1.2.2 Обледенение воздушного судна на земле и в воздухе
Опыт эксплуатации воздушных судов и специальные исследования показывают, что наземное обледенение является серьезной проблемой для современного воздушного транспорта. Несмотря на большую работу по совершенствованию средств и методов защиты авиации от этого явления, авиационные катастрофы по этой причине не прекращаются.
Распределение происшествий, связанных с обледенением, по взлетной массе самолетов показывает, что происшествия, связанные с обледенением в воздухе, происходят в основном с самолетами с максимальной взлетной массой менее 50 т, т.е. обледенение в воздухе оказывает более негативное влияние на летные характеристики сравнительно небольших самолетов.
Наземное же обледенение приводит к катастрофам самолетов с большой взлетной массой
(см. рис. 1. 1).
Рисунок 1.1 - Ошибочное решение командира экипажа выполнять взлет на воздушном судне не прошедшем противообледенительную обработку
Анализ инцидентов непосредственно связанных с наземным обледенением, показал следующее:
- все инциденты являются следствием выпуска в полет самолетов с не удаленными или не полностью удаленными снежно-ледяными отложениями, т.е. противообледенительная обработка не обеспечила требуемой «чистоты» поверхности самолета или частей силовых установок (последняя категория инцидентов наиболее многочисленная);
- большинство инцидентов происходит на этапе взлета и набора высоты;
- лёд, образующийся на самолете во время его нахождения на земле, может сохраняться в течение нескольких часов полета и сыграть отрицательную роль при снижении, посадке или при уходе на второй круг.
По последствиям рассмотренные инциденты разделяются на три группы:
Нарушение работы, опасные вибрации, помпаж, отказы и повреждения двигателей, что приводит к прерванным взлетам, возвратам со старта и вынужденным посадкам;
Ухудшение характеристик устойчивости и управляемости самолетов из-за наземного обледенения, что приводит чаще всего к опасному кабрированию на взлете, самопроизвольному кренению самолета, изменению усилий на штурвале и частичному заклиниванию органов управления;
Случаи, связанные с повреждениями льдом конструкции планера самолета, двигателей, не уборкой шасси, нарушениями в работе приборов и оборудования и другие.
Основными причинами инцидентов являются:
- недостаточное исполнение летным и техническим персоналом требований документов, регламентирующих эксплуатацию самолета при наличии наземного обледенения;
- недостаточно надежны средства и методы контроля за отсутствием льда на поверхности самолета и элементах двигателей перед взлетом;
- несовершенство инструкций и рекомендаций по эксплуатации.
Например:взлеты ВС, подвергнутых наземному обледенению, происходят по нескольким причинам:
- когда экипаж отказывается от ПОО при наличии признаков обледенения;
- превышено допустимое время от момента применения ПОО до начала взлета;
- не использованы в полной мере имеющиеся на самолетах ПОС;
- недостаточно полными и точными являются инструкции авиакомпаний, определяющие действия экипажей при возникновении условий обледенения.
Перечисленные примеры образуют одну главную причину–«недостаточное исполнение техническим и летным персоналом принципиальных и конкретных (для данного типа ВС) требований документов, регламентирующих эксплуатацию ВС при наличии условий наземного обледенения».
Для разработки практических мер по предотвращению авиационных происшествий большое значение имеет изучение обстоятельств, последствий и причин происшествий.
Ниже представлены варианты влияния условий наземного обледенения на безопасность полетов воздушных судов.
Причиной обледенения самолета на землемогут послужить многие атмосферные и окружающие условия:
- ледяной налет;
- снег;
- замерзающий туман;
- замерзающая морось;
- замерзающий дождь;
- морось;
- туман или высокая влажность в сочетании с наличием холодного топлива, (последний тип обледенения может возникнуть при температуре окружающего воздуха значительно выше точки замерзания) и т.д.
При подготовке ВС к полету атмосферные условия могут быть неустойчивыми. Часто бывает трудно обнаружить прозрачный лед.
К другим условиям, способствующим обледенению поверхностей ВС, относятся:
- эксплуатация ВС на перроне, рулежных дорожках (РД) и ВПП, покрытых водой, слякотью или снегом. Эти «загрязнения» могут отложиться на поверхностях самолета в результате ветра, маневрирования самолета, воздействия реактивной струи или при работе наземного оборудования;
- теплые поверхности самолета, попадающие под переохлажденные осадки при температуре ниже точки замерзания и вызывающие таяние выпавших осадков, которые затем снова замерзают.
В условиях замерзающего дождя и мороси, сильного снегопада или в других условиях, когда в замерзаюших осадках содержится большое количество воды, многие противообледенительные процедуры могут оказаться неэффективными.
При Тн.в. ниже –30°С некоторые нагретые противообледенительные жидкости типа I не действуют.
Все виды наземного обледенения разделяются на 3 группы.
