Обмерзання несучих поверхонь і органів управління літаків і вертольотів

 

У загальному збільшенні аеродинамічного опору літака при його обмерзанні частка крила й оперення може складати 70...80%. Викривлення профілю і збільшена шорсткість, які виникають при обмерзанні несучих поверхонь ПС, приводять до повного порушення їх ламінарного обтікання, до виникнення місцевих зривів потоку, що веде до турбулентного обтікання. Через значне збільшення профільного опору (при утворенні жолобоподібної форми льоду воно може збільшитися в 5...10 разів), зменшується підіймальна сила, при менших кутах атаки настає зрив потоку з несучих поверхонь, тобто істотно погіршується їхня аеродинамічна якість. Поляра літака при наявності обмерзання на крилі зазнає істотної зміни (рис.1.6), а величина критичного кута атаки різко зменшується (рис.1.7). А це означає, що зрив потоку починається на кутах атаки 9...10⁰, що дуже близько до польотних кутів атаки крила. Отже, посадку літака, щоб уникнути різкої втрати висоти, необхідно робити на менших посадкових кутах, тобто при більшій швидкості, що може привести до небезпечних наслідків.

Рис.1.6. Зміна поляри профілю крила при його обмерзанні

Рис.1.7. Залежність крити-чного кута атаки від характеру обмерзання

Вплив обмерзання несучих поверхонь і роботи системи захисту від обмерзання на льотні дані літака досить істотний. Однак найбільш небезпечний цей вплив на режимах зльоту і посадки ПС. При зльоті обмерзлого літака коефіцієнт підіймальної сили через викривлення форми профілю крила з випущеною механізацією зменшується, а коефіцієнт лобового опору зростає інтенсивніше, ніж у крила з прибраною механізацією. Це приводить до значного збільшення швидкості відриву, довжин розбігу і зльотної дистанції. Зменшується швидкість звалювання, а тому ефективність органів управління при обмерзанні помітно знижується, літак може потрапити в режим звалювання. Нарешті, сильна турбулізація повітряного потоку, який обтікає літак, викликає його тряску та ускладнює пілотування на самому напруженому етапі польоту. Тому злітання на обмерзлому літаку не допускається.

Набагато складніше виявляється справа на режимі посадки ПС, тому що заборонити посадку обмерзлого літака, як правило, практично неможливо. При виконанні посадки в умовах обмерзання найбільш помітно змінюються характеристики стабілізації і управління літака.

На сучасних літаках з високим ступенем механізації крила кут установки стабілізатора відносно хорди крила, як правило, негативний. Це обумовлено потребою подовжнього балансування літака при випуску закрилків, які створюють момент на пікірування. Зменшення кута атаки крила при випуску закрилків супроводжується зменшенням кута атаки горизонтального оперення або збільшення негативного значення кута атаки оперення. Крім того, при випуску закрилків відбувається перерозподіл піднімальної сили по розмаху крила: на кінцевих частинах крила піднімальна сила зменшується, а в центральній частині – збільшується. Це приводить до збільшення скосу потоку за крилом у зоні горизонтального оперення, яке знаходиться в зоні аеродинамічного впливу закрилків (рис.1.8).

Отже при заході літака на посадку з випущеними закрилками кут атаки стабілізатора може досягати великих негативних значень, близьких до критичних. Тому при обмерзанні носової частини стабілізатора можливий передчасний зрив потоку при великих негативних кутах атаки нижньої поверхні горизонтального оперення. Виникнення зриву потоку викликає зменшення від’ємної піднімальної сили стабілізатора і порушення подовжнього балансування літака (рис.1.9). У літака при цьому розвивається мимовільна тенденція до пікірування, яке супроводжується збільшенням негативного перевантаження, так зване «клювання». Отже, обмерзаннстабілізатора, особливо його передньої частини, значно небезпечніше, ніж обмерзання крила. Відхиленням руля висоти не завжди можна парирувати це прагнення літака до пікірування, тому що він може опинитись в зоні зриву потоку. Спроба вивести літак з пікірування збільшенням тяги може не поліпшити, а погіршити положення, тому що на деяких літаках при збільшенні тяги створюється пікіруючий момент.

