Обледенение воздушного судна

Обледенением называется отложение льда (инея или изморози) на обтекаемых частях ВС, силовых установках и внешних деталях специального оборудования при полете в облаках, тумане, дожде или мокром снеге.

Необходимым и достаточным условием для обледенения ВС в полете являются наличие достаточной влаги в воздухе (облака, осадки), отрицательные температуры воздуха и поверхности ВС.

Обледенение характеризуется интенсивностью отложения льда на поверхности ВС, которая зависит от многих параметров как ВС и окружающей среды, так и условий полета.

По статистике ICAO, из-за обледенения ежегодно происходит около 7 % всех авиационных катастроф, связанных с метеорологическими условиями, и 1 % всех авиакатастроф вообще. Около 4% авиационных происшествий в сложных метеоусловиях приходится на обледенение. Таким образом, знание экипажем основных сведений об обледенении ВС, его характеристиках и влиянии на полет ВС позволяют повысить уровень безопасности полетов.

Интенсивность обледенения ВС характеризуется толщиной льда, отлагающегося на единице площади обледеневающей поверхности ВС в единицу времени. В зависимости от интенсивности различают три вида обледенения:

— слабое		– при интенсивности обледенения, равной 0,5 мм/мин;
— умеренное		– при интенсивности обледенения, равной 0,5–1 мм/мин;
— сильное		– при интенсивности обледенения, равной 1 мм/мин.

Слабое обледенение представляет собой накопление льда, который может быть удален с помощью противообледенительного оборудования. Оно не представляет серьезной опасности для воздушного судна, оборудованного противообледенительной системой.

Умеренное обледенение – обледенение такой интенсивности, при котором обычные методы борьбы с обледенением обеспечивают лишь ограниченную защиту. Лед продолжает накапливаться, но скорость его накапливания еще недостаточна для того, чтобы серьезно повлиять на безопасность полета, если воздушное судно не находится в этих условиях в течение длительного периода времени.

Сильное обледенение – обледенение, при котором лед продолжает накапливаться, несмотря на все принятые меры борьбы с обледенением. Скорость накапливания льда достаточно велика, чтобы вызвать заметную потерю воздушной скорости и высоты. Этот вид является критическим с точки зрения безопасности полета.

Одно и то же значение интенсивности для одного типа ВС может представлять опасность, а для другого быть безопасным. Ледяные отложения на поверхности ВС могут образовываться в результате:

• замерзания переохлажденных водяных капель облака, тумана или дождя при

соприкосновении их с частями ВС;

• непосредственного оседания кристаллов льда, снега, града;

• сублимации водяного пара на поверхности ВС.

Процесс образования льда на ВС вследствие замерзания переохлажденных капель является самым распространенным и опасным.

Кристаллы, сухой снег и град обычно не оседают на поверхности ВС, так как сметаются потоком воздуха. Однако при полетах реактивных самолетов отмечались случаи обледенения в кристаллических облаках. Это объясняется тем, что поверхность ВС вследствие кинетического нагрева может иметь значительную положительную температуру, и кристаллы, соприкасаясь с ней, плавятся. Затем, замерзая снова, они образуют нарост шероховатого (бугристого) льда. В табл. 4.3 приведена зависимость кинетического нагрева поверхности ВС в сухом воздухе (Δtk) и облаках (Δtk¹) в зависимости от скорости полета (V).

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.