К первой группе относятсяобледенения, которые образуются в результате перехода (сублимации) пара в лед, минуя жидкую фазу. Сюда входят иней, твердый (кристаллический) налет и кристаллическая изморозь.
Ко второй группе относятсявиды обледенения, связанные с наличием в атмосфере переохлажденной воды. В этом случае лед образуется в результате кристаллизации на поверхности самолета переохлажденных капель дождя, тумана или мороси.
К третьей группе относятсявиды наземного обледенения, образующиеся в результате замерзания на поверхности самолета обычной непереохлажденной воды (дождя, мокрого снега, осевших капель тумана, конденсата водяных паров и др.).
Примечание.В эту же группу (3) входит и«топливный лед» («топливное обледенение»),который образуется при выпадении обычных (непереохлажденных) капель или в условиях высокой влажности при положительных (до + 15 °С) или небольших отрицательных температурах воздуха на верхних участках поверхностей самолета в зоне размещения баков с полной заправкой топливом, имеющим более низкую отрицательную температуру. Наибольшую опасность для самолетов с хвостовым расположением двигателей представляет образование такого льда на верхней поверхности корневой части крыла, где обычно располагаются топливные баки. Толщина льда может превышать 15 мм, а площадь, на которой он образуется, может быть очень значительной. При этом никакого обледенения других частей самолета и наземных предметов, имеющих положительную температуру, естественно, не наблюдается. Это часто вводит в заблуждение технический и летный составы, которые считают, что наземное обледенение отсутствует и противообледенительная обработка самолета не требуется. Другой особенностью такого обледенения является то, что лед, покрывающий обшивку самолета в зоне топливных баков, обычно бывает прозрачным и его трудно обнаружить.
Факторами, способствующими накоплению замерзающих осадков и топливному обледенению, являются:
- температура окружающего воздуха;
- относительная влажность;
- тип и интенсивность осадков;
- тип и плотность тумана;
- тепловое излучение;
- скорость и направление ветра;
- температура поверхности самолета, включая температуру топлива в крыльевых баках;
- суточный перепад температур;
- тип и температура противообледенительной жидкости;
- водный раствор жидкости, используемый для устранения или предотвращения обледенения;
- порядок применения противообледенительной жидкости;
- время, прошедшее после противообледенительной обработки;
- нахождение самолета в непосредственной близости от реактивной струи другого самолета, оборудования и конструкций;
- эксплуатация на поверхностях, покрытых снегом, слякотью и влагой;
- угол наклона, обводы и шероховатость поверхности самолета;
- условия парковки самолета (вне ангара, частично или полностью в ангаре).
Сброс такого льда с крыла и попадание его в двигатели, как правило, происходит на взлете или начальном этапе набора высоты, что приводит к нарушениям работы и повреждениям двигателей.
Типичной для «топливного обледенения»является ситуация, когда охлаждение топлива до низких отрицательных температур происходит в обычном крейсерском полете. Затем самолет совершает посадку на аэродром, где имеются благоприятные для такого обледенения условия: продолжительный дождь, морось, небольшая положительная температура, при которой отрицательная температура топлива в баках самолета может сохраняться в течение многих часов.
Нижние поверхности баков покрываются значительным до 10 - 15 мм слоем инея. Верхние поверхности не имеют обледенения, поскольку при штатных посадках в баках всегда находится минимальный остаток топлива. Даже при коротких рейсах топливо в баках может быстро охлаждаться. За час полета температура топлива самолета, совершающего полет на крейсерских высотах, понижается на 10...15°С. . Если при взлете температура топлива составляет, например, +5 °С, то после полета продолжительностью 1,5 часа температура топлива в момент посадки может составлять –5…–10 °С.
Возможен и другой случай, когда самолет в пункте вылета заправляется сильно охлажден- ным топливом, а прилетает на аэродром, где температура воздуха положительная и идут осадки. Иногда экипаж самолета, на котором во время стоянки имело место «топливное обледенение», не отмечает каких-либо отклонений от нормы при выполнении полета, а последствия обледенения обнаруживаются лишь после посадки.
Влияние наземного обледенения на воздушное судно и силовую установку
Обледенение ведет к ухудшению аэродинамических и летных характеристик воздушного судна. При этом, как отмечалось ранее, возможны повреждения конструкции и нарушения работы силовой установки, самолетных систем, а также приборов, связанных с приемниками воздушного давления.
Лед, образовавшийся в статических отверстиях или датчиках угла атаки, может исказить вводимую в системы пилотажных приборов информацию об абсолютной высоте, воздушной скорости, угле атаки и мощности двигателя.
По своей чувствительности к обледенению самолеты разных типов значительно отличаются друг от друга. Степень влияния обледенения в большей мере зависит от конструктивных и аэродинамических особенностей самолета. Отложения льда, ледяного налета или снега на передней кромке и верхней поверхности крыла уменьшают подъемную силу крыла до 30 % и увеличивают лобовое сопротивление до 40 %.