Рис.1.8. Схема виникнення зриву потоку на стабілізаторі при малих негативних кутах атаки крила

Рис.1.9. Вплив форми обмерзання на балансування літака при випущені в посадкове положення зак-рилок: 1 – без обмерзання; 2–при клиноподібній формі льоду; 3 –при жолобоподібній формі льоду

 

Характерними ознаками початку зриву потоку з горизонтального оперення є сильна тряска планера, особливо стабілізатора, посмикування штурвала в момент випуску закрилків, мимовільне зменшення кута тангажа, ненормальне збільшення зусиль на штурвалі від руля висоти більше або менше звичайного в залежності від характеру обмерзання стабілізатора. З появою на посадці зазначених вище ознак рекомендується швидко прибрати закрилки до злітного кута і штурвалом виправити траєкторію польоту.

Через меншу ефективність рулів та елеронів посадку обмерзлого літака варто робити на трохи підвищеній тязі двигунів, причому відразу з першого заходу, тому що відхід на друге коло небезпечний і може бути допущений у винятковому випадку при неможливості посадки з першого заходу.

При обмерзанні носової частини кіля літака зменшується критичний кут атаки вертикального оперення, а боковий фокус літака переміщується вперед, тобто шляхова стійкість літака зменшується. У зв'язку з цим при пілотуванні літаків в умовах обмерзання встановлені більш жорсткі обмеження щодо припустимих кутів ковзання.

Турбулізація межового шару і виникнення місцевих зривів через обмерзання несучих поверхонь літака порушують роботу елеронів, щитків, закрилків і інших органів керування аналогічним образом.

Варто відзначити що найбільш важкі наслідки виникають при обмерзанні літаків з високоефективною механізацією крила, особливо скошених крил із системою керування межовим шаром.

До втрати управління літака може привести і обмерзання щілин органів управління, яке знижує ефективність рулів, а також може викликати їхнє заклинювання.

Обмерзання передніх країв рулів, стиків секцій передкрилків, рухливого стабілізатора, елеронів, щитків, закрилків може виникнути при перетіканні потоків повітря, що містять переохолоджені краплі, через перепад тисків між верхньою і нижньою поверхнями. До тих самих наслідків може призвести забивання стиків органів керування при польоті літаків в умовах інтенсивного дощу або мокрого снігу, якщо температура середовища негативна.

Обмерзання вертольотів відбувається практично в тих самх метеорологічних умовах, що і невисотних літаків.

Характер обмерзання лопастей несучого і рульового гвинтів значною мірою залежить від температури навколишнього повітря і режиму польоту.

Погіршення льотних характеристик вертольота в умовах інтенсивного обмерзання визначається головним чином ступенем обмерзання лопастей несучого і рульового гвинтів.

Обмерзання лопасті приводить до зміни її маси, моменту інерції, аеродинамічних характеристик і махового руху. В результаті цього зростає рівень і змінюється частотний спектр вібрацій конструкції, зменшуються швидкопідйомність і максимальна швидкість польоту, погіршуються стабільність, управління і маневрування вертольота. Особливо сильний вплив на зниження рівня безпеки польотів вертольота в умовах обмерзання має зростання необхідної потужності і різке погіршення авторотаційних властивостей несучого гвинта.

Поряд з аеродинамічним впливом обмерзання лопастей несучого гвинта вертольота, існує так само, як на повітряних гвинтах, механічний фактор, тобто довільне самоскидання льоду. Воно, як правило, несиметричне, через зміну якості або неоднакової чистоти поверхні лопастей. Це викликає сильну тряску вертольота і механічні ушкодження сусідніх лопастей, роторів компресорів двигунів, елементів фюзеляжу (у тому числі стабілізатора), антен і т.п. Вібрація несучого гвинта передається на двигуни, а частота обертання гвинта починає зменшуватись.

Збільшенням потужності силової установки не завжди вдається парирувати зменшення піднімальної сили гвинта. При виникненні динамічних асиметрій втрачається стабілізація вертольота і він починає безладно втрачати висоту.