Системи захисту літаків і вертольотів від обмерзання

Для забезпечення безпеки польотів літальних апаратів в умовах обмерзання і регулярності рейсів за будь-яких кліматичних умов застосовуються спеціальні системи захисту від обмерзання (СЗО).

На сучасних літаках і вертольотах від обмерзання захищаються: несучі поверхні (крило, стабілізатор, кіль, повітрозабирачі, авіаційні двигуни, повітряні, несучі і рульові гвинти, оглядове засклення ліхтарів кабіни екіпажу, датчики приладів і антенні пристрої, усі поверхні і деталі, утворення льоду на який може викликати ушкодження або порушити роботу авіаційного двигуна, тобто стійки, обтічники, захисні сітки і т.п.).

Безпека польотів ПС в значній мірі залежить від можливостей безпосереднього контролю метеорологічних умов польоту повітряного судна і своєчасного виявлення початку процесу його обмерзання. Це здійснюється за допомогою спеціальних пристроїв – сигналізаторів обмерзання, які встановлюються на борту літаків і вертольотів. Вони можуть бути як автономними приладами, так і входити до складу СЗО.

В останньому випадку сигналізатори обмерзання використовуються для автоматичного вмикання і вимикання СЗО найбільш важливих агрегатів ПС (силових установок, датчиків, приладів, повітряних, несучих і рульових гвинтів, засклення кабіни екіпажа і т.п.) або автоматичного керування режимами роботи систем захисту від обмерзання, особливо у випадку циклічного режиму їхньої роботи.

Сигналізатори обмерзання, що застосовуються на ПС підрозділяються на дві основні групи: непрямої і прямої дії. Сигналізатори першої групи реагують на наявність в атмосфері переохолоджених крапель води. Принцип дії цих сигналізаторів оснований на вимірюванні таких непрямих характеристик, як тепловіддача або електропровідність повітря. Вони мають високу чутливість, тому для відключення їхнього помилкового спрацьовування при позитивних температурах необхідно обов'язково вимірювати температуру атмосферного повітря (щоб відрізнити звичайні краплі від переохолоджених, які зумовлюють обмерзання).

Сигналізатори другої групи реагують безпосередньо на утворення шару льоду на датчику. Вони трохи поступаються у чутливості першим, тому що для утворення на датчику шару льоду необхідний деякий відрізок часу.

На чутливість сигналізаторів цієї групи значно впливають розміри і форма датчиків, а також місце їхнього розташування на борту ПС.

У загальному вигляді сигналізатори обмерзання містять у собі: датчик, перетворювач сигналу у візуальний покажчик (сигнальна лампа, табло, покажчик обмерзання на щитку СЗО дошки приладів кабіни екіпажа) чи звуковий сигналізатор обмерзання.

До сигналізаторів обмерзання першої групи відносяться: електропровідні (контактний і хімічний) і теплові (наприклад, інтенсиметр), а також дистанційні сигналізатори у виді локаційних пристроїв.

До сигналізаторів обмерзання другої групи відносяться: найпростіший по конструкції стандартний візуальний покажчик обмерзання типу штиря, а також широко розповсюджені механічні, електропневматичні і найбільш сучасні радіоізотопні сигналізатори обмерзання.

Для захисту ПС від обмерзання використовуються механічний, фізико-хімічний і тепловий способи.

Механічний спосіб заснований на механічному впливі на шар льоду шляхом сколювання, деформації або його відриву під дією відцентрових, аеродинамічних чи інших зовнішніх сил.

Фізико-хімічний спосіб заснований на використанні різноманітних речовин у вигляді рідин, змащень, паст, що або знижують температуру замерзання переохолоджених крапель, які потрапляють на поверхню, що захищається, при змішуванні з ними, або зменшують силу зчеплення льоду з обшивкою, частково розчиняють його, зменшують силу зчеплення поверхні.

Тепловий спосіб заснований на нагріванні поверхні, що захищається, до позитивних температур, температур розтанення льоду або випаровування плівки води.

Дуже часто в СЗО системах використовується комбінація декількох способів, наприклад, механічного і фізико-хімічного, механічного і теплового.

Залежно від способу, який покладено в основу принципу дії, всі системи захисту від обмерзання можна розділити на механічні, фізико-хімічні і теплові.

У свою чергу кожна з них може підрозділятися по виду застосованої енергії і фізичної сутності, закладеної в основу їхньої роботи. Наприклад, до механічних систем відносяться: пневматичні СЗО, у яких використовується енергія стиснутого повітря, електроімпульсні СЗО, де використовується електроенергія високої частоти, що подається імпульсами. До теплових – повітряно-теплові, електротеплові СЗО, де в перших теплоносієм є розігріте повітря, а в других – електрична енергія, що перетворюється в теплову.

