерывного действия. Поэтому все тепловые системы обогрева крыла и оперения являются циклическими. При втором способе выхлопные газы отводятся от реактивного сопла. Для снижения температуры они смешиваются с опреде­ленным количеством холодного воздуха. Из-за возможной коррозии трубо­проводов и элементов конструкции ЛА этот способ не получил широкого распространения. Третий способ более прост, так как не требует дополнительных установок. Нагретый воздух до 150-200 ºС от компрессора используется непосредственно в противообледенительной системе.

Из всех рассмотренных систем наибольшими преимуществами обладает электротепловая противообледенительная система. Она имеет более высокий коэффициент использования тепла, проще позволяет выполнить цикличность по заданной программе, легче обеспечивает защиту от обледенения небольших поверхностей, позволяет рационально распределять и регулировать подводимую энергию к защищаемой поверхности. Однако она имеет недостатки: большую сложность и вероятность отказов; необходимость более строгого контроля; сложность получения электро­энергии по сравнению с другими видами энергии; более трудоемкое обслуживание.