Наземное обледенение самолета отличается от обледенения в полете. Если в полете лед образуется, как правило, лишь на лобовых частях самолёта, то на земле он обычно покрывает большую часть его верхней части крыла и оперения, а также поверхность фюзеляжа. Иногда наземное обледенение бывает несимметричным — возникает на той стороне самолета, которая обращена к ветру. Для некоторых типов авиационных профилей возможно резкое снижение коэффициента подъемной силы и уменьшение критического угла атаки при самом небольшом ледяном отложении.
Отсюда следует практический вывод о необходимости включения на взлете в условиях наземного обледенения противообледенительной системы крыла и оперения самолета (если таковая имеется и использование ее разрешено на взлетном режиме). Однако из этих данных нельзя делать вывод о том, что достаточно удалить лёд и снег только с носков крыла и оперения, поскольку отрицательное влияние наземного обледенения не ограничивается снижением только СуmaxиКmax.Для профилей с иным распределением давления вдоль хорды (с задним аэродинамическим нагружением) отрицательная роль ледяных отложений на участках поверхности, удаленных от носка крыла, усиливается. Наиболее сильно на несущие свойства крыла влияет шероховатость поверхности носка профиля. Если взлёт выполняется в условиях, когда возможно обледенение крыла, скорость отрыва и набора высоты должны быть увеличены, а угловая скорость отрыва уменьшена. При этом рекомендуется использовать противообледенительную систему самолёта сразу после взлёта.
Другим опасным последствием наземного обледенения является снижение эффективности органов управления. Обледенение крыла на тех участках, где расположены элероны, а также обледенение самих элеронов, отложение льда на оперении и рулях может привести к опасному ухудшению управляемости самолетом. Известны случаи, когда снег или лед, не удаленные с верхней поверхности горизонтального оперения и руля высоты, приводили при взлете к кабрированию самолета в момент отрыва носового колеса, что создавало крайне опасные ситуации. Дополнительным отрицательным фактором является и вес ледяных отложений, образовавшихся на поверхности самолета во время нахождения его на земле.
Серьезными и довольно частыми последствиями наземного обледенения являются отказ и ухудшение работы силовых установок. Это происходит в случае, когда противообледенительные устройства двигателей почему-либо не были включены или включены с опозданием (см. рис. 1.2).
Рисунок 1.2 - Несвоевременное включение противообледенительной системы, которое повлекло к обледенению входного устройства двигателя
Для многих типов газотурбинных двигателей их противообледенительная система вместе с системой обогрева воздухозаборников включается во всех случаях, когда имеется или ожидается обледенение, в том числе при небольших положительных температурах наружного воздуха и наличии повышенной влажности, осадков, тумана и мороси. Это объясняется возможностью образования льда на элементах двигателя даже при отсутствии видимого обледенения планера самолета. Лед на аэродинамических поверхностях и фюзеляже может отделяться во время взлета и попадать в двигатели с возможным повреждением лопаток вентилятора и компрессора.
В отличие от входных элементов двигателя, которые снабжены противообледенительными устройствами, рабочие лопатки компрессора, как правило, не имеют защиты, что может приводить к образованию на них льда и его сбросу. Это ведет к уменьшению тяги двигателя, неустойчивой его работе, возникновению недопустимых вибраций и самовыключению. Последствия обледенения двигателей во время работы на земле проявляются лишь при работе на взлетном режиме.
Критическим для самолета и силовой остановки может оказаться момент, когда режим от взлетного меняется на номинальный, включается противообледенительная система и лед сбрасывается с крыла.
По типу образования льда обледенения делятся на:
- инееобразное, возникающее вследствие мгновенного замерзания переохлажденных капель при соприкосновении с обшивкой;
- прозрачное, возникающее при относительно медленном замерзании крупных капель;
- смешанное.
По виду и структуре различают следующие отложения:
- прозрачный лед;
- матовый полупрозрачный лед, часто с бугристой поверхностью;
- непрозрачный белый лед, часто сравнительно рыхлый и непрочный;
- изморозь;
- иней.
Наиболее опасными с точки зрения изменения аэродинамических характеристик и наиболее распространенными по имеющейся практике видами обледенения являются желобообразныеирогообразное.
Вообще в процессе полета через зону, где имеются условия для обледенения лед обычно образуется на всех лобовых поверхностях самолета. Доля крыла и хвостового оперения в этом плане составляет около 75%, и именно с этим связано большинство тяжелых летных происшествий, случившихся из-за обледенения, которые имели место в практике полетов мировой авиации.
Главная причиназдесь — это значительное ухудшение несущих свойств аэродинамических поверхностей, увеличение профильного сопротивления (см. рис. 1.3).
Рисунок 1.3 - Изменение характеристик профиля крыла в результате обледенения