Разом з цим усі системи захисту від обмерзання ПС за характером роботи можуть бути розділені на дві групи: беззупинної (постійної) дії і циклічної дії. СЗО беззупинної дії не допускають обмерзання поверхні, що захищається. СЗО циклічної дії допускають утворення льоду на поверхні, що захищається, до визначеної товщини, безпечної для польоту, а потім видаляють нарости льоду, що утворилися.

Незалежно від зазначених ознак усі системи захисту від обмерзання ПС підрозділяють за місцем їхнього розташування: крила (передкрилки і носові частини по всій довжині), хвостового оперення (носові частини стабілізатора і кіля), повітряних гвинтів (коки і передні частини лопастей), несучих і рульових гвинтів (передні частини лопастей), силових установок (повітрозабирачі і вхідний направляючий апарат), лобове засклення ліхтаря кабіни екіпажа, приймачі повітряних тисків, датчики кутів атаки і т.д.

При тому самому принципі роботи всі СЗО системи ПС можуть відрізнятися конструктивним виконанням.

На сучасних ПС одержали поширення повітряно-теплові, електротеплові і електроімпульсні системи захисту від обмерзання, причому функціонування повітряно-теплових СЗО забезпечується гарячим повітрям, що відбирається від останніх ступенів компресорів двигунів, а електротеплових і електроімпульсних – джерелами електроживлення літаків (вертольотів).

Для боротьби з обмерзанням у польоті використовуються такі способи: обхід зон обмерзання і своєчасний вихід з них; зміна режиму польоту; увімкнення (а іноді і вимикання) систем захисту від обмерзання.

Інформацію про початок обмерзання літака (вертольота) екіпаж одержує від сигналізаторів обмерзання, встановлених у зоні візуального огляду кабіни екіпажу і у вхідних тонелях повітрозабирачів двигунів. Крім того, частина передкрилків, носових частин крила і двигунів може бути оглянута екіпажем у польоті через бокове скло кабіни екіпажа або ілюмінатори в пасажирських (вантажних) кабінах ПС. Основне керування СЗО здійснюється з пульта бортінженера (борттехніка). Увімкнення СЗО крила і хвостового оперення здійснюється тільки в польоті до входу в зону обмерзання, а вимикання через 10 хв після виходу з неї.

Обігрів лобового скла ліхтаря кабіни екіпажу, як правило, вмикається на землі на весь час польоту ПС незалежно від кліматичних умов, а СЗО силових установок, повітряних, несучих і рульових гвинтів на землі незалежно від обмерзання при температурі зовнішнього повітря нижче ніж 5⁰С, при наявності туману, мряки, дощу або снігопаду.

Повітряно-теплова СЗО широко використовується для захисту передніх частин крила, хвостового оперення і повітрозабирачів двигунів. Досвід експлуатації показує, що вона досить ефективна, досить проста і надійна в роботі, відмов її практично не буває. Однак варто враховувати, що її включення негативно впливає на роботу двигунів: так при польоті на знижених режимах роботи двигунів (при посадці ПС) знижується витрата і температура повітря, яке відбирається для систем захисту від обмерзання (наприклад, температура повітря на вході в СЗО може знизитись в 2 рази, порівняно з режимом горизонтального польоту чи набору висоти), що приводить до зниження ефективності дії СЗО і збільшенню її теплової інерції (тобто часу, необхідного для нагрівання поверхні, що обігрівається, до необхідної температури). У той же час при використанні повітряно-теплової СЗО її варто вмикати в небезпечних для обмерзання умовах завчасно, за 3...5 хвилин до входження в зону обмерзання, щоб система цілком прогрілася. Крім того не рекомендується включати повітряно-теплову ПОС на максимальному режимі роботи двигунів (режим зльоту), тому що зі зменшенням подачі повітря в камери згоряння може значно підвищитись температура газів перед турбіною і навіть з'явиться помпаж компресорів двигунів. В усіх випадках увімкнення повітряно-теплових СЗО відбувається збільшення питомої витрати палива силової установки ПС.

Широке поширення на сучасних ПС (особливо на літаках із ТГвД і вертольотах) одержали електротеплові системи захисту від обмерзання беззупинної і циклічної дії. Електротеплова СЗО складається з елементів електричного опору, розміщених між двома шарами ізоляції, а до елементів підводиться змінний електричний струм (частотою 400Гц) для їхнього нагрівання. При цьому зовні на носових частинах несучих поверхонь ці елементи захищені шаром гуми й обкуттям з нержавіючої сталі від абразивного зносу. Електротеплова СЗО здійснює майже поверхневий обігрів без зайвої витрати енергії усередину конструкції. Її теплова інерція менше і складає приблизно 20 сек, а електричний елемент охоплює 12...20 % хорди профілю. Електротеплова СЗО не має недоліків, властивих повітряно-тепловий СЗО (тобто не має впливу на роботу силової установки ПС). Однак недоліком її є велика витрата електроенергії і залежність від надійності бортових джерел електроенергії. Через великі витрати електроенергії в електротеплових СЗО найчастіше використовується циклічне (секційне) увімкнення обігріву несучих поверхонь ПС, які захищаються від обмерзання, що забезпечується спеціальними програмними механізмами.

За допомогою електротеплових СЗО забезпечується захист від обмерзання носових частин передкрилків, крила і хвостового оперення, засклення ліхтаря кабіни екіпажу, приймачів повітряного тиску, датчиків кута атаки і ковзання, носових частин лопастей повітряних гвинтів ТГвД, несучих і рульових гвинтів вертольотів. Вмикання електротеплових СЗО, здійснюється після появи на них льоду. У той же час електротеплові СЗО засклення ліхтаря кабіни екіпажа, ППТ, ДК А та К, лопастей гвинтів ТГвД, НГ і РГ вмикаються на землі при температурі зовнішнього повітря нижче 5⁰С и несприятливих метеоумовах, щоб вони достатньо прогріли поверхні, що обігріваються, і попередили їх обмерзання.

Роботу електротеплових СЗО контролюють за покажчиками амперметрів і за часом вмикання і вимикання сигнальних ламп. Стан зовнішніх поверхонь системи обігріву перевіряють і візуально, переконуючись у відсутності механічних ушкоджень, зморщення обшивки, прогару і т.д.

На деяких типах ПС (Іл-86, Іл-96) застосовується електро-імпульсна СЗО крила і хвостового оперення. Видалення льоду з обшивки поверхонь, що захищаються, здійснюється шляхом створення в матеріалі обшивки імпульсної пружної деформації у вигляді пружних хвиль напруги з інтенсивністю, достатньої для створення в крижаному шарі напруг, які перевищують динамічну міцність льоду, але при цьому не викликають утомлених явищ у матеріалі конструкції. Різкий стрибок напруги, яку несе пружна хвиля, що поширюється уздовж обшивки, приводить практично до миттєвого і повного руйнування шару льоду, який зноситься набігаючим повітряним потоком.

Для видалення льоду механічна енергія може бути передана у вигляді короткої серії коливань або одного імпульсу з тривалістю 10^-3…10^-5с і з інтервалом 1..2 с.

Перевагами електроімпульсних СЗО є більш широкий діапазон робочих температур (до мінус 40⁰С); значна економія енергії (у 100 і більше разів); великий виграш у масі і компактності; відсутності бар'єрного льоду, що утворюється за рахунок розтікання розтопленого льоду на поверхні під дією швидкісного напору при теплових способах їхнього захисту.

Іноді на ПС використовуються рідинні системи захисту від обмерзання для захисту несучих поверхонь (крила, хвостового оперення, лопастей повітряних і несучих гвинтів, стекол кабін екіпажа). У якості рідин від обмерзання використовуються спирти - етиловий, ізопропіловий та інші або суміш спирту з гліцерином, що зменшують змочуваність поверхні обтікання і, відповідно, силу зчеплення льоду з нею, а також рідини на основі гліколя, наприклад, етиленгліколь. Суміш переохолоджених крапель і гліколів (чи спиртів) при оптимальному їхньому співвідношенні може не змерзнути у всьому розрахунковому для СЗО діапазоні температур.

Звідси випливає, що рідинні СЗО більш ефективні як профілактичні, тобто попереджуючих обмерзання або розчинників льоду, що утворився (для цього процесу необхідний час). Найбільш широке поширення рідинні СЗО одержали для захисту від обмерзання засклення ліхтарів кабін екіпажа, повітряних і несучих гвинтів літаків і вертольотів з поршневими двигунами , а також на деяких літаках із ТГД для захисту від обмерзання несучих поверхонь. Під невеликим тиском рідина безупинно або імпульсами подається через спеціальні розподільні канали на поверхні, що захищаються. Залежно від витрати рідини від обмерзання СЗО може працювати в двох режимах: попередження обмерзання (шляхом зниження температури замерзання суміші води і робочої рідині і подальшому її змиванні з поверхонь) і періодичного видалення наростів льоду (шляхом розтоплювання нижніх шарів льоду робочою рідиною, утворюючи водяну плівку і зменшуючи силу зчеплення льоду з обшивки з подальшим її видаленням аеродинамічним потоком з поверхні, що захищається,). При цьому циклічність роботи системи залежить від інтенсивності обмерзання і швидкості польоту ПС. Рідинна СЗО досить ефективна при невеликих витратах робочої рідини.

До достоїнств рідинної СЗО варто віднести: простоту конструкції, малу масу, відсутність розтікання переохолодженої води й утворення бар'єрного льоду, достатня швидкодія, тому що система починає працювати відразу ж після подачі рідини на поверхню.

Основними недоліками рідинної СЗО є: обмежений час роботи системи, що залежить від запасу робочої рідини; можливість погіршення фільтруючих властивостей пористої обшивки в процесі експлуатації; невисока ефективність системи у випадках високої інтенсивності обмерзання або при спізнілому вмикання системи; пожежна небезпека робочої рідини.